RU2622924C1

RU2622924C1 - Equipment for forming products of polymer composite materials and method of its manufacture

Info

Publication number: RU2622924C1
Application number: RU2016107394A
Authority: RU
Inventors: Виктор Васильевич Авдеев; Алексей Валерьевич Кепман; Александр Владимирович БАБКИН; Екатерина Сергеевна Афанасьева; Анна Анатольевна Кузнецова; Эрдни Михайлович ЭРДНИ-ГОРЯЕВ; Марина Юрьевна Яблокова
Original assignee: Публичное акционерное общество "Воронежское акционерное самолетостроительное Общество" (ПАО "ВАСО")
Priority date: 2016-03-01
Filing date: 2016-03-01
Publication date: 2017-06-21

Abstract

FIELD: technological processes.

SUBSTANCE: equipment for forming products of polymer composite materials contains a supporting structure and a mould made of polymer composite material placed on it. At least one stiffening rib is located on the surface of the mould on the side of the supporting structure, which is made in the form of an elongated foam glass element coated with a layer of polymer composite material onto the mould surface. In this case, the shape and the layer of the polymer composite material, covering the stiffening rib, are made of layers of carbon reinforcing fiber impregnated with a low viscosity epoxy binder with an amine hardener.

EFFECT: improved quality of products manufactured from polymer composite materials.

12 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к области машиностроения, а именно к изготовлению оснастки, предназначенной для формования изделий из полимерных композиционных материалов (ПКМ), и может найти применение в аэрокосмической, автомобильной, судостроительной и других отраслях промышленности.The invention relates to the field of engineering, namely to the manufacture of tooling designed for molding products from polymer composite materials (PCM), and can find application in aerospace, automotive, shipbuilding and other industries.

В настоящее время для изготовления деталей из ПКМ используются оснастки, изготовленные из различных металлических сплавов или оснастки из композиционных материалов с металлическим каркасом.Currently, for the manufacture of parts from PCM, tooling is used, made of various metal alloys or tooling of composite materials with a metal frame.

Оснастки из алюминиевых сплавов достаточно хорошо подвергаются механической обработке, однако они обладают высоким коэффициентом линейного термического расширения (КЛТР), что накладывает существенные ограничения на применение данного материала, особенно при использовании высококачественных композиционных материалов авиационного назначения. В процессе формования изделия из ПКМ, технологический пакет нагревают до температур 180-240°С, при этом за счет высокого КЛТР материала оснастки происходит изменение ее геометрии, что, в свою очередь, приводит к изменению геометрии формуемой детали из ПКМ по отношению к изначально заданной, проявлению такого эффекта как коробление изделия (изменение геометрии изделия после снятия изделия с технологической оснастки), созданию остаточных напряжений, отрицательно влияющих на механические характеристики ПКМ при длительной эксплуатации изделия.Equipment made of aluminum alloys is machined quite well, however, they have a high coefficient of linear thermal expansion (CTE), which imposes significant restrictions on the use of this material, especially when using high-quality composite materials for aviation purposes. In the process of molding a product from PCM, the technological package is heated to temperatures of 180-240 ° C, while due to the high CTE of the material of the tool, its geometry changes, which, in turn, leads to a change in the geometry of the mold made from PCM with respect to the initial , the manifestation of such an effect as warpage of the product (changing the geometry of the product after removing the product from technological equipment), the creation of residual stresses that adversely affect the mechanical characteristics of the PCM during prolonged use of the product i.

Современный подход к изготовлению композиционных оснасток имеет ряд общих черт. Отдельно проводят изготовление формы на предварительно изготовленной мастер-модели, являющейся прототипом конечного изделия. Опорную конструкцию, на которой размещают форму, изготавливают обычно из металла. Основным недостатком этого подхода является, как упомянуто выше для некоторых металлических оснасток, разница в КЛТР металла и композиционной формы, что может приводить при изготовлении целевых изделий из ПКМ к искажению формы оснастки, развитию процессов коробления и остаточных напряжений в изделиях.A modern approach to the manufacture of composite tooling has a number of common features. Separately, the mold is manufactured on a pre-fabricated master model, which is the prototype of the final product. The supporting structure on which the mold is placed is usually made of metal. The main drawback of this approach is, as mentioned above for some metal snap-ins, the difference in the CTE of the metal and the composite shape, which can lead to distortion of the snap shape, the development of warping processes and residual stresses in the products when manufacturing target products from PCM.

Одним из основных способов, применяемых на сегодняшний день для компенсации происходящих изменений, является изготовление оснастки с заранее рассчитанным искажением, которое нивелируется за счет искажения геометрии изделия после формования, что позволяет изготавливать изделия с максимально точной геометрией. Кроме того, зачастую оценку правильности геометрических параметров изготовленной детали проверяют контактным методом путем размещения сформованной детали на оснастке и проверки прилегания поверхности детали к поверхности оснастки.One of the main methods used today to compensate for changes that occur is the manufacture of tooling with a pre-calculated distortion, which is leveled by distorting the geometry of the product after molding, which makes it possible to produce products with the most accurate geometry. In addition, often the assessment of the correctness of the geometric parameters of the manufactured part is checked by the contact method by placing the molded part on the tool and checking the fit of the part surface to the tool surface.

