CC BY
680
УДК620.22
ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ПРОИЗВОДСТВА АВИАЦИОННЫХ ДЕТАЛЕЙ ИЗ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ
А.В.Калгин, Ю.Е.Калинин, А.М.Кудрин,
А.В.Малюченков, Ю.В.Панин, А.В.Ситников
Рассмотрены перспективы развития производства авиационных деталей из полимерных композиционных материалов в России и на ОАО «ВАСО». Отмечается перспективность применения полимерных композиционных материалов в других отраслях народного хозяйства
Ключевые слова: композиционные материалы, препрег
Быстрое развитие аэрокосмической области, начиная с 1950-х годов, создало потребность в новых материалах для появившихся высокотехнологичных изделий. Многие требования к материалам не могли быть достигнуты при использовании металлов и существующих пластиков. Требовались легкие устойчивые к окислению и высоким температурам материалы, которые обладали бы при этом высокими механическими характеристиками и могли быть использованы в космическом пространстве. В последние 40 лет были открыты новые полимеры, которые обладали уникальными
высокотемпературными свойствами [1]. Сравнительно малое количество материалов прошло стадию коммерциализации, в основном это связано с достаточно высокой потенциальной стоимостью и сложностью изготовления конечных изделий. В связи с этими потребностями высокотемпературные связующие являются одним из важнейших компонентов при производстве полимерных композиционных материалов (ПКМ).
Главное из преимуществ ПКМ по сравнению с традиционными материалами -это уникальное сочетание свойств. Как правило, полимерные композиционные материалы не являются «чемпионами» по отдельно взятому свойству. Но по сочетанию определенных свойств им нет равных.
В начале 1960-х годов компания DuPont успешно разработала коммерческие
Калгин Александр Владимирович-ВГТУ, канд. физ.-мат.
наук, младший научный сотрудник
Калинин Юрий Егорович-ВГТУ, д-р физ.-мат.наук,
профессор, тел. (473) 246-66-47
Кудрин Алексей Михайлович- ВГТУ, канд. физ.-мат.
наук, зав. лаб.
Малюченков Александр Вячеславович -ОАО «ВАСО», начальник отдела
Панин Юрий Васильевич - ВГТУ,канд. физ.-мат. наук Ситников Александр Викторович - ВГТУ, д-р физ.-мат.наук, доцент, (473) 246-66-47
высокотемпературные материалы на основе полиимида.Продолжительный успех этих материалов был связан с доступностью и низкой стоимостью исходных материалов и возможностью широкого круга конечного использования.
С момента начала использования активно ведутся работы по разработке новых типов связующих и ПКМ в исследовательских лабораториях различных стран. Сложность состава и морфологии ПКМ, многообразие форм армирующих наполнителей, различные технологии изготовления полуфабрикатов и формования изделий - все эти факторы оказывают влияние на конструкционные свойства ПКМ. Особенности
конструкционных свойств этих материалов проявляются на этапах изготовления полуфабрикатов, подготовки их к сборке пакетов (раскрой), сборки пакетов (выкладка), формования изделий, механической
обработки, при хранении и транспортировке. Механические свойства ПКМ определяются составом, типом полимерной матрицы, видом и текстурой армирующего наполнителя, их взаимодействием на стадиях получения полуфабрикатов, формирования и формования материала и изделий из него, уровнем и соотношением упругих, прочностных, деформационных характеристик входящих в состав материала компонентов. Все это в наибольшей степени удовлетворяет
разнообразным техническим требованиям конструкций авиационной техники и находит практическое применение в различных конструкциях, в том числе для особо ответственных силовых элементов, включая такие, как крыло, киль, фюзеляж, что обеспечивает значительное снижение веса самолета.
1. Тенденции развития производства авиационных деталей из композиционных материалов
При производстве конкурентоспособной гражданской авиационной техники, включая производимые АН-148, SukhoiSuperJet 100, и разрабатываемый МС-21, необходимо
внедрение новых композиционных
материалов, технологий их производства, процедур проектирования, обеспечивающих снижение веса конструкций самолета, а также минимизация производственных и
эксплуатационных расходов в течение всего планируемого ресурса и календарного срока службы самолета [2]. Для особо
ответственных композитных конструкций, включая мотогондолу, процесс
проектирования становится намного сложнее, и требует решения оптимизационных задач в различных областях: применения новых
связующих, расчет характеристик
композиционных материалов, необходимых вариантов армирования, конструктивносиловых схем конструкции, способов укладки и выкладки полуфабрикатов, соблюдения
параметров и режимов технологических процессов отверждения и пр.
