RU2736367C1 - Method for manufacturing a multilayer fibrous work piece of flat shape - Google Patents
Method for manufacturing a multilayer fibrous work piece of flat shape Download PDFInfo
- Publication number
- RU2736367C1 RU2736367C1 RU2019132236A RU2019132236A RU2736367C1 RU 2736367 C1 RU2736367 C1 RU 2736367C1 RU 2019132236 A RU2019132236 A RU 2019132236A RU 2019132236 A RU2019132236 A RU 2019132236A RU 2736367 C1 RU2736367 C1 RU 2736367C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- layers
- reinforcing fibers
- stitch
- preform
- preforms
- Prior art date
Links
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 title claims abstract description 26
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 23
- 239000012783 reinforcing fiber Substances 0.000 claims abstract description 31
- 238000005470 impregnation Methods 0.000 claims abstract description 26
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims abstract description 18
- 239000011230 binding agent Substances 0.000 claims abstract description 16
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 claims abstract description 16
- 238000009958 sewing Methods 0.000 claims description 14
- 229920000049 Carbon (fiber) Polymers 0.000 claims description 10
- 239000004917 carbon fiber Substances 0.000 claims description 10
- 239000004760 aramid Substances 0.000 claims description 6
- 229920006231 aramid fiber Polymers 0.000 claims description 3
- 239000002195 soluble material Substances 0.000 claims 1
- 239000002131 composite material Substances 0.000 abstract description 11
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 abstract description 5
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 2
- 238000005457 optimization Methods 0.000 abstract description 2
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 239000010410 layer Substances 0.000 description 66
- 239000000835 fiber Substances 0.000 description 28
- 238000012856 packing Methods 0.000 description 26
- 239000000047 product Substances 0.000 description 21
- 239000000463 material Substances 0.000 description 13
- 230000003014 reinforcing effect Effects 0.000 description 8
- 239000004745 nonwoven fabric Substances 0.000 description 7
- 230000002787 reinforcement Effects 0.000 description 7
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 description 6
- 238000004090 dissolution Methods 0.000 description 6
- 238000005406 washing Methods 0.000 description 6
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Chemical compound O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 229920001169 thermoplastic Polymers 0.000 description 5
- 229920003319 Araldite® Polymers 0.000 description 4
- 239000004372 Polyvinyl alcohol Substances 0.000 description 4
- 229920003235 aromatic polyamide Polymers 0.000 description 4
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 4
- 239000003822 epoxy resin Substances 0.000 description 4
- 229920000647 polyepoxide Polymers 0.000 description 4
- 229920002451 polyvinyl alcohol Polymers 0.000 description 4
- 238000004873 anchoring Methods 0.000 description 3
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 3
- 230000006378 damage Effects 0.000 description 3
- 238000011161 development Methods 0.000 description 3
- 238000001035 drying Methods 0.000 description 3
- VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N methane Chemical compound C VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 229920005596 polymer binder Polymers 0.000 description 3
- 239000002491 polymer binding agent Substances 0.000 description 3
- 229920005989 resin Polymers 0.000 description 3
- 239000011347 resin Substances 0.000 description 3
- 239000004416 thermosoftening plastic Substances 0.000 description 3
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 2
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 description 2
- 239000012467 final product Substances 0.000 description 2
- 230000006870 function Effects 0.000 description 2
- LNEPOXFFQSENCJ-UHFFFAOYSA-N haloperidol Chemical compound C1CC(O)(C=2C=CC(Cl)=CC=2)CCN1CCCC(=O)C1=CC=C(F)C=C1 LNEPOXFFQSENCJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 2
- 238000000926 separation method Methods 0.000 description 2
- 238000007493 shaping process Methods 0.000 description 2
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 2
- 239000004753 textile Substances 0.000 description 2
- 229920003043 Cellulose fiber Polymers 0.000 description 1
- 229920000271 Kevlar® Polymers 0.000 description 1
- 239000004698 Polyethylene Substances 0.000 description 1
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 1
- 239000005441 aurora Substances 0.000 description 1
- 238000005452 bending Methods 0.000 description 1
- 239000011449 brick Substances 0.000 description 1
- 238000004132 cross linking Methods 0.000 description 1
- 239000012153 distilled water Substances 0.000 description 1
- 239000004744 fabric Substances 0.000 description 1
- 239000012634 fragment Substances 0.000 description 1
- 239000011521 glass Substances 0.000 description 1
- 239000003365 glass fiber Substances 0.000 description 1
- 239000003292 glue Substances 0.000 description 1
- 230000000977 initiatory effect Effects 0.000 description 1
- 238000009434 installation Methods 0.000 description 1
- 239000004761 kevlar Substances 0.000 description 1
- 238000009940 knitting Methods 0.000 description 1
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 description 1
- 238000013001 point bending Methods 0.000 description 1
- 229920001225 polyester resin Polymers 0.000 description 1
- 239000004645 polyester resin Substances 0.000 description 1
- -1 polyethylene Polymers 0.000 description 1
- 229920000573 polyethylene Polymers 0.000 description 1
- 238000006116 polymerization reaction Methods 0.000 description 1
- 239000011148 porous material Substances 0.000 description 1
- 238000011160 research Methods 0.000 description 1
- 229920006395 saturated elastomer Polymers 0.000 description 1
- 239000002356 single layer Substances 0.000 description 1
- 239000002904 solvent Substances 0.000 description 1
- 238000005728 strengthening Methods 0.000 description 1
- 238000009728 tailored fiber placement Methods 0.000 description 1
- 238000001721 transfer moulding Methods 0.000 description 1
- 229920000785 ultra high molecular weight polyethylene Polymers 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
- B29B—PREPARATION OR PRETREATMENT OF THE MATERIAL TO BE SHAPED; MAKING GRANULES OR PREFORMS; RECOVERY OF PLASTICS OR OTHER CONSTITUENTS OF WASTE MATERIAL CONTAINING PLASTICS
- B29B11/00—Making preforms
- B29B11/14—Making preforms characterised by structure or composition
- B29B11/16—Making preforms characterised by structure or composition comprising fillers or reinforcement
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
- B29B—PREPARATION OR PRETREATMENT OF THE MATERIAL TO BE SHAPED; MAKING GRANULES OR PREFORMS; RECOVERY OF PLASTICS OR OTHER CONSTITUENTS OF WASTE MATERIAL CONTAINING PLASTICS
- B29B15/00—Pretreatment of the material to be shaped, not covered by groups B29B7/00 - B29B13/00
- B29B15/08—Pretreatment of the material to be shaped, not covered by groups B29B7/00 - B29B13/00 of reinforcements or fillers
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
- B29C—SHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
- B29C70/00—Shaping composites, i.e. plastics material comprising reinforcements, fillers or preformed parts, e.g. inserts
- B29C70/04—Shaping composites, i.e. plastics material comprising reinforcements, fillers or preformed parts, e.g. inserts comprising reinforcements only, e.g. self-reinforcing plastics
- B29C70/06—Fibrous reinforcements only
- B29C70/10—Fibrous reinforcements only characterised by the structure of fibrous reinforcements, e.g. hollow fibres
- B29C70/16—Fibrous reinforcements only characterised by the structure of fibrous reinforcements, e.g. hollow fibres using fibres of substantial or continuous length
- B29C70/24—Fibrous reinforcements only characterised by the structure of fibrous reinforcements, e.g. hollow fibres using fibres of substantial or continuous length oriented in at least three directions forming a three dimensional structure
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
- B29C—SHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
- B29C70/00—Shaping composites, i.e. plastics material comprising reinforcements, fillers or preformed parts, e.g. inserts
- B29C70/04—Shaping composites, i.e. plastics material comprising reinforcements, fillers or preformed parts, e.g. inserts comprising reinforcements only, e.g. self-reinforcing plastics
- B29C70/28—Shaping operations therefor
-
- D—TEXTILES; PAPER
- D04—BRAIDING; LACE-MAKING; KNITTING; TRIMMINGS; NON-WOVEN FABRICS
- D04H—MAKING TEXTILE FABRICS, e.g. FROM FIBRES OR FILAMENTARY MATERIAL; FABRICS MADE BY SUCH PROCESSES OR APPARATUS, e.g. FELTS, NON-WOVEN FABRICS; COTTON-WOOL; WADDING ; NON-WOVEN FABRICS FROM STAPLE FIBRES, FILAMENTS OR YARNS, BONDED WITH AT LEAST ONE WEB-LIKE MATERIAL DURING THEIR CONSOLIDATION
- D04H3/00—Non-woven fabrics formed wholly or mainly of yarns or like filamentary material of substantial length
- D04H3/08—Non-woven fabrics formed wholly or mainly of yarns or like filamentary material of substantial length characterised by the method of strengthening or consolidating
- D04H3/10—Non-woven fabrics formed wholly or mainly of yarns or like filamentary material of substantial length characterised by the method of strengthening or consolidating with bonds between yarns or filaments made mechanically
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Composite Materials (AREA)
- Textile Engineering (AREA)
- Nonwoven Fabrics (AREA)
- Reinforced Plastic Materials (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к области изготовления преформ изделий из полимерных композиционных материалов (ПКМ) - заготовок на основе армирующих волокон. Изобретение может быть использовано в базовых отраслях промышленности, таких как авиастроение, космическая отрасль, энергетика, судо- и автомобилестроение для производства деталей и их компонентов из ПКМ, которые могут выдерживать экстремальные механические нагрузки.The invention relates to the field of manufacturing preforms of products from polymer composite materials (PCM) - blanks based on reinforcing fibers. The invention can be used in basic industries, such as aircraft construction, space industry, energy, ship and automobile construction for the production of parts and their components from PCM, which can withstand extreme mechanical stress.
