RU2681814C1 - Method of manufacturing of bulk composition panels - Google Patents

Abstract

FIELD: manufacturing technology.SUBSTANCE: invention relates to the serial production of large-volume composite panels and can be used in the production of panels with a multi-level surface with protruding and recessed areas of various shapes and with a different surface relief, intended for mounting additional equipment. In the manufacture of bulk large-sized composite panels is formed by laying on the shaping tool of the first and second cladding layer of flexible fibrous material. On the first cladding layer, a strength reinforcing frame of flexible fibrous material is laid out to create multi-level uneven stiffening ribs. Second cladding layer is laid out with the formation of multi-level surfaces with protruding and in-depth areas corresponding in shape and size to the side of the joining elements adjacent to the panel and devices, with embedding of fasteners for attachable elements and/or providing holes for subsequent embedding of necessary fastenings into the panel.EFFECT: increase in durability during operation of panels.3 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к серийному изготовлению объемных крупногабаритных композиционных панелей и может быть использовано в производстве панелей с многоуровневой поверхностью с выступающими и утопленными площадками различной формы и с различным рельефом поверхности, предназначенных для крепления дополнительного оборудования. Настоящее изобретение может найти применение в машиностроении, авиакосмической и судостроительной отраслях промышленности.The invention relates to the serial production of bulky large composite panels and can be used in the manufacture of panels with a multilevel surface with protruding and recessed areas of various shapes and with various surface reliefs intended for mounting additional equipment. The present invention may find application in mechanical engineering, aerospace and shipbuilding industries.

В перечисленных отраслях техники монтаж в крупногабаритные криволинейные тонкостенные панели приборов и устройств, имеющих различные габаритные размеры, массу и требования по присоединению производится с помощью крепящих приспособлений (например, кронштейнов). Установка последних требует механической обработки изготовленной панели для подготовки выступающих над поверхностью панели либо утопленных площадок крепления оборудования. Для обеспечения плотного контакта площадку обычно фрезеруют с учетом геометрии донной части прикрепляемого элемента оборудования или прибора.In the above-mentioned branches of technology, installation in large-sized curved thin-walled panels of devices and devices having various overall dimensions, weight and connection requirements is carried out using fastening devices (for example, brackets). Installation of the latter requires machining of the manufactured panel to prepare protruding above the surface of the panel or recessed areas for mounting equipment. To ensure tight contact, the pad is usually milled taking into account the geometry of the bottom of the attached element of the equipment or device.

Следует также отметить, что обычно монтаж кронштейнов и других приспособлений для крепления оборудования и приборов значительно увеличивает общую массу панели за счет соединительных элементов и материалов, а дополнительная механическая обработка (фрезерование) снижает ее прочностные характеристики.It should also be noted that usually mounting brackets and other devices for mounting equipment and devices significantly increases the total weight of the panel due to the connecting elements and materials, and additional machining (milling) reduces its strength characteristics.

Развитие авиационной технологии в последнее время основывается на внедрении новых материалов и способов их интеграции в авиаконструкции, что должно, с одной стороны, обеспечивать безопасность эксплуатации, а с другой - экономическую эффективность. Примером такого подхода является применение полимерных композиционных материалов с высокими прочностными характеристиками.The development of aviation technology in recent years is based on the introduction of new materials and methods of their integration into aircraft structures, which should, on the one hand, ensure operational safety, and on the other, economic efficiency. An example of this approach is the use of polymer composite materials with high strength characteristics.

Описана панель (RU №2518519, опубл. 10.06.2014) из слоистого композиционного материала, состоящая из обшивочного слоя, скрепленного с силовыми наборами из системы перекрещивающихся ребер. При этом ребра различной толщины и высоты формируются из слоев однонаправленных нитей и (или) ткани, соединены между собой полимерным связующим. Помимо этого, на наружной поверхности обшивки могут быть размещены солнечные батареи или фольга. Однако в настоящем патенте не описаны способы крепления дополнительного оборудования на гладкую, пологую поверхность.A panel is described (RU No. 2518519, published 10.06.2014) made of a layered composite material, consisting of a casing layer bonded to power sets from a system of intersecting ribs. In this case, ribs of various thickness and height are formed from layers of unidirectional threads and (or) fabric, interconnected by a polymer binder. In addition, solar panels or foil can be placed on the outer surface of the skin. However, this patent does not describe how to attach additional equipment to a smooth, gentle surface.

