CC BY
11
Fomicheva Irina Nikolaevna, postgraduate, junior researcher, eerseek@gmail.com, Russia, Tula, Tula State University,
Osipov Pavel Nikolaevich, master, junior researcher, pavel.osipov. 98@list. ru, Russia, Tula, Tula State University,
Kalish Pavel Eduardovich, student, junior researcher, pavel.kalishl3@gmail.com, Russia, Tula, Tula State University
УДК 621.763; 621.715.4
DOI: 10.24412/2071-6168-2022-12-585-589
АВТОМАТИЗИРОВАННОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ ОСНАСТКИ ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА ЛЕНТОЧНЫХ ПРЕПРЕГОВ НА ОСНОВЕ ТЕРМОПЛАСТИЧНЫХ ПОЛИМЕРОВ
П.Э. Калиш, И.Н. Фомичева, В.П. Красильников
Проведен обзор методики изготовления препрегов на основе термопластичных полимеров, а также анализ оснастки, применяемой для её изготовления. В работе представлено автоматизированное проектирование пултрузионной головки, являющейся оснасткой пултрузионной линии. В работе были созданы предпосылки для дальнейшего производства разработанной оснастки и создании полноценной линии для изготовления ленточных препрегов.
Ключевые слова: препреги с полимерной матрицей, ленточные препреги, автоматизированное проектирование, пултрузионная головка, пропитывающее устройство.
Композиционные материалы (КМ) представляют собой многокомпонентные материалы, состоящие из полимерной, металлической, керамической или иной матрицы (связующего), армированной наполнителями такими, как волокно (короткое, длинное, непрерывное), нитевидные кристаллы, тонкодисперсные частицы и т. п. Путем подбора материалов наполнителя и матрицы, их соотношения и ориентации наполнителя можно получать материалы с различными эксплуатационными свойствами.
Среди методов производства композитных материалах с полимерной матрицей, можно выделить методы, основанные на выкладке заранее подготовленных композиций - препрегов. Препрег - это композиционный полуфабрикат, представляющий собой полотно из ткани или волокна, предварительно пропитанные предкатализированной смолой при определённой температуре и давлении или термопластичным полимером (в зависимости от материала связующего). В процессе выкладке производится нагрев композиции, направленный на окончательную кристаллизацию смолы или расплавление термопластичного связующего. Препреги имеют высокое соотношение модуля упругости и прочности в направлении волокна, могут быть использованы для плоской и сложнопрофильной автоматизированной выкладки по технологиям AFP и ATL [1, 2].
Основой для изготовления волокнистых препрегов является ровинг, представляющий собой ленту непрерывного волокна [3]. Ровинг состоит из филаментов (единичных нитей). Ровинг классифицируется по материалу (углеволокно, стекловолокно, бороволокно, кремнезёмное волокно и т. п.), толщине и количеству филаментов. В зависимости от ширины изготавливаемого препрега в него могут входить от одной до десятков лент ровинга.
В качестве основного метода изготовления препрегов применяют пултрузию [4]. Пултрузия -это процесс изготовления длинномерных профилированных изделий путем протягивания композиции матричного полимера с непрерывными волокнами через пултрузионную головку. В отличие от экструзии, где основным рабочим воздействием служит давление расплава экструдируемого полимера, при пултрузии таковым является тянущее усилие протягивающего устройства. В зависимости от типа связующего различают пултрузию с использованием реактопластичных и термопластичных полимеров. В связи с этим определяют, как принципиальную схему оборудования, применяемого при производстве пре-прега, так и методику нанесения связующего.
Одним из существенных недостатков пултрузии, использующей в качестве связующего реак-топласты (полиэфирные, эпоксидные, полиимидные, бисмалеимидные и винилэфирные смолы), является высокая стоимость получаемых изделий. Кроме того, получаемые «классическим» методом пултрузии изделия не подлежат вторичной переработке, имеют достаточно низкую ударопочность и малый срок годности в связи с малым сроком хранения предкатализированного реактопласта. В связи с этим получил распространение метод пултрузии, ориентированный на применение термопластичных полимеров.