Усиленные изделия из ПКМ изготавливаются на основе заготовки-преформы после укладки необходимого количества слоев армирующих волокон, помещения заготовки в оснастку, пропитки связующим материалом на основе полимеров и/или смол и последующего отверждения. При этом зафиксированная направленность армирующих волокон имеет решающее влияние на жесткость и прочность целевого изделия.Reinforced PCM products are made on the basis of a preform blank after laying the required number of layers of reinforcing fibers, placing the blank in a tooling, impregnation with a binder based on polymers and / or resins and subsequent curing. In this case, the fixed directionality of the reinforcing fibers has a decisive influence on the rigidity and strength of the target product.
Одним из возможных путей обеспечения предъявляемым требованиям к ориентации волокон в соответствии с силовой нагрузкой на изделия в целом и их конструктивные элементы является TFP-технология (Tailored Fiber Placement - направленная укладка волокна). TFP-технология включает в себя укладку волокнистых слоев-прядей («пучки» или «жгуты» волокон), которые, в свою очередь, формируются из множества отдельных, армирующих волокон, проходящих параллельно друг другу по требуемой, как правило криволинейной, траектории, и их крепление с помощью фиксирующей нити на несущем слое основания заготовки. Обычно TFP-технология реализуется с помощью универсальных швейных или вышивальных машин с числовым программным управлением (ЧПУ). Следствием обозначенного механического армирования является направленная ориентация отдельных волокнистых прядей, которая оптимальным образом соответствует направлению нагрузки, действующей на изделие в рабочем состоянии.One of the possible ways to meet the requirements for fiber orientation in accordance with the force load on the product as a whole and their structural elements is TFP technology (Tailored Fiber Placement). TFP technology involves the laying of fibrous layers-strands ("bundles" or "bundles" of fibers), which, in turn, are formed from a number of separate, reinforcing fibers running parallel to each other along a required, usually curved, path, and their fastening with a fixing thread on the base layer of the workpiece. Typically, TFP technology is implemented using universal sewing or embroidery machines with numerical control (CNC). The consequence of the indicated mechanical reinforcement is the directional orientation of the individual fiber strands, which optimally corresponds to the direction of the load acting on the product in working condition.
В патенте RU 2401740 описан способ изготовления одно- или многослойной волокнистой заготовки согласно TFP-технологии. Способ формирования волокнистой заготовки-преформы включает в себя следующие операции: укладку и закрепление волокнистых прядей на гибком и эластичном основании посредством фиксирующей нити, пропущенной через швейную головку швейной или вышивальной машины с ЧПУ; введение фиксирующей нити в основание посредством иглы, установленной на швейной головке, причем в результате введения фиксирующей нити в основание образуемые петли фиксирующих нитей плотно удерживаются в основании; снятие сформированной волокнистой заготовки с основания. Для того чтобы сформировать законченный композитный компонент, после отделения от основания волокнистая заготовка отверждается посредством известной RTM-технологии ("Resin Transfer Molding" - "Трансферного Формования Пластмасс"). С этой целью волокнистая заготовка насыщается или пропитывается отверждаемым полимерным материалом, например полиэфирной смолой, эпоксидной смолой или им подобной.Patent RU 2401740 describes a method of manufacturing a single or multilayer fiber preform according to TFP technology. The method of forming a fibrous preform blank includes the following steps: laying and securing the fibrous strands on a flexible and elastic base by means of a fixing thread passed through the sewing head of a CNC sewing or embroidery machine; introducing the fixing thread into the base by means of a needle mounted on the sewing head, and as a result of introducing the fixing thread into the base, the formed loops of the fixing threads are tightly held at the base; removing the formed fibrous preform from the base. In order to form the finished composite component, after separation from the base, the fibrous preform is cured by means of the well-known RTM technology ("Resin Transfer Molding"). For this purpose, the fiber preform is saturated or impregnated with a curable polymeric material such as polyester resin, epoxy resin, or the like.
В патенте RU 2388599 описано устройство, посредством которого по TFP - технологии можно изготавливать волокнистую заготовку, которая имеет по существу любую заданную геометрию поверхности, в частности, отличающуюся от плоской формы. При этом в заготовке армирующие волокна по существу ориентированы в соответствии с действием нагрузки благодаря тому, что швейная головка и/или направляющие средства могут быть позиционированы в пространственном направлении z.Patent RU 2388599 describes a device by means of which a fiber preform can be produced using TFP technology, which has essentially any desired surface geometry, in particular, different from a flat shape. In this case, in the preform, the reinforcing fibers are essentially oriented in accordance with the action of the load due to the fact that the sewing head and / or the guiding means can be positioned in the z-direction.
В патенте US 7942993 предложен способ, с помощью которого можно по TFP-технологии изготавливать заготовки из многослойного адаптированного волокна любой толщины. Для этого армирующие волокна пришивают к опоре фиксирующими нитями, в результате чего образуется заданная структура преформы из армирующего волокна. Затем фиксирующие нити в волокнистой заготовке химически растворяют или термически расплавляют и тем самым происходит отделение преформы от несущей тканой основы.US Pat. No. 7,942,993 proposes a method by which it is possible to produce preforms from multilayer adapted fibers of any thickness using TFP technology. For this, the reinforcing fibers are sewn to the support with fixing threads, as a result of which a given structure of the reinforcing fiber preform is formed. The anchoring threads in the fiber preform are then chemically dissolved or thermally melted, thereby separating the preform from the carrier woven base.
В заявках US 2010/0126652 А1 и US 2009/0229761 А1 описывается способ и соответственно устройство для изготовления волокнистых заготовок, посредством которых можно выполнять требование ориентации волокон в изготавливаемом конструктивном элементе в соответствии с нагрузкой. При этом применяется TFP- технология, по которой нити или жгуты волокон выкладываются в направлении вдоль произвольного, воздействующего на готовый конструктивный элемент, силового потока, и посредством фиксирующих ниток предварительно фиксируются. Для этого применяются швейно-вязальные автоматы с ЧПУ, которые используются в текстильной промышленности.In the applications US 2010/0126652 A1 and US 2009/0229761 A1, a method and, accordingly, a device for the production of fiber preforms are described, by means of which it is possible to fulfill the requirement for the orientation of the fibers in the structural element to be produced in accordance with the load. In this case, TFP technology is used, according to which threads or bundles of fibers are laid out in a direction along an arbitrary force flow acting on the finished structural element, and are preliminarily fixed by means of fixing threads. For this, CNC sewing and knitting machines are used, which are used in the textile industry.
Необходимо отметить, что известные способы изготовления волокнистых заготовок-преформ с комплексными трехмерными структурами, являются всегда технически трудоемкими и дорогостоящими.It should be noted that the known methods of manufacturing fiber preforms with complex three-dimensional structures are always technically laborious and expensive.