Известен способ изготовления многослойных конструкционных панелей (RU №2508496, опубл. 27.02.2014), предназначенный преимущественно для изготовления тонких оребренных силовых панелей. В нем сначала на поверхности формообразующего инструмента (оправки) выкладкой гибкого пропитанного связующим волоконного материала создается первый обшивочный слой. Затем на нем устанавливается структурированная сборная матрица из фигурных гибких капсул, предварительно заполненных газом (в частности, гелием), с предназначенными для формирования силового набора панели зазорами. Ребра силового набора сетчатой структуры формируют непрерывной намоткой волоконного пропитанного связующим материала в зазоры между газонаполненными капсулами. После этого поверх силового набора наматывают обшивочный слой. Дальнейшее формирование очередных слоев осуществляется в аналогичном порядке. Отверждение связующего осуществляют после завершения формирования многослойной структуры. К недостаткам можно отнести то, что известный способ не позволяет получить панели с выступающими и утопленными площадками для прикрепления элементов оборудования и приборов без механической обработки панели, отрицательно влияющей на ее характеристики жесткости и прочности, а также без нежелательного увеличения массы панели.A known method of manufacturing multilayer structural panels (RU No. 2508496, publ. 02.27.2014), intended primarily for the manufacture of thin finned power panels. In it, first, on the surface of the forming tool (mandrel), by laying out a flexible fiber-impregnated binder material, a first skin layer is created. Then, a structured assembled matrix of curly flexible capsules pre-filled with gas (in particular helium) is installed on it with gaps designed to form a power set of the panel. The ribs of the power set of the mesh structure are formed by continuously winding the fiber impregnated with a binder material into the gaps between the gas-filled capsules. After that, a casing layer is wound over the power set. Further formation of the next layers is carried out in a similar manner. Binder curing is carried out after completion of the formation of the multilayer structure. The disadvantages include the fact that the known method does not allow to obtain panels with protruding and recessed areas for attaching elements of equipment and devices without machining the panel, adversely affecting its characteristics of rigidity and strength, as well as without an undesirable increase in the weight of the panel.

Известен способ изготовления композитных структур с интегрированными ребрами жесткости (US №8628717, опубл. 14.01.2014) для авиационных элементов с ребрами жесткости. Согласно варианта осуществления способа на поверхности технологического инструмента для пресс-формы создают желоба, соответствующие заданным геометрии и размерам ребер жесткости, причем они могут пересекаться и соединяться между собой в зависимости от требований. Сначала формируют заготовки для ребер жесткости из волокнистого наполнителя, которые укладывают в желоба, укрывают волокнистой тканью, упаковывают для создания вакуума, вводят термореакционную смолу и отверждают. Этот способ имеет ряд недостатков так как позволяет получить только композитные волокнистые элементы, пусть и с ребрами жесткости разной высоты, но которые требуют дальнейшей сборки в панель, а именно, создание второго обшивочного слоя, формирование разноуровневых площадок и установление элементов крепления дополнительного оборудования и приборов.A known method of manufacturing composite structures with integrated stiffeners (US No. 8628717, publ. 14.01.2014) for aircraft elements with stiffeners. According to an embodiment of the method, grooves are created on the surface of the technological tool for the mold, corresponding to the given geometry and dimensions of the stiffeners, and they can intersect and interconnect depending on the requirements. First, preforms for the stiffening ribs are formed from fibrous filler, which are laid in gutters, covered with fibrous tissue, packaged to create a vacuum, a thermosetting resin is introduced and cured. This method has several drawbacks as it allows you to get only composite fibrous elements, albeit with stiffeners of different heights, but which require further assembly into the panel, namely, the creation of a second cladding layer, the formation of multilevel platforms and the installation of fasteners for additional equipment and devices.

