Определение диапазонов изменения ключевых параметров, обеспечивающих стабильность технологического процесса производства изделий сложной формы из полимерных композиционных материалов методом RTM

Полный текст

Введение. Развитие аэрокосмической отрасли ведет к росту требований, предъявляемых к изделиям и технологиям их изготовления. Изделия из полимерных композиционных материалов (ПКМ) аэрокосмического назначения характеризуются меньшим весом и высоким модулем упругости по сравнению с традиционно применяемыми материалами. Выбор технологии изготовления конкретного изделия определяется физико-механическими характеристиками и стоимостью конечного изделия. Существенным параметром, характеризующим технологию изготовления изделий из ПКМ, является возможность серийного выпуска изделий с гарантированным качеством. Основными параметрами, влияющими на физикомеханические характеристики ПКМ, являются модуль упругости волокнистого наполнителя, его объемное содержание и содержание пор в ламинате. Так, типичные ПКМ аэрокосмического класса производят с пористостью около 1 %, в то время как для других классов ПКМ пористость может варьироваться от 2 до 5 %. Содержание пор ухудшает механические свойства изделия. Так, увеличение пористости от 1 до 3 % влечет ухудшение механических свойств на 20 % [1]. Поскольку показатели пористости и объемного содержания волокна очень важны для прецизионных изделий из ПКМ, то технология, основанная на автоклавной обработке, является ключевой при оптимизации свойств ПКМ. Однако автоклавная технология является дорогостоящей как с точки зрения эксплуатационных расходов, так и по трудоемкости изготовления, что ограничивает размеры изделия и объемы производства. В связи с этим для мелкосерийного производства конкурентоспособных прецизионных изделий сложной формы необходимо стремиться к разработке и использованию технологий вне автоклава. Одной из таких безавтоклавных технологий является технология RTM (трансферное формование). Суть технологии заключается в пропитке связующим под давлением предварительно уложенного в форму сухого армирующего пакета [2-11]. Постановка задачи. В отличие от автоклавной технологии RTM-технология требует больше мер по контролю технологического процесса. Поскольку затраты на создание системы управления фиксированы, то конкурентное преимущество для определённого класса изделий очевидно. Управление технологическим процессом на каждом этапе производства является гарантией заданного качества итогового изделия и снижает процент брака. В связи с этим необходима разработка адаптивного контроля технологического производства и определение диапазонов изменения ключевых параметров, обеспечивающих стабильность технологического процесса производства. Настоящая работа развивает работы [12; 13] в части технологии изготовления изделий сложной формы из ПКМ, дополняя пониманием влияния, в том числе взаимного влияния, отдельных категорий параметров при построении адаптивной системы управления технологическим процессом. Основная часть. Параметры, определяющие протекание процесса производства прецизионных изделий сложной формы из ПКМ, можно разделить на входные, функциональные и выходные. Входные параметры подразделяются на определяющие, управляемые и возмущающие [14]. Набор управляющих и возмущающих параметров, определяющих технологический процесс производства изделий сложной формы из ПКМ, представлен в табл. 1; в табл. 2 представлены зависимости между параметрами. Определяющие, или обязательные, параметры в свою очередь подразделяются на конструкторские и технологические параметры. К конструкторским параметрам относятся параметры, которые закладываются на этапе проектирования изделия, например, такие как марка используемых армирующих и связующих материалов, требуемая точность геометрических размеров, точность формы и расположение поверхностей, качество поверхностного слоя, требуемые физико-механические свойства изделия, геометрические размеры, соотношение армирующего и связующего материала в готовом изделии. Технологическими определяющими параметрами являются минимальная вязкость связующего и максимальное время его жизни. Управляемые или контролируемые входные параметры (УВП) включают в себя параметры, которые допускают целенаправленный выбор при проектировании технологического процесса. В случае RTM-процесса эту категорию параметров целесообразно разделить на три подкатегории: УВП связующего материала, УВП армирующего материала и УВП технологической оснастки. Среди возмущающих параметров процесса производства прецизионных изделий из ПКМ можно выделить систематические и случайные параметры. Функциональные параметры (ФВП) количественно характеризуют технологический процесс, который, в свою очередь, можно разделить на два подпроцесса. Первым из них является процесс инжекции связующего в технологическую оснастку с армирующим пакетом. В этом случае ФВП является скорость 203 Вестник СибГАУ. 