RU2562986C1 - Production of thin-wall cellular structure with flat surfaces from carbon cloth - Google Patents

Abstract

FIELD: process engineering.

SUBSTANCE: claimed process consists in making of strong thin structures supporting the electromagnetic calorimeter. Said structure represents cellular composed of carbon fibre impregnated with epoxy binder. Invention aims at producing the mechanical structure from carbon fibre of high strength and to high precision as to the depth of thin walls of 20 mcm and planarity. It consists in the use for making of required surfaces and wall depth, at no external pressure and autoclave, of external forming plates and bars of compound shape from high-alloy steel assembled to integrated structure with the help of high-strength screws. Required depth and accuracy of cellular structure are ensured by guaranteed clearances provided in forming plates and bars that set the depth of finished article walls to accuracy of 20 mcm and high surface quality. To implement claimed process, proposed is the device including the parts intended for forming of high-precision inner and outer geometry of thin-wall cellular structures and the set of extra part required for assembly and transfer of the device as well as tooling temperature control system pickups in production process. Precision of produced cellular structures is ensured by precise positioning of said parts relative to each other in the mould assembly and by high-precision processing of tooling parts. For efficient production of required specimen in future, it is required to perform some standard jobs not related with application of this device, namely, cutting of process and structural elements in alveola edges.

EFFECT: possibility of production of support cellular structures with wall depth of 200 mcm with cell precision of 20 mcm and planarity approximating to 10 mcm.

2 cl, 4 dwg

Description

Настоящее изобретение относится к ячеистым структурам, которые могут применяться в различных типах механических конструкций для поддержки различных элементов. Разработка проводилась в рамках подготовки детекторных систем для исследований свойств материи в физике высоких энергий и может быть преимущественно использована для изготовления тонкостенных ячеистых структур высокой точности с изменяемой геометрией по длине ячейки и различным количеством ячеек в альвеоле.The present invention relates to cellular structures that can be used in various types of mechanical structures to support various elements. The development was carried out as part of the preparation of detector systems for studying the properties of matter in high energy physics and can be mainly used for the manufacture of thin-walled cellular structures of high accuracy with variable geometry along the length of the cell and a different number of cells in the alveolus.

Известен способ изготовления поддерживающих структур для экспериментов CMS на Большом Адронном Коллайдере (ЦЕРН) LHC БАК г. Женева (CMS: The electromagnetic calorimeter. Technical design report CMS: CERN-LHCC-97-32) и ПАНДА ускорительного центра ФАИР в Германии (Performance of the prototype of the electromagnetic calorimeter for PANDA, M. Kavatsyuk et al.. Published in Nucl. Instrum. Meth. A648 (2011) 77-91).A known method of manufacturing supporting structures for CMS experiments at the Large Hadron Collider (CERN) LHC LHC Geneva (CMS: The electromagnetic calorimeter. Technical design report CMS: CERN-LHCC-97-32) and PANDA accelerator center FAIR in Germany (Performance of the prototype of the electromagnetic calorimeter for PANDA, M. Kavatsyuk et al .. Published in Nucl. Instrum. Meth. A648 (2011) 77-91).

Способ получения ячеистых структур из ткани из углеродных волокон на оправке состоит в том, что каждая мандрила (оправка) оборачивается пропитанной эпоксидным двухкомпонентным связующим этой тканью в нужное количество слоев для получения требуемой толщины. После этого нужное количество мандрил оборачивается дополнительными слоями такой же ткани и перед запеканием покрывается вакуумным мешком, затем откачивается давление до 1 атм. Указанная обернутая сборка помещается в автоклав и при избыточном давлении в 8 атм и температуре 80-120 градусов, в зависимости от связующего, в течение нескольких часов по определенному температурному циклу производится нагрев, запекание (выдержка) и остывание изделия. Весь технологический цикл занимает примерно 24 часа.A method of producing cellular structures from carbon fiber fabric on a mandrel consists in the fact that each mandrill (mandrel) is wrapped in an appropriate number of layers soaked in an epoxy two-component binder with this fabric in order to obtain the required thickness. After that, the required amount of mandrils is wrapped with additional layers of the same fabric and covered with a vacuum bag before baking, then pressure up to 1 atm is pumped out. The specified wrapped assembly is placed in an autoclave and at an overpressure of 8 atm and a temperature of 80-120 degrees, depending on the binder, heating, baking (aging) and cooling of the product are carried out for several hours according to a certain temperature cycle. The entire production cycle takes approximately 24 hours.

