RU2604221C2 - Method of making thin-wall laminar bearing panels - Google Patents

Abstract

FIELD: construction.

SUBSTANCE: invention relates to structural panels and is aimed at manufacturing 3D frame mesh panels. Method involves formation of a system of spiral and ring ribs of the bearing set by winding an elastic dry fibrous material (a ribbon, a thread and similar) onto a matrix arranged on the forming tool, subsequent formation of the lining layer by winding the elastic fiber material over the bearing set, further polymerization of the binding agent and removal of the panel from the mandrel. Polymerization of the distributed binder is carried out after finishing formation of the multilayer 3D structure.

EFFECT: invention ensures production of several layers in manufacturing multilayer 3D bearing ribbed panels, including thin-wall ones, and improved manufacturability.

1 cl, 1 ex

Description

Изобретение относится к способам изготовления объемных каркасных сетчатых панелей и может быть использовано при изготовлении конструкций в машиностроении, включая судостроение, ядерную энергетику, авиакосмическую отрасль промышленности. В указанных отраслях широко применяются крупногабаритные объемные панели и оболочки, для изготовления которых ранее применялись штампованные листы металла, подкрепленные профилями. При этом профиль повышал жесткость панели и прочностные характеристики всей конструкции. Наиболее предпочтительным методом оказался способ изготовления панелей из полимерных композиционных материалов (ПКМ), где одновременно с обшивкой панели в конструкции изготавливались подкрепляющие профили для увеличения равнопрочностных характеристик панели.The invention relates to methods for manufacturing volumetric frame mesh panels and can be used in the manufacture of structures in mechanical engineering, including shipbuilding, nuclear power, aerospace industry. In these industries, large-sized volume panels and shells are widely used, for the manufacture of which stamped sheets of metal, supported by profiles, were previously used. At the same time, the profile increased the rigidity of the panel and the strength characteristics of the entire structure. The most preferred method turned out to be a method of manufacturing panels from polymer composite materials (PCM), where, at the same time as paneling, reinforcing profiles were made in the structure to increase the equal strength characteristics of the panel.

Известен способ изготовления баллонов давления из ПКМ (Основы авиа- и ракетостроения: учеб. пособие для вузов / А.С. Чумадин, В.И. Ершов, К.А. Макаров и др. - М.: Инфра-М. 2008. - 992 с.: ил. стр. 557 (D1), где объемную оболочку изготавливают методом непрерывной намотки на станке с вращающейся оправкой (формообразующим инструментом).A known method of manufacturing pressure cylinders from PCM (Fundamentals of aircraft and rocket science: textbook for universities / A.S. Chumadin, V.I. Ershov, K.A. Makarov and others - M .: Infra-M. 2008. - 992 p., Ill. P. 557 (D1), where a three-dimensional shell is produced by continuous winding on a machine with a rotating mandrel (forming tool).

На вращающуюся оправку непрерывно и равномерно укладывают по установленной траектории и с постоянной скоростью, оплетая ее как кокон, спиральные ленты из волокон ПКМ, пропитанных связующим и образующих силовой каркас панели будущей конструкции из подкрепляющих профилей или силовых элементов. В описанной стадии формируется объемная жесткая сетчатая конструкция из спиральных взаимно-пересекающихся волокон.They are continuously and evenly laid on a rotating mandrel along an established trajectory and at a constant speed, braiding it like a cocoon, spiral ribbons made of PCM fibers impregnated with a binder and forming the power frame of the future design panel from reinforcing profiles or power elements. In the described stage, a three-dimensional rigid mesh structure is formed from spiral mutually intersecting fibers.

Далее сформированный каркас подкрепляющих профилей или силовых элементов усиливают наружными лентами, наматываемыми в кольцевом направлении. Причем намотка смоченного кольцевого слоя (или обшивки) по наружной поверхности панели производится на предварительно уложенные симметричные спиральные силовые слои.Further, the formed frame of the reinforcing profiles or power elements is reinforced with outer tapes wound in an annular direction. Moreover, the wetted annular layer (or sheathing) is wound on the outer surface of the panel on previously laid symmetrical spiral power layers.

