Резервуар под давлением

1 2

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

Высшего образования «Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева-КАИ»

(КНИТУ-КАИ)

Институт авиации, наземного транспорта и энергетики

Кафедра производства летательных аппаратов

Технологическое оборудование для

Изготовления деталей из композиционных материалов вакуумо-печным, автоклавным и трансферными методами формования

Методические указания к практической работе № 2

По дисциплине: «Изготовление деталей из композиционных материалов»

2017 г.

Цель работы: изучение технологического оборудования для изготовления композиционных конструкций.

ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

К компрессионным методам формования относятся: автоклавное формование, в пресскамере, гидроклавное и другие методы, в которых давление на ламинат осуществляется упругой средой.

Автоклав

Автоклав – многоцелевая система, в которой можно обрабатывать деталь любой конфигурации, подходящей по размеру к камере автоклава. Нагрев может осуществляться при помощи электричества, газа, топлива, масла, пара и т.д. Выбор зависит от того, какой способ доступен и наиболее экономичен. В общем, это нагреваемый сосуд под давлением, как показано на рис. 75, и процесс зависит от внутренней передачи тепла от сжатого газа (инертного газа – азота, CO₂), чтобы осуществить отверждение. Большинство крупных автоклавов изготавливаются в соответствии с требованиями заказчика. Производство малых автоклавов происходит в промышленных масштабах. В области композитного производства автоклав является самым популярным из всех систем нагрева.

Ниже приведены его характеристики:

– Высокая стоимость приобретения

– Нагрев до 650°С

– Создаваемое давление до 500 psi

– Необходимость упаковки детали в мешок

– Длительное время цикла

Использование автоклава обусловлено следующими требованиями:

– Оснастка малой массы

– Обеспечение эффективной передачи тепла (разогретый газ перемещается при помощи вентиляторов)

– Проектирование оснастки таким образом, чтобы как можно больше циркулирующего воздуха могло проходить вокруг и через оснастку

Материалы оснастки для отверждения в автоклаве:

Для изготовления и отверждения при температуре 200°С небольшого количества деталей – используйте ламинированную оснастку

Для опытных образцов, когда нужно изготовить только несколько деталей за короткий промежуток времени, используйте гипсовую или отлитую оснастку

Для длительных сроков использования, быстрой передачи тепла и высокотемпературного отверждения (термопластичные или полиимидные материалы) используйте обработанную металлическую оснастку.

Недостатки:

– Длительное время обработки

– Ограничение по размерам (большие детали требуют больших автоклавов)

– По сути, энергетически неэффективная система

– Крупные трудности вызывают большие температурные градиенты и длительное время нагрева

– Разрушение мешков

Газы, обычно используемые в автоклаве:

Воздух – Воздух является недорогим газом, если его подавать под давлением в диапазоне 700-1030 кПа при температуре 120°С. Воздух поддерживает горение и может представлять опасность при температурах выше 150°С.

Азот – Газ, наиболее часто используемый в автоклавах. Однако его стоимость высока, особенно если необходимо использовать его в большом автоклаве при высоких давлениях. Азот можно использовать при температурах до 340°С и давлении более 200 psi.

CO2 – второй по популярности газ, используемый в автоклавах. При его использовании необходимо принимать меры предосторожности, поскольку из-за высокой плотности он может представлять потенциальную опасность для персонала.

При использовании азота или CO2 удостоверьтесь в том, что присутствует достаточно кислорода.

Многие малогабаритные автоклавы нагреваются посредством электричества. Однако такой способ нагрева является неэкономичным в случае крупногабаритных автоклавов (рисунок 1).

а - Автоклавы (два 4572 x13716 мм - 343°С и 215 psi; один 2743,2 x8753,6 мм - 343°С и 210 psi); б - Автоклав 7620 x 18288 мм; в - Действие автоклава

Рисунок –1 - Автоклавы

Гидроклав

Гидроклаваналогичен автоклаву, и к нему можно применить основные принципы работы автоклава за тем исключением, что давление в нем создается гидравлически. Основное отличие состоит в том, что в гидроклаве можно создавать давления выше, до тысячи psi, по сравнению с 200 psi, которые являются максимумом для большинства автоклавов.