В патенте RU 2583017 описан один из возможных путей изготовления волокнистых заготовок, который связан с применением так называемых нетканых материалов с многоосным расположением волокон. Под указанными материалами понимаются конструкции из нескольких расположенных друг на друге нитяных пластов, причем эти пласты состоят из множества расположенных параллельно друг другу армирующих ниток. Расположенные друг на друге пласты ниток могут соединяться друг с другом и фиксироваться друг относительно друга посредством множества расположенных рядом и проходящих параллельно друг другу и образующих петли швейных или трикотажных ниток, так что нетканый материал с многоосным расположением волокон таким образом стабилизируется. Пласты ниток уложены друг на друга так, что армирующие волокна этих пластов ориентированы параллельно друг другу или попеременно перекрещиваясь (например, -45°; 0°; +45°).Patent RU 2583017 describes one of the possible ways of making fiber preforms, which is associated with the use of so-called nonwoven materials with a multiaxial arrangement of fibers. These materials are understood as constructions of several layers located on top of each other, and these layers consist of a plurality of parallel reinforcing threads. The stacked thread layers can be connected to each other and fixed relative to each other by means of a plurality of sewing or knitted threads arranged side by side and running parallel to each other and forming loops, so that the multiaxial nonwoven is thus stabilized. The layers of threads are stacked on top of each other so that the reinforcing fibers of these layers are oriented parallel to each other or alternately crossing (for example, -45 °; 0 °; + 45 °).
В многослойном нетканом полотне по данному изобретению можно применять в качестве армирующих волокон обычно используемые для получения усиленных композиционных материалов армирующие волокна или нити. Предпочтительно в случае комплексной армирующей нити речь идет о нити из углеродного волокна, а также стекловолокна или арамидной нити, или о вытянутой UHMW-полиэтиленовой нити. Принимая во внимание высокий уровень механических свойств получаемого конструктивного элемента предпочтительно, чтобы армирующие нити внутри слоя из комплексных армирующих нитей располагались параллельно друг другу и лежали друг около друга. Этим можно достичь высокой объемной доли волокон и избежать наличия в конструктивном элементе зон с низким содержанием волокон.In the multilayer nonwoven fabric of the present invention, reinforcing fibers or filaments commonly used for reinforcing composite materials can be used as reinforcing fibers. Preferably, in the case of a multifilament yarn, this is a yarn made of carbon fiber as well as glass fiber or aramid yarn, or a stretched UHMW polyethylene yarn. In view of the high level of mechanical properties of the resulting structural element, it is preferable that the reinforcing threads within the layer of complex reinforcing threads are parallel to each other and lie next to each other. This achieves a high fiber volume fraction and avoids the presence of areas with a low fiber content in the component.
Для того чтобы у многослойного нетканого полотна по патенту RU 2583017, в частности, при впрыскивании пропитывающей смолы, получить высокую стабильность и избежать нежелательного смещения усиленных слоев, в предпочтительном варианте осуществления данного изобретения слои из комплексных армирующих нитей и по меньшей мере один слой нетканого материала соединены друг с другом с помощью расположенных параллельно друг к другу и отстоящих друг от друга на ширину стежка, образующих петли швейных нитей или трикотажных нитей, и фиксированы относительно друг друга. При этом авторами было установлено, что особенно хорошего уровня прочности конструктивного элемента из композиционного материала достигают, если длина стежка s образованных швейной нитью петель в зависимости от ширины стежка w, а также от угла α1 армирующих нитей в мультиаксиальном многослойном нетканом полотне удовлетворяет следующим соотношениям (I) и (II):In order to obtain high stability in a multilayer nonwoven fabric according to RU 2583017, in particular when injecting an impregnating resin, and to avoid undesirable displacement of the reinforced layers, in a preferred embodiment of the present invention, the layers of complex reinforcing threads and at least one layer of nonwoven material are connected with each other by means of sewing threads or knitted threads located parallel to each other and spaced apart from each other by the width of the stitch, and are fixed relative to each other. At the same time, the authors found that a particularly good level of strength of a structural element made of a composite material is achieved if the stitch length s of the loops formed by the sewing thread, depending on the stitch width w, as well as on the angle α 1 of the reinforcing threads in the multiaxial multilayer nonwoven fabric, satisfies the following relations ( I) and (II):
При этом множитель В может принимать значение в области 0,9≤В≤1,1, и n значение 0,5, 1, 1,5, 2, 3 или 4, при этом также для маленьких значений w*|tan α1|/2,3 ширина стежка s находится в требуемой для уравнения (I) области. Ширина стежка w, то есть расстояние между швейными нитями, при этом указана в мм.In this case, the multiplier B can take a value in the region 0.9≤B≤1.1, and n the value 0.5, 1, 1.5, 2, 3 or 4, while also for small values of w * | tan α 1 | / 2.3 stitch width s is in the region required for equation (I). The stitch width w, i.e. the distance between the sewing threads, is indicated in mm.
По изобретению длина стежка может находиться в диапазоне от 2 мм до 4 мм. При длине стежка выше 4 мм не обеспечивается достаточная стабильность многослойного нетканого полотна, ниже 2 мм могут встречаться большое число пустых участков в материале.According to the invention, the stitch length can range from 2 mm to 4 mm. Stitch lengths above 4 mm do not provide sufficient stability for the multilayer nonwoven fabric; below 2 mm, there may be a large number of empty areas in the fabric.
Нетканые материалы с многоосным расположением волокон являются трудоемкими в изготовлении и, в общем случае, изготавливаются со стандартными значениями ширины, которые редко соответствуют размерам получаемого позднее конструктивного элемента. В результате этого возникает значительная доля обрезков. Кроме того, они только ограниченно применимы, в частности, при изготовлении конструктивных элементов с небольшими радиусами кривизны, так как нетканые материалы с многоосным расположением волокон не могут драпироваться произвольным образом. Кроме того, наблюдалось, что швейные или соответственно трикотажные нитки часто могут приводить к уменьшению ударной вязкости получающегося в результате композитного материала.Multiaxial nonwoven fabrics are laborious to manufacture and are generally produced in standard widths that rarely match the dimensions of the later component. This results in a significant proportion of scrap. In addition, they are only limitedly applicable, in particular in the manufacture of structural elements with small radii of curvature, since nonwoven fabrics with multiaxial fiber arrangement cannot be draped in an arbitrary manner. In addition, it has been observed that sewing or knitted threads, respectively, can often lead to a decrease in the toughness of the resulting composite material.
В патенте РФ №2562490 отмечается, что недостатком структур заготовок, подобным описанных выше, является относительно высокая доля материала, который не состоит из армирующих волокон и тем самым не способствует прочности получаемого в итоге конструктивного элемента. Матричный материал относится к общему количеству армирующих волокон и нетканого материала, так что относительно объема конструктивного элемента получается меньшее содержание армирующих волокон в конструктивном элементе и соответственно меньшая прочность конечного изделия.In the patent of the Russian Federation No. 2562490 it is noted that the disadvantage of structures of preforms, similar to those described above, is a relatively high proportion of material that does not consist of reinforcing fibers and thus does not contribute to the strength of the resulting structural element. The matrix material refers to the total amount of reinforcing fibers and nonwoven material, so that relative to the volume of the structural element, a lower content of reinforcing fibers in the structural element is obtained and, accordingly, a lower strength of the final product.