Таким образом, для разработки высокоэффективных особо ответственных авиационных композитных конструкций необходимо использование новых
инновационных материалов и технологий, а также проведение значительного объема теоретических и экспериментальных
исследований. При этом рост производства высокопрочных и высокомодульных углеродных волокон для композиционных материалов в ближайщие 10 лет и на перспективу напрямую будет связан с планами гражданской авиационной промышленности, в особенности с реализацией программ корпораций Boeing (США), Airbus М.(Европа), др. зарубежных компаний, а также Российской «Объединенной
авиастроительной корпорации» (ОАО «ОАК»).
За последние годы композитные материалы стали широко использовать в крупногабаритных авиационных деталях, поскольку изготовители научились
пользоваться уникальными свойствами таких материалов и нашли способы понизить стоимость производства композитных конструкций [1].
Фирма AirbusIndustrie продолжает
увеличивать области применения
композитных материалов в своих авиационных разработках, в самолете A380 композиты составляют 16 % от общего веса конструкции. Теоретически, это означает, что более 20 % традиционных алюминиевых структур заменены композитами. Из-за высокой стоимости композиты используются в основном во вспомогательных деталях -
элеронах, створках, рулях высоты и направления. Однако, фирма Boing использовала композиты для хвостового стабилизатора и для балок перекрытия
самолета B 777, а фирма Airbus использует композиты для хвостового оперения во всех своих самолетах. Позднее, несколько коммерческих производителей авиалайнеров стали рассматривать и выбирать композитные материалы для основных конструкций
самолета.
В самолете Airbus А380 для изготовления массивных (7*8*2.4 м) опорных конструкций крыла применяют пластики, армированные углеродным волокном, внутри салона длина продольной верхней балки перекрытия
составляет 7 м, поперечной 0.3 м. С помощью метода пропитки смолой изготавливают перегородки и панели крыльев. Для
повышения устойчивости к внешним
воздействиям передние кромки крыла будут
изготовлены из термопластика.
Верхние поверхности панелей фюзеляжа (более 400 м2) будут изготавливать из
гибридных и стекловолоконных многослойных материалов. На рис. 1 представлены
усовершенствованные разработки материалов, используемых в самолете А380. До сих пор в гражданской авиации в несущих конструкциях самолета не использовалось столько сложных и важных композитных материалов.
Предпочтения при выборе между композитными или алюминиевыми
конструкциями с течением времени меняются, поскольку технологии создания и тех и других постоянно совершенствуются.
На рис. 2 представлены данные периодических изменений выбора материалов, используемых для ряда изделий аэробуса А380.
С момента внедрения композиционных материалов в коммерческий сегмент авиационной отрасли, в каждом новом семействе самолетов содержание подобных материалов в конструкции значимо увеличивается.На стадии создания самолетов семейства Airbus А300/310 и Boeing 717/737 на 1 самолет использовалось приблизительно 500-1500 кг ПКМ (слабо и средненагруженные элементы механизации крыла, рули, панели люков), в то время как в конструкции Boeing 787 применение углепластиков увеличено до 25 тонн (в т.ч. крыло, фюзеляж, киль изготовлены из ПКМ).
Рис. 1. Усовершенствованные композитные материалы для А380
Рис. 2Тенденции выбора материалов для самолетов AIRBUS
В конструкции Airbus А380 используется уже около 30 тонн ПКM (центроплан, хвостовая балка и другие детали планера изготовлены из композиционных материалов). Более того, в конструкции Airbus А350 XWB запланировано применить 14-16 тонн композитов на 1 самолет, что составит около 41% от общей массы материалов планера или 52 % от массы конструкционных материалов (см. табл.) [3].
В настоящее время в российских
гражданских самолетах доля композиционных материалов сравнительно невысока. В
конструкции среднемагистрального самолета Туполев 204 она составляет до 14% от общего веса планера (элементы механизации крыла, рули, панели люков, полов и др.). На этом же уровне применены композиционные материалы в конструкции нового регионального самолета SukhoiSuperJet 100.
Перспективными российскими гражданскими пассажирскими самолетами, в конструкции которых планируется широко внедрить высокопрочные и высокомодульные ПКМ (3540 % от общей массы материалов планера), будут магистральный самолет МС-21 и новая модификация SukhoiSuperJet (из ПКМ
планируется изготавливать кессон консоли крыла, кессон и руль направления киля, кессон и руль высоты стабилизатора, центроплан, а также элементы механизации крыла-закрылки, интерцепторы, элероны и др.).