При таком способе получения изделий с высокой точностью получают только внутренний размер одной ячейки, а толщину внутренних стенок и толщину и плоскостность наружных стенок невозможно получить с заданной точностью.With this method of obtaining products with high accuracy, only the internal size of one cell is obtained, and the thickness of the inner walls and the thickness and flatness of the outer walls cannot be obtained with a given accuracy.

В указанных случаях (для экспериментов CMS и ПАНДА) все альвеолы собраны только в прямоугольной системе координат (одна плоскость) и одинаковой геометрией ячеек по всей длине альвеол, а требуемая точность изготовления составляет 100 мкм. Такое требование к точности и расположение активных элементов резко снижает точностные требования к технологической оснастке, способам ее изготовления и применяемым материалам.In these cases (for the CMS and PANDA experiments), all alveoli are collected only in a rectangular coordinate system (one plane) and have the same cell geometry along the entire length of the alveoli, and the required manufacturing accuracy is 100 μm. Such a requirement for accuracy and the location of active elements dramatically reduces the accuracy requirements for tooling, methods for its manufacture and the materials used.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является возможность изготовления механической структуры из ткани из углеродных волокон с высокой прочностью, точностью каждой ячейки 20 мкм. Помимо этого изготовленная с данным способом конструкция должна быть:The problem to which the invention is directed, is the ability to manufacture a mechanical structure from a fabric of carbon fibers with high strength, the accuracy of each cell is 20 μm. In addition, the construction made with this method should be:

- оптически непрозрачной,- optically opaque,

- минимальной по толщине (в соответствии с требованиями по измерению физических процессов),- minimal thickness (in accordance with the requirements for measuring physical processes),

- позволять склейку нескольких структур в одну без нарушения точности.- allow the gluing of several structures into one without violating accuracy.

Техническим результатом настоящего изобретения является возможность изготовления ячеистых опорных структур с контролируемой толщиной стенок с точностью 20 мкм и плоскостностью от 10 мкм и лучше (среднее значение плоскостности в нашем случае получилось 5-6 мкм), а также значительное сокращение времени изготовления.The technical result of the present invention is the possibility of manufacturing cellular support structures with a controlled wall thickness with an accuracy of 20 microns and flatness of 10 microns or better (the average flatness in our case was 5-6 microns), as well as a significant reduction in manufacturing time.

Технический результат изобретения обеспечивается тем, что в отсутствии внешнего давления и автоклавов, для формирования поверхностей нужного качества по плоскостности и толщины стенок используются внешние формообразующие пластины и бруски сложной формы из высоколегированной стали, собранные в единую конструкцию высокопрочными винтами. Требуемые толщины и точность ячеистой структуры достигаются созданием при изготовлении формообразующих пластин и брусков гарантированных зазоров, задающих толщины стенки готового изделия с точностью 20 мкм, и качеством обработанной поверхности.The technical result of the invention is ensured by the fact that in the absence of external pressure and autoclaves, for the formation of surfaces of the required quality by flatness and wall thickness, external forming plates and bars of complex shape made of high alloy steel, assembled in a single design by high-strength screws. The required thicknesses and accuracy of the cellular structure are achieved by creating guaranteed gaps in the manufacture of forming plates and bars, specifying the wall thickness of the finished product with an accuracy of 20 μm, and the quality of the processed surface.

Заявленный технический результат достигается при выполнении следующих условий:The claimed technical result is achieved when the following conditions are met:

1. все детали оснастки (пресс-формы и мандрил) должны быть изготовлены из высоколегированной стали со следующими характеристиками:1. all parts of the equipment (molds and mandrils) should be made of high alloy steel with the following characteristics:

- высокая износостойкость, твердость должна быть на уровне HRC 47…50. Указанная твердость необходима до обжатия пропитанных тканей до требуемой, в соответствии с конструкторской документацией, толщины, так как начальная толщина пропитанного материала заведомо больше заданной, и получения необходимого качества поверхности. Сжатие материала позволяет увеличить его прочность и обеспечить точность изделия по толщине. Высокая твердость внутренних деталей необходима для достижения требуемой точности внутренних размеров. Она должна совпадать с твердостью внешних формообразующих деталей. Указанные характеристики стали необходимы также для равномерной передачи нагрузки при сжатии материала. Сталь должна быть легирована и дополнительно термообработана в связи с необходимостью ее многократного использования в широком диапазоне температур в цикле нагрева и охлаждения;- high wear resistance, hardness should be at the level of HRC 47 ... 50. The specified hardness is necessary before crimping the impregnated fabrics to the required thickness, in accordance with the design documentation, since the initial thickness of the impregnated material is obviously greater than the specified one, and obtaining the required surface quality. Compression of the material allows to increase its strength and ensure the accuracy of the product in thickness. High hardness of internal parts is necessary to achieve the required accuracy of internal dimensions. It should coincide with the hardness of the external forming parts. The indicated steel characteristics are also necessary for uniform load transfer during compression of the material. Steel should be alloyed and additionally heat treated due to the need for its repeated use over a wide temperature range in the heating and cooling cycle;

- коррозионная стойкость при использовании различных растворителей и агрессивных антипригарных и антиадгезионных покрытий;- corrosion resistance when using various solvents and aggressive non-stick and anti-adhesive coatings;

- возможность глубокого профилирования при обработке резанием и шлифованием;- the possibility of deep profiling during processing by cutting and grinding;

- возможность сквозного прокаливания глубиной до 40 мм;- the possibility of through calcination up to a depth of 40 mm;

- хорошие свойства для полирования поверхности;- good properties for polishing the surface;

- все элементы должны быть изначально выполнены с требуемой точностью в соответствии с конструкторской документацией (достигнута точность 10 мкм для всех деталей и плоскостность от 10 мкм);- all elements must be initially performed with the required accuracy in accordance with the design documentation (accuracy of 10 microns for all parts and flatness from 10 microns achieved);

2. выполнение оптимальных температурных режимов по нагреву/выдержке/охлаждению ячеистой структуры в пресс-форме;2. the implementation of optimal temperature conditions for heating / aging / cooling of the cellular structure in the mold;

3. при равномерном прогреве оснастки, который контролируется расчетным количеством температурных (с точностью 0.1°C) датчиков, размещенных в различных зонах оснастки в соответствии со схемой;3. with uniform heating of the equipment, which is controlled by the estimated number of temperature (with an accuracy of 0.1 ° C) sensors placed in various equipment areas in accordance with the scheme;

4. при строгом соблюдении алгоритма позиционирования формообразующих элементов при сборке оснастки.4. with strict adherence to the algorithm for positioning the forming elements when assembling the snap.

Сущность заявляемого способа поясняется чертежами.The essence of the proposed method is illustrated by drawings.

На Фиг. 1 изображена 3-мерная модель ячеистой структуры. На Фиг. 2 изображена 3-мерная модель предлагаемой оснастки для изготовления альвеол. На Фиг. 3 показана оснастка в процессе подготовки к запеканию с уложенными и обернутыми в пропитанную углеродную ткань четырьмя мандрилами (оправками). На Фиг. 4 показаны готовые изделия (в нашем случае альвеолы размером 4×2).In FIG. 1 shows a 3-dimensional model of the cellular structure. In FIG. 2 shows a 3-dimensional model of the proposed equipment for the manufacture of alveoli. In FIG. Figure 3 shows the equipment in preparation for baking with four mandrils (mandrels) laid and wrapped in an impregnated carbon cloth. In FIG. Figure 4 shows the finished products (in our case, the alveoli are 4 × 2 in size).

Для осуществления заявляемого способа используется устройство, которое включает в себя детали формирования высокоточной внутренней и внешней геометрии тонкостенных сотовых структур, а также комплект дополнительных деталей, необходимых для сборки и перемещения устройства и датчики системы контроля температуры оснастки в процессе изготовления ячеистых структур.To implement the proposed method, a device is used that includes details of the formation of high-precision internal and external geometry of thin-walled honeycomb structures, as well as a set of additional parts necessary for assembly and movement of the device and sensors of the snap temperature control system in the manufacturing process of cellular structures.