Использование воды можно охарактеризовать следующим образом:

– Она уменьшает проблемы герметизации давления

– Снижает опасности, которым подвергается персонал, до приемлемого уровня

– Исчезает потребность в источниках дорогого газа под высоким давлением

– Любые утечки снижают давление внутри емкости до нуля

– Вместо пластиковой пленки, используемой в автоклаве, применяются резиновые мешки.

– Из-за более высокого давления, необходимы дополнительная прочность и эластичность мембраны, чтобы предотвратить разрывы в мембране на участках, где с большей вероятностью случается сводообразование.

– Если используется для охлаждения под давлением с использованием воды в качестве охлаждающей жидкости, а оснастка нагревается изнутри для обеспечения температуры, требуемой в рамках цикла отверждения, обычные резиновые мешки можно использовать несколько раз для большого количества циклов.

По стандартным методам нагрев воды занимает длительное время, и при использовании гидроклава скорость роста температуры и максимальные температуры, требуемые для большинства композитов, недостижимы. Нагревательная способность воды выше 230°С ограничена, это ведет к использованию систем вгутреннего нагрева оснастки. Разумеется, такая система используется только в особых случаях. Общие сведения об автоклавах и правила безопасности при обращении с ними распространяются на гидроклавы.

Различия между автоклавом и гидроклавом:

ХАРАКТЕРИСТИКА	АВТОКЛАВ	ГИДРОКЛАВ
Среда	Инертный газ	Вода
Давление	До 500 psi	До 12 000 psi
Температура	400°С	230°С (под давлением)

Недостатки те же, что у автоклава.

Резервуар под давлением

В то время как автоклавы имеют высокую стоимость приобретения, резервуары под давлением (рисунок2) обеспечивает давление, имеют меньшую стоимость приобретения, а необходимое тепло может подаваться при помощи интегрально нагреваемой системы оснастки или похожим образом. Общие сведения об автоклавах и правила безопасности при обращении с ними распространяются на резервуары под давлением.

Преимущества:

– Низкая стоимость приобретения (простая конструкция в виде трубы, без сложных нагревательных систем, которые имеют высокую стоимость)

– Обеспечивают более высокое давление, чем автоклавы

– Использование нагревательных полотен или систем внутреннего нагрева обеспечивает экономичность

– Возможность хорошего регулирования размеров (контроль линии формы)

– Короткое время цикла.

Недостатки:

– Необходимость в отдельной системе нагрева

Рисунок 2 - Резервуар под давлением (нагрев осуществляется оснасткой для усиления)

Печь

Печь, показанная на рисунок 3 – представляет собой камеру нагрева, которая используется для отверждения композитных деталей при низком давлении или вакууме. Давление можно увеличить, применяя при изготовлении оснастки материалы с большим расширением, например, резину или используя газы высокого давления. Большинство печей для равномерного распределения тепла имеют систему циркуляции воздуха.

Преимущества:

– Температура до 1315°С

– Стоимость приобретения – 20% стоимости автоклава

– Стоимость эксплуатации ниже (около 50% стоимости эксплуатации автоклава)

– Более короткий цикл, чем у автоклава

Рисунок 3 - Нагрев и отверждение композитов в печи (без давления, за исключением вакуума)

Термоклав

Процесс Therm-X, показанный на рисунок 4, включает использование специфической камеры давления и термоклавного резервуара в качестве средств приложения давления и нагрева. На расширение и сжатие среды в процессе Therm-X влияют жидкости, осуществляющие теплообмен, такие как пар и холодная вода, которые вводятся в среду посредством скрученных трубок. Наличие незаполненного объема резервуара не требуется, как в случае традиционного процесса формования с резиновой пробкой. Большое значение КТР создает повышение давления внутри резервуара термоклава, среда начинает течь как жидкость, когда на нее воздействует давление ниже 10 psi.

