PL249527B1 - Sposób wytwarzania przekładki do elementów nierozwijalnych o małych promieniach zakrzywienia powierzchni - Google Patents

Abstract

Przedmiotem zgłoszenia jest sposób wytwarzania przekładki do elementów nierozwijalnych o małych promieniach zakrzywienia powierzchni charakteryzujący się tym, że w profilu pomiędzy warstwy sztywne foremnika (5) umieszcza się poszycie zewnętrzne (1) z warstw tkaniny węglowej, które przesyca się żywicą epoksydową i formuje ją na pożądany kształt za pomocą foremnika negatywowego (5), warstwy pokryte tkaniną delaminażową utwardzane w worku próżniowym z podciśnieniem (4) a po wstępnym utwardzeniu i usunięciu tkaniny delaminażowej kompozyt węglowy (1) pokrywa się materiałem o wysokiej chłonności (2), nasączonym żywicą epoksydową o nadmiarowej grubości, nasączona żywicą w ilości wymaganej do gęstości i sztywności przekładki, następnie przekładkę kształtuje się poprzez docisk worka próżniowego (4) z podciśnieniem, które skleja ją z poszyciem oraz nadaje przekładce finalną grubość (3) a po utwardzeniu żywicy przekładka z materiału o wysokiej chłonności, zostaje pokryta warstwą tkaniny węglowej o takiej samej gramaturze i układzie jak poszycie zewnętrzne, tak by uzyskać strukturę typu sandwich.

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest sposób wytwarzania przekładki do elementów nierozwijalnych o małych promieniach zakrzywienia powierzchni wykonywanych z kompozytów polimerowych, w szczególności do zastosowania w konstrukcji przekładkowej skrzydła samolotu lekkiego lub łopat wirników nośnych wiropłatów.

Ze stanu techniki znane są sposoby wytwarzania kompozytowych struktur, w EP3616892A1 struktura bazuje na montażu wielu paneli wypełniacza komórkowego typu honeycomb filier.

W zgłoszeniu EP0786330A2 opisano panele kompozytowe z rdzeniem typu plaster miodu (honeycomb), zabezpieczanych żywicą przed zalaniem w procesie RTM. Rozwiązanie to skupia się na problematyce uszczelniania pustych komórek wypełniacza komórkowego, co jest istotne w przypadku konstrukcji narażonych na kontakt z wodą. Proces RTM nie daje możliwości kontrolowania stopnia nasączenia rdzenia.

W patencie PL218128B1 opisano proces infuzji z użyciem gotowych, sztywnych, perforowanych rdzeni piankowych, których właściwości są narzucone przez producenta. Rdzenie te są wstępnie obrobione poza procesem produkcji kompozytu i nie ma możliwości kształtowania ich właściwości w toku procesu. Infuzja nie pozwala na selektywne nasycanie materiału przekładkowego żywicą, co w przypadku gąbki prowadziłoby do jej całkowitego nasączenia i nadmiernej masy. Patent zupełnie pomija etap wytworzenia materiału warstwy przekładkowej (tj. całych rdzeni).

W patencie PL225130B1 opisano proces infuzji z użyciem gotowych, sztywnych pianek oraz lokalnych wzmocnień (insertów). W sztywną piankę (gotową, dostępną komercyjnie, o znanych, ustalonych przez jej producenta własnościach) wstawiane są inserty po uprzednim, mechanicznym stworzeniu w niej odpowiednich gniazd. Cały ten układ: zbrojenie/pianka/inserty zalewany jest żywicą w typowym procesie infuzyjnym i powstaje w ten sposób monolityczny kompozyt.

W zgłoszeniu WO02074469 opisano metodę infuzji dla struktur lotniczych z zastosowaniem sztywnych rdzeni piankowych lub wypełniaczy komórkowych. Rdzeń jest zawsze sztywny i niepodatny na formowanie, a jego właściwości nie mogą być indywidualnie kształtowane w procesie produkcji. Rozwiązanie ze zgłoszenia dodatkowo wymaga zastosowania złożonego oprzyrządowania i osprzętu dla samego procesu infuzji.