Наиболее близким к заявляемому изобретению является способ изготовления конструкционных панелей, включающий формирование системы спиральных и кольцевых ребер силового набора намоткой гибкого волокнистого материала, пропитанного связующим, на матрицу, размещенную на оправке, затем последующее формирование обшивочного слоя намоткой гибкого волокнистого материала, пропитанного связующим, поверх силового набора, отверждение связующего и снятие панели с оправки (пат. RU №2463166, опубл. 10.10.2012) (D2).Closest to the claimed invention is a method of manufacturing structural panels, comprising forming a system of spiral and annular ribs of a power set by winding a flexible fibrous material impregnated with a binder onto a matrix placed on a mandrel, then the subsequent formation of a casing layer by winding a flexible fibrous material impregnated with a binder over the power set, curing the binder and removing the panel from the mandrel (US Pat. RU No. 2463166, publ. 10.10.2012) (D2).

Отличительной особенностью заявляемого изобретения является то, что пазы под ребра каркаса в матрицах изготовлены по высоте, равной толщине вставки, а сами вставки по завершении процесса могут быть удалены из полученной конструкции.A distinctive feature of the claimed invention is that the grooves under the ribs of the frame in the matrices are made in height equal to the thickness of the insert, and the insert itself can be removed from the resulting structure upon completion of the process.

Однако перечисленными методами можно изготовить панель «мокрым» способом, т.е. когда на оправку наматывается волокнистый материал, который предварительно смочен связующим. Это не всегда удобно, поскольку для этого требуется высокой квалификации персонал и безотказная работа оборудования. Другой объективной причиной является недолговечность полезных свойств полимера. Кроме того, высок расход дорогостоящего связующего, излишки которого выдавливаются и удаляются в отходы.However, using the above methods, it is possible to produce a panel in a "wet" way, i.e. when fibrous material is wound onto a mandrel that is previously wetted with a binder. This is not always convenient, as this requires highly qualified personnel and trouble-free operation of the equipment. Another objective reason is the fragility of the useful properties of the polymer. In addition, the consumption of an expensive binder is high, the excess of which is squeezed out and disposed of as waste.

Задачей, на решение которой направлено предлагаемое техническое решение, является возможность получения нескольких слоев при изготовлении объемных каркасных сетчатых панелей «сухим» способом, в том числе тонкостенных, то есть, когда на оправку или иной формообразующий инструмент наматывается и/или выкладывается сухой волокнистый материал, который пропитывается связующим только после полного завершения намотки и/или выкладки, затем формируют ребра силового набора намоткой в пазы матрицы гибкого сухого волокнистого материала, после чего на них формируют очередной обшивочный слой.The task to which the proposed technical solution is directed is the ability to obtain several layers in the manufacture of bulk wire mesh panels in a "dry" way, including thin-walled, that is, when dry fibrous material is wound and / or laid on a mandrel or other forming tool, which is impregnated with a binder only after the completion of winding and / or laying is complete, then the ribs of the force set are formed by winding into the grooves of the matrix of a flexible dry fibrous material, after it is formed on them by the next cladding layer.

Формирование последующих слоев осуществляют в аналогичном порядке. После завершения процесса сухой намотки и/или выкладки волокнистого материала всю сборку помещают в ложемент под герметичную пленку, из-под которой откачивают воздух и этим создают вакуум. Затем посредством созданного вакуума в сухую объемную волокнистую конструкцию всасывается из емкости со связующим дозированная порция пластика (смолы в текучем состоянии), которая равномерно распределяется по всей волокнистой конструкции.The formation of subsequent layers is carried out in a similar manner. After completion of the dry winding process and / or laying out of fibrous material, the entire assembly is placed in a lodgement under an airtight film, from which air is evacuated and this creates a vacuum. Then, through the created vacuum, a metered portion of plastic (fluid resin) is sucked from the container with a binder into the dry bulk fiber structure, which is evenly distributed throughout the fiber structure.

Технический результат, который может быть получен в результате решаемой задачи, выражается в существенном упрощении процесса получения нескольких слоев при изготовлении объемных каркасных сетчатых оребренных панелей. При этом наблюдается существенное снижение массы конструкции в целом, сокращение потерь связующего, а также повышение качества конструкции и общую технологическую культуру производства при снижении количества брака и расходе связующего.The technical result that can be obtained as a result of the problem being solved is expressed in a significant simplification of the process of obtaining several layers in the manufacture of volumetric wireframe mesh ribbed panels. At the same time, there is a significant decrease in the mass of the structure as a whole, a reduction in the loss of the binder, as well as an increase in the quality of the structure and the overall technological culture of production with a decrease in the quantity of scrap and the consumption of the binder.

