RU217498U1

RU217498U1 - Device for repairing holes in a composite material

Info

Publication number: RU217498U1
Application number: RU2022118785U
Authority: RU
Inventors: Юрий Николаевич Иванов; Николай Сергеевич Чащин; Антон Андреевич Стуров
Filing date: 2022-07-11
Publication date: 2023-04-04

Abstract

Устройство для ремонта отверстий в композиционном материале относится к области обслуживания и ремонта деталей, изготовленных из полимерных композиционных материалов, армированных различными материалами, например углеволокном, стекловолокном, органическим волокном и др. Настоящее устройство пригодно для ремонта дефектов в сквозных отверстиях, выполненных в полимерных композиционных материалах. Может быть использовано для устранения следующих типов дефектов: «расслоение», «отслоение», «сколы» и «трещины». Особенность геометрии заключается в том, что корпус устройства для ремонта имеет цилиндрическую часть, соответствующую диаметру отверстия и обеспечивающую надежное позиционирование устройства внутри отверстия. Цилиндрическая позиционирующая часть должна иметь достаточную протяженность для исключения смещения оси устройства от оси ремонтируемого отверстия, но при этом не занимать более 30% длины отверстия. Коническая часть представляет собой усеченный конус с конусностью от 1:20 до 1:2.

The device for repairing holes in a composite material belongs to the field of maintenance and repair of parts made of polymer composite materials reinforced with various materials, such as carbon fiber, glass fiber, organic fiber, etc. This device is suitable for repairing defects in through holes made in polymer composite materials . It can be used to eliminate the following types of defects: “delamination”, “delamination”, “chips” and “cracks”. The peculiarity of the geometry lies in the fact that the body of the device for repair has a cylindrical part corresponding to the diameter of the hole and providing a reliable positioning of the device inside the hole. The cylindrical positioning part must be of sufficient length to prevent the device axis from shifting from the axis of the repaired hole, but at the same time it should not occupy more than 30% of the hole length. The conical part is a truncated cone with a taper from 1:20 to 1:2.

Description

Полезная модель относится к области обслуживания и ремонта деталей, изготовленных из полимерных композиционных материалов, армированных различными материалами, например углеволокном, стекловолокном, органическим волокном и др. Настоящее устройство пригодно для ремонта дефектов в сквозных отверстиях, выполненных в полимерных композиционных материалах. Может быть использовано для устранения следующих типов дефектов; «расслоение», «отслоение», «сколы» и «трещины».The utility model relates to the field of maintenance and repair of parts made of polymer composite materials reinforced with various materials, such as carbon fiber, glass fiber, organic fiber, etc. This device is suitable for repairing defects in through holes made in polymer composite materials. Can be used to eliminate the following types of defects; "separation", "delamination", "chips" and "cracks".

Известен «Конструктивно-комплексный метод ремонта и устройство инструмента для ремонта расслоившихся композиционных конструкций» (Structural integrated repair method and system tool device for repairing delaminated composite structures, US №20150314577 A1, МПК B32B 37/00, опубликовано 05.11.2015). Это система для ремонта расслоений в поврежденных отверстиях в композиционных конструкциях. Оно состоит из инструментального устройства с диаметром, который обеспечивает тесную посадку в ремонтируемом отверстии в композитной конструкции, при этом указанное устройство имеет центральное отверстие для приема смолы и выбранный ряд отверстий для радиального выброса смолы в зоны расслоения в отверстии. С помощью вакуумного мешка обеспечивается герметизация поверхности композитной конструкции. Создание вакуума в вакуумном мешке обеспечивает перепад давления для вливания смолы в зону расслоения.Known "Structural integrated repair method and tool device for repairing delaminated composite structures" (Structural integrated repair method and system tool device for repairing delaminated composite structures, US No. 20150314577 A1, IPC B32B 37/00, published 11/05/2015). It is a system for repairing delaminations in damaged holes in composite structures. It consists of a tooling device with a diameter that provides a tight fit in a repaired hole in a composite structure, which device has a central hole for receiving resin and a selected row of holes for radially ejecting resin into delamination zones in the hole. The vacuum bag seals the surface of the composite structure. Creating a vacuum in the vacuum bag provides a pressure drop to infuse the resin into the delamination zone.

Недостатком данного устройства является отсутствие нагревательного устройства для полимеризации связующего в зоне ремонта. Таким образом, устройство обеспечивает низкую производительность процесса и не подходит для ремонта смолами, которые требуют высоких температур для процесса полимеризации.The disadvantage of this device is the lack of a heating device for the polymerization of the binder in the repair area. Thus, the device provides low process productivity and is not suitable for resin repairs that require high temperatures for the polymerization process.