Главным недостатком данного метода является низкая производительность процесса ввиду высокой вязкости расплавов термопластичных полимеров [5]. На рис. 1 представлена принципиальная схема пултру-зионной линии для изготовления препрегов на основе термопластичных полимеров. В отличие от оборудования, применяемого при «классическом» методе пултрузии, она не имеет пропиточных и отжимных роликов, ванны со связующим, а также сушильной печи, но содержит в своём составе экструдер и пул-трузионную головку.
Рис. 1. Принципиальная схема пултрузионной линии для изготовления препрегов на основе термопластичных полимеров: 1 - шпулярник; 2 - ленты ровинга с отдельных шпуль; 3 -распреде лительныеролики; 4 -ровинг; 5 - экструдер; 6 - пултрузионная головка; 7 - ровинг, пропитанный полимером; 8- профилирующее устройство; 9 - препрег; 10 - система протяжки;
11 - система намотки и резки
Исходя из принципиальной схемы применяемого оборудования для изготовления препрегов (рис. 1), оснасткой является пултрузионная головка и профилирующее устройство. Основываясь на существующих разработках [6, 7] можно сделать вывод о том, что наиболее сложным конструктивом обладает пултрузионная головка так, как профилирующее устройство может быть представлено в виде подогреваемых вальцов (для широкого полотна препрега) или щелевой подогреваемой фильеры (для ленточного препрега).
В качестве термопластичного связующего при изготовлении препрегов могут быть использованы различные термопластичные полимеры начиная с низкотемпературных таких, как полипропилен (PP), сополимер акрилонитрила бутадиена и стирола (ABS), полиамид 6 (PA 6), Nylon, и заканчивая высокотемпературными - полифениленсульфид (PPS), полифенилсульфон (PPSU), полисульфон (PSU), полиэфирэмид (PEI), полифенилендикетон (PPDK), полиэфирэфиркетон (PEEK), полиэфиркетонкетон (PEKK) и т. д., которые перерабатываются при температурах до 400 0С [6, 8]. В связи с этим к материалам оснастки, через которую протягивается препрег, предъявляются высокие требования износостойкости при высоких температурах. Рабочие поверхности оснастки должны иметь высокую твёрдость (порядка 65-55HRC) при температурах до 450-500 0С (обычно при таких температурах производится очистка фильер и сеток экструдеров посредством отжига в печи) [9].
Обычно на промышленном пултрузионном оборудовании изготавливают полотна препрега шириной 1070 и 1260 мм (±10 мм) и толщиной от 0.03 до 0.2 мм (в зависимости от степени армирования) [8, 10], которые впоследствии разрезают на узкие ленты. Это позволяет получать ленты различной ширины из одного и того же полотна, но значительно удорожает производство, так как возникает необходимость в наличии большого количества катушек в шпулярнике, высокопроизводительного экструдера и сложной системы намотки и резки.
Целью данной статьи является разработка пултрузионной головки для производства ленточных препрегов небольшой ширины на основе термопластичных полимеров. Исходные данные для проектирования оснастки для пултрузии ленточных препрегов на основе термопластичных полимеров представлены в таблице. Они были сформированы на основе того, ленточный препрег может использоваться для автоматизированной выкладки по технологии AFP [1, 2].
