Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего образования «Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева-КАИ»
(КНИТУ-КАИ)
Институт авиации, наземного транспорта и энергетики
Кафедра производства летательных аппаратов
Технологическое оборудование для
Изготовления деталей из композиционных материалов вакуумо-печным, автоклавным и трансферными методами формования
Методические указания к практической работе № 2
По дисциплине: «Изготовление деталей из композиционных материалов»
2017 г.
Цель работы: изучение технологического оборудования для изготовления композиционных конструкций.
ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ
К компрессионным методам формования относятся: автоклавное формование, в пресскамере, гидроклавное и другие методы, в которых давление на ламинат осуществляется упругой средой.
Автоклав
Автоклав – многоцелевая система, в которой можно обрабатывать деталь любой конфигурации, подходящей по размеру к камере автоклава. Нагрев может осуществляться при помощи электричества, газа, топлива, масла, пара и т.д. Выбор зависит от того, какой способ доступен и наиболее экономичен. В общем, это нагреваемый сосуд под давлением, как показано на рис. 75, и процесс зависит от внутренней передачи тепла от сжатого газа (инертного газа – азота, CO2), чтобы осуществить отверждение. Большинство крупных автоклавов изготавливаются в соответствии с требованиями заказчика. Производство малых автоклавов происходит в промышленных масштабах. В области композитного производства автоклав является самым популярным из всех систем нагрева.
Ниже приведены его характеристики:
Высокая стоимость приобретения
Нагрев до 650°С
Создаваемое давление до 500 psi
Необходимость упаковки детали в мешок
Длительное время цикла
Использование автоклава обусловлено следующими требованиями:
Оснастка малой массы
Обеспечение эффективной передачи тепла (разогретый газ перемещается при помощи вентиляторов)
Проектирование оснастки таким образом, чтобы как можно больше циркулирующего воздуха могло проходить вокруг и через оснастку
Материалы оснастки для отверждения в автоклаве:
Для изготовления и отверждения при температуре 200°С небольшого количества деталей – используйте ламинированную оснастку
Для опытных образцов, когда нужно изготовить только несколько деталей за короткий промежуток времени, используйте гипсовую или отлитую оснастку
Для длительных сроков использования, быстрой передачи тепла и высокотемпературного отверждения (термопластичные или полиимидные материалы) используйте обработанную металлическую оснастку.
Недостатки:
Длительное время обработки
Ограничение по размерам (большие детали требуют больших автоклавов)
По сути, энергетически неэффективная система
Крупные трудности вызывают большие температурные градиенты и длительное время нагрева
Разрушение мешков
Газы, обычно используемые в автоклаве:
Воздух – Воздух является недорогим газом, если его подавать под давлением в диапазоне 700-1030 кПа при температуре 120°С. Воздух поддерживает горение и может представлять опасность при температурах выше 150°С.
Азот – Газ, наиболее часто используемый в автоклавах. Однако его стоимость высока, особенно если необходимо использовать его в большом автоклаве при высоких давлениях. Азот можно использовать при температурах до 340°С и давлении более 200 psi.
CO2 – второй по популярности газ, используемый в автоклавах. При его использовании необходимо принимать меры предосторожности, поскольку из-за высокой плотности он может представлять потенциальную опасность для персонала.
При использовании азота или CO2 удостоверьтесь в том, что присутствует достаточно кислорода.
Многие малогабаритные автоклавы нагреваются посредством электричества. Однако такой способ нагрева является неэкономичным в случае крупногабаритных автоклавов (рисунок 1).
а
б
в
а - Автоклавы (два 4572 x 13716 мм - 343°С и 215 psi; один 2743,2 x 8753,6 мм - 343°С и 210 psi); б - Автоклав 7620 x 18288 мм; в - Действие автоклава
Рисунок – 1 - Автоклавы
Гидроклав
Гидроклав аналогичен автоклаву, и к нему можно применить основные принципы работы автоклава за тем исключением, что давление в нем создается гидравлически. Основное отличие состоит в том, что в гидроклаве можно создавать давления выше, до тысячи psi, по сравнению с 200 psi, которые являются максимумом для большинства автоклавов.
Использование воды можно охарактеризовать следующим образом:
Она уменьшает проблемы герметизации давления
Снижает опасности, которым подвергается персонал, до приемлемого уровня
Исчезает потребность в источниках дорогого газа под высоким давлением
Любые утечки снижают давление внутри емкости до нуля
Вместо пластиковой пленки, используемой в автоклаве, применяются резиновые мешки.
Из-за более высокого давления, необходимы дополнительная прочность и эластичность мембраны, чтобы предотвратить разрывы в мембране на участках, где с большей вероятностью случается сводообразование.
Если используется для охлаждения под давлением с использованием воды в качестве охлаждающей жидкости, а оснастка нагревается изнутри для обеспечения температуры, требуемой в рамках цикла отверждения, обычные резиновые мешки можно использовать несколько раз для большого количества циклов.
По стандартным методам нагрев воды занимает длительное время, и при использовании гидроклава скорость роста температуры и максимальные температуры, требуемые для большинства композитов, недостижимы. Нагревательная способность воды выше 230°С ограничена, это ведет к использованию систем вгутреннего нагрева оснастки. Разумеется, такая система используется только в особых случаях. Общие сведения об автоклавах и правила безопасности при обращении с ними распространяются на гидроклавы.
Различия между автоклавом и гидроклавом:
ХАРАКТЕРИСТИКА |
АВТОКЛАВ |
ГИДРОКЛАВ |
Среда |
Инертный газ |
Вода |
Давление |
До 500 psi |
До 12 000 psi |
Температура |
400°С |
230°С (под давлением) |
Недостатки те же, что у автоклава.
Резервуар под давлением
В то время как автоклавы имеют высокую стоимость приобретения, резервуары под давлением (рисунок 2) обеспечивает давление, имеют меньшую стоимость приобретения, а необходимое тепло может подаваться при помощи интегрально нагреваемой системы оснастки или похожим образом. Общие сведения об автоклавах и правила безопасности при обращении с ними распространяются на резервуары под давлением.
Преимущества:
Низкая стоимость приобретения (простая конструкция в виде трубы, без сложных нагревательных систем, которые имеют высокую стоимость)
Обеспечивают более высокое давление, чем автоклавы
Использование нагревательных полотен или систем внутреннего нагрева обеспечивает экономичность
Возможность хорошего регулирования размеров (контроль линии формы)
Короткое время цикла.
Недостатки:
Необходимость в отдельной системе нагрева
Рисунок 2 - Резервуар под давлением (нагрев осуществляется оснасткой для усиления)
Печь
Печь, показанная на рисунок 3 – представляет собой камеру нагрева, которая используется для отверждения композитных деталей при низком давлении или вакууме. Давление можно увеличить, применяя при изготовлении оснастки материалы с большим расширением, например, резину или используя газы высокого давления. Большинство печей для равномерного распределения тепла имеют систему циркуляции воздуха.
Преимущества:
Температура до 1315°С
Стоимость приобретения – 20% стоимости автоклава
Стоимость эксплуатации ниже (около 50% стоимости эксплуатации автоклава)
Более короткий цикл, чем у автоклава
Рисунок 3 - Нагрев и отверждение композитов в печи (без давления, за исключением вакуума)