Известно «Устройство и способ ремонта отверстия детали» (RU №2690466 С2, МПК В05В 13/06, В05С 5/02, В05С 7/02, опубликовано 03.06.2019). Устройство и методика ремонта, представленные в патенте предназначены для обслуживания и ремонта деталей из композиционных материалов. В патенте описывается устройство и способ ремонта отверстий в изделиях из композиционного материала. Устройство для ремонта отверстия детали содержит емкость для смолы, инжекционный наконечник, соединенный с емкостью. Наконечник выполнен с возможностью введения в отверстие и содержит по меньшей мере одно инжекционное отверстие, обеспечивающее нагнетание смолы, по меньшей мере, в одну полость, находящуюся вокруг наконечника.It is known "Device and method for repairing a hole in a part" (RU No. 2690466 C2, IPC B05B 13/06, B05C 5/02, B05C 7/02, published on 06/03/2019). The device and repair technique presented in the patent are intended for maintenance and repair of parts made of composite materials. The patent describes a device and method for repairing holes in composite products. A device for repairing a hole in a part contains a container for resin, an injection tip connected to the container. The tip is made with the possibility of insertion into the hole and contains at least one injection hole, providing injection of resin into at least one cavity located around the tip.

Недостатком данного устройства является то, что смола при затвердевании в инжекционных отверстиях препятствует извлечению наконечника устройства, что негативно сказывается на производительности процесса, ухудшает качество поверхности отверстия и делает невозможным или сильно затрудняет повторное использование наконечника устройства из-за сложности его очистки от остатков полимеризовавшихся смол.The disadvantage of this device is that the resin, when solidified in the injection holes, prevents the removal of the device tip, which negatively affects the productivity of the process, degrades the surface quality of the hole, and makes it impossible or very difficult to reuse the device tip due to the difficulty of cleaning it from polymerized resin residues.

Известен «Способ ремонта сквозных отверстий в композитной конструкции» (Composite structure through hole repairing method, CN 110712384 A, МПК B29C 73/02, B29C 73/34, опубликовано 21.01.2020), в котором описано устройство, наиболее близкое по технической сущности и достигаемому результату к настоящей полезной модели и принятое за прототип. Изобретение представляет собой способ ремонта сквозных отверстий в конструкциях, содержащих слои композиционного материала. Устройством для ремонта является цилиндрический патронный нагреватель, который может быть оснащен термопарами для измерения температуры и термостатом для поддержания нагрева. Настройка необходимой температуры для полимеризации осуществляется с помощью выбора патронного нагревателя, настроенного на нужную температуру.The “Method of repairing through holes in a composite structure” is known (Composite structure through hole repairing method, CN 110712384 A, IPC B29C 73/02, B29C 73/34, published on 01/21/2020), which describes a device that is closest in technical essence and achievable result to the present utility model and taken as a prototype. The invention is a method for repairing through holes in structures containing layers of composite material. The repair device is a cylindrical cartridge heater which can be equipped with thermocouples to measure the temperature and a thermostat to maintain the heat. Setting the required temperature for polymerization is carried out by selecting a cartridge heater set to the desired temperature.

Недостатком данного устройства является его цилиндрическая геометрия, которая усложняет извлечение устройства из отремонтированного отверстия, что приводит к снижению производительности процесса ремонта и снижает надежность устройства в целом. Также недостатком является недостаточная универсальность устройства, выражающаяся в необходимости замены нагревателя при использовании ремонтных составов с разными температурами полимеризации.The disadvantage of this device is its cylindrical geometry, which complicates the removal of the device from the repaired hole, which leads to a decrease in the productivity of the repair process and reduces the reliability of the device as a whole. Another disadvantage is the lack of versatility of the device, resulting in the need to replace the heater when using repair compounds with different polymerization temperatures.

Основным отличием данного устройства от прототипа является то, что оно имеет коническую часть в зоне контакта с ремонтируемым изделием и, таким образом, позволяет легко извлекать устройство после полимеризации связующего. Это благоприятно сказывается на производительности ремонта и надежности устройства. Также устройство имеет формообразующую часть с интегрированным нагревательным элементом и прижимные шайбы с интегрированными термопарами, данные элементы позволяют производить полимеризацию смолы с нагревом и контролем температуры. Такой процесс полимеризации обеспечивает повышение физико-механических свойств ремонтного состава и повышает производительность процесса.The main difference of this device from the prototype is that it has a conical part in the zone of contact with the repaired product and, thus, allows you to easily remove the device after polymerization of the binder. This favorably affects the performance of the repair and the reliability of the device. Also, the device has a molding part with an integrated heating element and pressure washers with integrated thermocouples, these elements allow the polymerization of the resin with heating and temperature control. Such a polymerization process provides an increase in the physical and mechanical properties of the repair composition and increases the productivity of the process.