Проблема изменения геометрических размеров получаемых изделий становится особенно актуальной при изготовлении крупногабаритных интегрированных конструкций. При размерах оснастки порядка десяти метров изменение линейных размеров за счет КЛТР может достигать нескольких сантиметров, а в случае проявления эффекта коробления - нескольких десятков сантиметров.The problem of changing the geometric dimensions of the resulting products becomes especially relevant in the manufacture of large-sized integrated structures. With a snap size of about ten meters, the change in linear dimensions due to the CTE can reach several centimeters, and in the case of a warping effect, several tens of centimeters.

Наиболее близким аналогом предлагаемой оснастки для формования деталей из полимерных композиционных материалов является оснастка, содержащая опорную конструкцию и размещенную на ней форму из полимерного композиционного материала (RU 2090364, В29С 33/40, 20.09.1997). В этом же патенте раскрыт наиболее близкий аналог способа изготовления оснастки для формования изделий из полимерных композиционных материалов, включающего изготовление формы из полимерного композиционного материала и установку указанной формы на опорную конструкцию.The closest analogue of the proposed tooling for molding parts from polymer composite materials is a tooling containing a support structure and a mold placed on it from a polymer composite material (RU 2090364, В29С 33/40, 09/20/1997). In the same patent, the closest analogue of the manufacturing method of a tooling for molding products from polymer composite materials is disclosed, which includes manufacturing a mold from a polymer composite material and mounting said mold on a support structure.

Недостатком описанных в патенте RU 2090364 оснастки и способа ее изготовления является то, что при формовании изделий на форме, выполненной из ПКМ, осуществляют нагрев до температур 180-240°С, при этом происходит изменение геометрии формы, что, в свою очередь, приводит к изменению геометрии формуемой детали из ПКМ по отношению к изначально заданной и появлению остаточных напряжений и снижению качества изготавливаемых изделий.The disadvantage of the snap-in described in the patent RU 2090364 and the method of its manufacture is that when molding products on a mold made from PCM, they are heated to temperatures of 180-240 ° C, and this changes the geometry of the shape, which, in turn, leads to a change in the geometry of the molded part from PCM with respect to the initial set and the appearance of residual stresses and a decrease in the quality of manufactured products.

Задачей настоящего изобретения является повышение качества изготавливаемых из ПКМ изделий, в том числе крупногабаритных сложной геометрии, путем исключения искажения формы оснастки при низкой трудоемкости и себестоимости их изготовления.The objective of the present invention is to improve the quality of products made from PCM, including large complex geometry, by eliminating the distortion of the shape of the tool at a low labor intensity and the cost of their manufacture.

Технический результат достигается посредством оснастки для формования изделий из полимерных композиционных материалов, содержащей опорную конструкцию и размещенную на ней форму из полимерного композиционного материала, на поверхности которой со стороны опорной конструкции расположено по меньшей мере одно ребро жесткости, выполненное в виде удлиненного элемента из пеностекла, покрытого с заходом на поверхность формы слоем полимерного композиционного материала, при этом форма и слой полимерного композиционного материала, покрывающего ребро жесткости, выполнены из слоев углеродного армирующего волокна, пропитанного низковязким эпоксидным связующим с аминным отвердителем.The technical result is achieved by means of a tool for molding articles made of polymer composite materials containing a support structure and a mold made of a polymer composite material placed on it, on the surface of which from the side of the support structure there is at least one stiffener made in the form of an elongated foamglass element coated approaching the surface of the mold with a layer of polymer composite material, while the shape and layer of the polymer composite material, covering th stiffener are made of layers of carbon fiber reinforcement impregnated with low-viscosity epoxy binder with amine hardener.

Оснастка может содержать несколько ребер жесткости.The equipment may contain several stiffeners.

Технический результат также достигается посредством способа изготовления оснастки для формования изделий из полимерных композиционных материалов, включающего: изготовление формы из полимерного композиционного материала посредством размещения на поверхности мастер-модели нескольких слоев углеродного армирующего волокна, пропитки указанного волокна низковязким эпоксидным связующим с аминным отвердителем методом вакуумной инфузии и предварительного его отверждения при комнатной температуре; изготовление по меньшей мере одной заготовки ребра жесткости в виде удлиненного элемента из пеностекла; закрепление указанной заготовки ребра жесткости на поверхности формы, противолежащей ее рабочей поверхности; покрытие заготовки ребра жесткости слоем полимерного композиционного материала посредством выкладывания на поверхности указанной заготовки ребра жесткости с заходом на поверхность формы нескольких слоев углеродных армирующих волокон, пропитки упомянутых волокон низковязким эпоксидным связующим с аминным отвердителем методом вакуумной инфузии и предварительного его отверждения при комнатной температуре; постотверждение формы с расположенным на ней ребром жесткости по ступенчатому режиму при постепенном медленном нагреве; медленное охлаждение формы с расположенным на ней ребром жесткости и ее установку на опорную конструкцию с размещением ребра жесткости со стороны опорной конструкции.The technical result is also achieved by a method of manufacturing a tool for molding products from polymer composite materials, including: manufacturing a mold from a polymer composite material by placing several layers of carbon reinforcing fiber on the surface of the master model, impregnating the specified fiber with a low viscosity epoxy binder with an amine hardener by vacuum infusion and preliminary curing at room temperature; the manufacture of at least one stiffener blank in the form of an elongated foam glass member; fixing the specified workpiece stiffeners on the surface of the mold, the opposite of its working surface; coating the stiffener blank with a layer of polymer composite material by spreading stiffeners on the surface of the said blank with stiffening several layers of carbon reinforcing fibers onto the mold surface, impregnating the mentioned fibers with a low viscosity epoxy binder with an amine hardener by vacuum infusion and curing it at room temperature; post-curing of the form with a stiffener located on it in a stepwise mode with gradual slow heating; slow cooling of the mold with a stiffener located on it and its installation on the supporting structure with the placement of the stiffening rib on the side of the supporting structure.