Помимо этого, процесс основан на методе литья под давлением, который требует предварительного изготовления пресс-форм нужной конфигурации, энергозатрат, а также в панели создаются технологические отверстия для заливки термореакционной смолы, которые оказывают влияние на жесткость и прочность готового изделияIn addition, the process is based on the injection molding method, which requires the preliminary production of molds of the desired configuration, energy consumption, and technological holes are created in the panel for pouring thermosetting resin, which affect the stiffness and strength of the finished product

В патенте на изобретение US №9180629, опубл. 14.07.2011, описан способ изготовления монолитных композитных панелей с наборными ребрами жесткости. Он заключается в создании различных по форме матриц, задающих геометрию ребер жесткости, их расположение с образованием общей структуры панели, обработка матриц волокнистым наполнителем пропитанным реакционной смолой, формирование внешней оболочки из ткани, пропитанной также связующим. Затем общая конструкция помещается на металлический формовочный инструмент, состоящий из двух половинок, повторяющих геометрию панели. Половинки смыкаются и производится отверждение смолы с одновременным удалением матриц из композиционной панели. Для этого матрицы заранее отливают из материалов с низкой температурой плавления или растворимых в определенных растворителях и делают в форме отверстия для удаления компонентов матрицы из панели. Этот способ позволяет получить монолитную композитную панель с ребрами жесткости разной геометрии, но не подготовленную для крепления дополнительного оборудования и приборов, а также имеющую отверстия, которые могут влиять на прочностные характеристики конструкции. Помимо этого, при производстве панелей таким способом требуется набор высокоточных дорогостоящих пресс-форм.In the patent for US invention No. 9180629, publ. 07/14/2011, a method for the manufacture of monolithic composite panels with stacked stiffeners is described. It consists in the creation of matrices of various shapes that define the geometry of the stiffeners, their location with the formation of the general structure of the panel, processing the matrices with a fibrous filler impregnated with a reaction resin, and the formation of an outer shell of a fabric also impregnated with a binder. Then, the overall structure is placed on a metal molding tool, consisting of two halves repeating the geometry of the panel. The halves are closed and the resin is cured while the matrices are removed from the composite panel. To do this, the matrix is pre-cast from materials with a low melting point or soluble in certain solvents and made in the form of holes for removing matrix components from the panel. This method allows to obtain a monolithic composite panel with stiffeners of different geometry, but not prepared for mounting additional equipment and devices, as well as having holes that can affect the strength characteristics of the structure. In addition, in the manufacture of panels in this way, a set of high-precision, expensive molds is required.