Преимущества процесса Therm-X:

– Избежание проблем, связанных с протечкой вакуумных мешков

– Применяются частички силиконового эластомера, которые можно использовать при температурах до 820°С и которые могут обеспечивать давления до 3000 psi

– Имеет меньший запас энергии, чем сжатый газ, поэтому вероятность взрыва резервуара меньше

– Когда давление снимается, силикон приобретает первоначальную форму порошка

Недостатки:

– Размер оборудования

– Стоимость

а - давление в резервуаре термоклава является функцией средней температуры среды (частиц силиконовой эластомерной резины – силиконового порошка) внутри резервуара: 1-оснастка; 2–система охлаждения; 3-напряжение переменного тока; 4-нагреватели;5-алюминиевая фольга; б - Среда обеспечивает равномерное распределение давления по всей поверхности даже самых сложных форм

Рисунок 4 -Термоклав и процесс Therm-X

К трансферным методам относятся технологии, в которых сухой технологический пакет арматуры заданной конфигурации пропитывается связующим, которое под действием перепада давлений перемещается по поверхности (объему) преформы.

Установки для RTM – процессов

RTM процессы

Англоязычное название - ResinTransferMolding (RTM, буквально «формование перемещением смолы») (рисунок 5). Формование осуществляется в закрытых пресс-формах. Процесс заключается во впрыскивании жидкой смолы под давлением через пакет сухой армирующей ткани, расположенной между верхней и нижней жесткими частями пресс-формы.

Для осуществления процесса трансферного формования кроме пресс-формы необходимо использование специального технологического оборудования (RTM-комплекс), отвечающего за дозирование, смешение составов связующего и обеспечение давления впрыска. RTM комплексы отличаются по производительности (количество связующего, впрыскиваемого в форму в единицу времени (кг/мин)), допустимому количеству компонентов для смешения, точности дозирования компонентов.

На рисунок 5 показан RTM комплекс с термошкафом для разогрева связующих. Подогрев связующих до температуры 80°С позволяет снизить вязкость и ускорить процесс пропитки при более низких давлениях впрыска.

Принципиальная схема установки и процесса пропитки показана на рисунок 6.

Рисунок 5 -RTM-установка с термошкафом для предварительного нагрева связующего

Существует три основных разновидности RTM методов:RTM классический, Light-RTM, VaRTM.

RTM классический предполагает использование двух жестких форм (матрицы и пуансона), между которыми выкладывается преформа и производится впрыск связующего под большим давлением (обычно от 3 до 10 атм.). В зависимости от программы выпуска изделий формозадающие поверхности могут изготавливаться из металла или стеклопластика. Усилие прижима создается механической, пневматической или гидравлической системой зажимов. Формы должны обладать высокой прочностью и жесткостью, которая обеспечивается мощной рамой или изготовлением блок-формы с применением заливочных составов, например на основе полимерцементных смесей с различными наполнителями. Как правило, формы изготавливаются с системой подогрева и охлаждения с целью сокращения времени цикла пропитки и полимеризации связующего. Оснастка для RTM процесса показана на рисунок 7 и 8.

Рисунок 6 - Принципиальная схема RTM-установки

Рисунок 7 - Технологическая оснастка для реализации RTM процесса изготовления сидений спортивного автомобиля из углепластика

Рисунок 8 - Технологическая оснастка для реализации процесса RTM в виде блок-форм, залитых цементно-полимерной смесью

При данном методе получаются детали высокого качества, стабильного размера и высокой точности. При использовании гелькоутов деталь может изготавливаться сразу с красочным покрытием как внешней, так и внутренней поверхности. Чистота поверхностей детали зависит от чистоты обработки поверхности форм и может соответствовать классу А.

Light-RTM – (легкий RTM). Метод предполагает использование оснастки, состоящей из прочной нижней формы - матрицы, задающей геометрию и размеры изделию, и облегченной верхней формы – пуансона. Прижим матрицы и пуансона осуществляется с помощью вакуума.

Давление впрыска связующего снижено по сравнению с классическим RTM процессом. Пониженное давление впрыскивания смолы позволяет вместо тяжелой стапельной оснастки использовать легкую алюминиевую или композитную пресс-форму. При данном методе затраты на изготовление оснастки снижены в 1,5-2 раза.

RTMLight применяется при изготовлении изделий малыми сериями, в случаях когда необходимо сократить затраты на подготовку производства.

Процесс инфузии, характеризуется перемещением смолы в армирующем материале за счет создания вакуума в полости между формообразующей оснасткой и герметичной пленкой.

Основой установки для инфузии является вакуумный насос и арматура, обеспечивающие создание вакуума в преформе и улавливание избытка смолы. Внешний вид Infusion установки показан на рисунок 9.