Наличие отличительных признаков позволяет сделать вывод о соответствии настоящей полезной модели критерию «новизна».The presence of distinctive features allows us to conclude that the present utility model complies with the criterion of "novelty".

Заявляемая полезная модель направлена на повышение надежности, производительности и качества ремонта отверстий в деталях из полимерных композиционных материалов.The claimed utility model is aimed at improving the reliability, productivity and quality of repairing holes in parts made of polymer composite materials.

Технический результат заключается в повышение надежности и качества ремонта отверстий в деталях из полимерных композиционных материалов.The technical result consists in increasing the reliability and quality of repairing holes in parts made of polymer composite materials.

Технический результат достигается тем, что устройство для ремонта отверстий в композиционном материале состоит из корпуса для нагревательного элемента и крепежных элементов для его фиксации в ремонтируемом отверстии, согласно полезной модели, при этом корпус устройства для ремонта имеет цилиндрическую часть, соответствующую диаметру отверстия и имеющую достаточную протяженность для исключения смещения оси устройства от оси ремонтируемого отверстия, но при этом не занимает более 30% длины отверстия; также устройство имеет коническую часть, представляющую собой усеченный конус с конусностью от 1:20 до 1:2, позволяющую извлекать устройство после полимеризации связующего, что повышает производительность ремонта, а также надежность устройства, так как для его извлечения из отверстия после ремонта необходимо приложить минимум усилий в сравнение с прототипом; устройство имеет формообразующую часть с интегрированным нагревательным элементом и прижимные шайбы с интегрированными термопарами.The technical result is achieved by the fact that the device for repairing holes in a composite material consists of a housing for the heating element and fasteners for fixing it in the repaired hole, according to the utility model, while the housing of the repair device has a cylindrical part corresponding to the diameter of the hole and having sufficient length to exclude displacement of the axis of the device from the axis of the repaired hole, but does not occupy more than 30% of the length of the hole; the device also has a conical part, which is a truncated cone with a taper from 1:20 to 1:2, which allows you to remove the device after polymerization of the binder, which increases the performance of the repair, as well as the reliability of the device, since it is necessary to apply a minimum of efforts in comparison with the prototype; the device has a forming part with an integrated heating element and pressure washers with integrated thermocouples.

Предлагаемая полезная модель иллюстрируется чертежами, где на фиг. 1 приведен сборочный чертеж устройства, а на фигуре 2 - корпус нагревательного устройства. На фигуре 3 изображена конструкция шайбы.The proposed utility model is illustrated in the drawings, where in Fig. 1 shows the assembly drawing of the device, and figure 2 shows the housing of the heating device. The figure 3 shows the design of the washer.