Использованное для изготовления ребер жесткости пеностекло обладает уникальным комплексом свойств: низким КЛТР, низкой теплопроводностью, высокой теплостойкостью, достаточными значениям прочности и модуля упругости. Эти свойства пеностекла обусловливают оптимальную компенсацию происходящих при температурном формовании изменений формы оснастки, т.е. позволяют оснастке незначительно искажаться и по окончании формования при охлаждении возвращаться в прежнее состояние. При этом при нормальных условиях технологическая композиционная оснастка имеет точную форму и геометрию согласно заданным требованиям для проведения контактного контроля качества детали. Кроме того, за счет изменения количества и размера ребер жесткости из пеностекла можно по результатам предварительных расчетов регулировать возможные искажения оснастки и изделия с нее. При этом пеностекло хорошо обрабатывается, обладает низким весом, низкой себестоимостью и высокой долговечностью, не требует затрат энергии на множественные ремонты в течение всего срока службы. Оно не горит, негигроскопично, не впитывает жидкости, устойчиво к действию агрессивных веществ. Благодаря низкой теплопроводности пеностекло не требует дополнительных энергозатрат на его прогрев при формовании деталей при повышенных температурах. Таким образом, выполнение ребер жесткости из пеностекла - материала с высокой термостойкостью и максимально близким значением КЛТР к форме позволит минимально снизить или вовсе исключить ее коробление за счет разницы КЛТР и существенно повысить точность ее формы и геометрических параметров при изготовлении.The foam glass used for the manufacture of stiffening ribs has a unique set of properties: low CTE, low thermal conductivity, high heat resistance, sufficient strength and elastic modulus. These properties of foam glass provide optimal compensation for changes in the shape of the snap-fit that occur during temperature molding, i.e. allow the snap-in to be slightly distorted and at the end of molding during cooling to return to their previous state. Moreover, under normal conditions, technological composite tooling has the exact shape and geometry according to the specified requirements for conducting contact quality control of the part. In addition, due to changes in the number and size of stiffeners made of foam glass, it is possible, according to the results of preliminary calculations, to adjust the possible distortions of the equipment and products from it. At the same time, foam glass is well processed, has a low weight, low cost and high durability, does not require energy costs for multiple repairs throughout the entire service life. It does not burn, is non-hygroscopic, does not absorb liquids, and is resistant to aggressive substances. Due to the low thermal conductivity, foam glass does not require additional energy consumption for its heating during molding of parts at elevated temperatures. Thus, the implementation of stiffeners made of foam glass - a material with high heat resistance and the closest KLTR value to the form will minimize or eliminate its warpage due to the KLTR difference and significantly increase the accuracy of its shape and geometric parameters during manufacture.

Углеродные армирующие волокна могут быть использованы либо в виде ткани, либо в виде нетканого полотна, либо в виде площеной ленты и т.п.Carbon reinforcing fibers can be used either in the form of fabric, or in the form of a non-woven fabric, or in the form of a coated tape, etc.

Для крупногабаритных изделий из ПКМ, имеющих сложную геометрию, при изготовлении формы оснастки пропитку слоев углеродного армирующего волокна связующим предпочтительно осуществлять методом вакуумной инфузии, т.к. указанный метод позволяет получить наилучшее соотношение наполнителя и связующего в композиционном материале, обеспечивающее наименьшие значения КЛТР при отверждении в две стадии, причем вторая стадия проводится без дополнительного вакуумирования. К тому же данный метод наименее трудоемкий, позволяет сократить сроки изготовления изделий, а также снизить их себестоимость.For large PCM products having complex geometry, it is preferable to impregnate the layers of carbon reinforcing fiber with a binder in the manufacture of a snap mold by vacuum infusion, since this method allows you to get the best ratio of filler and binder in the composite material, providing the lowest CTE values during curing in two stages, and the second stage is carried out without additional vacuum. In addition, this method is the least time-consuming, can reduce the time of manufacture of products, as well as reduce their cost.

При этом предварительное отверждение формы проводят при комнатной температуре в течение двух суток для получения неполностью отвержденного композиционного материала, но который прошел стадию гелирования, что дает возможность использовать для формования формы мастер-модели, изготавливаемые из легко обрабатываемых полимерных материалов, однако, с невысокой термостойкостью.In this case, preliminary curing of the mold is carried out at room temperature for two days to obtain an incompletely cured composite material, but which has passed the gelation stage, which makes it possible to use master models made of easily processed polymeric materials for molding molds, however, with low heat resistance.

Предварительное отверждение слоя полимерного композиционного материала, покрывающего заготовку ребра жесткости, проводят при комнатной температуре в течение двух суток для получения неполностью отвержденного композиционного материала, но который прошел стадию гелирования, что дает возможность использовать для формования формы мастер-модели, изготавливаемые из легко обрабатываемых полимерных материалов, однако, с невысокой термостойкостью.The preliminary curing of the layer of polymer composite material covering the stiffener blank is carried out at room temperature for two days to obtain a partially cured composite material, but which has passed the gelation stage, which makes it possible to use master molds made of easily processed polymer materials for molding however, with low heat resistance.