Поставленная задача решается тем, что способ изготовления конструкционных панелей, включающий формирование системы спиральных и кольцевых ребер силового набора намоткой гибкого сухого волокнистого материала на матрицу, размещенную на оправке, формирование обшивочного слоя намоткой гибкого сухого волокнистого материала поверх силового набора, последующее посредством создания вакуума всасывание в конструкцию связующего и его отверждение со снятием панели с оправки, в заявляемом изобретении на оправке из сухого волокнистого материала формируют объемный сетчатый каркас и обшивочные слои, затем посредством вакуумного всасывания сформированная конструкция равномерно пропитывается связующим, причем отверждение связующего осуществляют после завершения процесса, а затем обеспечивают доступ ко всем замкнутым объемам конструкционной панели и при необходимости удаляют из них материал вставок матрицы.The problem is solved in that the method of manufacturing structural panels, comprising forming a system of spiral and annular ribs of a power set by winding a flexible dry fibrous material onto a matrix placed on a mandrel, forming a casing layer by winding a flexible dry fibrous material on top of the power set, followed by creating vacuum into the design of the binder and its curing with the removal of the panel from the mandrel, in the claimed invention on a mandrel of dry fibrous material and form a volumetric mesh frame and cladding layers are then formed by vacuum suction structure uniformly impregnated with a binder, wherein the binder is carried out after the curing process is complete, and then provide access to all the structural panels closed volumes, and if necessary removed from their matrix material inserts.

Сопоставительный анализ существенных признаков предлагаемого технического решения с существенными признаками аналогов и прототипа свидетельствует о его соответствии критерию «новизна».A comparative analysis of the essential features of the proposed technical solution with the essential features of analogues and prototype indicates its compliance with the criterion of "novelty."

Отличительные признаки формулы изобретения решают следующие функциональные задачи.Distinctive features of the claims solve the following functional tasks.

Признак «… на оправке из сухого волокнистого материала формируют объемный сетчатый каркас и обшивочные слои» обеспечивает формирование «гладкой» внутренней поверхности панели и ребер силового набора конструкции из сухого волокнистого материала, что позволяет вносить требуемые коррективы в создаваемую конструкцию на всех технологических этапах производства.The sign "... on the mandrel of dry fibrous material to form a three-dimensional mesh frame and casing layers" ensures the formation of a "smooth" inner surface of the panel and the ribs of the power set of the structure of dry fibrous material, which allows you to make the necessary adjustments to the design at all technological stages of production.

Признак «… затем посредством вакуумного всасывания сформированная конструкция равномерно пропитывается связующим», тем самым обеспечивается строго дозированная подача связующего в создаваемую объемную каркасную конструкцию.The sign "... then, through vacuum suction, the formed structure is uniformly impregnated with a binder", thereby strictly dosing the binder into the created volumetric frame structure.

Способ осуществляют следующим образом. Для формирования первого обшивочного слоя на поверхность вращающейся оправки предварительно наматывают и/или выкладывают гибкий сухой волокнистый материал, на котором формируют матрицу из вставок, с зазорами, предназначенными для формирования объемного силового набора панели.The method is as follows. To form the first casing layer, a flexible dry fibrous material is pre-wound and / or laid out on the surface of the rotating mandrel, on which a matrix of inserts is formed, with gaps designed to form a volumetric power set of the panel.

В качестве материала матриц используют либо брикеты растворимого материала (например, солевые обводообразующие вставки), либо капсулы с легким газом. Соли в обводообразующих вставках могут быть любыми, главное, чтобы они были способны держать форму конструкции ребра и обшивки до полимеризации связующего и впоследствии могли быть удалены из полости ячейки одним из доступных методов - вытряхиванием, вакуумированием, вымыванием, при этом капсулы с легким газом остаются в составе конструкции. Обводообразующие солевые вставки (или капсулы с легким газом) устанавливают на первом обшивочном слое с зазорами, которыми заранее задают размер ребра, а именно: высота обводообразущей вставки ровна высоте изготавливаемого ребра, а расстояние между вставками - толщине будущего ребра.Either briquettes of soluble material (for example, salt bypass-forming inserts) or capsules with light gas are used as matrix material. The salts in the bypass-forming inserts can be any, the main thing is that they are able to keep the shape of the rib structure and sheathing until the binder is polymerized and subsequently can be removed from the cell cavity using one of the available methods - by shaking, evacuating, washing out, while the capsules with light gas remain in composition of the structure. Bypass-forming salt inserts (or capsules with light gas) are installed on the first casing layer with gaps that specify the size of the rib in advance, namely: the height of the bypass-forming insert is equal to the height of the manufactured rib, and the distance between the inserts is the thickness of the future rib.