Устройство в собранном виде состоит из фиг. 1, поз. 1 корпуса нагревательного устройства фиг. 1, поз. 1, который обеспечивает целостность устройства, формирует ремонтную поверхность отверстия и воспринимает нагрузки обеспечивающие прижатие слоев ремонтируемого материала друг к другу. Нагревательный элемент фиг. 1, поз. 8 представляет собой известное устройство - трубчатый электрический нагреватель, необходим для проведения полимеризации ремонтной смолы. Питание нагревательного элемента осуществляется проводом питания фиг. 1, поз. 9. Сжатие слоев ремонтируемого материала обеспечивается с помощью затяжки гаек фиг. 1, поз. 6 и 7. Втулки фиг. 1. поз. 2 и 3 обеспечивают возможность расположения резьбовых элементов на удалении от зоны ремонта, тем самым препятствуя попаданию ремонтного состава на резьбу и облегчая процесс очистки устройства перед повторным использованием. Шайбы фиг. 1, поз. 4 и 5 служат для распределения по плоскости сил, сжимающих ремонтируемое изделие. Также шайбы фиг. 1, поз. 5 и 4 обеспечивают размещение в них термопар фиг. 1, поз. 10 для контроля температуры полимеризации. Фиксация термопар производится винтом фиг. 1, поз. 11. Шайба фиг. 1, поз. 4 и 5 более подробно представлена на фиг. 3. Данная шайба имеет прокладку для изоляции термопары фиг. 3, поз 1, резьбовое отверстие с установочным винтом для прижима термопары фиг. 3, поз. 2, термопару фиг. 3, поз 3, отверстие под термопару фиг. 3, поз 4, конусный выступ для центрирования корпуса нагревателя в отверстии фиг. 3, поз. 5.The assembled device consists of Fig. 1, pos. 1 of the housing of the heating device of FIG. 1, pos. 1, which ensures the integrity of the device, forms the repair surface of the hole and perceives the loads that ensure that the layers of the repaired material are pressed against each other. The heating element of Fig. 1, pos. 8 is a well-known device - a tubular electric heater, necessary for carrying out the polymerization of the repair resin. The heating element is powered by the power cable of Fig. 1, pos. 9. Compression of the repaired material layers is ensured by tightening the nuts of FIG. 1, pos. 6 and 7. The sleeves of FIG. 1. pos. 2 and 3 allow the threaded elements to be located at a distance from the repair zone, thereby preventing the repair compound from getting on the threads and facilitating the process of cleaning the device before reuse. Washers Fig. 1, pos. 4 and 5 serve to distribute the forces compressing the repaired product along the plane. Also the washers of Fig. 1, pos. 5 and 4 accommodate the thermocouples of FIG. 1, pos. 10 to control the polymerization temperature. Thermocouples are fixed with the screw of Fig. 1, pos. 11. The washer of FIG. 1, pos. 4 and 5 are shown in more detail in FIG. 3. This washer has a gasket to isolate the thermocouple of FIG. 3, item 1, a threaded hole with a set screw for clamping the thermocouple of FIG. 3, pos. 2, the thermocouple of FIG. 3, item 3, hole for the thermocouple of FIG. 3, pos 4, a conical protrusion for centering the heater body in the hole of FIG. 3, pos. 5.

Корпус нагревателя фиг. 1, поз 1 представляет собой корпус, который является монолитным стержнем разных диаметров с цилиндрической и конической частями. Корпус имеет плоскую торцевую часть с фаской фиг. 2, поз. 12, которая может подвергаться ударным нагрузкам при извлечении устройства из отверстия после ремонта, а также лыску под рожковый ключ, обеспечивающую блокировку вращения устройства при затягивании/откручивании гаек. Резьбовые части фиг. 2, поз. 13 служат для навинчивания гаек и сжатия ремонтируемого изделия. Цилиндрическая часть фиг. 2, поз. 3 обеспечивает соосное размещение прижимной шайбы. Коническая часть фиг. 2, поз. 4 устанавливается в отверстие. Она позволяет равномерно заполнять смолой ремонтируемые полости за счет давления, создаваемого уменьшающимся зазором между корпусом и отверстием при введении корпуса в отверстие. Коническое исполнение рабочей части также дает возможность извлекать устройство после ремонта с приложением минимальных усилий. Длина конической части должна быть меньше толщины ремонтируемого изделия, но не менее чем на 30%, это необходимо для центрирования устройства в отверстии со стороны размещения провода питания. Цилиндрическая часть фиг. 2, поз. 5 обеспечивает центрирование в отверстии и служит направляющей для прижимной шайбы. Диаметр цилиндрической части соответствует диаметру ремонтируемого отверстия. Специальный буртик фиг. 2, поз. 6 предназначен для надежной фиксации питающего провода с помощью термоусадочной трубки. Глухое отверстие фиг. 2, поз. 7 должно иметь достаточный диаметр и глубину, необходимую для размещения в нем нагревательного элемента. Длинна греющей части нагревательного элемента должна быть не меньше толщины ремонтируемой детали.The heater body of Fig. 1, item 1 is a body, which is a monolithic rod of different diameters with cylindrical and conical parts. The body has a flat end with a chamfer of Fig. 2, pos. 12, which can be subjected to shock loads when the device is removed from the hole after repair, as well as a flat for an open-end wrench, which blocks the rotation of the device when tightening / unscrewing the nuts. The threaded parts of Fig. 2, pos. 13 are used for screwing nuts and compressing the repaired product. The cylindrical part of Fig. 2, pos. 3 provides coaxial placement of the pressure washer. The conical part of Fig. 2, pos. 4 is installed in the hole. It allows uniform filling of repaired cavities with resin due to the pressure created by the decreasing gap between the body and the hole when the body is inserted into the hole. The conical design of the working part also makes it possible to remove the device after repair with minimal effort. The length of the conical part must be less than the thickness of the repaired product, but not less than 30%, this is necessary to center the device in the hole on the side where the power wire is placed. The cylindrical part of Fig. 2, pos. 5 provides centering in the hole and serves as a guide for the pressure washer. The diameter of the cylindrical part corresponds to the diameter of the repaired hole. Special shoulder Fig. 2, pos. 6 is designed to securely fix the power wire with a heat shrink tube. Blind hole Fig. 2, pos. 7 must be of sufficient diameter and depth to accommodate the heating element. The length of the heating part of the heating element must not be less than the thickness of the repaired part.