На первой ступени постотверждения осуществляют нагрев до 70°С со скоростью не более 2°С/час. Меньшая скорость нагрева приведет к неоправданно высокой длительности процесса отверждения, напротив, нагрев при скорости больше 2°С/час приведет к возрастанию вероятности протекания побочных процессов и возникновению структурных дефектов в отвержденном связующем, что снизит качество конечного изделия.In the first stage of post-curing, heating is carried out to 70 ° C at a rate of not more than 2 ° C / hour. A lower heating rate will lead to an unreasonably high duration of the curing process, on the contrary, heating at a speed of more than 2 ° C / hour will increase the likelihood of side processes and the occurrence of structural defects in the cured binder, which will reduce the quality of the final product.

На второй ступени постотверждения осуществляют нагрев от 70 до 190-200°С со скоростью 5°С/час в целях обеспечения полного отверждения эпоксидного связующего для получения изделия с высокими прочностными характеристиками и минимальной термической усадкой. Проведение нагрева при скорости больше 5°С/час приведет к возрастанию вероятности протекания побочных процессов и возникновению структурных дефектов в отвержденном связующем, что снизит качество конечного изделия.In the second stage of post-curing, heating is carried out from 70 to 190-200 ° C at a rate of 5 ° C / h in order to ensure complete curing of the epoxy binder to obtain products with high strength characteristics and minimal thermal shrinkage. Carrying out heating at a speed of more than 5 ° C / hour will increase the likelihood of side processes and the occurrence of structural defects in the cured binder, which will reduce the quality of the final product.

На третьей ступени постотверждения осуществляют выдержку при 200°С в течение одного часа. Повышение температуры отверждения до 200°C с последующей выдержкой требуется для снижения вязкости связующего, прошедшего стадию гелеобразования в целях увеличения скорости отверждения и снижения длительности процесса изготовления изделия. Постотверждение при температуре меньше 200°С может привести к неполному отверждению изделия, характеризующегося невысокими прочностными характеристиками и большей усадкой при охлаждении.In the third stage of post-curing, exposure is carried out at 200 ° C for one hour. Raising the curing temperature to 200 ° C with subsequent exposure is required to reduce the viscosity of the binder that has passed the gelation stage in order to increase the curing rate and reduce the duration of the manufacturing process. Post-cure at a temperature of less than 200 ° C can lead to incomplete curing of the product, characterized by low strength characteristics and greater shrinkage during cooling.

Охлаждение формы с ребром жесткости осуществляют до комнатной температуры со скоростью не более 5°С в мин. При проведении охлаждения формы со скоростью больше 5°С/мин не будут успевать проходить релаксационные процессы в отвержденном связующем, что приведет к возникновению больших напряжений в охлажденном изделии с последующим возможным искажением его формы и образованием микродефектов, снижающих его эксплуатационные свойства.The mold with a stiffening rib is cooled to room temperature at a rate of not more than 5 ° C per minute. When cooling molds at a rate of more than 5 ° C / min, relaxation processes in the cured binder will not have time to pass, which will lead to the appearance of high stresses in the cooled product with subsequent possible distortion of its shape and the formation of microdefects that reduce its operational properties.

Вышеизложенные особенности и преимущества изобретения будут понятны из последующего описания предпочтительного примера его осуществления со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых для представления одинаковых элементов используются одинаковые позиции.The above features and advantages of the invention will be apparent from the following description of a preferred example of its implementation with reference to the accompanying drawings, in which to represent the same elements using the same position.

На фиг. 1 изображена схема оснастки для формования изделий из ПКМ, выполненная с ребрами жесткости из пеностекла, в соответствии с настоящим изобретением;In FIG. 1 shows a diagram of a tooling for molding PCM products made with stiffeners made of foam glass, in accordance with the present invention;

на фиг. 2 - схема изготовления формы методом вакуумной инфузии в соответствии с настоящим изобретением;in FIG. 2 is a diagram of manufacturing a mold by vacuum infusion in accordance with the present invention;

на фиг. 3 - схема изготовления ребра жесткости формы методом вакуумной инфузии в соответствии с настоящим изобретением.in FIG. 3 is a diagram of manufacturing a mold stiffener by a vacuum infusion method in accordance with the present invention.

Оснастка 1 для формования изделий из полимерных композиционных материалов содержит форму 2, размещенную на опорной конструкции 3.Equipment 1 for molding products from polymer composite materials contains a mold 2 placed on a supporting structure 3.

Форма 2 имеет рабочую поверхность 4, являющуюся формующей поверхностью для выкладки заготовки изготавливаемой на оснастке детали из ПКМ. Форма 2 изготовлена из ПКМ, выполненного из слоев углеродного армирующего волокна, пропитанного связующим. Углеродные армирующие волокна могут быть использованы в виде ткани, либо в виде нетканого полотна, либо в виде площеной ленты и т.п. В качестве связующего может быть использовано низковязкое эпоксидное связующее с аминным отвердителем.Form 2 has a working surface 4, which is the forming surface for laying out the workpiece manufactured on snap parts from PCM. Form 2 is made of PCM made of layers of carbon fiber reinforced with a binder. Carbon reinforcing fibers can be used in the form of fabric, either as a non-woven fabric, or in the form of a flat tape, etc. As a binder, a low viscosity epoxy binder with an amine hardener can be used.

На поверхности 5 формы 2, противолежащей ее рабочей поверхности 4, со стороны опорной конструкции 3 расположено по меньшей мере одно ребро жесткости 6.At least one stiffening rib 6 is located on the surface 5 of the mold 2 opposite its working surface 4 from the side of the supporting structure 3.