В патенте РФ №2370368 отмечается, что с фиксирующей нитью и опорным слоем TFP-технология вводит в волокнистую заготовку два элемента, которые в последующем композитном компоненте уже больше не выполняют никакой функции, в частности опорной функции. По мнению авторов, как опорный слой, так и фиксирующие нити вызывают проблемы в плане реализации идеальной последовательности слоев, а, кроме того, представляют собой достаточно заметную часть в общем весе, особенно если несколько волокнистых форм устанавливаются друг на друга, или если однослойные волокнистые заготовки большой толщины материала образованы множеством волокнистых прядей, лежащих одна поверх другой. В соответствии с полезным усовершенствованием способа по указанному изобретению, фиксирующая нить или фиксирующие нити и/или опорный слой или опорные слои выполнены из материала, который может быть удален химическим или физическим путем, в частности из материала, который может быть растворен. Для этого в качестве возможного растворителя, пропускаемого через фиксирующее устройство, предлагается использовать дистиллированную воду.In the patent of the Russian Federation No. 2370368 it is noted that with the fixing thread and the support layer, the TFP technology introduces two elements into the fiber preform, which in the subsequent composite component no longer perform any function, in particular the support function. According to the authors, both the support layer and the fixing threads cause problems in terms of realizing the ideal sequence of layers, and, in addition, they represent a fairly noticeable part of the total weight, especially if several fibrous forms are stacked on top of each other, or if single-layer fibrous preforms large material thicknesses are formed by many fibrous strands lying one on top of the other. According to a useful development of the method according to the invention, the anchoring thread or anchoring threads and / or the support layer or support layers are made of a material that can be removed chemically or physically, in particular from a material that can be dissolved. For this, it is proposed to use distilled water as a possible solvent passed through the fixing device.
В патенте РФ №2609168, выбранном в качестве прототипа, описан способ изготовления преформы, пропитанной термопластичным полимером, которая содержит основу и чередование слоев волоконных прядей и термопластичных нитей. Согласно изобретению однонаправленное волокно по TFP-технологии пришивают зигзагообразной фиксирующей нитью на основу. Затем, на слой волокон укладывают слой термопластичного полимера, представляющего собой термопластичные нити. Затем снова укладывают и пришивают слой однонаправленных волокон, причем фиксирующими нитями снова прошивают совокупность всех слоев вплоть до основы. Таким образом поочередно укладывают слои полимерных нитей и волокна до получения требуемого количества слоев, при этом предпочтительно позиционируя термопластичные нити в одном направлении с армирующими волокнами. В соответствии с вариантами изобретения армирующие волокна могут представлять собой, например, углеродные волокна или пряди углеродных волокон, а фиксирующие нити представляют стеклянные, углеродные, арамидные (марки Kevlar) или базальтовые нити. При этом ориентация армирующих волокон и свойства могут меняться от слоя к слою.In the patent of the Russian Federation No. 2609168, selected as a prototype, describes a method of manufacturing a preform impregnated with a thermoplastic polymer, which contains a base and alternating layers of fiber strands and thermoplastic threads. According to the invention, the TFP unidirectional fiber is sewn onto the warp with a zigzag fixing thread. Then, a layer of thermoplastic polymer, which is a thermoplastic thread, is laid on the layer of fibers. Then the layer of unidirectional fibers is again laid and sewn, and the set of all layers up to the base is again sewn with fixing threads. In this way, the layers of polymer filaments and fibers are alternately stacked until the required number of layers is obtained, while preferably positioning the thermoplastic filaments in the same direction as the reinforcing fibers. In accordance with embodiments of the invention, the reinforcing fibers can be, for example, carbon fibers or strands of carbon fibers, and the fixing threads are glass, carbon, aramid (Kevlar grades) or basalt threads. In this case, the orientation of the reinforcing fibers and properties can vary from layer to layer.
К преимуществам предлагаемого технического решения авторы относят то, что его производительность выше производительности известного способа пропитки и сшивания по RTM-технологии, поскольку предлагаемый способ имеет меньшее время рабочего цикла.The advantages of the proposed technical solution, the authors refer to the fact that its productivity is higher than the productivity of the known method of impregnation and crosslinking using the RTM technology, since the proposed method has a shorter operating cycle.
Во всех представленных в разделе «уровень техники», включая прототип, нашивных материалах для каждой схемы армирования заготовки существует свой оптимум шага и плотности нашивки слоев волокон и их ориентации в зависимости от задаваемых прочностных свойств и тем самым назначения целевого изделия из ПКМ. Одним из критериев технологичности процесса изготовления подобных изделий является его производительность, связанная в том числе со временем или скоростью пропитки преформ связующим, а также качество пропитки.In all the sewn-on materials presented in the "prior art" section, including the prototype, for each workpiece reinforcement scheme, there is an optimum pitch and density of the stripe of fiber layers and their orientation, depending on the specified strength properties and thereby the purpose of the target PCM product. One of the criteria for the manufacturability of the process of manufacturing such products is its productivity, which is related, among other things, to the time or speed of impregnation of preforms with a binder, as well as the quality of impregnation.
Технической задачей изобретения является подбор оптимальных параметров этапов формирования многослойных заготовок плоской формы путем нашивки, снятие преформ с подложки и их пропитки связующим.The technical objective of the invention is to select the optimal parameters for the stages of forming multilayer flat-shaped blanks by stripping, removing the preforms from the substrate and impregnating them with a binder.
Технический результат в виде оптимизации указанного технологического процесса достигается тем, что при изготовлении преформ изделий из ПКМ используют постоянные параметры операции нашивки слоев заготовки: плотность укладки, длину и ширину зигзагообразного стежка, при изменяющейся ориентации слоев укладки, которые в результате обеспечивают наибольшую скорость пропитки структурного каркаса и качество образовавшегося композита.The technical result in the form of optimization of the specified technological process is achieved by the fact that in the manufacture of preforms of PCM products, constant parameters of the operation of stripping the workpiece layers are used: the packing density, the length and width of the zigzag stitch, with a changing orientation of the packing layers, which, as a result, provide the highest rate of impregnation of the structural frame and the quality of the resulting composite.
Сущность изобретения состоит в следующем.The essence of the invention is as follows.
При изготовлении преформ изделий из ПКМ способом автоматизированной нашивки углеродного ровинга на подложку на конечные прочностные и весовые характеристики готовых изделий или их компонентов влияют как схема укладки и свойства применяемых при изготовлении преформы материалов (углеродные и арамидные волокна, водорастворимая подложка), так и параметры самой операции нашивки слоев преформ на вышивальном оборудовании.In the manufacture of preforms of PCM products by the method of automated stripping of carbon roving onto a substrate, the final strength and weight characteristics of finished products or their components are influenced by both the stacking scheme and the properties of the materials used in the manufacture of the preform (carbon and aramid fibers, water-soluble substrate), and the parameters of the operation itself stripes of layers of preforms on embroidery equipment.
К таким параметрам относятся плотность укладки ровинга и длина стежка арамидной нити (шаг прошивки), задаваемые при разработке управляющей программы вышивального оборудования. Плотность укладки характеризуется расстоянием между углеродными волокнами: чем оно меньше, тем укладка плотнее, а значение плотности укладки, выставляемое в обычно используемой для этого программе GIS BasePac, меньше. Чем больше расстояние между углеродными волокнами, тем выше значение плотности укладки, и укладка считается менее плотной. Данная величина в программе GIS BasePac не имеет размерности и обозначается через условные единицы (у.е.).These parameters include the packing density of the roving and the stitch length of the aramid thread (stitching pitch), which are set during the development of the control program of the embroidery equipment. Paving density is characterized by the distance between the carbon fibers: the smaller it is, the denser the paving is, and the paving density value set in the commonly used GIS BasePac program is less. The greater the distance between the carbon fibers, the higher the packing density value, and the packing is considered to be less dense. This value in the GIS BasePac program has no dimension and is denoted through conventional units (cu).
Авторами заявляемого изобретения на основе проведенного ими исследования параметров нашивки материала и формирования структуры преформ, в том числе с учетом конкретной ориентации армирующих слоев, предложено технического решения для особого случая, когда образцы многослойной волокнистой заготовки имеют плоскую форму. При этом авторами исследованы характеристики технологических действий в совокупности влияющих на качество пропитки преформ связующей полимерной массой и, как следствие, определяющих прочностные свойства целевого изделия.The authors of the claimed invention, on the basis of their study of the parameters of the stripe of the material and the formation of the structure of the preforms, including taking into account the specific orientation of the reinforcing layers, proposed a technical solution for the special case when the samples of the multilayer fiber blank have a flat shape. At the same time, the authors investigated the characteristics of technological actions in the aggregate that affect the quality of impregnation of preforms with a binder polymer mass and, as a consequence, determine the strength properties of the target product.