Наиболее близким к заявляемому изобретению является способ изготовления композиционных силовых панелей (RU №2579779, опубл. 10.04.2016), заключающийся в том, что сначала на оправке формируют матрицу с разновысокими пазами фигурного профиля для создания системы ребер силового набора каркаса - продольных, поперечных, спиральных и кольцевых различного поперечного сечения по длине ребра и различной высоты по длине ребра. При этом ребра силового набора формируют намоткой в разновысокие пазы матрицы гибкого волокнистого материала, пропитанного связующим. После чего на ребрах каркаса формируют обшивочный слой намоткой гибкого волокнистого материала. Отверждение связующего осуществляют после завершения формирования структуры каркаса. К недостаткам предложенного способа, прежде всего, относится то, что изготавливаемая конструкция не несет элементы крепления дополнительного оборудования и приборов. Помимо этого, использование техники намотки волокнистого материала вокруг разновысоких матриц для последующего формирования обшивочного слоя, с одной стороны, не позволяет гарантировать требуемую форму и геометрию углубленных и выступающих площадок для устанавливаемых в последующем приборов, а с другой, при намотке часто происходит неравномерная укладка материала, что приводит к различию механических свойств и, как следствие, появлению напряжений в готовой конструкции. А использование при создании обшивочного слоя «сухой» намотки требует предварительного формирования каналов для подачи связующего, что с одной стороны является трудоемким процессом и занимает производственное время, а с другой оказывает негативное влияние на прочность готовой панели.Closest to the claimed invention is a method of manufacturing composite power panels (RU No. 2579779, publ. 04/10/2016), which consists in the fact that, first, a matrix with unevenly shaped figure grooves is formed on the mandrel to create a system of ribs of the frame power set - longitudinal, transverse, spiral and annular of various cross sections along the length of the ribs and different heights along the length of the ribs. In this case, the ribs of the power set are formed by winding into uneven grooves of the matrix of a flexible fibrous material impregnated with a binder. Then, on the edges of the frame form a casing layer by winding a flexible fibrous material. The curing of the binder is carried out after completion of the formation of the structure of the frame. The disadvantages of the proposed method, first of all, is that the manufactured structure does not bear the fastening elements of additional equipment and devices. In addition, the use of the technique of winding fibrous material around uneven matrices for the subsequent formation of a casing layer, on the one hand, does not guarantee the required shape and geometry of the recessed and protruding pads for subsequent installed devices, and on the other, uneven laying of the material often occurs when winding which leads to a difference in mechanical properties and, as a consequence, the appearance of stresses in the finished structure. And the use of “dry” winding when creating a casing layer requires the preliminary formation of channels for supplying a binder, which on the one hand is a labor-intensive process and takes production time, and on the other has a negative effect on the strength of the finished panel.

Обобщая сказанное, известный способ, в главном, не обеспечивает получения объемных панелей, сформированных с размещенными на внутренней и внешней стороне панели выступающими и утопленными площадками для прикрепления элементов оборудования и приборов без механической обработки панели, а также не включает установление элементов крепления для последующего монтажа дополнительного оборудования без нежелательного увеличения массы, нарушения целостности конструкции и ухудшения ее прочностных свойств.Summarizing the foregoing, the known method, in the main, does not provide volumetric panels formed with protruding and recessed platforms placed on the inner and outer sides of the panel for attaching equipment and instrument elements without machining the panel, and also does not include the installation of fastening elements for subsequent installation of additional equipment without undesirable weight gain, violation of the structural integrity and deterioration of its strength properties.

Задачей настоящего изобретения является создание экономически эффективного, простого в осуществлении способа изготовления объемных крупногабаритных композиционных панелей требуемой жесткости и прочности, исключающего механическую обработку готового изделия, а также дополнительный монтаж крепящих приспособлений для последующей установки элементов оборудования и приборов.The objective of the present invention is to provide a cost-effective, easy-to-implement method for manufacturing bulk bulky composite panels of the required stiffness and strength, excluding machining of the finished product, as well as the additional installation of fasteners for the subsequent installation of equipment elements and devices.

Технический результат заявляемого способа заключается в упрощении технологии изготовления криволинейных объемных композиционных крупногабаритных панелей с подкрепляющим каркасом, с разноуровневыми площадками, оснащенными кронштейнами для дальнейшего крепления элементов оборудования и приборов.The technical result of the proposed method is to simplify the manufacturing technology of curvilinear volumetric composite large-sized panels with a reinforcing frame, with multi-level platforms equipped with brackets for further fastening of equipment and devices.