Оснастка 1 может содержать несколько ребер жесткости 6.Equipment 1 may contain several stiffening ribs 6.

Ребро жесткости 6 выполнено в виде удлиненного элемента, вырезанного из пеностекла - материала, близкого по КЛТР материалу формы 2.The stiffener 6 is made in the form of an elongated element cut from foam glass - a material similar in terms of KLTR to material of form 2.

Удлиненный элемент ребра жесткости 6 может быть изготовлен с трапециевидным либо прямоугольным, либо квадратным, либо любым другим поперечным сечением в зависимости от величины возможных искажений детали, которые необходимо скомпенсировать.The elongated stiffener 6 can be made with a trapezoidal or rectangular, square, or any other cross-section, depending on the magnitude of the possible distortions of the part that need to be compensated.

Сверху удлиненный элемент ребра жесткости 6 покрыт с заходом на поверхность формы 2 слоем 7 полимерного композиционного материала, одинакового с ПКМ формы 2. При этом форма 2 и слой 7 полимерного композиционного материала, покрывающего удлиненный элемент ребра жесткости 6, выполнены из слоев углеродного армирующего волокна, пропитанного низковязким эпоксидным связующим с аминным отвердителем. Указанные углеродные армирующие волокна могут быть использованы в виде ткани, либо в виде нетканого полотна, либо в виде площеной ленты или в каком-либо другом виде.On top of the elongated stiffener 6 is coated with a layer 7 of a polymer composite material approaching the surface of mold 2, the same as PCM of mold 2. Moreover, form 2 and layer 7 of the polymer composite material covering the elongated stiffener 6 are made of layers of carbon reinforcing fiber, impregnated with a low viscosity epoxy binder with an amine hardener. These carbon reinforcing fibers can be used in the form of fabric, or in the form of a non-woven fabric, or in the form of a flat tape or in some other form.

Описанная выше оснастка для формования деталей из полимерных композиционных материалов может быть изготовлена следующим способом.The above-described equipment for molding parts from polymer composite materials can be made in the following way.

Сначала изготавливают форму 2 из полимерного композиционного материала. Для этого на поверхности мастер-модели 8 размещают несколько слоев углеродного армирующего волокна. В качестве углеродных армирующих волокон могут быть использованы ткани, нетканое полотно, площеная лента и т.п. Затем осуществляют пропитку углеродных армирующих волокон связующим с последующим его отверждением. В качестве связующего для пропитки углеродного армирующего волокна используют низковязкое эпоксидное связующее с аминным отвердителем, приготавливаемого непосредственно перед пропиткой. При этом пропитку указанного волокна связующим осуществляют методом вакуумной инфузии.First, form 2 is made from a polymer composite material. For this, several layers of carbon reinforcing fiber are placed on the surface of the master model 8. As carbon reinforcing fibers, fabrics, non-woven fabric, flat tape, and the like can be used. Then carry out the impregnation of carbon reinforcing fibers with a binder followed by its curing. As a binder for impregnation of a carbon reinforcing fiber, a low viscosity epoxy binder with an amine hardener is used, prepared immediately before impregnation. The impregnation of the specified fiber with a binder is carried out by the method of vacuum infusion.

Проводят предварительное отверждение формы 2 при комнатной температуре в течение двух суток.Preliminary curing of Form 2 was carried out at room temperature for two days.

Изготавливают заготовку по меньшей мере одного ребра жесткости 6. Для этого из пеностекла вырезают удлиненный элемент требуемой формы посредством механической обработки до заданных размеров, например, на фрезерном станке с ЧПУ.A blank of at least one stiffener 6 is made. For this, an elongated element of the desired shape is cut out of the foam glass by machining to the specified dimensions, for example, on a CNC milling machine.

Полученную заготовку по меньшей мере одного ребра жесткости 6 размещают и закрепляют на поверхности 5 формы 2, противолежащей ее рабочей поверхности 4, например, приклеивают с помощью эпоксидного клея.The resulting preform of at least one stiffener 6 is placed and fixed on the surface 5 of mold 2, the opposite working surface 4, for example, is glued using epoxy glue.

На поверхности указанной заготовки ребра жесткости 6 с заходом на поверхность 5 формы 2 выкладывают несколько слоев углеродных армирующих волокон в виде ткани, нетканого волокна, площеной ленты и т.п., и осуществляют пропитку упомянутых волокон связующим методом вакуумной инфузии. В качестве связующего для пропитки углеродного армирующего волокна используют низковязкое эпоксидное связующее с аминным отвердителем, приготавливаемое непосредственно перед применением.Several layers of carbon reinforcing fibers in the form of a fabric, non-woven fiber, flat tape, etc. are laid on the surface of said preform stiffener 6 with approaching surface 5 of mold 2, and the fibers are impregnated with a bonding method of vacuum infusion. As a binder for impregnation of a carbon reinforcing fiber, a low viscosity epoxy binder with an amine hardener is used, prepared immediately before use.

После этого в течение двух суток осуществляют предварительное отверждение связующего и получают слой 7 полимерного композиционного материала, одинакового полимерному композиционному материалу формы 2.After that, the binder is pre-cured within two days and a layer 7 of the polymer composite material is obtained, which is the same as the polymer composite material of form 2.

