RU2600762C1 - Method of producing parts from polymer composite material based on thermoplastic binders using industrial lasers - Google Patents

Method of producing parts from polymer composite material based on thermoplastic binders using industrial lasers Download PDF

Info

Publication number
RU2600762C1
RU2600762C1 RU2015116306/05A RU2015116306A RU2600762C1 RU 2600762 C1 RU2600762 C1 RU 2600762C1 RU 2015116306/05 A RU2015116306/05 A RU 2015116306/05A RU 2015116306 A RU2015116306 A RU 2015116306A RU 2600762 C1 RU2600762 C1 RU 2600762C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
prepreg
thermoplastic
layers
laying
winding
Prior art date
Application number
RU2015116306/05A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Марина Алексеевна Андрюнина
Валерия Валерьевна Бондарь
Константин Николаевич Зюзя
Original Assignee
Открытое акционерное общество "Национальный институт авиационных технологий" (ОАО НИАТ)
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Открытое акционерное общество "Национальный институт авиационных технологий" (ОАО НИАТ) filed Critical Открытое акционерное общество "Национальный институт авиационных технологий" (ОАО НИАТ)
Priority to RU2015116306/05A priority Critical patent/RU2600762C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2600762C1 publication Critical patent/RU2600762C1/en

Links

Images

Classifications

    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29CSHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
    • B29C53/00Shaping by bending, folding, twisting, straightening or flattening; Apparatus therefor
    • B29C53/56Winding and joining, e.g. winding spirally
    • B29C53/58Winding and joining, e.g. winding spirally helically
    • B29C53/60Winding and joining, e.g. winding spirally helically using internal forming surfaces, e.g. mandrels

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Moulding By Coating Moulds (AREA)
  • Lining Or Joining Of Plastics Or The Like (AREA)

Abstract

FIELD: aviation; astronautics.
SUBSTANCE: invention relates to aircraft and aerospace engineering and can be used in aircraft and aerospace multiple use systems, rocket production, etc. According to the method of producing parts from a polymer composite material based on thermoplastic binders, onto a prepared forming tooling applied or wound are layers of a thermoplastic prepreg. Prepreg is heated during its applying or winding by layers onto the forming tooling with a laser beam within the temperature range of the molten thermoplastic binder with welding of every next layer of the prepreg formed as the result of applications or windings to the previous ones. Layers of the thermoplastic prepreg are compacted by a laying pressure element. Obtained by application or winding prepreg layers are cooled. Sealing the prepreg is performed by high-frequency short-pulse impacts of the laying pressure element with the help of ultrasound, pulse vibration of this element formed by a piezo element of a piezo converter.
EFFECT: invention provides higher quality of manufactured parts and increased reliability of the parts during their operation due to higher degree of integrity of applied or wound layers of the thermoplastic prepreg and due to considerable decrease of tendency to stratification of the applied layers of prepregs.
3 cl, 14 dwg

Description

Область техникиTechnical field

Заявленное изобретение относится к авиационной и космической технике и может быть использовано во всех пассажирских и транспортных самолетах, от легкой до тяжелой авиации, в беспилотных системах, а также в многоразовых космических системах, орбитальных и суборбитальных космических станциях, в ракетостроении.The claimed invention relates to aviation and space technology and can be used in all passenger and transport aircraft, from light to heavy aircraft, in unmanned systems, as well as in reusable space systems, orbital and suborbital space stations, in rocket science.

Также изобретение может быть использовано в судостроении (в различных плавательных средствах от моторных лодок до круизных лайнеров), автомобилестроении, при производстве скоростных железнодорожных составов, мотоциклов и квадроциклов, в частности при производстве элементов, обеспечивающих исключительные аэродинамические качества и интерьерам; и, кроме того, в различных нефтегазотранспортных системах в промышленных хранилищах газа и нефтепродуктов в качестве надежного армирующего и герметизирующего покрытия; в строительных конструкциях в качестве силовых конструкционных строительных элементов, обеспечивая надежную работоспособность в самых жестких условиях в течение длительного времени эксплуатации.Also, the invention can be used in shipbuilding (in various swimming facilities from motor boats to cruise liners), automotive, in the production of high-speed trains, motorcycles and ATVs, in particular in the manufacture of elements that provide exceptional aerodynamic qualities and interiors; and, in addition, in various oil and gas transportation systems in industrial storages of gas and oil products as a reliable reinforcing and sealing coating; in building structures as power structural building elements, ensuring reliable performance in the most severe conditions for a long time operation.