Указанный технический результат достигают способом изготовления крупногабаритных композиционных панелей, предусматривающим формирование выкладкой на формообразующем инструменте первого обшивочного слоя из гибкого волокнистого материала, последующую выкладку на нем силового подкрепляющего каркаса из гибкого волокнистого материала для создания многоуровневых разновысоких ребер жесткости и выкладку поверх силового подкрепляющего каркаса второго обшивочного слоя из гибкого волокнистого материала, форма и рельеф поверхности которого соответствует контактирующей с панелью стороне присоединяемых элементов и приборов. При этом в формируемую панель непосредственно при ее изготовлении встраивают систему креплений для присоединяемых элементов и/или снабжают разноуровневые площадки отверстиями для последующего встраивания в панель необходимых креплений. В случае использования сухого волокнистого материала сформированную заготовку панели пропитывают связующим составом, отверждение которого производят после окончания цикла формирования панели.The specified technical result is achieved by the method of manufacturing large composite panels, providing for the laying on the forming tool of the first casing layer of flexible fibrous material, the subsequent laying on it of a power reinforcing frame of flexible fibrous material to create multi-level uneven stiffening ribs and laying on top of the power reinforcing layer of the second reinforcing frame flexible fibrous material, the shape and surface relief of which th corresponds contacting side panel attachable elements and devices. At the same time, a fastening system for the elements to be connected is embedded in the formed panel directly during its manufacture and / or they provide holes for different levels of platforms for subsequent integration of the necessary fasteners into the panel. In the case of using dry fibrous material, the formed panel blank is impregnated with a binder composition, the curing of which is carried out after the completion of the panel forming cycle.

Сущность предлагаемого способа поясняется чертежами, на которых представлена изготавливаемая с его помощью объемная композиционная панель: на фиг. 1 схематически показан общий вид панели, на фиг. 2 - варианты исполнения силового каркаса в сечении панели, где 1 - первая поверхность обшивочного слоя панели, 2 - ребро силового подкрепляющего каркаса, 3 - основной уровень обшивочного слоя панели, 4 - выступающая площадка, 5 - крепление для присоединяемого элемента, 6 - утопленная площадка, 7 - отверстие для крепления присоединяемого элемента.The essence of the proposed method is illustrated by drawings, which show the volumetric composite panel manufactured with its help: in FIG. 1 schematically shows a general view of the panel; FIG. 2 - versions of the power frame in the section of the panel, where 1 is the first surface of the skin layer of the panel, 2 is the rib of the power reinforcing frame, 3 is the main level of the skin layer of the panel, 4 is the protruding platform, 5 is the mount for the attached element, 6 is the recessed area , 7 - hole for mounting the attached element.

Способ осуществляют следующим образом.The method is as follows.

При формировании объемной силовой панели на основном формообразующем инструменте сначала из гибкого волокнистого материала выкладывают первую поверхность обшивочного слоя панели 1, затем на сформированной поверхности выставляют вспомогательный формообразующий инструмент в виде структуры с пазами, которые могут иметь различные профили и различные габаритные размеры и предназначены для размещения подкрепляющих ребер 2 из гибкого волокнистого материала, также имеющих различный профиль. Поверх образованного каркаса ребер из гибкого волокнистого материала выкладывают обшивочный слой, который образует многоуровневую поверхность с разновысокими выступающими 4 и утопленными 6 площадками с различными контурами и рельефом, учитывающим наличие выступов на примыкающей к панели донной части прикрепляемых приборов. На сформированных площадках монтируют крепления 5, например, кронштейны, и выполняют отверстия 7.When forming a volumetric power panel on the main forming tool, the first surface of the casing layer of the panel 1 is first laid out from a flexible fibrous material, then an auxiliary forming tool is placed on the formed surface in the form of a structure with grooves that can have different profiles and different overall dimensions and are designed to accommodate reinforcing ribs 2 of flexible fibrous material, also having a different profile. A cladding layer is laid on top of the formed framework of ribs made of flexible fibrous material, which forms a multi-level surface with 4 different protruding and 6 recessed areas with different contours and relief, taking into account the presence of protrusions on the bottom of the attached devices adjacent to the panel. Mounts 5 are mounted on the formed platforms, for example, brackets, and holes 7 are made.

