Использование технологий плетения при производстве элементов конструкций из пкм

Оценка развития аэрокосмической промышленности и анализ современного рынка полимерных композиционных материалов (ПКМ) свидетельствуют о необходимости создания новых высокотехнологичных материалов, свойства которых  определяются не только особенностями конструкции изделия и технологией его изготовления, но и необходимостью обеспечения ряда специфических параметров, таких как точное соответствие производимого изделия заданной внешней форме, устойчивость к деформационным разнонаправленным нагрузкам, изотропность или, наоборот, при необходимости градиентность свойств, снижение массы конструкций при сохранении высоких эксплуатационных свойств [1, 2]. Задача сокращения трудоемкости технологических процессов, их автоматизации и роботизации, несмотря на специфику отрасли, также является актуальной и требующей внимания при разработке новых материалов и схем производства.

Одним из путей решения данной задачи является применение при производстве новых ПКМ технологии пропитки связующим собранных в пакет предварительно созданных заготовок – преформ из сухих армирующих волокон, расположение нитей которых выполнено на основе предварительных расчетов заданных свойств путем математического моделирования [3].

Плетеные преформы представляют собой полуфабрикат в виде «мягкого рукава», ткани или многослойной оплетки оправки при необходимости переменного диаметра. Материал для изготовления такой преформы может быть любым: высокопрочное углеродное волокно, стекловолокно, волокно природного происхождения, например льняное.

Использование стандартных технологий изготовления конструкций сложного профиля является непростой задачей по причине сложности раскроя заготовок препрегов (в случае применения препреговой технологии) и необходимости применения ручной выкладки в зонах сложных переходов. Использование же текстильных преформ (в данной статье в первую очередь пойдет речь о преформах, выполненных методом плетения), которые характеризуются высокой подвижностью нитей и способны создавать криволинейные поверхности сложной формы (рис. 1), позволяет решать эту задачу значительно проще, обеспечивая возможность автоматизации процесса [4].

Рисунок 1. Изготовление образца обшивки самолета из ПКМ на основе плетеных преформ (EADS Deutschland Corporate Research Centre)

 Использование плетеных преформ при производстве ПКМ делает возможным изготовление материалов разнообразных геометрических форм и размеров, и за одну операцию получать изделие с заданными параметрами (длина, ширина, толщина). Получаемые материалы обладают такими физико-механическими характеристиками, как значительное сопротивление расслаиванию, повышенное сопротивление повреждениям, улучшенное сопротивление удару, высокие усталостные показатели, значительная прочность вблизи отверстий и крепежных элементов. Кроме того, использование плетеных преформ позволяет упростить проблему соединений в сборных конструкциях, так как прочность традиционных соединений значительно уступает прочности самой конструкции. Для этого способа изготовления ПКМ характерны сокращение цикла изготовления сложнопрофильных деталей, снижение производственных расходов благодаря механизации процесса и уменьшению доли ручного труда, возможность применения в серийном производстве [5–8].

Область применения плетеных преформ уже достаточно широка, все большее количество зарубежных компаний осваивают этот процесс и внедряют его в собственное производство. Наиболее традиционными и характерными областями применения таких материалов являются как аэрокосмическое и оборонное машиностроение, так и ряд гражданских отраслей промышленности.

Основные потребители плетеных преформ за рубежом – лидеры авиастроения, такие как General Electric Aircraft Engines, Snecma, Boeing (рис. 2), Airbus.

Данная технология используется при производстве элементов мотогондолы авиадвигателя и его вентиляторных лопаток (рис. 3), стрингеров, лонжеронов, шпангоутов, лопастей винтов, различных корпусных элементов и многого другого. В ракетостроении освоено производство корпусов ракет (рис. 4), в машиностроении – опорные элементы крыши и бамперов, колесные диски (фирмы BMW и Mercedes), топливные баки и баллоны высокого давления. В разработке находятся технологии производства автомобильных рам и прицепов, в строительстве перспективно использование плетеных преформ в конструкциях мостов, опор линий электропередач и освещения.