Особенность геометрии заключается в том, что корпус устройства для ремонта имеет цилиндрическую часть, соответствующую диаметру отверстия и обеспечивающую надежное позиционирование устройства внутри отверстия. Цилиндрическая позиционирующая часть должна иметь достаточную протяженность для исключения смещения оси устройства от оси ремонтируемого отверстия, но при этом не занимать более 30% длины отверстия. Коническая часть представляет собой усеченный конус с конусностью от 1:20 до 1:2, определяемой по следующей формуле:The peculiarity of the geometry lies in the fact that the body of the device for repair has a cylindrical part corresponding to the diameter of the hole and providing a reliable positioning of the device inside the hole. The cylindrical positioning part must be long enough to prevent the device axis from shifting from the axis of the repaired hole, but at the same time it should not occupy more than 30% of the hole length. The conical part is a truncated cone with a taper from 1:20 to 1:2, determined by the following formula:

где С - конусность; D - диаметр большего основания конуса, который должен обеспечивать плотную установку изделия в ремонтируемом отверстии; d - меньшее основание; L - расстояние между основаниями.where C - taper; D - the diameter of the larger base of the cone, which should ensure a tight installation of the product in the repaired hole; d - smaller base; L is the distance between the bases.

Фиксация конической части в отверстии производится с помощью шайбы фиг. 1, поз. 4, на которой присутствует специальная фаска для позиционирования в отверстии.Fixation of the conical part in the hole is carried out using the washer of Fig. 1, pos. 4, which has a special chamfer for positioning in the hole.

Осуществление полезной модели обеспечивается следующим образом. На поврежденную зону отверстия наносится ремонтный состав на основе полимерных смол, при нанесении добиваются максимального заполнения дефекта ремонтным составом, для этого используются тонкие шпатели. Затем в отверстие устанавливается предварительно обработанный разделительным составом корпус нагревательного устройства. С целью более полного заполнения дефектов рекомендуется вставлять корпус «снизу в верх» (при наличии технической возможности). При использовании густых ремонтных составов рекомендуется повторить несколько раз (2-3 раза) вставку корпуса с добавлением ремонтного состава в отверстие после извлечения. Затем устанавливаются шайбы с термопарами. С помощью втулок и гаек обеспечивается сжатие ремонтируемого изделия. После затвердевания смолы устройство разбирается в обратном порядке и извлекается из отверстия с приложением минимума усилий.The implementation of the utility model is provided as follows. A repair compound based on polymer resins is applied to the damaged area of the hole; when applied, the maximum filling of the defect with the repair compound is achieved, for this, thin spatulas are used. Then, the body of the heating device pre-treated with a release agent is installed in the hole. In order to more completely fill in the defects, it is recommended to insert the housing “from bottom to top” (if it is technically possible). When using thick repair compounds, it is recommended to repeat several times (2-3 times) the insertion of the body with the addition of the repair compound into the hole after removal. Then washers with thermocouples are installed. With the help of bushings and nuts, compression of the repaired product is ensured. After the resin has hardened, the device is disassembled in reverse order and removed from the hole with a minimum of effort.

Заявляемая полезная модель устройства для ремонта отверстий позволяет проводить ремонт дефектов типа «расслоение», «отслоение», «сколы» и «трещины» в полимерном композиционном материале.The claimed utility model of a device for repairing holes makes it possible to repair defects such as "delamination", "delamination", "chips" and "cracks" in a polymer composite material.

Claims

A device for repairing holes in a composite material, consisting of a housing for a heating element and fasteners made with the possibility of fixing the device in the repaired hole, characterized in that the body of the device for repair has a cylindrical part corresponding to the diameter of the hole and having sufficient length to prevent axis displacement device from the axis of the repaired hole, but does not occupy more than 30% of the length of the hole, the device also has a conical part, which is a truncated cone with a taper from 1:20 to 1:2, and pressure washers with integrated thermocouples.