При этом отверждение проводят в две стадии: первая стадия проходит при температуре окружающей среды с целью получения композиционного материала, который прошел стадию гелирования и неполного отверждения, а на второй стадии при медленном нагреве 2-5 град/час до температуры 200°С проходит отверждение без деформации и отклонения от линейных размеров в изделии, которое характеризуется высокими прочностными характеристиками и не имеет термической усадки.In this case, curing is carried out in two stages: the first stage is carried out at ambient temperature in order to obtain a composite material that has passed the gelation and incomplete curing stage, and in the second stage, slowly heating 2-5 degrees / hour to a temperature of 200 ° C, cure without deformations and deviations from linear dimensions in the product, which is characterized by high strength characteristics and does not have thermal shrinkage.

Затем для получения качественного изделия с высокими прочностными характеристиками и низкой усадкой осуществляют постотверждение формы 2 с расположенными на ней ребрами жесткости 6, покрытыми слоем 7 ПКМ по ступенчатому режиму при постепенном медленном нагреве. При этом на первой ступени постотверждения осуществляют нагрев до 70°С со скоростью не более 2°С/час. На второй ступени постотверждения осуществляют нагрев от 70 до 190-200°С со скоростью 5°С/час. И на третьей ступени постотверждения осуществляют выдержку при 200°С в течение одного часа.Then, to obtain a high-quality product with high strength characteristics and low shrinkage, post-curing of form 2 is carried out with stiffeners 6 located on it, covered with a PCM layer 7 in a stepwise mode with gradual slow heating. At the same time, at the first stage of post-curing, heating is carried out to 70 ° C at a speed of not more than 2 ° C / hour. In the second stage of post-curing, heating is carried out from 70 to 190-200 ° C at a rate of 5 ° C / h. And in the third stage of post-curing, exposure is carried out at 200 ° C for one hour.

Форму 2 с ребрами жесткости 6 охлаждают до комнатной температуры со скоростью не более 5°С в мин.Form 2 with stiffeners 6 is cooled to room temperature at a rate of not more than 5 ° C per minute.

При этом ребра жесткости 6 на поверхности формы 2, покрытые слоем 7 ПКМ, образуют с формой 2 единую конструкцию.At the same time, stiffeners 6 on the surface of mold 2, covered with a PCM layer 7, form a single structure with mold 2.

Полученную форму 2 с ребрами жесткости 6 укладывают на опорную конструкцию 3, предназначенную для поддержания формы 2 оснастки 1, с размещением ребер жесткости 6 со стороны опорной конструкции 3. При этом опорная конструкция 3 может быть выполнена из металла, стеклопластика, углепластика или других доступных материалов.The resulting form 2 with stiffeners 6 is laid on a supporting structure 3, designed to maintain the form 2 of the snap 1, with the placement of stiffeners 6 on the side of the supporting structure 3. In this case, the supporting structure 3 can be made of metal, fiberglass, carbon fiber or other available materials .

Пример осуществления изобретенияAn example embodiment of the invention

Сначала изготавливают форму 2 оснастки 1. Для этого на поверхности мастер-модели 8 размещают несколько листов углеродной армирующей ткани. На мастер-модели 8 по краю уложенных листов углеродной армирующей ткани в два ряда наклеивают герметизирующий жгут 9.First, mold 2 of tool 1 is manufactured. For this, several sheets of carbon reinforcing fabric are placed on the surface of master model 8. On the master model 8, a sealing tourniquet 9 is glued in two rows along the edge of the laid sheets of carbon reinforcing fabric.

Поверх формы 2 укладывают слой 10 жертвенной ткани, сверху которого размещают распределительную сетку 11, сверху размещают линию 12 подачи связующего, представляющую собой спиральную полиэтиленовую трубку 13. По краю мастер-модели размещают линию вакуумного выхода.A layer 10 of sacrificial fabric is laid on top of the mold 2, on top of which a distribution grid 11 is placed, a binder supply line 12, which is a spiral polyethylene tube 13, is placed on top. A vacuum outlet line is placed along the edge of the master model.

Собирают первый технологический пакет. Для этого вакуумную пленку 14 размещают на поверхности слоев углеродного армирующего волокна и фиксируют с помощью герметизирующего жгута 9. Собранный пакет подсоединяют к вакуумной линии и создают вакуум.Collect the first technological package. For this, the vacuum film 14 is placed on the surface of the layers of carbon reinforcing fiber and fixed with a sealing rope 9. The assembled bag is connected to a vacuum line and a vacuum is created.

Второй технологический пакет собирают по схеме, аналогичной первому.The second technological package is assembled according to a scheme similar to the first.

Приготавливают низковязкое эпоксидное связующее с аминным отвердителем путем смешения исходных компонентов в смесителе.A low viscosity epoxy binder with an amine hardener is prepared by mixing the starting components in a mixer.

Приготовленное связующее подают по спиральной трубке 13 линии 12 подачи связующего к собранному технологическому пакету и осуществляют процесс пропитки слоев углеродного армирующего волокна подготовленным связующим.The prepared binder is fed through a spiral tube 13 of the binder supply line 12 to the assembled technological package and the process of impregnating the layers of carbon reinforcing fiber with the prepared binder is carried out.

Окончание пропитки контролируют визуально по выходу связующего в вакуумную линию.The end of the impregnation is controlled visually by the exit of the binder into the vacuum line.

По окончании пропитки перекрывают линию 12 подачи связующего.At the end of the impregnation, the binder feed line 12 is closed.

Предварительное отверждение формы 2 проводят при комнатной температуре 25±3°С. Продолжительность отверждения составляет 2 суток.Pre-curing of form 2 is carried out at room temperature 25 ± 3 ° C. The curing time is 2 days.

