PL229462B1 - Sposób łączenia elementów kompozytowych z żywic syntetycznych - Google Patents

Abstract

Sposób łączenia elementów kompozytowych z żywic syntetycznych charakteryzuje się tym, że po aplikacji spoiwa termoutwardzalnego (3) i umieszczeniu pierwszego elementu kompozytowego (1) na drugim elemencie kompozytowym (2), w rejonie złącza umieszcza się czujnik temperatury (4), na pierwszym elemencie kompozytowym (1) w obszarze złącza umieszcza się elastyczny element grzewczy (6), po czym na elastycznym elemencie grzewczym (6) i obszarze dookoła złącza umieszcza się kolejno izolację termiczną (7) i pokrywę uszczelniającą (8), a następnie w pierwszym etapie utwardzania spoiwa termoutwardzalnego (3) wytwarza się w rejonie złącza próżnię przez wypompowanie powietrza spod pokrywy uszczelniającej (8), w drugim etapie za pomocą elastycznego elementu grzewczego (6) ogrzewa się złącze do temperatury minimalnej lepkości zastosowanego spoiwa termoutwardzalnego (3), a następnie w trzecim etapie podwyższa się temperaturę złącza do temperatury utwardzania zastosowanego spoiwa termoutwardzalnego, po czym sprowadza się złącze do temperatury otoczenia.

Description

Przedmiotem wynalazku jest sposób łączenia elementów kompozytowych z żywic syntetycznych. Znajduje on zastosowanie wszędzie tam, gdzie zachodzi konieczność wytworzenia trwałego złącza między dwoma elementami kompozytowymi wykonanymi na bazie żywic syntetycznych. Przeznaczony jest zwłaszcza do przyklejania małych elementów kompozytowych do dużych powierzchni kompozytowych. Jednym z zastosowań jest także naprawa uszkodzeń, ubytków w elementach różnego rodzaju konstrukcji wykonanych z kompozytów poprzez przyklejenie „łaty” kompozytowej.

W znanych i powszechnie stosowanych sposobach łączenia elementów kompozytowych na bazie żywic syntetycznych stosuje się technologie zgrzewania bądź technologie klejenia. W technologii zgrzewania dwie stykające się powierzchnie łączonych elementów rozgrzewa się do takiej temperatury, aby przeszły one w stan plastyczny i elementy dociska się do siebie, przy czym uplastycznieniu ulega tylko niewielka objętość materiału na granicy styku. W innych metodach zgrzewania najpierw może następować docisk, a potem nagrzewanie. W technologiach klejenia powierzchnie elementów, które mają być połączone przygotowuje się wstępnie, pokrywa się warstwą kleju i dociska do siebie do czasu, aż klej je zwiąże. W zależności od rodzaju kleju, do trwałego połączenia konieczna może być obróbka cieplna lub obróbka chemiczna. Typowy znany proces łączenia dwóch elementów kompozytowych z żywic termoutwardzalnych przebiega w następujących etapach: przygotowanie powierzchni, aplikacja kleju, wstępne utwardzanie kleju, obróbka termiczna w celu ostatecznego utwardzenia, tj. uzyskania poprawnych parametrów mechanicznych złącza i jego odporności chemicznej. Przygotowanie powierzchni zależy od łączonych kompozytów i procesu ich produkcji oraz zastosowanego kleju i może polegać przykładowo na szlifowaniu, myciu, suszeniu, a czasem nadaniu chropowatości. Po pokryciu powierzchni łączonych elementów warstwą spoiwa termoutwardzalnego, np. żywicy epoksydowej w postaci pasty, elementy ustala się względem siebie, dociska i pozostawia w temperaturze pokojowej od kilku do kilkuset minut, aż do wstępnego utwardzenia kleju. W celu dalszej obróbki termicznej niezbędnej dla uzyskania trwałego złącza, łączone elementy kompozytowe umieszcza się w komorach termicznych, gdzie następuje wygrzewanie. Dla klejów epoksydowych etap ten trwa kilka godzin w temperaturze ok. 80°C. W przypadku konieczności połączenia dużego elementu, np. kadłuba samolotu z małym elementem, np. łatą, kątownikiem itp., wymiary komory termicznej muszą być dostosowane do rozmiarów dużego elementu, co jest przyczyną dużej energochłonności procesu i długiego czasu jego trwania. Znana jest z międzynarodowego zgłoszenia patentowego opublikowanego pod numerem WO2011/085730 metoda łączenia elementów kompozytowych, w której aplikuje się spoiwo na co najmniej jeden element i tworzy obszar złącza przez zetknięcie ze sobą elementów tak, aby spoiwo było między nimi. Następnie stosuje się nacisk w miejscu złącza i podgrzewa się pierwszy element kompozytowy do temperatury powyżej temperatury zeszklenia żywicy pierwszego elementu kompozytowego, a drugi element - do temperatury powyżej temperatury zeszklenia termoutwardzalnej żywicy drugiego elementu kompozytowego. Znana jest także z publikacji JPH0347735 metoda łączenia materiałów kompozytowych polegająca na przepuszczaniu prądu elektrycznego przez elektrody przyłożone do elektrycznie przewodzących materiałów kompozytowych. Z międzynarodowego zgłoszenia patentowego WO2011/073107 znana jest metoda naprawiania materiałów kompozytowych poprzez spajanie materiału kompozytowego z podłożem. Tworzy się prepreg na bazie żywicy o pierwszej, większej lepkości pokrytej warstwą żywicy o drugiej, niższej lepkości utwardzając obie żywice za pomocą promieniowania ultrafioletowego. Aplikuje się go na podłoże, przyciska i utwardza za pomocą promieniowania ultrafioletowego.