В преимущественном варианте осуществления способа используют сухой волокнистый материал с последующей пропиткой сформированной заготовки панели связующим. В качестве связующего вещества используют состав, склеивающий между собой слои наполнителя из гибкого волокнистого материала, сообщающий после полимеризации высокую жесткость волокнам наполнителя. Это обеспечивает большую прочность и надежность панели при одновременном снижении трудозатрат на ее изготовление и повышении культуры производства.In an advantageous embodiment of the method, dry fibrous material is used, followed by impregnation of the formed panel blank with a binder. As a binder, a composition is used that sticks together filler layers of a flexible fibrous material, which, after polymerization, imparts high rigidity to the filler fibers. This provides greater strength and reliability of the panel while reducing labor costs for its manufacture and increasing the culture of production.

Другим вариантом осуществления способа может быть использование волокнистого материала, предварительно пропитанного связующим составом, что позволяет уменьшить расход связующего состава, но приводит к некоторому снижению прочностных характеристик панели.Another embodiment of the method may be the use of a fibrous material pre-impregnated with a binder composition, which reduces the consumption of the binder composition, but leads to some decrease in the strength characteristics of the panel.

Таким образом, на поверхности первого обшивочного слоя панели с помощью вспомогательной структуры формируется система разновысоких жестких ребер силового набора каркаса, соответствующая требованиям, предъявляемым к формируемой объемной силовой панели в зависимости от ее назначения. Последующее формование на силовом наборе панели обшивочного слоя из разновысоких площадок различной формы и с различным рельефом поверхности, которые обеспечивают плотное прилегание и прочное прикрепление монтируемых на панели устройств и приспособлений (деталей, узлов), способствует экономному использованию рабочего объема изделия и повышает надежность его эксплуатации, обеспечивая равнопрочность элементов конструкции и снижение ее суммарной массы.Thus, on the surface of the first casing layer of the panel with the help of an auxiliary structure, a system of unevenly high rigid ribs of the frame power set is formed, corresponding to the requirements for the formed volume power panel depending on its purpose. Subsequent molding on the power set of the panel of the casing layer from uneven platforms of various shapes and with different surface reliefs, which provide a snug fit and firm attachment of devices and devices mounted on the panel (parts, assemblies), contributes to the economical use of the working volume of the product and increases the reliability of its operation, ensuring equal strength of structural elements and reducing its total mass.

Кроме того, исключение процесса механической обработки повышает срок эксплуатации панели за счет сокращения количества возникающих концентраторов напряжения.In addition, the exclusion of the machining process increases the life of the panel by reducing the number of stress concentrators arising.

Claims (3)

1. Способ изготовления объемных крупногабаритных композиционных панелей, предусматривающий формирование выкладкой на формообразующем инструменте первого обшивочного слоя из гибкого волокнистого материала, последующую выкладку на нем силового подкрепляющего каркаса из гибкого волокнистого материала для создания многоуровневых разновысоких ребер жесткости и выкладку второго обшивочного слоя из гибкого волокнистого материала с формированием многоуровневых поверхностей с выступающими и углубленными площадками, соответствующими по форме и размерам прилегающей к панели стороне присоединяемых элементов и приборов, со встраиванием системы креплений для присоединяемых элементов и/или обеспечением отверстиями для последующего встраивания в панель необходимых креплений.1. A method of manufacturing a bulky large-sized composite panels, providing for the laying on the forming tool of the first cladding layer of flexible fibrous material, the subsequent laying on it of a power reinforcing frame of flexible fibrous material to create multi-level uneven stiffening ribs and laying the second cladding layer of flexible fibrous material the formation of multilevel surfaces with protruding and recessed areas corresponding to shape and size adjoining the side panel attachable elements and devices, with the inserting system mounts for attachable elements and / or providing openings for subsequent insertion into the panel fasteners required. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что при изготовлении панели используют сухой волокнистый материал с последующей пропиткой сформированной заготовки панели связующим составом.2. The method according to p. 1, characterized in that in the manufacture of the panel using dry fibrous material, followed by impregnation of the formed panel blanks with a binder composition. 3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что при изготовлении панели используют волокнистый материал, предварительно пропитанный связующим составом.3. The method according to p. 1, characterized in that in the manufacture of the panel using fibrous material, previously impregnated with a binder composition.

Images