Współczesne konstrukcje lotnicze wykorzystują w bardzo dużym zakresie materiały kompozytowe składające się z warstw nośnych zbrojenia, najczęściej szklanego lub węglowego, spojonych różnymi technikami osnową polimerową. Materiały te charakteryzują się bardzo wysokim stosunkiem wytrzymałości do ciężaru właściwego, co jest kluczowym warunkiem zastosowań lotniczych. Inną korzyścią ze stosowania kompozytów polimerowych w lotnictwie jest łatwość odwzorowania złożonych, nierozwijalnych kształtów, narzuconych aerodynamiką nowoczesnych konstrukcji lotniczych, trudnych do odwzorowania w innych technologiach upowszechnionych w lotnictwie. Zazwyczaj struktury te projektuje się jako przekładkowe typu „sandwich”, ponieważ bardzo cienkie warstwy kompozytu wymagają usztywnienia, które zabezpiecza je przed utratą stateczności w trakcie pracy pod obciążeniem. Wiedza ogólna z zakresu wytrzymałości konstrukcji wskazuje, że sztywność przekroju rośnie wraz z trzecią potęgą jego wysokości. Opłacalne jest powiększanie grubości za pomocą bardzo lekkich materiałów przekładkowych jak pianki lub dedykowane do tego celu wypełniacze komórkowe. Kompozyty takie są stosowane również w konstrukcji łopat wirników śmigłowcowych, gdzie dominują naprężenia rozciągające, a w tym zastosowaniu kompozyty zbrojone jednokierunkowo osiągają wyjątkowo wysokie własności wytrzymałościowe. Jednym z najważniejszych zagadnień w przypadku tych konstrukcji jest zapewnienie dokładnego odwzorowania powierzchni łopat, które są odpowiedzialne za obrys powierzchni profilu aerodynamicznego, zmiennego wzdłuż rozpiętości łopaty. W tym celu stosowane są dosztywnienia wewnętrzne, które wypełniają całą przestrzeń w łopacie. Zazwyczaj są to wypełniacze komórkowe typu „honeycomb” lub twarde pianki PVC frezowane odpowiednio tak, aby odwzorowały wewnętrzną przestrzeń w łopacie z uwzględnieniem wszystkich zmian w przebiegu krzywizny łopaty oraz elementów nośnych i balastowych, jakie się w niej znajdują. Technologie te, pomimo, że stosowane są od dawna z pozytywnym skutkiem przez dużych producentów lotniczych, wymagają precyzyjnej obróbki rdzeni na frezarkach numerycznych o dużej przestrzeni roboczej i jednocześnie dużej precyzji wykonania. Dlatego są one mało dostępne dla małych przedsiębiorstw lotniczych, które rozwijają wiropłatowe konstrukcje lekkie i ultralekkie, a także bezpilotowe drony, które łącznie zaczynają stanowić duży segment rynku lotniczego na świecie. Mniejsze średnice wirników oraz mniejsze cięciwy, i wynikające z tego mniejsze promienie zakrzywienia profili aerodynamicznych, wymagają w konstrukcjach przekładkowych wypełniaczy o wysokim stopniu podatności na układanie na powierzchniach o złożonym kształcie. Tradycyjne sposoby wypełniania wymagają uzupełnień wolnych przestrzeni tam, gdzie kształt nie jest dość dokładnie odwzorowany. Powoduje to komplikacje technologiczne i wzrost masy wyrobu finalnego. Problem ten dotyczy nie tylko łopat wirników, ale występuje również w innych konstrukcjach lotniczych jak skrzydła, usterzenia, elementy kadłubów i ich wyposażenia.

Problemem technicznym do rozwiązania jest umożliwienie wykonywania struktur przekładkowych typu sandwich przy bardzo małych promieniach zakrzywienia powierzchni, w tym na powierzchniach wysoce nierozwijalnych.

Powyższe niedogodności rozwiązuje nieoczekiwanie sposób według wynalazku.

Sposób wytwarzania przekładki do elementów nierozwijalnych o małych promieniach zakrzywienia powierzchni charakteryzuje się tym, że w profilu pomiędzy warstwy sztywne foremnika negatywowego umieszcza się poszycie zewnętrzne pokryte tkaniną delaminażową, które przesyca się żywicą epoksydową i formuje na pożądany kształt za pomocą foremnika negatywowego, następnie poszycie zewnętrzne utwardza się w worku próżniowym z podciśnieniem, a po wstępnym utwardzeniu i usunięciu tkaniny delaminażowej poszycie zewnętrzne pokrywa materiałem przekładkowym nasączonym żywicą epoksydową, następnie materiał przekładkowy kształtuje się poprzez docisk worka próżniowego z podciśnieniem, które skleja ją z poszyciem zewnętrznym oraz nadaje materiałowi przekładkowemu finalną grubość, a po utwardzeniu żywicy materiał przekładkowy zostaje pokryty poszyciem zewnętrznym.