Исходные данные для проектирования оснастки
Геометрические параметры ленточного препрега, мм Процентное содержание волокна в препреге, % Марка волокна Материал матрицы Оборудование, позиционирующее оснастку
ширина толщина
6,35 0,2 60±8 UMT290 PA 6 одношнековый экструдер модели LE-25-30/C
В качестве армирующего материала было взято углеродное волокно марки иМТ290, состоящее из 12 тысяч филаментов и имеющее линейную плотность равную 730 текс, объёмную плотность - 1,74 г/см3. Для создания препрега шириной 6,35 мм и толщиной 0,2 мм с содержанием выбранного армирующего углеволокна (иМТ290) порядка 60% необходимо использовать 2 ленты ровинга этого волокна, которые необходимо объединить посредством прокатки жгутов через систему вальцов. При этом необходимо получить ровинг большей ширины, чем нам необходимо для наилучшей пропитки всех его фила-ментов термопластом.
Пултрузионная головка должна иметь возможность быть установленной на имеющееся в наличии экструзионное оборудование. В качестве данного оборудования выступает одношнековый экструдер модели LE-25-30/C, являющийся частью экструзионной линии для производства филамента для FDM-печати. В качестве оснастки на данном одношнековом экструдере используется экструзионная фильера, присоединяющаяся к экструдеру по средству стягивания хомутом её фланца и фланца цилиндра экстру-дера через сетку, распределяющую давление расплава или кольцо.
Проектирование пултрузионной головки происходило по следующему алгоритму: Конструирование волнообразного канала, исходя из существующих конструкторских решений
[6, 7].
Проектирование элементов, ограничивающих волнообразный канал.
Проектирование каналов питателей, предназначенных для подачи расплава термопласта в волнообразный канал.
Конструирование системы, объединяющей каналы питателей в один общий. Проектирование системы изменения высоты волнообразного канала.
Разработка конструкции переходных элементов между одношнековым экструдером и ранее созданными деталями.
Проектирование системы нагрева и контроля температуры.
В результате автоматизированного проектирования в студенческой версии CAD-системы AutoCAD, была разработана трёхмерная модель пултрузионной головки, которая представлена на рис. 2. Она состоит из следующих основных частей:
1. Сетка, распределяющая давление расплава;
2. Переходная часть, крепящаяся к экструдеру за счёт стяжки хомута фланцевым соединением и самой пултрузионной головке за счёт резьбового соединения;
3. Базовая пластина пултрузионной головки;
4. Пластина-коллектор, предназначенная для перераспределения расплава к питателям пластин, образующих волнообразный канал;
5. Нижняя волнообразная пластина;
6. Верхняя волнообразная пластина;
7. Боковая пластина;
8. Пластина-фиксатор, осуществляющая регулировку и фиксирование позиции верхней волнообразная пластины.
Рис. 2. Модель пултрузионной головки с вырезанной четвертью: 1 - сетка; 2 - переходная часть;
3 - базовая пластина; 4 - пластина-коллектор; 5 - нижняя волнообразная пластина;
6 - боковая пластина; 7 - переходник крепления термопары; 8 - верхняя волнообразная пластина;
9 -стягивающие винты; 10 - пластина-фиксатор; 11 - отверстия под нагревательные тэны;
12 - фиксатор переходной части
На рис. 3 представлена геометрия рабочей части фильеры - волнообразного канала, в котором осуществляется пропитка ровинга термопластом. Данная волнообразная геометрия позволяет осуществлять пропитку волокна за счет вдавливания расплавленного полимера в ровинг, протягиваемый по контактным поверхностям фильеры (вершины волнообразных пластин). Степень пропитки ровинга можно увеличить как за счёт увеличения количества контактных поверхностей фильеры [6], так и за счёт предварительной раскатки его в более широкую ленту.
Ширина волнообразного канала составляет 20 мм. Это позволяет пропускать через него ровинг из 24 тысяч филаментов при толщине в 4 филамента (диаметр одного филамента углеволокна марки иМТ290 равен 6,7 мкм), что может обеспечить необходимую пропитку. При недостаточной пропитке можно увеличить ширину пластин, образующих волнообразный канал.
Каналы питателей 3 (рис. 3) сконструированы так, что площадь их сечений постоянно уменьшается. Это сделано для более равномерного распределения давления расплава. Так же дополнительно в пултрузионную головку может быть установлен датчик давления расплава для более точного контроля скорости вращения шнека экструдера, подающего полимер.