По окончании отверждения проводят разборку технологических пакетов и удаление вспомогательных материалов.At the end of curing, the technological packages are disassembled and auxiliary materials are removed.

Из пеностекла на фрезерном станке с ЧПУ нарезают заготовки ребер жесткости 6 в виде удлиненных элементов заданных размеров. Для изготовления ребер жесткости 6 использовано пеностекло НЕОПРОМ марки D 130 (Компания СТЭС, г. Владимир) со следующими характеристиками: КЛТР 9,0⋅10^-6 С^-1; плотность 0,12-0,14 г/см³, высокая теплостойкость до 485°С, прочность при сжатии 1,0 МПа.From foam glass on a CNC milling machine, blanks of stiffeners 6 are cut in the form of elongated elements of a given size. For the manufacture of the stiffeners neoprene foam glass 6 used grade D 130 (PECC Company, Vladimir) with the following characteristics: CTE 9,0⋅10 ^-6 C ^-1; density 0.12-0.14 g / cm ³ , high heat resistance up to 485 ° C, compressive strength 1.0 MPa.

Заготовки ребер жесткости 6 размещают на поверхности 5 формы 2 оснастки 1, противоположной рабочей поверхности 4 формы 2, и фиксируют посредством клея.The blanks of the stiffening ribs 6 are placed on the surface 5 of the mold 2 of the tool 1, opposite the working surface 4 of the mold 2, and fixed with glue.

Листы углеродной ткани нарезают в требуемом количестве и выкладывают сверху всей поверхности каждого из ребер жесткости 6 с заходом на поверхность формы 2 оснастки 1.Sheets of carbon fabric are cut in the required amount and spread on top of the entire surface of each of the stiffeners 6 with the approach to the surface of the mold 2 snap 1.

Поверх формы 2 с размещенными на ней ребрами жесткости 6 укладывают слой 15 жертвенной ткани.On top of form 2 with stiffening ribs 6 placed on it, a layer 15 of sacrificial tissue is laid.

Затем поверх каждого из ребер жесткости 6, покрытого слоем 15 жертвенной ткани, размещают распределительную сетку 16, соединенную с линией 17 подачи связующего.Then, on top of each of the stiffening ribs 6, covered with a layer 15 of sacrificial tissue, a distribution grid 16 is placed connected to the binder supply line 17.

Линию 17 подачи связующего, соединенную с распределительной сеткой 16, формируют сверху по ребрам жесткости 6, при этом для улучшения подачи связующего и повышения качества пропитки ребер жесткости 6 в распределительную сетку 16 вшивают спиральную полиэтиленовую трубку 18 с разрезом, размещенную по всей длине ребра жесткости 6. При таком выполнении линии 17 подачи связующего при наличии на форме 2 выступающих элементов их можно обойти, прервав линию до препятствия и продолжив за ним, при этом распределительная сетка 16 будет размещаться по всей длине линии пропитки.A binder supply line 17 connected to the distribution grid 16 is formed on top of the stiffeners 6, while in order to improve the supply of the binder and improve the quality of impregnation of the stiffeners 6, a spiral polyethylene pipe 18 is sewn into the distribution grid 16 along the entire length of the stiffener 6 . With this embodiment, the supply line 17 of the binder in the presence on the form of 2 protruding elements can be circumvented, breaking the line to an obstacle and continuing behind it, while the distribution grid 16 will be placed throughout Line line impregnation.

Полученную конструкцию, состоящую из формы 2, на которой размещены ребра жесткости 6, накрытые слоем 15 жертвенной ткани и распределительной сеткой 16, покрывают двумя слоями 19 вакуумной пленки, фиксируют ее с помощью герметизирующего жгута 9 с образованием двойного вакуумного технологического пакета, а в каждом из образованных вакуумных технологических пакетов создают вакуум.The resulting structure, consisting of a mold 2, on which stiffeners 6 are placed, covered with a layer 15 of sacrificial fabric and a distribution grid 16, is covered with two layers 19 of a vacuum film, fixed with a sealing rope 9 to form a double vacuum technological package, and in each of formed vacuum technology packages create a vacuum.

По линии 17 подачи связующего осуществляют подачу в распределительную сетку 16 низковязкого эпоксидного связующего с аминным отвердителем и пропитку каждого из ребер жесткости 6 указанным связующим. Выход излишков связующего будет осуществляться по периметру формы 2, при этом, поскольку форма 2 уже предотверждена, то она не будет впитывать излишки связующего, которое по распределительной сетке 16 уйдет в линии вакуумного вывода. После этого проводят отверждение слоя 7 ПКМ, покрывающего ребра жесткости 6, при комнатной температуре 25±3°С в течение двух суток.Via the supply line 17 of the binder, low viscosity epoxy binder with an amine hardener is fed into the distribution grid 16 and each of the stiffening ribs 6 is impregnated with the specified binder. The output of excess binder will be carried out along the perimeter of form 2, while since form 2 has already been prevented, it will not absorb excess binder, which along the distribution grid 16 will go into the vacuum outlet line. After this, the PCM layer 7 is cured, covering stiffeners 6, at room temperature 25 ± 3 ° C for two days.