Рисунок 2. Применение плетеных преформ при изготовлении элементов фюзеляжа Boeing 787 Dreamliner (компания A&P Technology)

Рисунок 3. Применение плетеных преформ при изготовлении вентиляторных лопаток авиадвигателя (компания A&P Technology)

Рисунок 4. Применение плетеных преформ при изготовлении фюзеляжа ракет (компания Fiber Innovations)

 К сожалению, в отечественном производстве – ввиду отсутствия парка необходимого современного оборудования – широкого развития эти технологии до настоящего времени не получили. В 60–70-х годах прошлого столетия в СССР были разработаны и освоены технологии RTM, в которых использовался сухой текстильный многослойныйнаполнитель с последующей пропиткой полимерным связующим и дальнейшим отверждением [9]. В последние годы в РФ изготовлен ряд лабораторных образцов на основе плетеных и тканых преформ, таких как лопатка авиадвигателя, рама иллюминатора, но в серийное производство эти изделия пока так и не внедрены [10–12].

На данный момент технология изготовления установок получения плетеных преформ и технология производства самих преформ уже значительно развиты и освоены такими компаниями, как Herzog (Германия), 3TEX Inc. (США), A&P Technology (США) [13] и рядом других.

На рис. 5 показан сам принцип изготовления плетеных преформ. Оборудование позволяет выпускать как преформы в виде рукава, так и преформы в виде ленты (ткани), замыкая или размыкая линию движения веретен. Отдельно расположенная вытяжная машина с установленной скоростью наматывает на приемный барабан готовую продукцию. Изготовление же объемной оплетки и многослойных преформ несколько отличается. В данном случае дополнительно требуется устройство, позволяющее многократно проводить оплетаемую оснастку через плетельную машину. Обычно для этого используется программируемый робот, но встречаются и иные технологические решения.

Для получения этим способом высококачественных изделий из ПКМ необходимо учитывать ряд важных факторов при изготовлении плетеных преформ как многослойных, так и однослойных (рис. 6), а именно: скорость вытяжки преформы вытяжной машиной и влияние переменного диаметра оплетаемой оправки. В случае изготовления однослойной плетеной преформы (рукава или ленты) скорость вытяжки напрямую влияет на угол армирования. В случае изготовления многослойной преформы очень важно заранее так запрограммировать скорость вытяжки готовой преформы (она может быть и нелинейной в зоне изменения толщины), чтобы выдержать оптимальный угол по всей длине оснастки с учетом ее разнотолщинности. Наглядно видно, как влияет изменение диаметра оправки и скорость вытяжки на угол укладки нитей. В ряде случаев это может привести к неоднородности физико-механических свойств готового изделия.

Варианты формирования заготовок из преформ могут быть самыми разнообразными (рис. 7). Как уже говорилось ранее, плетеные преформы обладают высокой подвижностью нитей и способны создавать криволинейные поверхности сложной формы путем легкой деформации в необходимый потребителю профиль, такой как швеллер, J-образный профиль, Т- и Z-образный или иной другой. В преформу-рукав можно вставить необходимую оправку и затем изготовить необходимую деталь методами RFI, RTM или VaRTM [14, 15].

Рисунок 5. Схема получения плетеных преформ как в виде рукава (ленты), так и объемной или многослойной оплетки с использованием специализированной оснастки (Herzog Maschinenfabrik; Niederrhein University of Applied Sciences, Mönchengladbach, Dept. of Textile and Clothing Technology)

 Рисунок 6. Влияние технологических параметров изготовления плетеной преформы на угол армирования и укрывистость (Niederrhein University of Applied Sciences, Mönchengladbach, Dept. of Textile and Clothing Technology)

Рисунок 7. Варианты формирования конструктивных элементов из плетеной преформы-рукава ((Niederrhein University of Applied Sciences, Mönchengladbach, Dept. of Textile and Clothing Technology)

Таким образом, технология плетения позволяет получать за одну операцию преформы для изделий с заданными параметрами (длина, ширина, толщина); изготовлять материалы с разнообразными геометрическими формами и стабильностью размеров; производить плетеные преформы или ткани практически неограниченной длины из разнообразного волокна, с заданным углом армирования и возможностью укладки нити в «нулевом» направлении и многое другое. Развитие и применение данных решений в высокотехнологичных отраслях российской промышленности позволит придать дополнительный импульс в изготовлении новых образцов техники как аэрокосмической, так и гражданских отраслей.