2014. Ne 4(56) инжекции и объем инжектируемого материала. Таким образом, два этих параметра характеризуют функцию процесса инжекции, определяющую пропитку материала. Вторым подпроцессом является процесс отверждения полимерной матрицы. Данный процесс характеризуется параметром ионной вязкости, определяемым из диэлектрических характеристик связующего - диэлектрической проницаемости и диэлектрического фактора потерь, а также продолжительностью процесса отверждения, что в свою очередь характеризует динамику изменения ионной вязкости полимерной матрицы в процессе отверждения. Количество параметров модели управления уже само по себе делает производство композитных изделий высокотехнологичным. Процесс также усложняется тем, что параметры подсистем взаимодействуют друг с другом в сложных нелинейных отношениях. Эффективное управление технологическим процессом возможно лишь при наличии математической модели. При ее отсутствии необходимо проводить исследование процесса экспериментально. Поэтому регулируя лишь один фактор, вполне логично, что достичь желаемого результата в большинстве случаев не представляется возможным. Одним из важнейших аспектов контроля технологического процесса является знание режимов переработки связующего. В настоящей работе объектами исследований служили многокомпонентные эпоксидные связующие Sicomin SR 1710 в сочетании с отвер-дителем SD 8824 и Huntsmann Araldite LY 8615 в сочетании с отвердителем XB 5173. Эпоксидное связующее Sicomin SR 1710 представляет собой смесь диглицидилового эфира бисфенола А и диглицидил эфира анилина. Отвердитель SD 8824 представляет собой смесь метилпентандиамина и m-ксилендиамина. Эпоксидное связующее Araldite LY 8615 представляет собой многокомпонентную смесь, состоящую из продуктов конденсации эпихлоргидрина и бисфенола А, триглицидил-p-аминофенила, тетрагли-цидила-4,4’-диаминодифенилметана, а также 1,4-батандиол-диглицидилэфира. Отвердитель XB5173 является смесью изофорондиамина и 2,2’-диметил-4,4’ -метиленбиса (циклогексиламина). Рис. 1. Определение минимальной вязкости связующих: 1 - Araldite, 2 - Sicomin Для связующих с помощью вискозиметра Брук-фильда (модель DV2T LV, США) была определена минимально возможная вязкость, при которой целесообразно проводить инжекцию. На рис. 1 показаны температурные зависимости динамической вязкости эпоксидных связующих, используемых при RTM-технологии. Очевидно, что для эффективного осуществления процесса пропитки минимально возможная вязкость не должна существенно изменяться в течение продолжительного времени. Поэтому одной из задач по установлению ключевых параметров управления техпроцессом служит определение времени жизни связующего при изотермических выдержках (рис. 2, 3) [15]. Рис. 2. Зависимость времени жизни связующего Sicomin от температуры изотермической выдержки Б5 75 35 Тем п ер атур а, ° С Рис. 3. Зависимость времени жизни связующего Huntsmann от температуры изотермической выдержки Исследование процесса отверждения эпоксидных связующих проводилось с использованием диэлектрического анализатора DEA 288. На рис. 4 приведены результаты испытаний связующего SR1710 на диэлектрическом анализаторе. SO 100 150 200 25Q 300 550 400 450 500 Врем /мин Рис. 4. Мониторинг процесса отверждения эпоксидного связующего SR1710 204 Технологические процессы и материалы Таблица 1 Классификация основных параметров технологического процесса производства рефлекторов Влияющие параметры Шифр парра Входные параметры Определяющие входные параметры Конструкторские Марки используемых армирующих и связующего материала 1 Требуемые точность геометрических размеров, точность формы и расположения поверхностей 2 Качество поверхностного слоя 3 Требуемые физико-механические свойства изделия, прочностные характеристики и др. 4 Геометрические размеры, форма изделия 5 Требуемое соотношение армирующего и связующего материала 6 Технологические Минимально возможная вязкость 7 Максимально возможное время гелеобразо-вания 8 3 & 03 & с 23 0 X CQ 1) 1 « 1 >>> Связующее Вязкость 9 Температура связующего 10 Температура отверждения 11 Температура экзотермического пика 12 Время гелеобразования 13 Армирующий материал Тип плетения 14 Процентное содержание и природа аппрета 15 Структура жгута (1К, 2К, ...), наличие и направление кручения 16 Технологическая оснастка Проницаемость 