В результате проведенных экспериментальных исследований авторами было установлено, что оптимальными параметрами операции нашивки слоев при изготовлении преформ образца плоской формы (200×300 мм при толщине 4 мм, количество слоев (n) равно 8) являются для плотности укладки 2,75-2,90 мм или для управляющей программы вышивальным оборудованием - 55-58 условных единиц, при 1 у.е.=0,05 мм, а длина зигзагообразного стежка- шага прошивки фиксирующей нити составляет 5-7 мм при ширине стежка равной 5 мм, с формированием слоев с ориентацией укладки армирующих волокон по упрощенной схеме [0°, 90°]. При этом оптимальными параметрами являются плотность укладки 58 у.е. (2,90 мм) при шаге 7 мм. Результаты исследования приведены в таблице 1 для пропитки связующим на основе эпоксидных смол (их двух- компонентных систем) под торговой маркой Araldite 8615 с помощью установки RTM Radius, что было также подтверждено и для других связующих, на примере SR8100 и ЭД-20.As a result of the experimental studies, the authors found that the optimal parameters of the operation of stripping layers in the manufacture of preforms of a flat sample (200 × 300 mm with a thickness of 4 mm, the number of layers (n) is 8) are for packing density 2.75-2.90 mm or for the control program with embroidery equipment - 55-58 conventional units, with 1 cu = 0.05 mm, and the length of the zigzag stitch - the stitching pitch of the fixing thread is 5-7 mm with a stitch width of 5 mm, with the formation of layers with the orientation of laying the reinforcing fibers according to a simplified scheme [0 °, 90 °]. In this case, the optimal parameters are the packing density of 58 cu. (2.90 mm) at 7 mm pitch. The results of the study are shown in Table 1 for impregnation with a binder based on epoxy resins (their two-component systems) under the trademark Araldite 8615 using the RTM Radius installation, which was also confirmed for other binders, for example SR8100 and ED-20.
гдеWhere
Образцы 1.1 - 1.5Samples 1.1 - 1.5
Параметры нашивки:Patch parameters:
- шаг стежка - 4 мм;- stitch pitch - 4 mm;
- плотность укладки - 50;- packing density - 50;
Образцы 2.1 - 2.5Samples 2.1 - 2.5
Параметры нашивки:Patch parameters:
- шаг стежка - 4 мм;- stitch pitch - 4 mm;
- плотность укладки - 55;- packing density - 55;
Образцы 3.1 - 3.5 Параметры нашивки:Samples 3.1 - 3.5 Patch parameters:
- шаг стежка - 4 мм;- stitch pitch - 4 mm;
- плотность укладки - 58;- packing density - 58;
Образцы 4.1 - 4.5Samples 4.1 - 4.5
Параметры нашивки:Patch parameters:
- шаг стежка - 4 мм;- stitch pitch - 4 mm;
- плотность укладки - 60;- packing density - 60;
Образцы 5.1-5.5Samples 5.1-5.5
Параметры нашивки:Patch parameters:
- шаг стежка - 5 мм;- stitch pitch - 5 mm;
- плотность укладки - 50;- packing density - 50;
Образцы 6.1 - 6.5Samples 6.1 - 6.5
Параметры нашивки:Patch parameters:
- шаг стежка - 5 мм;- stitch pitch - 5 mm;
- плотность укладки - 55;- packing density - 55;
Образцы 7.1 - 7.5.Samples 7.1 - 7.5.
Параметры нашивки:Patch parameters:
- шаг стежка - 5 мм;- stitch pitch - 5 mm;
- плотность укладки - 58;- packing density - 58;
Образцы 8.1 - 8.5Samples 8.1 - 8.5
Параметры нашивки:Patch parameters:
- шаг стежка - 5 мм;- stitch pitch - 5 mm;
- плотность укладки - 60;- packing density - 60;
Образцы 9.1 -9.5Samples 9.1 -9.5
Параметры нашивки:Patch parameters:
- шаг стежка - 7 мм;- stitch pitch - 7 mm;
- плотность укладки - 50;- packing density - 50;
Образцы 10.1-10.5Samples 10.1-10.5
Параметры нашивки:Patch parameters:
- шаг стежка - 7 мм;- stitch pitch - 7 mm;
- плотность укладки - 55;- packing density - 55;
Образцы 11.1 - 11.5Samples 11.1 - 11.5
Параметры нашивки:Patch parameters:
- шаг стежка - 7 мм;- stitch pitch - 7 mm;
- плотность укладки - 58;- packing density - 58;
Образцы 12.1-12.5Samples 12.1-12.5
Параметры нашивки:Patch parameters:
- шаг стежка - 7 мм;- stitch pitch - 7 mm;
- плотность укладки - 60;- packing density - 60;
Предлагаемый способ изготовления преформ состоит из следующих операций:The proposed method for making preforms consists of the following operations:
1) виртуальный раскрой модели изделия на слои;1) virtual cutting of the product model into layers;
2) написание управляющей программы нашивки каждого слоя в специализированной программе GIS BasePac 8;2) writing a control program for stripping each layer in a specialized program GIS BasePac 8;
3) изготовление преформы на вышивальной машине;3) making a preform on an embroidery machine;
4) отделение подложки от преформы вымыванием;4) separation of the substrate from the preform by washing;
5) сушка преформы;5) drying the preform;
6) контроль размеров и массы преформы.6) control of the size and weight of the preform.
7) пропитка под давлением преформы полимерным связующим в жесткой оснастке;7) impregnation under pressure of a preform with a polymer binder in a rigid tooling;
8) полимеризация образца.8) sample polymerization.
На фигуре 1 показан послойный виртуальный раскрой модели образца. Нити углеродного волокна (ориентация): позиции 1-[0°], 2- [90°], 3- [+45°], 4-[-45°]. Нити прошивки (арамидное волокно) - позиция 5. На фигуре 2 показан образец с заявленными параметрами, уложенный в жесткую формообразующую оснастку.Figure 1 shows a layer-by-layer virtual nesting of the sample model. Carbon fiber strands (orientation): positions 1- [0 °], 2- [90 °], 3- [+ 45 °], 4 - [- 45 °]. Sewing threads (aramid fiber) -
Инициирующей операцией нашивки является разработка управляющей программы нашивки каждого слоя преформы для вышивального оборудования в специализированном программном модуле GIS BasePac 8, предназначенном для автоматизированного создания дизайнов машинной вышивки, и используется для создания моделей композитных образцов и управления вышивальной машиной с ЧПУ. Файлы с разработанными управляющими программами сохраняются на съемном носителе.The initiating operation of the patch is the development of a control program for patching each layer of the preform for embroidery equipment in a specialized software module GIS BasePac 8, designed for the automated creation of machine embroidery designs, and is used to create models of composite samples and control an embroidery machine with CNC. Files with developed control programs are saved on removable media.
Затем происходит изготовление преформы автоматизированной направленной нашивкой углеродного ровинга на водорастворимую подложку с помощью вышивальной машины с ЧПУ JCW 0100-500, ZSK Stickmaschinen. В качестве подложки для нашивки преформ используется водорастворимый материал- флизелин на основе 100% поливинилового спирта. В случае данного изобретения флизелин это бумагоподобный нетканый материал на основе модифицированных целлюлозных волокон, пропитанных 100% поливиниловым спиртом (PVA) с поверхностной плотностью порядка 40 г/м2.Then the preform is made by automated directional stripe of carbon roving onto a water-soluble substrate using an embroidery machine with CNC JCW 0100-500, ZSK Stickmaschinen. A water-soluble non-woven material based on 100% polyvinyl alcohol is used as a backing for preform patching. In the case of the present invention, the interlining is a paper-like nonwoven fabric based on modified cellulose fibers impregnated with 100% polyvinyl alcohol (PVA) with a basis weight of the order of 40 g / m 2 .
Трехмерная структура предварительных заготовок-преформ достигается за счет введения третьего Z-направления армирования. В качестве нитей основы при нашивке в Z-направлении используется высокопрочная арамидная нить Русар-С. В качестве нитей утка в плоскости [х; у] применяется высокомодульное углеродное волокно IMS 65. Создание преформ на вышивальной машине с ЧПУ в автоматизированном режиме предполагает участие оператора только для загрузки управляющей программы, запуска/остановки операции нашивки и контроля процесса создания преформ.The three-dimensional structure of the preforms is achieved by introducing the third Z-direction of reinforcement. The high-strength aramid thread Rusar-S is used as the warp threads when stitching in the Z-direction. As weft threads in the plane [x; y], high-modulus carbon fiber IMS 65 is used. Creating preforms on an embroidery machine with CNC in an automated mode involves the operator only to load the control program, start / stop the sewing operation and control the process of creating preforms.