Для нагрева пултрузионной головки имеется 14 отверстий под патронные тэны диаметром 10 мм мощностью до 200-300 Вт. Тэны могут быть подключены к разъёмам питания нагревателей фильеры экструдера, что обеспечит контроль температуры через панель управления экструдера. При этом может использоваться базовая термопара экструдера.
В результате автоматизированного проектирования оснастки, предназначенной для изготовления ленточного препрега на основе термопластичного полимера, были разработаны чертежи составляющих её деталей. В дальнейшем будет осуществлён подбор материалов и методов изготовления пултрузи-онной головки, а также будут произведены испытания прототипа.
Ь
Рис. 3. Геометрия волнообразного канала пултрузионной головки: 1 - верхняя волнообразная пластина; 2 - нижняя волнообразная пластина; 3 - канал питателя; 4 - отверстия стягивающих винтов; 5 - ванны с расплавом полимера; 6 - контактные поверхности.
Исследование выполнено при финансовой поддержке комитета Тульской области по науке и инноватике в рамках соглашения №10 от 07.09.2022. Тематика: Разработка высокоэффективной импортозамещающей технологии получения высокотехнологичного полиэфиркетонкетона длительного срока эксплуатации.
Список литературы
1. Тимошков П. Н. Оборудование и материалы для технологии автоматизированной выкладки препрегов // Авиационные материалы и технологии. М.: Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов НИЦ «Курчатовский институт», 2016. №2 (41). С. 35-39.
2. Гусев Ю.А., Борщев А.В., Хрульков А.В. Особенности препрегов для автоматизированной выкладки методами ATL и AFP // Научно-технический журнал «ТРУДЫ ВИАМ». М.: ВИАМ, 2015. № 3. С. 3.
3. Непрерывные волокна и нити: Файловый архив студентов StudFiles. Текстовые дан. [Электронный ресурс] URL: https://studfile.net/preview/7855893/page:3 (дата обращения: 10.11.2022).
4. Пултрузия: Информационно-аналитический портал MPlast.by Текстовые дан. [Электронный ресурс] URL: https://mplast.by/encyklopedia/pultruziya (дата обращения: 10.11.2022).
5. Ставров В.П. Формообразование изделий из композиционных материалов. Минск: БГТУ, 2006. 482 с.
6. Патент № 2573674 Российская Федерация, МПК B29C 70/08 (2006.01). Термопластичный препрег, содержащий непрерывные и длинные волокна: № 2013102590/05; заявл. 22.06.2011; опубл. 27.01.2016 Бюл. № 3 / Малишевский Джереми Дж. (US), Джонсон Аарон Х. (US), Тибор Тимоти Л. (US); заявитель и патентообладатель Тикона ЭлЭлСи (US). 26 с.
7. Patent № 4,439,387 United States Patent, Int. Cl. B29C 47/02. Method of manufacturing a composite reinforcing structure: Re. 32,772; Filed: Nov. 16, 1981; Issued: Mar. 27, 1984. Inventor: Ronald C. Hawley, Winona, Minn; Assingee: Polymer Composites, Inc., Winona, Minn. 6 p.
8. Спецификация на препрег ЭМ-5: Информационный сайт для ознакомления с методами проектирования и технологиями изготовления печатных плат. Текстовые дан. [Электронный ресурс] URL: https://printedboards.ru/materials/prepregem5 (дата обращения: 10.11.2022).
9. Vijay Shrinivas, Rajesh Narasimhan, Thillairajan Arumugam. Failure analysis of AISI 440C strand dies used in twin screw extruders during polymer compounding. 2021. Volume 45, Part 6. P. 4706-4711.
10. Губанов Д.Б. Термопластиковые композитные технологии // Технология текстильной промышленности. Иваново: ИГПУ, 2021. №6 (396). С. 307-311.