Sposób łączenia elementów kompozytowych z żywic syntetycznych, w którym pomiędzy przygotowane wstępną obróbką łączone powierzchnie elementów kompozytowych aplikuje się spoiwo termoutwardzalne i składa ze sobą tymi powierzchniami łączone elementy, a następnie utwardza się złącze poprzez jego wygrzewanie według wynalazku charakteryzuje się tym, że po aplikacji spoiwa termoutwardzalnego i umieszczeniu pierwszego elementu kompozytowego na drugim elemencie kompozytowym, w rejonie złącza umieszcza się czujnik temperatury, na pierwszym elemencie kompozytowym w obszarze złącza umieszcza się elastyczny element grzewczy, po czym na elastycznym elemencie grzewczym i obszarze dookoła złącza umieszcza się kolejno izolację termiczną i pokrywę uszczelniającą. Następnie w pierwszym etapie utwardzania spoiwa termoutwardzalnego wytwarza się w rejonie złącza próżnię przez wypompowanie powietrza spod pokrywy uszczelniającej, w drugim etapie za pomocą elastycznego elementu grzewczego ogrzewa się złącze do temperatury minimalnej lepkości

PL 229 462 Β1 zastosowanego spoiwa termoutwardzalnego i utrzymuje w tej temperaturze od 1 do 60 minut, a następnie w trzecim etapie podwyższa się temperaturę złącza do temperatury utwardzania zastosowanego spoiwa termoutwardzalnego i utrzymuje się złącze w tej temperaturze od 10 do 120 minut, po czym sprowadza się złącze do temperatury otoczenia.

Korzystnie jako spoiwo termoutwardzalne stosuje się żywicę epoksydową w postaci taśmy.

Jako elastyczny element grzewczy stosuje się siatkę oporową połączoną ze źródłem energii elektrycznej.

Dostarczaniem wymaganej mocy grzewczej steruje się za pomocą sterownika połączonego z czujnikiem temperatury i źródłem energii elektrycznej.

Korzystnie pomiędzy pierwszym elementem kompozytowym i elastycznym elementem grzewczym umieszcza się przekładkę.

Zaletą rozwiązania według wynalazku jest redukcja czasu i energochłonności procesu spajania elementów kompozytowych, zwłaszcza dla małych powierzchni złącz, przy jednoczesnym zapewnieniu wysokiej jakości tych złącz.

Przykładowy sposób według wynalazku zilustrowany jest rysunkiem, na którym fig. 1 przedstawia schematycznie układ do realizacji sposobu łączenia kompozytów, a fig. 2 przedstawia wykres temperatury procesu w funkcji czasu dla spoiwa SA-80.