Пример изготовления преформ по изобретению реализован следующим образом.An example of the manufacture of preforms according to the invention is implemented as follows.
Запускают вышивальную машину, вставляют флэшку с файлом разработанной управляющей программы в USB-разъем оборудования и сохраняют его в памяти машины. Закрепляют водорастворимую подложку на пантограф вышивальной машины с помощью бордюрных рам. Выбирают на управляющем экране машины нужный образец из списка загруженных файлов с программами нашивки. Центрируют образец в плоскости пантографа. Запускают программу нашивки слоев и изготавливают образец заготовки плоской формы (200×300 мм при толщине 4 мм). После заполнения всей рабочей поверхности подложки нашитыми образцами преформ, ее снимают с пантографа вышивального оборудования и вырезают ножницами каждые преформы по отдельности.Start the embroidery machine, insert a flash drive with the file of the developed control program into the USB connector of the equipment and save it in the machine's memory. Fix the water-soluble backing to the embroidery machine pantograph using border frames. Select the desired pattern on the control screen of the machine from the list of loaded patch program files. Center the sample in the plane of the pantograph. The program of stripping the layers is started and a sample of a flat workpiece is made (200 × 300 mm at a thickness of 4 mm). After filling the entire working surface of the substrate with sewn preform samples, it is removed from the pantograph of the embroidery equipment and each preform is cut out with scissors separately.
Помещают образцы в герметичную емкость для вымывания, заливают водой, нагретой до температуры 80°С до полного заполнения. Выдерживают образцы в течение 3 минут для полного растворения подложки, затем извлекают преформы щипцами и промывают под проточной водой. После этого помещают вымытые образцы преформ в сушильный шкаф, где они при температуре 80°С должны полностью высохнуть. Во избежание деформации образцы преформ должны быть выложены в сушильном шкафу на плоскую решетку.The samples are placed in a sealed container for washing out, filled with water heated to a temperature of 80 ° C until it is completely filled. The samples are kept for 3 minutes to completely dissolve the substrate, then the preforms are removed with forceps and washed under running water. After that, the washed preform samples are placed in an oven, where they should dry completely at a temperature of 80 ° C. To avoid deformation, preform samples should be laid out in a drying oven on a flat grid.
По окончании сушки образцы помещаются в жесткую формообразующую оснастку и пропитываются под давлением по отобранным группам достаточно часто применяемым в практике изготовления изделий из ПКМ полимерным связующим на основе эпоксидных смол (их двух-компонентных систем) под торговыми марками Araldite 8615, SR8100 и ЭД-20 при помощи установки RTM Radius.Upon completion of drying, the samples are placed in a rigid shaping tooling and impregnated under pressure according to selected groups of a polymer binder based on epoxy resins (their two-component systems), which is quite often used in the production of PCM products (their two-component systems) under the trade marks Araldite 8615, SR8100 and ED-20 at help installing RTM Radius.
По окончании пропитки оснастка разогревается до 180 градусов и выдерживается в течение 8 часов, до полной полимеризации связующего. После этого этапа проводят физико-механические испытания изготовленных образцов композитов.At the end of the impregnation, the tooling is heated to 180 degrees and kept for 8 hours, until the binder is completely polymerized. After this stage, physical and mechanical tests of the manufactured composite samples are carried out.
Критериями показателей растворения подложки на основе поливинилового спирта (флизелин -40 (г/м2, фирма-изготовитель Aurora, Китай), как показали исследования авторов являлись время растворения, качество растворения и качество вымывания. Время растворения подложки измерялось с момента контакта преформы с водой до полного растворения подложки. Качество растворения подложки определялось визуальным способом: процесс считался качественным, если подложка растворилась полностью, без следов, без изменения цвета воды, образования каких-либо комков и т.д.Criteria indicators substrate dissolving polyvinyl alcohol (-40 Nonwoven (g / m 2, manufactured by Aurora, China) as shown by studies of the authors were the dissolution time, dissolution quality and the quality of washing. The substrate dissolution time was measured from the time of contact of the preform with water The quality of dissolution of the substrate was determined visually: the process was considered qualitative if the substrate dissolved completely, without traces, without changing the color of water, the formation of any lumps, etc.
Критериями оценки качества вымывания являлись наличие/отсутствие визуально-диагностируемых дефектов преформы после вымывания (повреждения волокон и их рассыпание, мягкость/жесткость преформы), а также контроль массы преформы. Жесткость образцов преформ свидетельствует о неподходящих параметрах растворения и недостаточно тщательном вымывании. Растворившиеся частицы подложки при некачественном вымывании въедаются в текстильную структуру преформы и «склеивают» ее (делают жесткой) при высыхании.The criteria for assessing the quality of washout were the presence / absence of visually diagnosed defects of the preform after washing out (fiber damage and crumbling, softness / stiffness of the preform), as well as control of the preform weight. The stiffness of the preform samples indicates inappropriate dissolution parameters and insufficient washout. Dissolved particles of the substrate, with poor-quality washing, eaten into the textile structure of the preform and "glue" it (make it rigid) when it dries.
Анализ полученных данных показывает, что оптимальными параметрами процесса растворения подложки из преформы являются: первоначальная температура воды - 80°С, при этом время растворения подложки составляет не более 20-30 сек, а время выдержки преформ до окончательного вымывания частиц подложки - 3 минуты.The analysis of the obtained data shows that the optimal parameters of the process of dissolving the substrate from the preform are: the initial water temperature is 80 ° C, while the dissolution time of the substrate is no more than 20-30 seconds, and the holding time of the preforms until the final washing out of the substrate particles is 3 minutes.
При изготовлении серий изделий с идентичными параметрами необходимо контролировать их геометрические размеры и массу. Для этого каждую из предварительных заготовок измеряют, а затем взвешивают на весах. Геометрические размеры образцов заготовок составляли 200×300 мм при толщине 4 мм, т.е. все образцы имели плоскую форму. Средняя толщина слоя составляла 0,5 мм, количество слоев (n) равнялось 8. Отклонение массы преформы от номинальной не превышало во всех случаях 1%. Это незначительное отклонение связано с практически постоянной линейной плотностью углеродного ровинга по его длине, что в свою очередь свидетельствует об отсутствии смещения слоев преформ и идентичности с конечной геометрией будущего изделия.When manufacturing series of products with identical parameters, it is necessary to control their geometric dimensions and weight. To do this, each of the preforms is measured and then weighed on a balance. The geometrical dimensions of the workpiece samples were 200 × 300 mm with a thickness of 4 mm, i.e. all samples were flat. The average layer thickness was 0.5 mm, the number of layers (n) was 8. The deviation of the preform weight from the nominal did not exceed 1% in all cases. This insignificant deviation is associated with the almost constant linear density of the carbon roving along its length, which in turn indicates the absence of displacement of the preform layers and the identity with the final geometry of the future product.