Ребра силового набора формируют намоткой в зазоры матрицы гибкого сухого волокнистого материала. По завершении намотки и/или выкладки сформированная объемная сухая конструкция равномерно пропитывается связующим путем всасывания связующего методом вакуумирования полученной сборки. В заявляемом способе связующее - матрица или склеивающее волокна вещество, т.е. этот материал после полимеризации придает жесткость волокнам. Изготавливаемые намоткой ребра ориентированы перпендикулярно к наружной поверхности будущей панели.The ribs of the power set are formed by winding into the gaps of the matrix of a flexible dry fibrous material. Upon completion of winding and / or laying, the formed bulk dry structure is uniformly impregnated with a binder by suctioning the binder by evacuating the resulting assembly. In the inventive method, the binder is a matrix or fiber bonding agent, i.e. this material after polymerization gives rigidity to the fibers. Ribs made by winding are oriented perpendicular to the outer surface of the future panel.

Отверждение связующего осуществляют после завершения формирования структуры. Отверждение связующего представляет собой известный стандартный типовой процесс полимеризации, который зависит от вида применяемых веществ и условий технологического процесса. Предложенным способом возможно изготовление любой объемной сетчатой каркасной панели из ПКМ.The curing of the binder is carried out after completion of the formation of the structure. Binder curing is a well-known standard type polymerization process, which depends on the type of substances used and the process conditions. By the proposed method, it is possible to manufacture any three-dimensional mesh frame panel from PCM.

Claims (2)

1. Способ изготовления тонкостенных многослойных силовых панелей, включающий формирование системы спиральных и кольцевых ребер силового набора из гибкого волокнистого материала, обладающего трансформацией формы или объема, на матрице, размещенной на оправке, формирование обшивочного слоя из гибкого волокнистого материала поверх силового набора, пропитку гибкого волокнистого материала связующим, отверждение связующего после завершения формирования многослойной структуры и снятие панели с оправки, при этом на оправке формируют первый обшивочный слой из гибкого волокнистого материала, обладающего трансформацией формы или объема, на котором формируют матрицу с пазами, предназначенными для формирования силового набора панели, формируют ребра силового набора, помещая в пазы матрицы гибкий волокнистый материал, после чего на них формируют второй обшивочный слой, формирование последующих слоев осуществляют в аналогичном порядке, отличающийся тем, что пропитку гибкого волокнистого материала связующим осуществляют после завершения формирования многослойной структуры панели методом вакуумной инфузии, под действием которой связующее всасывается в сухой гибкий волокнистый материал и производится его равномерная пропитка, после чего осуществляют отверждение связующего, при этом в качестве материала для формирования матрицы с пазами используют солевые обводообразующие вставки или капсулы с легким газом, которые устанавливают с зазорами между ними, образуя пазы матрицы, на всех обшивочных слоях, высота обводообразущей вставки ровна высоте изготавливаемого ребра, а расстояние между вставками - зазор - толщине будущего ребра.1. A method of manufacturing thin-walled multilayer power panels, comprising forming a system of spiral and annular ribs of a power set of flexible fibrous material having a shape or volume transformation on a matrix placed on a mandrel, forming a casing layer of flexible fibrous material on top of the power set, impregnating a flexible fiber binder material, curing the binder after completion of the formation of the multilayer structure and removing the panel from the mandrel, while the first are formed on the mandrel the first cladding layer of a flexible fibrous material having a shape or volume transformation, on which a matrix with grooves for forming a panel power set is formed, ribs of the power set are formed by placing a flexible fibrous material in the grooves of the matrix, after which a second cladding layer is formed on them, the formation of subsequent layers is carried out in a similar manner, characterized in that the impregnation of the flexible fibrous material with a binder is carried out after completion of the formation of the multilayer structure panels by vacuum infusion, under which the binder is absorbed into a dry flexible fibrous material and impregnated uniformly, after which the binder is cured, and salt bypass-forming inserts or light gas capsules are used as the material for forming the grooved matrix, which are installed with the gaps between them, forming the grooves of the matrix, on all casing layers, the height of the bypass forming insert is equal to the height of the manufactured ribs, and the distance between the inserts is the gap Thickness of the future ribs. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что гибкий волокнистый материал размещают на оправке намоткой или выкладкой этого материала. 2. The method according to p. 1, characterized in that the flexible fibrous material is placed on the mandrel by winding or laying out this material.