Калиш Павел Эдуардович, магистрант, младший научный сотрудник лаборатории, pavel.kalish13@smail.com, Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Фомичева Ирина Николаевна, аспирант, младший научный сотрудник лаборатории, eergeek@smail.com, Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Красильников Владислав Петрович, канд. техн. наук, доцент, младший научный сотрудник лаборатории, Jerevlad@yandex.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет
AUTOMATED DESIGN OF TOOLING FOR THE PRODUCTION OF TAPE PREPREGS BASED
ON THERMOPLASTIC POLYMERS
P.E. Kalish, I.N. Fomicheva, V.P. Krasilnikov
A review of the technology for manufacturing prepregs based on thermoplastic polymers was carried out, as well as an analysis of fitting, application for its manufacture. The paper presents the emergency design of the pultrusion head, which is the connection of the pultrusion line. The work created the prerequisites for the continuous production of the developed scheme and the installation of a line for the production of tape prepregs.
Key words: polymer matrix prepregs, tape prepregs, sound design, pultrusion head, impregnation device.
Kalish Pavel Eduardovich, undergraduate, junior researcher, pavel.kalish 13@gmail.com, Russia, Tula, Tula State University,
Fomicheva Irina Nikolaevna, postgraduate, junior researcher, eergeek@gmail.com, Russia, Tula, Tula State University,
Krasilnikov Vladislav Petrovich, candidate of technical sciences, docent, junior researcher, ferevlad@yandex.ru, Russia, Tula, Tula State University
УДК 621.9.047.7
DOI: 10.24412/2071-6168-2022-12-589-595
ПРИМЕНЕНИЕ АДДИТИВНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ ПРИ ИЗГОТОВЛЕНИИ ОСНАСТКИ
ДЛЯ ЛИТЬЯ КОМПОЗИТОВ
П.Э. Калиш
Проведен анализ методов изготовления литьевых форм и рассмотрены аддитивные технологии их изготовления. В работе выполнено экспериментальное исследование 3D-печати и гальванопластики для изготовления литьевой оснастки. В результате были определены параметры 3D-печати и гальванического осаждения меди.
Ключевые слова: аддитивные технологии, фотополимерная печать, гальванопластика, химическое и электрохимическое меднение, оснастка для литья композитов.
Введение. В серийном производстве для получения объёмных изделий со сложными геометрическими формами из композитов с термопластичной матрицей применяют метод литья под давлением на ручных, а автоматических литьевых машинах. При этом технологической оснасткой литейных машин является пресс-форма, представляющая собой единую сборную технологическую оснастку и состоящая из базовых и вспомогательных плит, системы выталкивателей, направляющих штифтов и непосредственно самого формообразующего элемента - литьевой формы. Сама литьевая форма состоит из неподвижной матрицы, образующей внешнюю поверхность изготавливаемых изделий, и подвижного пуансона, имеющего более простую геометрию или образующего в свою очередь внутреннюю поверхность изделий.
Как правило, для изготовления литейных форм используют нержавеющие и инструментальные стали, а также алюминиевые сплавы и композиты.
На сегодняшний день существуют следующие методы изготовления матриц и пуансонов литейных форм:
Металлорежущие методы, а именно фрезерование полостей матриц и пуансонов на ЧПУ-фрезерных станках и обрабатывающих центрах;
Электроэрозионная копировально-прошивочная обработка;
Электрохимическая копировально-прошивочная обработка;
Аддитивные методы.
Из всех вышеперечисленных методов изготовления инструментальной оснастки наибольшее распространение получили металлорежущие методы. Это связано с применением высокоточного оборудования с числовым программным управлением, а также с совершенствованием форм, геометрических параметров и материалов режущего инструмента. Ограничениями применения металлорежущих методов является невозможность обработки труднообрабатываемых материалов маложестким инструментом и высокая стоимость инструмента и оборудования, а также низкий коэффициент использования материала.