Структура применения конструкционных материалов
в пассажи зских самолетах
Самолет Пт AL-сплавы Ti-сплавы Стали Другие материалы
Boeing 787 50 % 20 % 15% 10% 5%
Airbus A350 XWB 52 % 20 % 14% 7% 7%
Tу-204 14 % 69 % 5 % 8 % 4 %
TУ-204 СM 29 % 49 % 10 % 5 % 7 %
Авиастроительные компании
прогнозируют перспективы возрастающего изготовления и продаж по годам пассажирских самолетов нового поколения (например, Boeing 787, Airbus А380/А350 XWB и др. зарубежных, а также российских-семейства самолетов МС-21,
регионального самолета планируют увеличивать углеродных волокон в для конструкций уменьшить вес
магистральных модификаций SukhoiSuperJet), использование армированных композитах самолета, позволяющих
конструкций, снизить стоимость их изготовления и достигнуть определенной экономии топлива в эксплуатации.
К примеру, корпорация Boeing использует различные типы композиционных материалов для моделей самолетов Boeing 747, 767, 777, а также для новой модели Boeing787: •препреги на основе однонаправленных лент и стандартных тканей из углеродных жгутов номинала 3К;
•преформы для RTM-технологии;
•препреги на основе однонаправленных лент, однонаправленных жгутов, стандартных тканей из углеродных жгутов номинала 3К и 6К;
•преформы на основе мультиаксиальных (NCF) тканей для инфузионной ЯЛ-
технологии.
В 1990-х годах соотношение использования армирующего наполнителя в
композиционных материалов был в пропорции 60/40 в пользу стандартных тканей. Тем не менее, механизированные технологические процессы, такие как, автоматизированная выкладка препрегов из однонаправленных лент (ATL), раскладка волокна (AFP) получили развитие благодаря показателям снижения стоимости изготовления деталей, кроме того, технологии закрытого формования (RTM) и инфузия (RFI) также стали приводить к снижению стоимости изготовления деталей и агрегатов из композиционных материалов. Проведенный анализ показывает заметный сдвиг в снижении использования, в настоящее время, препрегов из стандартных тканей в сторону увеличения потребления препрегов из однонаправленных лент, благодаря внедрению автоматизированных способов выкладки из препрегов (ATL) и раскладки волокна (AFP) деталей и агрегатов из композиционных материалов. Прогнозируется также рост спроса на непрепреговые типы углеродных материалов, прежде всего на мультиаксиальные (NCF) ткани, в связи с развитием технологий RTM Компоненты и композиционные компаний Hexcel Composites Engineered Materials преобладают среди материалов, потребляемых мировой авиационной отраслью, и суммарно занимают до 80-90 % от общей доли рынка компонентов и препрегов.
RFI.
материалы Cytec
и
и
Таким образом, применение ПКМ в авиационной технике с каждым годом возрастает.
2. Развитие производства авиационных деталей из композиционных материалов на ВАСО
Каковы перспективы развития
производства авиационных деталей из ПКМ на ВАСО? На существующем композитном производстве ОАО «ВАСО» реализуется препреговая технология получения материалов и изделий из ПКМ. Тип связующего, тип и структура армирующего наполнителя, метод формования определены разработчиком изделия «АН-148» и регламентируется технологическими инструкциями.
Анализ конструкторской документации и принятой технологии изготовления изделий из ПКМ показывает, что технические требования, предъявляемые к большинству деталей фюзеляжа Ф3 и мотогондолы, могут быть обеспечены ПКМ на основе эпоксидного связующего и стеклянного армирующего наполнителя. Только часть деталей, работающих в температурном интервале до 300°С, требует использования полиимидных связующих и углеродного наполнителя. Исходя из этого, разработчиком изделия принята препреговая технология изготовления изделий из ПКМ с использованием
эпоксидных связующих, которые наиболее дешевые и позволяют получать изделия с достаточно высокой прочностью, но не могут обеспечить необходимую жесткость изделию. В связи с этим несущие изделия фюзеляжа Ф3 и мотогондолы имеют сложную конструкцию и большое количество деталей из ПКМ, обеспечивающих необходимую жесткость.
Таким образом, выигрыш в стоимости материала оборачивается значительными затратами на изготовление большого количества деталей и сборку изделия, что затрудняет организацию серийного
производства. Производство оказалось
загруженным изготовлением большого
количества деталей, каждая из которых имеет свои особенности изготовления и требует применения большого количества
индивидуальной оснастки, ручного труда и производственных площадей.
В настоящее время на ВАСО приобретен комплекс получения прекурсоров и технологический комплекс пропитки для получения препрегов.