Затем осуществляют постотверждение формы 2 с расположенными не ней ребрами жесткости 6, покрытыми слоем 7 ПКМ, по ступенчатому режиму при постепенном медленном нагреве: на первой ступени постотверждения осуществляют нагрев до 70°С со скоростью не более 2°С/час; на второй ступени постотверждения осуществляют нагрев от 70 до 190-200°С со скоростью 5°С/час; на третьей ступени постотверждения осуществляют выдержку при 200°С в течение одного часа, а затем осуществляют охлаждение формы 2 с ребрами жесткости 6 до комнатной температуры со скоростью не более 5°С в мин.Then, post-curing of form 2 is carried out with stiffening ribs 6 located on it, covered with a PCM layer 7, in a stepwise mode with gradual slow heating: at the first post-curing step, heating is carried out to 70 ° C at a speed of not more than 2 ° C / hour; at the second stage of post-curing, heating is carried out from 70 to 190-200 ° C at a rate of 5 ° C / h; in the third stage of post-curing, exposure is carried out at 200 ° C for one hour, and then cooling form 2 with stiffening ribs 6 to room temperature at a speed of not more than 5 ° C per minute.

Таким образом, для получения качественного изделия с высокими прочностными характеристиками и низкой усадкой отверждение проводят в две стадии: первая стадия проходит при температуре окружающей среды с целью получения композиционного материала, который прошел стадию гелирования и неполного отверждения, а на второй стадии при медленном нагреве 2-5 град/час до температуры 200°С проходит отверждение без деформации и отклонения от линейных размеров в изделии, которое характеризуется высокими прочностными характеристиками и не имеет термической усадки.Thus, in order to obtain a high-quality product with high strength characteristics and low shrinkage, curing is carried out in two stages: the first stage takes place at ambient temperature in order to obtain a composite material that has passed the gelation and incomplete curing stage, and in the second stage with slow heating 2- 5 deg / h to a temperature of 200 ° C, cure without deformation and deviation from linear dimensions in the product, which is characterized by high strength characteristics and does not have heat eskoy shrinkage.

Форму 2 с ребрами жесткости 6 фиксируют на опорной конструкции 3 с размещением ребер жесткости 6 со стороны опорной конструкции 3.Form 2 with stiffeners 6 is fixed on the supporting structure 3 with the placement of stiffeners 6 from the side of the supporting structure 3.

Таким образом, полученная конструкция оснастки, состоящей из формы, усиленной по ее рабочей поверхности ребрами жесткости из пеностекла, покрытого слоем полимерного композиционного материала, выполненного из слоев углеродного армирующего волокна, пропитанного связующим, в качестве которого использовано низковязкое эпоксидное связующее с аминным отвердителем, позволит повысить качество изготавливаемых из ПКМ изделий, в том числе крупногабаритных сложной геометрии, путем исключения искажения формы оснастки при низкой трудоемкости и себестоимости их изготовления.Thus, the resulting construction of a tooling, consisting of a mold reinforced on its working surface with stiffening ribs made of foam glass coated with a layer of polymer composite material made of layers of carbon fiber reinforced with a binder, which is used as a low-viscosity epoxy binder with an amine hardener, will increase the quality of products made from PCM, including large-sized complex geometries, by eliminating distortion in the shape of the tool at low labor intensity and the cost of their manufacture.

Claims

1. Tooling for molding articles made of polymer composite materials, comprising a support structure and a mold made of a polymer composite material placed on it, on the surface of which at least one stiffener is located on the side of the support structure, made in the form of an elongated foam glass element coated with an approach on the surface of the mold with a layer of polymer composite material, wherein the shape and layer of the polymer composite material covering the stiffener are made of carbon layers Nogo reinforcing fiber impregnated with low-viscosity epoxy binder with amine hardener.

2. Equipment according to claim 1, which contains several stiffening ribs.

3. A method of manufacturing a tool for molding products from polymer composite materials, including:

making a mold from a polymer composite material by placing several layers of carbon reinforcing fiber on the surface of the master model, impregnating the specified fiber with a low viscosity epoxy binder with an amine hardener by vacuum infusion and curing it at room temperature;

the manufacture of at least one stiffener blank in the form of an elongated foam glass member;

fixing the specified workpiece stiffeners on the surface of the mold, the opposite of its working surface;

coating the stiffener blank with a layer of polymer composite material by spreading stiffeners on the surface of the said blank with stiffening several layers of carbon reinforcing fibers onto the mold surface, impregnating the mentioned fibers with a low viscosity epoxy binder with an amine hardener by vacuum infusion and curing it at room temperature;

post-curing of the form with a stiffener located on it in a stepwise mode with gradual slow heating;

slow mold cooling with a stiffener located on it; and

its installation on the supporting structure with the placement of stiffeners on the side of the supporting structure.

4. The method of claim 3, wherein the carbon reinforcing fibers are used in the form of a fabric.

5. The method according to p. 3, wherein the carbon reinforcing fibers are used in the form of a non-woven fabric.

6. The method according to p. 3, in which the carbon reinforcing fibers are used in the form of a flat tape.

7. The method according to p. 3, in which the preliminary curing of the form is carried out at room temperature for two days.

8. The method according to p. 3, in which the preliminary curing of the layer of polymer composite material covering the workpiece stiffeners is carried out at room temperature for two days.

9. The method according to p. 3, in which the first stage of post-curing is heated to 70 ° C at a speed of not more than 2 ° C / hour.

10. The method according to p. 3, in which the second stage of post-curing is heated from 70 to 190-200 ° C at a speed of 5 ° C / hour.

11. The method according to p. 3, in which the third stage of post-curing is carried out exposure at 200 ° C for one hour.

12. The method according to p. 3, in which the cooling of the mold with a stiffener is carried out to room temperature at a speed of not more than 5 ° C per minute.