Армирующие волокна внутри каждого слоя могут быть ориентированы в различных направлениях, причем ориентация и соответственно свойства слоев армирующих волокон отличаются от слоя к слою. В данном случае формирование слоев проводили поочередно с ориентацией укладки армирующих волокон по партиям, в одном случае - [0°, 90°], где первый слой состоит из армирующих волокон уложенных под 0°, а каждый последующий перпендикулярно предыдущему. Слои попарно чередуются столько раз, сколько необходимо для набора заданной толщины преформы, в данном случае количество повторений пластов из 2-х слоев равнялось 4. В других двух партиях укладка осуществлялась по следующей схеме: 0° на первом, +45° на втором, 90° или 0° на третьем и -45° на четвертом слое, образующих систему вида [0°, +45°, 90° или 0°, -45°] (см. фиг. 1), а далее схему укладки повторяют послойно N раз (N - количество повторений пластов из 4-х слоев, соответствует целым числам 1,2 … и т.д. или N=n/4) до набора преформой требуемой толщины, т.е. в данном случае N равнялось 2.The reinforcing fibers within each layer can be oriented in different directions, and the orientation and, accordingly, the properties of the layers of the reinforcing fibers differ from layer to layer. In this case, the formation of layers was carried out alternately with the orientation of laying the reinforcing fibers in batches, in one case - [0 °, 90 °], where the first layer consists of reinforcing fibers laid at 0 °, and each subsequent layer is perpendicular to the previous one. Layers alternate in pairs as many times as necessary to set a given preform thickness, in this case the number of repetitions of layers from 2 layers was 4. In the other two batches, the laying was carried out according to the following scheme: 0 ° on the first, + 45 ° on the second, 90 ° or 0 ° on the third and -45 ° on the fourth layer, forming a system of the form [0 °, + 45 °, 90 ° or 0 °, -45 °] (see Fig. 1), and then the stacking scheme is repeated layer by layer N times (N is the number of repetitions of layers of 4 layers, corresponds to integers 1.2 ... etc. or N = n / 4) until the preform has the required thickness, i.e. in this case, N was 2.
Геометрические размеры образцов заготовок плоской формы выбраны авторами не случайно поскольку представляют собой удобный для исследования своего рода стандартный «кирпич», который в свою очередь может быть применим для построения на его основе сложного многослойного каркаса. В этом случае толщина преформы зависит от размеров целевого изделия и в зависимости от назначения может иметь значение N до несколько десятков, определяющим здесь является условие не нарушения заданной формы каркаса под весом, т.е. отсутствие деформации конструкции, а также возможности конкретной вышивальной машины.The geometric dimensions of the samples of flat blanks were not chosen by the authors by chance, since they represent a kind of standard "brick" convenient for research, which in turn can be used to build a complex multilayer frame on its basis. In this case, the thickness of the preform depends on the dimensions of the target product and, depending on the purpose, can have a value of N up to several tens, the determining factor here is the condition that the given shape of the frame does not break under the weight, i.e. no deformation of the structure, as well as the possibility of a particular embroidery machine.
Для исследований влияния параметров нашивки (плотность укладки и шаг стежка) на скорость и качество пропитки, были изготовлены по TFP-технологии опытные образцы преформ с подложкой из флизелина в количестве 45 шт: по 5 шт преформ с одинаковой плотностью укладки, шагом стежка и количеством слоев (n=8), но с различными характеристиками и параметрами армирования и укладки слоев волокон, а именно - [0°, 90°], [0°, +45°, 90°, -45°] и [0°, +45°, 0°, -45°].To study the effect of patch parameters (packing density and stitch pitch) on the speed and quality of impregnation, 45 prototypes of preforms with a non-woven backing were made using TFP technology: 5 preforms each with the same packing density, stitch pitch and number of layers (n = 8), but with different characteristics and parameters of reinforcement and laying of fiber layers, namely - [0 °, 90 °], [0 °, + 45 °, 90 °, -45 °] and [0 °, + 45 °, 0 °, -45 °].
Для верификации результатов пропитки и подтверждения того, что именно параметры укладки - ориентация слоев, составляющие пласты (N) по 4 слоя, при оптимальных плотности и шаге нашивки влияют на скорость и качество пропитки было изготовлено три партии вышеуказанных образцов 1-3, 4-6, 7-9, каждая из которых пропитывалась различным связующим на основе эпоксидной смолы (соответственно Araldite 8615, SR8100 и ЭД-20) при условиях (температура, давление), когда полимерное связующее обладает минимальной вязкостью.To verify the results of the impregnation and confirm that it is the laying parameters - the orientation of the layers that make up the layers (N) of 4 layers, at the optimal density and stripe pitch affect the speed and quality of the impregnation, three batches of the above samples 1-3, 4-6 , 7-9, each of which was impregnated with a different binder based on epoxy resin (Araldite 8615, SR8100 and ED-20, respectively) under conditions (temperature, pressure) when the polymer binder has a minimum viscosity.
Определяемыми показателями в исследованиях являлись время пропитки образца тремя различными связующими и последующие физико-механические характеристики образцов, в том числе - прочность при трехточечном изгибе, энергия разрушения, модуль упругости и модуль сдвига. Время пропитки измерялось с момента контакта преформы со связующим до выхода связующего из формы, а также окончания выхода воздуха из формы, что является показателем полной пропитки образца. Время пропитки указанно в минутах. Показателем качества пропитки является минимальное время выхода воздуха из образца, что свидетельствует об отсутствии пор и других внутренних дефектов в образце. Полученные данные сведены в таблице 2.The determined parameters in the studies were the time of impregnation of the sample with three different binders and the subsequent physical and mechanical characteristics of the samples, including the strength at three-point bending, the energy of destruction, the elastic modulus and the shear modulus. The impregnation time was measured from the moment of contact of the preform with the binder until the release of the binder from the mold, as well as the end of the release of air from the mold, which is an indicator of complete impregnation of the sample. Impregnation time is indicated in minutes. An indicator of the quality of impregnation is the minimum time for air to leave the sample, which indicates the absence of pores and other internal defects in the sample. The data obtained are summarized in Table 2.
гдеWhere
Образцы 1.1 - 1.5, 4.1 - 4.5, 7.1 - 7.5Samples 1.1 - 1.5, 4.1 - 4.5, 7.1 - 7.5
Параметры нашивки:Patch parameters:
- шаг стежка - 7 мм;- stitch pitch - 7 mm;
- плотность укладки - 58;- packing density - 58;
- схема армирования: [0°, 90°]- reinforcement scheme: [0 °, 90 °]
Образцы 2.1 -2.5, 5.1-5.5, 8.1-8.5Samples 2.1-2.5, 5.1-5.5, 8.1-8.5
Параметры нашивки:Patch parameters:
- шаг стежка - 7 мм;- stitch pitch - 7 mm;
- плотность укладки - 58;- packing density - 58;
- схема армирования: [0°, +45°, 90°, -45°]- reinforcement scheme: [0 °, + 45 °, 90 °, -45 °]
Образцы 3.1 -3.5, 6.1 -6.5, 9.1 -9.5Samples 3.1 -3.5, 6.1 -6.5, 9.1 -9.5
Параметры нашивки:Patch parameters:
- шаг стежка - 7 мм;- stitch pitch - 7 mm;
- плотность укладки - 58;- packing density - 58;
- схема армирования: [0°, +45°, 0°, -45°]- reinforcement scheme: [0 °, + 45 °, 0 °, -45 °]
Результаты испытаний преформ, изготовленных с одинаковой плотностью укладки волокон и шагом прошивки, но различной ориентировкой слоев (образцы 1-9), показали, что наивысшую скорость и качество пропитки показывают образцы 2.1-2.5 с пропиткой Araldite 8615 со временами выхода связующего в интервале 15-16 мин и выхода воздуха 16-18 мин, образцы 5.1-5.5 с пропиткой SR8100 и временами выхода связующего 14-16 мин и выхода воздуха 15-17 мин и образцы 8.1-8.5 с пропиткой ЭД-20 и временами выхода связующего 15-16 мин и выхода воздуха 16-18 мин. Отсюда следует вывод, что наиболее предпочтительными параметрами заявляемой технологии нашивки преформ образцов плоской формы являются плотность укладки ровинга 58 у.е. или 2,90 мм с шагом прошивки 7 мм при ориентации укладки пластов из чередующихся без разбивки 4 слоев-компактов армирующих волокон по схеме [0°, +45°, 90°, -45°]. В таблице 3 приводятся показатели ряда прочностных свойств готового изделия из ПКМ при его изготовлении предложенным способом направленной нашивки углеродного ровинга IMS 65 с заявленными параметрами.The test results of preforms made with the same fiber packing density and piercing pitch, but different orientation of the layers (samples 1-9), showed that the highest speed and quality of impregnation is shown by samples 2.1-2.5 impregnated with Araldite 8615 with binder release times in the range of 15- 16 min and air release 16-18 min, samples 5.1-5.5 with SR8100 impregnation and binder release times 14-16 min and air release 15-17 minutes and samples 8.1-8.5 with ED-20 impregnation and binder release times 15-16 minutes and air outlet 16-18 min. Hence it follows that the most preferred parameters of the claimed technology for stripping preforms of flat samples are the packing density of the roving of 58 cu. or 2.90 mm with a stitching step of 7 mm with the orientation of laying layers of alternating 4 compact layers of reinforcing fibers according to the scheme [0 °, + 45 °, 90 °, -45 °]. Table 3 shows the indicators of a number of strength properties of the finished product from PCM during its manufacture by the proposed method of directional stripping of the IMS 65 carbon roving with the stated parameters.