Korzystnie, jako materiał przekładkowy stosuje się materiał o wysokiej chłonności o gramaturze od 15 do 100 kg/m³.

Korzystnie, w procesie formowania przekładki stosuje się worek próżniowy o regulowanym podciśnieniu od 0,1 do 0,9 bara.

Istotą wynalazku jest zastosowanie materiałów o dużej chłonności (np. gąbka celulozowa lub pianka) i określonej gramaturze, nasączenie ich żywicą epoksydową w ilości niezbędnej do zwilżenia materiału w całej objętości i formowanie pożądanego kształtu przy użyciu formy i worka próżniowego pracującego pod zadanym ciśnieniem. Zaletą wynalazku jest zdolność do ułożenia na dowolnie małym promieniu oraz wypełnienia objętości bez potrzeby wstępnej obróbki skrawaniem materiału przekładkowego. Stopniem nasączenia gąbki wykorzystanej jako materiał przekładkowy, można regulować jej grubość i sztywność, a tym samym wpływać na wypadkowe właściwości wytrzymałościowe finalnego wyrobu, takiego jak skrzydło samolotu, czy łopata wirnika.

Na Fig. 1 przedstawiono przekrój poprzeczny foremnika.

Sposób wytwarzania przekładki do elementów nierozwijalnych o małych promieniach zakrzywienia powierzchni w przykładzie wykonania w profilu pomiędzy warstwy sztywne foremnika negatywowego 5 umieszcza się poszycie zewnętrzne 1, złożone z 3 warstw tkaniny węglowej symetrycznej o gramaturze 93 g/m² i układzie włókien pod kątem 45 stopni do rozpiętości skrzydła, przesyconej żywicą epoksydową. Warstwy pokryte są tkaniną delaminażową i utwardzane w worku próżniowym 4 z podciśnieniem 0,85 bar. Po utwardzeniu wstępnym i usunięciu tkaniny delaminażowej poszycie zewnętrzne 1 pokryte zostało gąbką 2 o grubości nominalnej 10 mm i gramaturze 15 kg/m³, nasączonej żywicą epoksydową w ilości 150 g/m² gąbki. Gąbka 2 została zamknięta w worku próżniowym 4 i dociśnięta podciśnieniem 0,6 bar, które skleja ją z poszyciem zewnętrznym 1 oraz nadaje jej finalną grubość 3 5-6 mm. Ostatecznie, po utwardzeniu żywicy w gąbce 2, zostaje ona pokryta analogiczną drugą warstwą poszycia zewnętrznego 1.

Claims (3)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Sposób wytwarzania przekładki do elementów nierozwijalnych o małych promieniach zakrzywienia powierzchni znamienny tym, że w profilu pomiędzy warstwy sztywne foremnika negatywowego (5) umieszcza się poszycie zewnętrzne (1) pokryte tkaniną delaminażową, które przesyca się żywicą epoksydową i formuje na pożądany kształt za pomocą foremnika negatywowego (5), następnie poszycie zewnętrzne (1) utwardza się w worku próżniowym (4) z podciśnieniem, a po wstępnym utwardzeniu i usunięciu tkaniny delaminażowej poszycie zewnętrzne (1) pokrywa materiałem przekładkowym (2) nasączonym żywicą epoksydową, następnie materiał przekładkowy (2) kształtuje się poprzez docisk worka próżniowego (4) z pod

   PL 249527 Β1 ciśnieniem, które skleja go z poszyciem zewnętrznym (1) oraz nadaje materiałowi przekładkowemu finalną grubość (3) a po utwardzeniu żywicy materiał przekładkowy (2) zostaje pokryty poszyciem zewnętrznym (1).
2. 2. Sposób według zastrz. 1 znamienny tym, że jako materiał przekładkowy stosuje się materiał o wysokiej chłonności o gramaturze od 15 do 100 kg/m³.
3. 3. Sposób według zastrz. 1 znamienny tym, że w procesie formowania przekładki stosuje się worek próżniowy o regulowanym podciśnieniu od 0,1 do 0,9 bara.