Регистрация / Вход
Прислать материал

Разработка технологического обеспечения при изготовлении изделий из углепластиков методом вакуумной инфузии

Сведения об участнике
ФИО
Марычева Антонина Николаевна
Вуз
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана"
Тезисы (информация о проекте)
Область наук
Новые материалы. Производственные технологии и процессы
Раздел области наук
Композитные материалы
Тема
Разработка технологического обеспечения при изготовлении изделий из углепластиков методом вакуумной инфузии
Резюме
В работе проведено моделирование кинетики процесса пропитывания в зависимости от двух факторов: величины сетевого угла и значений объема и величины пористости элементарной ячейки тканного наполнителя. В качестве объекта исследований рассматривается рефлектор зеркальной космической анкеты, отличительной особенностью которого является наличие поверхностей двойной кривизны. Моделирование кинетики процесса пропитывания рефлектора для двух типов тканных структур проводилось с использованием программного обеспечения RAM-RTM. В работе также исследовалось влияние сетевого угла на продолжительность процесса пропитывания.
Ключевые слова
вакуумная инфузия, углепластики, сетевой угол, моделирование, метод конечных элементов.
Цели и задачи
Цель настоящей работы состоит в моделировании кинетики процесса пропитывания в зависимости от двух факторов: величины сетевого угла и значений объема и величины пористости элементарной ячейки тканного наполнителя при изготовлении деталей двойной кривизны из углепластика на примере рефлектора зеркальной космической антенны.
Введение

Известно, что качество изделий из стекло – и углепластиков закладывается на самом первом этапе их формования - на этапе пропитки. Это связано с тем, что при пропитывании волокнистой заготовки непосредственно в процессе смачивания и растекания связующего по поверхности волокон и в микрокапиллярах наполнителя, имеет место типичное образование пор и участков непропитанной поверхности волокон. Эти участки образуют дефекты, снижающие прочность изделия. Количество таких дефектов увеличивается еще больше, если в спроектированном изделии наполнитель имеет криволинейную форму или сама преформа представляет собой интегральную панель, усиленную ребрами жесткости различной геометрической сложности.

Методы и материалы

В работе проводились расчеты с использованием программного комплекса ESI PAM-RTM,  предназначенного  для моделирования технологического процесса изготовления композитного изделия методом пропитки сухой ткани связующим. В представленном программном продукте реализована возможность расчета всех основных технологий производства методом инжекции связующего в форму. В ходе расчетов отрабатывалась оптимальная схема производства изделия, варьируя при необходимости, схему подачи/отвода связующего, расположение вакуумных портов, укладку композита, материалы, связующее, температурные режимы и т.д. Прогнозируется фронт распределения связующего, наличие сухих зон, пористость изделия, поле давления, степень полимеризации и т.д. 

Метод вакуумной инфузии экономически выгоден при изготовлении изделий еденичного производства, например, таких как рефлектор космической антены. 

На примере углеродной ткани, были рассмотрены два типа тканных структур: стандартная, у которой комплексная нить в разрезе имеет форму элипса и площенная, которая имеет прямоугольную форму. 

Описание и обсуждение результатов

Проницаемость тканых наполнителей зависит от многих факторов: строения текстильных материалов, типа плетения и геометрических характеристик нитей. 

Структура тканого наполнителя рассматривалась в соответствии с теорией П.Л. Чебышева, согласно которой два семейства линий, пересекающихся на поверхности, образуют сеть. Каждая ячейка такой сетки представляет собой четырехугольник. В данной работе рассмотрены два типа тканей марок Аспро А60 и обычная углеродная ткань марки Hexcel. Сечение волокон площенных тканей является прямоугольным, сечение стандартных тканей – элептическим.

Если поверхность оснастки, на которую выкладывается ткань, имеет криволинейную форму, то происходит изменение сетевых углов внутри каждой ячейки. Сетевой угол любой текстильной ткани представляет собой угол, между нитями основы и утка. Максимальное значение сетевого угла составляет a=90°, минимальное зависит от деформационных характеристик нитей ткани. Как правило, изменение сетевого угла происходит в диапазоне 30-90°. 

Полученные значения сетевых углов и времени процесса пропитывания были использованы для разработки технологических режимов пропитывания.

В результате проведенных экспериментальных и теоретических исследований, были полученно следующее:

  1. Экспериментально определены коэффициенты изотропной проницаемости, значения которых для углеродной ткани марки HEXCEL составили  Кх = 11.355·10-10, Кy = 8.956·10-10, а для Аспро А-60 K=4,25·10-8
  2. Исследовано влияния сетевого угла ткани на кинетику процесса ее пропитывания связующим. В результате проведенных расчетов установлено, что на продолжительность процесса пропитывания большое влияние оказывает угол, под которым связующее проходит по ткани. При фронтальной подачи связующего, при уменьшении сетевого угла имеет место увеличение продолжительности процесса пропитывания. При подачи связующего под углом 45 °, имеет место противоположная зависимость и при уменьшении сетевого угла время процесса пропитывания также уменьшается. 
  3. При выкладке тканей на криволинейную поверхность происходит деформация сетевого угла. Для обычных и площенных тканей эта величина изменяется от 90° до 68°. При уменьшении сетевого угла значения коэффициента проницаемости также уменьшаются, что приводит к увеличению времени пропитывания. Сравнение двух типов тканей (площенных и не площенных) показало, что стандартные (т.е. не площенные ткани, имеющие круглое сечение нитей) пропитываются быстрее, чем площенные, которые имеют прямоугольное сечение. Определены значения времени пропитывания, которое составило для обычной ткани 47 мин и 55 мин для площенных. 
Используемые источники
Бородулин А.С., Малышева Г.В., Романова И.К. Оптимизация реологических свойств связующих, используемых при формовании изделий из стеклопластиков методом вакуумной инфузии // Клеи. Герметики. Технологии. 2015. № 3. С.40-44.
Резник С.В. Актуальные проблемы проектирования, производства и испытания ракетно-космических конструкций // Наука и инновации. 2013. № 3(15).
Михайловский К.В., Резник С.В., Юрченко С.О. Прогнозирование зарождения и эволюции дефектов в материалах композитных конструкций многоразовых космических аппаратов на основе многомасштабного мат. моделирования // Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Серия: Приборостроение. 2010.
Миронов Ю.М., Храповицкая Ю.В.. Макеев М.О. и др. Оценка структурных дефектов углеродных волокон и ПКМ на их основе // Наука и образование: электронное научно-техническое издание. 2011. № 11.
Information about the project
Surname Name
Marycheva Antonina
Project title
Development of technological support in the manufacture of carbon fiber vacuum infusion
Summary of the project
In the simulations of the kinetics of impregnation process based on two factors: the value of the network angle and volume values ​​and the value of the unit cell tissue fillers porosity. As an object of research is considered a reflector mirror space profiles, the distinguishing feature of which is the presence of double-curvature surfaces. Kinetics Simulation reflector impregnation process for two types of tissue structures was carried out using RAM-RTM software. The paper also studied the effect of the network angle to the length of the impregnation process.
Keywords
Vacuum infusion , carbon composites , network corner , simulation , finite element method