W przykładowej realizacji proces łączenia elementów kompozytowych z żywic syntetycznych rozpoczyna się od przygotowania powierzchni łączonych elementów kompozytowych wykonanych na bazie żywicy epoksydowej, w celu nadania im odpowiedniej gładkości. Obróbkę łączonych ze sobą poprzez sklejanie powierzchni wykonuje się jedną ze znanych metod, mechaniczną i/lub chemiczną, w zależności od rodzaju kompozytu, spoiwa oraz wymaganej dokładności połączenia ze sobą dwóch elementów. Pierwszy element kompozytowy 1 o kształcie małego kątownika umieszcza się na powierzchni dużego płaskiego drugiego elementu kompozytowego 2, przy czym pomiędzy łączonymi powierzchniami elementów kompozytowych aplikuje się spoiwo termoutwardzalne 3 w postaci taśmy żywicy epoksydowej. Użycie żywicy w postaci taśmy umożliwia docięcie odpowiedniego kształtu i zastosowanie odpowiedniej grubości kleju oraz nałożenie go dokładnie w miejscach wyznaczonych do klejenia. Wstępna lepkość filmu żywicznego umożliwia wstępną stabilizację pierwszego elementu kompozytowego 1 na drugim elemencie kompozytowym 2 w temperaturze pokojowej. Po złożeniu ze sobą elementów, które mają być trwale połączone, w rejonie złącza umieszcza się czujnik temperatury 4 w postaci czujnika termoparowego PT1000, a pierwszy element kompozytowy 1 pokrywa się cienką przekładką 5 wykonaną z teflonu, na której umieszcza się elastyczny element grzewczy 6 w postaci siatki oporowej o kształcie dostosowanym do kształtu złącza. Zastosowanie teflonowej przekładki 5 zapobiega przywieraniu elementu grzewczego do elementu kompozytowego i ułatwia jego usunięcie po zakończeniu procesu klejenia. Następnie elastyczny element grzewczy 6 i obszar wokół złącza przykrywa się izolacją termiczną 7 wykonaną z niepalnego elastycznego materiału o wytrzymałości termicznej minimum 200°C, w celu zwiększenia sprawności układu grzewczego. Na końcu obszar złącza i obszar dookoła niego przykrywa się workiem elastycznym stanowiącym pokrywę uszczelniającą 8, który przykleja się do drugiego elementu kompozytowego 2, przy czym spod pokrywy uszczelniającej wyprowadza się połączenie z urządzeniem wytwarzającym próżnię 9 oraz połączenia czujnika temperatury 4 do sterownika 10 i elastycznego elementu grzewczego 6 do źródła energii elektrycznej 11 połączonego także ze sterownikiem 10. Następnie w pierwszym etapie procesu łączenia elementów kompozytowych poprzez ich sklejanie w obszarze złącza wytwarza się próżnię na poziomie 0,96 bara. Celem tego etapu jest ustabilizowanie względem siebie łączonych elementów oraz usunięcie powietrza ze wszystkich mikroporów i szczelin w rejonie złącza, przed upłynnieniem spoiwa termoutwardzalnego 3 stanowiącego klej. Mikropęcherzyki powietrza powstające podczas nanoszenia kleju z powodu jego tiksotropowości oraz braku idealnej gładkości łączonych powierzchni, niekorzystnie wpływają na jakość złącza i są przyczyną jego osłabienia. W kolejnym etapie, za pomocą elastycznego elementu grzewczego 6 w postaci siatki oporowej połączonej ze źródłem energii elektrycznej 11, wytwarza się w złączu temperaturę potrzebną do upłynnienia kleju i utrzymuje ją przez kilkanaście minut. Jest to dla każdego rodzaju, typu spoiwa termoutwardzalnego 3 charakterystyczna temperatura minimalnej lepkości spoiwa podawana przez jego producenta. Następnie, w ostatnim etapie, podwyższa się temperaturę złącza do temperatury utwardzania danego typu spoiwa i wygrzewa się złącze w tej temperaturze przez 10 do 120 minut. W przykładowym procesie klejenia dla złącza o powierzchni 400 mm² zastosowano jako spoiwo materiał SA-80 firmy Gurit o gramaturze 300 g/m² i po osiągnięciu w rejonie złącza temperatury 85°C utrzymywano ją na tej wysokości przez 12 minut. Następnie podwyższano temperaturę do wartości 120°C i utrzymywano tę