Комплект формообразующих деталей включает в себя группу деталей - пластины и бруски - для формирования наружной геометрии сотовых структур согласно общей модели детектора и набора мандрил для формирования внутренних областей ячеек. Кроме того, по торцам оснастки расположены упорные элементы, отвечающие за позиционирование мандрил внутри оснастки. Высокие требования к качеству и точности изготовления этих деталей обусловлены геометрическими параметрами тонкостенных сотовых структур, отклонение габаритных размеров которых должно находиться в пределах поля допуска в 100 мкм, а допуск на изменение толщины 200 микронных стенок равен 20 мкм. Все детали оснастки изготавливаются из специальной высоколегированной стали для производства пресс-форм.The set of forming parts includes a group of parts - plates and bars - for forming the external geometry of the honeycomb structures according to the general model of the detector and a set of mandrils for forming the inner areas of the cells. In addition, persistent elements are located at the ends of the snap, which are responsible for positioning the mandrils inside the snap. High requirements for the quality and accuracy of manufacture of these parts are due to the geometric parameters of thin-walled honeycomb structures, the deviation of the overall dimensions of which should be within the tolerance field of 100 microns, and the tolerance for changing the thickness of 200 micron walls is 20 microns. All accessories are made of special high-alloy steel for the production of molds.

Точность размеров изготавливаемых сотовых структур обеспечивается, прежде всего, за счет прецизионного позиционирования этих деталей относительно друг друга во время сборки пресс-формы, а также высокоточной обработки деталей оснастки. Взаимное положение деталей фиксируется с точностью до 10 мкм при помощи позиционирующих винтов. Сжатие сопрягаемых поверхностей и крепление деталей пресс-формы друг с другом, тем самым обжатие изготавливаемого изделия, осуществляется с использованием высокопрочных винтов М16 класса прочности не ниже 12.9.The dimensional accuracy of the manufactured honeycomb structures is ensured, first of all, due to the precision positioning of these parts relative to each other during the assembly of the mold, as well as high-precision machining of tooling parts. The relative position of the parts is fixed with an accuracy of 10 microns using positioning screws. Compression of the mating surfaces and fixing of the mold parts with each other, thereby compressing the manufactured product, is carried out using high-strength M16 screws with a strength class of at least 12.9.

В качестве дополнительных элементов изготавливаются монтажный комплект деталей, необходимый для удобства сборки и перемещения пресс-формы, а также комплект термодатчиков, которые крепятся к пресс-форме резьбовыми втулками и непрерывно контролируют внутреннюю температуру деталей оснастки во время всего процесса полимеризации материала сотовой структуры.As additional elements, an assembly kit of parts is made that is necessary for ease of assembly and movement of the mold, as well as a set of temperature sensors that are attached to the mold by threaded bushings and continuously monitor the internal temperature of the tooling parts during the entire polymerization process of the honeycomb structure material.

Для успешной работы необходимо дополнительно изготовить мандрилы в соответствии с конструкторской документацией, на которые наносится углеродная ткань.For successful work, it is necessary to additionally produce mandrils in accordance with the design documentation on which carbon fabric is applied.

На все формообразующие поверхности, контактирующие со связующими компонентами ткани из углеродного волокна, для предотвращения спекания и пригорания к поверхности металлических деталей запеченных при Т=125°C элементов этой ткани, пропитанной эпоксидным компаундом и выхода из строя деталей дорогостоящей оснастки, наносится антиадгезионная и антипригарная смазка (разделительная система), отобранная ранее по наилучшим показателям.To prevent sintering and burning to the surface of metal parts of baked at T = 125 ° C elements of this fabric, impregnated with epoxy compound and failure of parts of expensive equipment, all release surfaces contacting with carbon fiber fabric binding components are coated with anti-adhesive and non-stick lubricant (separation system), previously selected by the best indicators.

Дополнительно, для лучшего съема готового изделия применяется специально отобранное покрытие на формообразующие мандрилы. Это покрытие наносится перед каждым циклом получения изделия в 3-4 слоя с промежуточной сушкой 5-7 мин.Additionally, for better removal of the finished product, a specially selected coating is applied to the forming mandrils. This coating is applied before each product cycle in 3-4 layers with intermediate drying for 5-7 minutes.

Ткань из углеродного волокна подготавливается определенным образом с использованием эпоксидного связующего.A carbon fiber fabric is prepared in a specific way using an epoxy binder.