В связи с вышеизложеными данными, необходимо отметить, что при одинаковых параметрах нашивки: плотностью 58 у.е. и шагом 7 мм, но различных схемах укладки армирующих слоев, образцы отличаются как временем пропитки, так и прочностными свойствами изделий из этих образцов. Экономия времени в среднем составляет примерно 20-25 мин или в 2,5 раза на каждую заготовку, что делает заявленные параметры наиболее подходящими (оптимальными) для рассматриваемой технологии нашивки и дает существенную экономию времени на стадии изготовления и пропитки волокнистых заготовок при конвейерном производстве изделий из ПКМ. При выходе за заявленные диапазоны параметров нашивки качество пропитки хуже и прочностные характеристики ниже.In connection with the above data, it should be noted that with the same parameters of the stripe: with a density of 58 cu. and a step of 7 mm, but different layouts of reinforcing layers, the samples differ in both the impregnation time and the strength properties of products from these samples. Saving time on average is approximately 20-25 minutes, or 2.5 times for each workpiece, which makes the declared parameters the most suitable (optimal) for the considered patching technology and gives significant time savings at the stage of manufacturing and impregnation of fibrous workpieces during conveyor production of products from RMB. When the stated ranges of the stripe parameters are exceeded, the quality of the impregnation is worse and the strength characteristics are lower.
Кроме того, укладка слоев по схеме: [0°, +45°, 90°, -45°] приводит к увеличению предела прочности на сдвиг преформы, что позволяет в результате сохранять в значительной степени целостность конечного изделия, например, лопаток для турбин, не давая, даже в случае режимов эксплуатации близких к разрушению, распадаться изделию на осколки, что дополнительно обеспечивает безопасность обслуживания. Также к преимуществам данной укладки, выраженной в заявленном способе, следует отнести усиление таких механических показателей как прочность на изгиб и кручение, особенно важных для изделий из ПКМ, где есть плоские элементы под нагрузкой - крылья, обшивка или винты беспилотников.In addition, the stacking of layers according to the scheme: [0 °, + 45 °, 90 °, -45 °] leads to an increase in the shear strength of the preform, which as a result allows maintaining to a large extent the integrity of the final product, for example, turbine blades, preventing, even in the case of operating modes close to destruction, the product to disintegrate into fragments, which additionally ensures the safety of service. Also, the advantages of this arrangement, expressed in the claimed method, include the strengthening of such mechanical indicators as bending and torsional strength, which are especially important for PCM products, where there are flat elements under load - wings, casing or drone screws.
Claims (5)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2019132236A RU2736367C1 (en) | 2019-10-11 | 2019-10-11 | Method for manufacturing a multilayer fibrous work piece of flat shape |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2019132236A RU2736367C1 (en) | 2019-10-11 | 2019-10-11 | Method for manufacturing a multilayer fibrous work piece of flat shape |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2736367C1 true RU2736367C1 (en) | 2020-11-16 |
Family
ID=73460968
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2019132236A RU2736367C1 (en) | 2019-10-11 | 2019-10-11 | Method for manufacturing a multilayer fibrous work piece of flat shape |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2736367C1 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN116001309A (en) * | 2022-12-16 | 2023-04-25 | 江苏君华特种工程塑料制品有限公司 | Forming method of unidirectional continuous fiber reinforced thermoplastic resin matrix composite product |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2504478C2 (en) * | 2008-02-11 | 2014-01-20 | Олбани Энджиниэрд Композитс, Инк. | Preset-shape lined preforms with bidirectional reinforcement for composite structure |
| RU2555688C2 (en) * | 2010-03-18 | 2015-07-10 | Тохо Тенакс Ойропе Гмбх | Stitched multiaxial multilayer nonwoven fabric |
| RU2609168C2 (en) * | 2011-12-01 | 2017-01-30 | Текспейс Аэро С.А. | Method for manufacturing a preform |
-
2019
- 2019-10-11 RU RU2019132236A patent/RU2736367C1/en active
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2504478C2 (en) * | 2008-02-11 | 2014-01-20 | Олбани Энджиниэрд Композитс, Инк. | Preset-shape lined preforms with bidirectional reinforcement for composite structure |
| RU2555688C2 (en) * | 2010-03-18 | 2015-07-10 | Тохо Тенакс Ойропе Гмбх | Stitched multiaxial multilayer nonwoven fabric |
| RU2609168C2 (en) * | 2011-12-01 | 2017-01-30 | Текспейс Аэро С.А. | Method for manufacturing a preform |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN116001309A (en) * | 2022-12-16 | 2023-04-25 | 江苏君华特种工程塑料制品有限公司 | Forming method of unidirectional continuous fiber reinforced thermoplastic resin matrix composite product |
| CN116001309B (en) * | 2022-12-16 | 2023-09-08 | 江苏君华特种工程塑料制品有限公司 | Forming method of unidirectional continuous fiber reinforced thermoplastic resin matrix composite product |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CA2795936C (en) | Method for making a preform | |
| RU2672431C1 (en) | Unidirectional reinforcement, a method for producing a unidirectional reinforcement and a method for the use thereof | |
| RU2425748C2 (en) | Procedure for fabrication of fibrous layer at production of work piece of composite part | |
| RU2401740C2 (en) | Method of producing one- or multilayer fibrous workpiece in compliance with tfp-process | |
| JP5649865B2 (en) | Method for producing at least a component of a wind turbine blade | |
| CN103210129B (en) | Structural warp knit sheet and laminate thereof | |
| US7919030B2 (en) | Method for producing single- or multi-layered fiber preforms by the TFP Process as well as a fixing thread and backing layer | |
| EP0033244A2 (en) | Fibre reinforced materials and methods of making and using them | |
| RU2617484C2 (en) | Unidirectional reinforcing filler and method for producing unidirectional reinforcing filler | |
| CA2879058C (en) | A stitched unidirectional or multi-axial reinforcement and a method of producing the same | |
| EP2687356A1 (en) | A unidirectional reinforcement and a method of producing a unidirectional reinforcement | |
| CN106795665A (en) | For the woven textiles of the mixing of composite enhancer | |
| KR102597683B1 (en) | Nonwoven fabric laid in one direction and its uses | |
| CN103025494A (en) | Pile layer having curved bundles | |
| RU2736367C1 (en) | Method for manufacturing a multilayer fibrous work piece of flat shape | |
| CN1860016A (en) | Crimp-free infusible reinforcement fabric and composite reinforced material therefrom | |
| Potter | The influence of accurate stretch data for reinforcements on the production of complex structural mouldings: Part 2. Deformation of random mats | |
| RU2718789C1 (en) | Method for manufacturing flat-form fibrous workpieces | |
| JP7546578B2 (en) | Composite rods for stabilization of composite laminates. | |
| RU2717228C1 (en) | Method of making preforms for gas turbine engine compressor blades | |
| JP2013500181A (en) | Method for producing core material incorporating cross-linked fiber for composite panel, obtained panel and apparatus | |
| RU2247179C1 (en) | Nonwoven material for reinforcement of road coat and method for manufacture of such material | |
| JP7208158B2 (en) | Preform with local reinforcement | |
| CN111566064B (en) | Fiber reinforced material with improved fatigue properties | |
| JP2007001299A (en) | Rod-shaped preform for filling gap, its manufacturing method, and manufacturing device |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| QB4A | Licence on use of patent |
Free format text: LICENCE FORMERLY AGREED ON 20210203 Effective date: 20210203 |
|
| QB4A | Licence on use of patent |
Free format text: LICENCE FORMERLY AGREED ON 20220204 Effective date: 20220204 |
|
| QB4A | Licence on use of patent |
Free format text: LICENCE FORMERLY AGREED ON 20220207 Effective date: 20220207 |