PL 229 462 Β1 temperaturę złącza przez ok. 50 minut. Łączny czas trwania drugiego i trzeciego etapu procesu klejenia, tj. wytwarzania odpowiednich temperatur oraz upłynniania i utwardzania spoiwa termoutwardzalnego 3 łączącego trwale pierwszy element kompozytowy 1 z drugim elementem kompozytowym 2 wyniósł poniżej 2 godzin. W różnych przykładowych realizacjach łączone były elementy kompozytowe na bazie żywic epoksydowych na powierzchni złącza w zakresie 20-800 mm², a siatka grzewcza zasilana była prądem o natężeniu 20-100 A i napięciu 2-4,5 V.

Wykorzystanie do sterowania procesem wygrzewania złącza odpowiednio oprogramowanych sterowników oraz elastycznego elementu grzewczego umieszczanego tylko na obszarze złącza umożliwia adaptację układu grzejnego do różnych rodzajów spoiw oraz różnych kształtów sklejanych elementów.

Sposób według wynalazku przeznaczony jest szczególnie do stosowania przy tworzeniu małych złącz, zwłaszcza do przyklejania małych elementów do dużych. Pozwala na uzyskanie dobrej jakości złącz przy znacznej redukcji czasu, kosztów i energochłonności w stosunku do tradycyjnych metod wymagających umieszczania całej struktury, tj. całego dużego elementu z dołączanym do niego małym elementem, w komorach umożliwiających wygrzewanie. Czas trwania takich procesów wynosi kilkadziesiąt godzin, a energochłonność dziesiątki kW.

Claims (5)

1. Sposób łączenia elementów kompozytowych z żywic syntetycznych, w którym pomiędzy przygotowane wstępną obróbką łączone powierzchnie elementów kompozytowych aplikuje się spoiwo termoutwardzalne i składa ze sobą tymi powierzchniami łączone elementy, a następnie utwardza się złącze poprzez jego wygrzewanie, znamienny tym, że po aplikacji spoiwa termoutwardzalnego (3) i umieszczeniu pierwszego elementu kompozytowego (1) na drugim elemencie kompozytowym (2), w rejonie złącza umieszcza się czujnik temperatury (4), na pierwszym elemencie kompozytowym (1) w obszarze złącza umieszcza się elastyczny element grzewczy (6), po czym na elastycznym elemencie grzewczym (6) i obszarze dookoła złącza umieszcza się kolejno izolację termiczną (7) i pokrywę uszczelniającą (8), a następnie w pierwszym etapie utwardzania spoiwa termoutwardzalnego (3) wytwarza się w rejonie złącza próżnię przez wypompowanie powietrza spod pokrywy uszczelniającej (8), w drugim etapie za pomocą elastycznego elementu grzewczego (6) ogrzewa się złącze do temperatury minimalnej lepkości zastosowanego spoiwa termoutwardzalnego (3) i utrzymuje w tej temperaturze od 1 do 60 minut, a następnie w trzecim etapie podwyższa się temperaturę złącza do temperatury utwardzania zastosowanego spoiwa termoutwardzalnego i utrzymuje się złącze w tej temperaturze od 10 do 120 minut, po czym sprowadza się złącze do temperatury otoczenia.

2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że jako spoiwo termoutwardzalne (3) stosuje się żywicę epoksydową w postaci taśmy.

3. Sposób według zastrz. 2, znamienny tym, że jako elastyczny element grzewczy (6) stosuje się siatkę oporową połączoną ze źródłem energii elektrycznej (11).

4. Sposób według zastrz. 3, znamienny tym, że dostarczaniem wymaganej mocy grzewczej steruje się za pomocą sterownika (10) połączonego z czujnikiem temperatury (4) i źródłem energii elektrycznej (11).

5. Sposób według zastrz. 4, znamienny tym, że pomiędzy pierwszym elementem kompozytowym (1) i elastycznym elementem grzewczym (6) umieszcza się przekładkę (5).