Ткацкая технология, позволит получать текстильные структуры разной ширины, в виде рукавов или полотен с различными конструкциями утка и основы, в т. ч. многослойные, например, двухслойные, трехслойные и более.
Рисунок 4 - Комплекс получения прекурсоров, приобретенный для ВАСО
Текстильные структуры, образованные переплетением под углом 90° двух и более систем нитей, обладают хорошей стабильностью размеров в направлениях укладки волокон (т.е. утка и основы) и характеризуются высокой плотностью
упаковки нити по отношению к толщине (для простых схем переплетения). Большинство простых текстильных структур, широко применяемых в настоящее время для изготовления композитов, имеют простые схемы переплетения, такие, как полотняное,
сатиновое и саржевое. Приобретенный станок Дорнье был полностью разобран до станины и доработан, модифицирован сотрудниками ИНУМИТ с учетом дальнего производства на нем тканых структур на основе углеродного волокна, с целью обучения персонала, подготовки кадров. Станок позволяет экспериментировать, создавать
новые материалы (рис.4).
В настоящее время производство препрегов составляет около 35 % от мирового потребления углеродных волокон,
используемых в виде сухих жгутов для однонаправленных лент, тканей листов и т.д. Приблизительно 60 % изделий из углепластика (как стандартного плетения, так и разнонаправленного) произведено прямо из предварительно пропитанных продуктов. В соответствии с этим почти 13700 тонн композитов, что эквивалентно 55 % общего мирового потребления углеродных волокон, производится либо прямо, либо косвенно с использованием препрегов.
Затраты на процесс формования изделия из препрегов обычно составляют 4060 % от общей стоимости в зависимости от размера и сложности детали. Для снижения затрат производства ведутся различные
разработки материалов и процессов в направлении увеличения объемов
использования полупрегов и непропитанных продуктов.
В результате рост производства стандартных материалов на основе препрегов в будущем может отставать. Доля препрегов в производстве композитных материалов значительно более высокая в аэрокосмической и спортивной индустрии по сравнению с общепромышленным производством, где зависимость от альтернативных процессов и стремление к снижению производственных затрат намного выше.
Хотя производство и использование углеродных волокон растет быстрыми темпами, для препрегов оно развивается с меньшей скоростью и будет далее отставать, поскольку процессы с введением жидких смол, такие как RTM, RIM, RFI и другие, продолжают совершенствоваться и получают все большее признание, в том числе и авиастроении. Смонтированный на ВАСО технологический комплекс пропитки для получения препрегов (рис. 5) позволит повысить качество производимых
полуфабрикатов, получать новые и снизить себестоимость производимой продукции.
Рисунок 5 - Технологический комплекс пропитки для получения препрегов, приобретенный для
ВАСО
3. Перспективы применения препрегов при производстве других деталей
Приобретенное оборудование позволит ВАСО расширить номенклатуру
производимых препрегов не только для производства деталей авиационной техники, но и для других целей. Важным моментом применения препрегов состоит в том, что в отходы при изготовлении деталей из них идет не более 10"30% материала, в то время как у аналогичных деталей из высокопрочных сплавов алюминия и титана, применяемых в
авиации, отходы могут в 4"12 раз превышать массу изделия [4]. Опыт применения ПКМ показал, что максимального выигрыша от их применения можно добиться, лишь творчески подходя к проектированию самолета или другого изделия, учитывая особенности свойств армированных пластиков и технологии их изготовления. Поэтому перспективы применения ПКМ в других отраслях, в том числе на предприятиях г. Воронежа неограниченные.
Рассмотрим лишь некоторые области их применения с учетом потребностей тех отраслей, которые развиваются в г. Воронеже (рис. 6). Представленные на рисунке примеры ПКМ могут быть использованы при производстве трубопроводов химических предприятий и испытательных комплексов (ОАО «Воронежсинтезкаучук, ОАО КБХА и др.), строительстве мостов, систем ЖКХ, ракетно-космической технике, атомной промышленности, железных дорог и судостроении. В частности, на Воронежском водохранилище могут использоваться лодки и катера с корпусами из ПКМ, которые более легкие и имеющие больший срок эксплуатации. Особенно перспективно
использование ПКМ в областях, требующих высокой конструкционной прочности при одновременном снижении веса готового
изделия. Эксперты отмечают, что в сравнении с металлическими аналогами конструкции из ПКМ дают значительную экономию издержек и эксплуатационных расходов (в особенности при расчете всего жизненного цикла). Показателен пример экономической
эффективности применения таких материалов при реализации проекта по реконструкции моста в п. Татищево (Саратовской обл.): была существенно увеличена несущая способность моста, получена двукратная экономия бюджета строительства и достигнуто повышение производительности монтажных работ в 3-4 раза по сравнению с усилением металлическими конструкциями.