Каждая из мандрил оборачивается этой подготовленной тканью с слоями в соответствии с расчетами. Мандрилы укладываются в пресс-форму. После сборки всех стенок производится обжатие с помощью винтов до устранения всех зазоров между стенками. Таким образом, происходит формирование альвеолы требуемой формы из пропитанной эпоксидным связующим ткани из углеродного волокна.Each of the mandrils is wrapped in this prepared fabric with layers in accordance with the calculations. Mandrils fit into the mold. After assembling all the walls, crimping is performed using screws until all the gaps between the walls are removed. Thus, the formation of the alveoli of the required shape from the carbon fiber impregnated with an epoxy binder occurs.

После выполнения всех подготовительных работ пресс-форма собирается и устанавливается в температурную камеру, по установленному температурному циклу производился нагрев, выдержка до полной полимеризации и остывание пресс-формы с заданной скоростью. После разборки пресс-формы производится выпрессовка каждой мандрилы специальным устройствомAfter all the preparatory work has been completed, the mold is assembled and installed in the temperature chamber; according to the established temperature cycle, heating was carried out, exposure to complete polymerization and cooling of the mold at a given speed. After disassembling the mold, each mandrel is pressed out with a special device

Для успешного создания требуемого образца в дальнейшем необходимо выполнить ряд стандартных операций, не относящихся к использованию данного устройства, а именно производится обрезка технологических и конструктивных элементов по краям альвеолы.To successfully create the required sample in the future, it is necessary to perform a number of standard operations that are not related to the use of this device, namely, the cutting of technological and structural elements along the edges of the alveoli is performed.

Разработанная конструкция оснастки (пресс-формы и мандрил), технология изготовления, выбор материалов и уникальная технологическая схема запекания готового изделия необходимы для достижения заданных рекордных точностных требований как самой геометрии альвеолы, так и толщинам ячеистой структуры.The developed equipment design (molds and mandrils), manufacturing technology, material selection and a unique technological scheme for baking the finished product are necessary to achieve specified record accuracy requirements for both the alveoli geometry itself and the thickness of the cellular structure.

Результатом создания устройства является возможность изготовления опорных ячеистых структур с толщиной стенки 200 мкм и точностью изготовления каждой ячейки 20 мкм.The result of the creation of the device is the possibility of manufacturing support cellular structures with a wall thickness of 200 μm and an accuracy of manufacture of each cell of 20 μm.

Claims (2)

1. Способ изготовления тонкостенной ячеистой структуры из ткани из углеродных волокон, в котором каждая из мандрил оборачивается пропитанной эпоксидным связующим этой тканью, все мандрилы складывают в пресс-форму для формирования альвеолы, используют формообразующие пластины и бруски для формирования наружной геометрии сотовых структур по общей модели детектора и набора мандрил для формирования внутренних областей ячеек, по торцам пресс-формы расположены упорные элементы, обеспечивающие прецизионное позиционирование мандрил внутри пресс-формы, после сборки всех стенок пресс-формы в единую конструкцию производится обжатие с помощью болтов для устранения всех зазоров между стенками пресс-формы, все детали пресс-формы и мандрилы изготавливаются из высоколегированной стали и фиксируются высокопрочными винтами с точностью 10 мкм, пресс-форма устанавливается в температурную камеру для нагрева, выдержки до полной полимеризации и остывания пресс-формы с заданной скоростью для получения ячеистых структур с плоскими поверхностями с плоскостностью от 10 мкм, после разборки пресс-формы производится выпресовка каждой мандрилы.1. A method of manufacturing a thin-walled cellular structure of carbon fiber fabric, in which each mandrel is wrapped with an epoxy-impregnated fabric, all mandrils are folded into a mold to form an alveoli, mold plates and bars are used to form the external geometry of honeycomb structures according to the general model a detector and a set of mandrils for forming the inner areas of the cells; persistent elements are located at the ends of the mold to ensure precise positioning of the mandrils inside molds, after assembling all the walls of the mold into a single design, compression is performed using bolts to eliminate all the gaps between the walls of the mold, all parts of the mold and mandrils are made of high alloy steel and are fixed with high-strength screws with an accuracy of 10 microns, press -form is installed in a temperature chamber for heating, holding until complete polymerization and cooling of the mold at a given speed to obtain cellular structures with flat surfaces with a planarity of 10 microns or more, after disassembly molds are pressed out of each mandrill. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что все детали пресс-формы и мандрилы дополнительно термообработаны путем закалки и отпуска до твердости HRC 47…50. 2. The method according to p. 1, characterized in that all the details of the mold and mandrils are additionally heat-treated by quenching and tempering to a hardness of HRC 47 ... 50.

Images