17 Схема укладки 18 Плотность армирующего пакета 19 Давление инжекции 20 Расположение входных каналов 21 Расположение вентилируемых каналов 22 Возмущающие входные параметры Системные параметры Интенсивность изменения вязкости 23 Градиент давления в процессе инжекции 24 Изменение скорости пропитки 25 Изменение фронта потока 26 Несистемные параметры Колебание величины проницаемости различных областей изделия 27 Неравномерность фронта потока 28 Условия и срок хранения связующего материала 29 Условия и срок хранения армирующего материала 30 3 & 03 & с 23 о X m а И g & S S К 03 то ОЙ £ О с В и © 1 и Функциональные входные параметры процесса инжекции Продолжительность инжекции 31 Скорость инжекции 31,1 Объем инжектируемого материала 31,2 Функциональные входные параметры процесса полимеризации Динамика изменения ионной вязкости связующего материала Ионная вязкость 32 Диэлектрическая проницаемость s’ 32,1 Диэлектрический фактор потерь ф 32,2 Продолжительность процесса полимеризации 33 3 & d і & с 23 о § hQ m Оптические характеристики Пористость 34 Содержание микротрещин 35 Физико-механические параметры Температура стеклования 36 Степень отверждения 37 КТР 38 Прочностные характеристики Модуль упругости 39 Прочность на разрыв 40 Ударная вязкость 41 Таблица 2 Описание зависимости параметров технологического процесса производства рефлекторов Шифр парра Влияющие параметры* 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 31,1 31,2 32-33 34 35 Зависимые параметры 1 Х Х Х О 2 О О 3 4 5 6 Х 7 Х Х 8 Х Х 9 Х Х Х Х 10 Х Х 11 Х Х Х 12 Х О Х Х 13 Х Х Х 14 О О 15 Х Х 16 Х Х 17 Х Х Х Х Х Х Х Х 18 Х Х 19 Х 20 Х Х Х 21 Х 22 Х Х 23 Х Х Х Х 24 Х Х Х Х Х 25 Х Зависимые параметры 26 Х 27 Х Х 28 29 X X 30 Х Х 31 Х Х Х Х 31,1 Х 31,2 Х 32-33 Х Х Х Х 34 Х Х Х 35 Х Х Х Х 36-38 Х Х Х Х Х Х Х 39-41 Х Х Х Х Х Х Х Х * Х - однонаправленная зависимость; О - двунаправленная зависимость. Технологические процессы и материалы Показателем качества отвержденного связующего и выходным параметром технологического процесса принимается температура стеклования. Определение оптимального режима переработки связующего - существенная и трудоемкая задача при оптимизации технологического процесса. Температура стеклования зависит от температуры постотверждения, времени постотверждения, которые в свою очередь определяют степень отверждения. Температуру постотверждения связующего Huntsmann определяли исходя из предположения, что модуль упругости, определяемый на ДМА при увеличении степени сшивки, возрастает. Иллюстрирует данный метод рис. 5. Очевидно, что процесс отверждения продолжается вплоть до температуры 200 °С, однако рост модуля при этой температуре незначительный, поэтому за температуру постотверждения целесообразно принять 190 °С. Вр*Ы#.1ЫИН Рис. 5. Определение оптимальной температуры постотверждения: 1 - изменение модуля упругости; 2 - изменение температуры Для определения времени изотермической выдержки связующего необходимо проведение эксперимента при выбранной температуре постотверждения. В этом случае за оптимальное время постотверждения целесообразно принимать время окончания роста динамического модуля упругости. Заключение. В данной статье проведен анализ и систематизация параметров, контроль за которыми обеспечивает стабильность технологического процесса производства прецезионных изделий из ПКМ методом трансферного формования. Исходя из их количества и нелинейности отношений между ними, управление процессом трансферного формования -сложная и трудоемкая задача. Показаны приемы и методы оценки технологических и эксплуатационных свойств связующих, позволяющих получать качественные показатели физико-механических свойств композиционных материалов на основе выбранных связующих. Благодарности. Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации. Государственный контракт № 02.G25.31.0043. Acknowledgements. This work was financially supported by the Ministry of Education and Science of the Russian Federation. State contract № 02.G25.31.0043.

Об авторах

Антон Юрьевич Власов

Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева

Email: vlasov.anton@gmail.com
кандидат физико-математических наук, доцент, директор ресурсного центра коллективного пользования «Космические аппараты и системы»

Кирилл Арнольдович Пасечник

Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева

Email: kir.nik@mail.ru
инженер

Василий Александрович Мартынов

Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева

Email: kop6eh@gmail.com
инженер ресурсного центра коллективного пользования «Космические аппараты и системы»

Список литературы

Дополнительные файлы