По мнению главы компании «Композит» Л.Б. Меламеда в последние годы имеет место радикальное снижение стоимости одного килограмма углепластиков, а при стоимости одного килограмма углепластиков 12-15 долларов произойдет массовое вытеснение стали как арматурного материала. И такую возможность руководству ВАСО необходимо учитывать в планах стратегического развития, учитывая возможности композитного
производства на предприятии.
Не менее перспективно применение ПКМ при производстве автомобилей, бытовой и сельскохозяйственной техники, в том числе при производстве тракторов. Учитывая, что в нашем регионе производят
сельскохозяйственную технику,
холодильники, то производимые на ВАСО и вновь разработанные препреги могут найти применение и в этих отраслях.
Так за последние 15 лет доля пластмасс в общем весе узлов и деталей автомобиля
увеличилась с 2,9% до 9,5%, а доля стали уменьшилась с 60,4 % до 56,9%. Причины увеличения объемов потребления пластмасс можно сформулировать следующим образом:
- высокая прочность и жесткость при
незначительном весе обеспечивают
функциональность деталей;
- термостойкость и химическая стойкость обеспечивают применение под капотом вблизи двигателя;
- прозрачность и блеск, а также выдерживание
заданных размеров дают возможность
использования для внешней отделки;
- свобода при разработке дизайнерских
решений и создании сложных форм способствует новым возможностям для
отделки салона и кузова.
По своим прочностным характеристикам, плотности, химической стойкости и др. ПКМ успешно конкурируют, в первую очередь с традиционными материалами в производстве автомобилей, включая металлы. Радиаторные решетки, приборные панели, облицовки
дверей и другие детали салона, колпаки колес, корпуса зеркал заднего вида, детали воздухозаборника, бамперы и даже передние крылья (из смеси АБС с полиамидом, например в некоторых моделях BMW), - эти и многие другие автокомпоненты
изготавливаются из АБС и композиций на его основе. Единственным отечественным производителем АБС - пластиков в России является ОАО «Пластик» (г. Узловая) - около 45% российского рынка.
В заключение можно сказать, что в связи с постоянно повышающимися требованиями к качеству и внешнему виду изделий из полимерных материалов, а также с общемировыми тенденциями к снижению затрат во всех отраслях промышленности, наблюдается увеличение доли
композиционных материалов в общем объеме потребления конструкционных полимеров для различных применений.
Для широкого применения ПКМ в России и г. Воронеже, в частности, необходимо разрабатывать новые ПКМ с более низкой себестоимостью, сократить время
технологического процесса производства полимерных изделий и совершенствовать технологию изготовления готовых деталей и узлов. Всем этим нам предстоит заниматься вместе, а поможет в этом создаваемый центр компетенций или научно-производственный комплекс.
Промышленное использование
Строительство
Космос и ракетостроение
Атомная промышленность
Судостроение
Железная дорога
Рис. 6. Применение композиционных материалов на основе углеволокна
Литература
1.Niu, M. C., Composite Airframe Structures, Comilit Press Ltd, Hong Kong, 1992.
2.Гайданский А.И., Громашев А.Г., Кривонос В.В.,
Куликов С.В., Тарасов Ю.М. Тенденции применения полимерных композиционных материалов в производстве гражданской авиационной техники // Доклад на конференции «Перспективные материалы в авиационно-космической промышленности: новые
технологии и возможности применения». 25 ноября 2010 г. Москва.
3. Садков В.В.Опыт использования композиционных материалов
в конструкциях самолетов ОАО «Туполев» // Доклад на конференции «Перспективные материалы в авиационнокосмической промышленности: новые технологии и возможности применения». 25 ноября 2010 г. Москва.
4.Берлин А.А. Современные полимерные композиционные материалы (ПКМ) // Соросовский образовательный журнал, 1995, №1, с. 57-65.
ОАО «Воронежское акционерное самолётостроительное общество» Воронежскийгосударственныйтехническийуниверситет
DEVELOPMENT PROSPECTS OF AIRCRAFT PARTS PRODUCTION OF COMPOSITE MATERIALS
A.V. Kalgin, Y.E.Kalinin, A.M. Kudrin, A.V. Malyuchenkov, Y.V. Panin, A.V. Sitnikov
The prospects of development of aircraft parts production in Russia and in JSK «VASO» made of polymer composite materials have been analyzed. It is important to note the other applications of polymer composites in different industries
Keywords: composites, prepregs