Предпочтительно изобретение рекомендуется к применению для изготовления крупногабаритных, в т.ч. двойной кривизны, деталей путем послойной выкладки или намотки ленты препрега, пропитанного термопластичным связующим (далее термопластичный препрег), автоматизированной установкой на поверхности формы.Preferably, the invention is recommended for use in the manufacture of bulky, incl. double curvature of parts by layering or winding the prepreg tape impregnated with a thermoplastic binder (hereinafter thermoplastic prepreg), automated installation on the surface of the mold.

Уровень техникиState of the art

В основе заявляемого изобретения лежит процесс изготовления крупногабаритных деталей из термопластичных полимерных композиционных материалов (ПКМ) с применением принципа лазерной выкладки или намотки, при котором нагрев термопластичного препрега происходит лучом лазера. Такое решение позволяет получать крупногабаритные, в т.ч. двойной кривизны, детали монолитной конструкции, обладающие заданными характеристиками и необходимой геометрией, а также практически не требующие дополнительной механической доработки.The basis of the claimed invention is the manufacturing process of large-sized parts from thermoplastic polymer composite materials (PCM) using the principle of laser lay-out or winding, in which the thermoplastic prepreg is heated by a laser beam. This solution allows you to get large, including double curvature, parts of a monolithic structure that have the specified characteristics and the necessary geometry, and also practically do not require additional mechanical refinement.

Термопластичные ПКМ представляют собой гетерогенные системы, которые состоят из термопластичной полимерной матрицы, армированной высокопрочными, высокомодульными волокнами наполнителя (углеродными, стеклянными, базальтовыми, полимерными и др.).Thermoplastic PCMs are heterogeneous systems that consist of a thermoplastic polymer matrix reinforced with high-strength, high-modulus filler fibers (carbon, glass, basalt, polymer, etc.).

Композиционные термопластичные материалы обладают следующими достоинствами по сравнению с традиционными ПКМ на основе термореактивных смол:Composite thermoplastic materials have the following advantages compared to traditional PCM based on thermosetting resins:

а) эксплуатационные: на 20-40% выше стойкость к ударным и постударным нагрузкам и локальным повреждениям; высокая устойчивость к воде и дождевой эрозии; химическая стойкость, в том числе к авиационным топливам и маслам; огнестойкость, пониженные дымовыделение и токсичность; ремонтопригодность (материал легко сваривается);a) operational: resistance to shock and shock loads and local damage is 20–40% higher; high resistance to water and rain erosion; chemical resistance, including to aviation fuels and oils; fire resistance, reduced smoke emission and toxicity; maintainability (the material is easily welded);

б) технологические: возможность формования деталей на металлургическом оборудовании; короткий (от 10 до 60 мин) цикл формования; возможность переформовки бракованных деталей и пригодность для неоднократного использования (можно подвергать повторному нагреву и повторному формованию); коэффициент использования материала до 95%; неограниченный срок хранения препрега.b) technological: the possibility of forming parts on metallurgical equipment; short (from 10 to 60 min) molding cycle; the possibility of reforming defective parts and suitability for repeated use (can be reheated and re-molded); utilization of the material up to 95%; unlimited shelf life of the prepreg.

Однако при этом термопластичные ПКМ имеют следующие особенности, которые необходимо учитывать при их использовании:However, in this case, thermoplastic PCMs have the following features that must be taken into account when using them:

- высокая температура переработки (250-415°C);- high processing temperature (250-415 ° C);

- трудность выкладки препрега, у которого нет липкости;- the difficulty of laying out a prepreg, which has no stickiness;

- термопластичные связующие по сравнению с термореактивными химически инертны и имеют на 1-2 порядка большую вязкость расплава; это приводит к тому, что наполнитель не смачивается расплавами полимеров - поэтому используются приемы аппретирования и модификации при разработке таких композиционных материалов, что увеличивает трудоемкость и, как следствие, стоимость материала.- thermoplastic binders are chemically inert in comparison with thermosetting binders and have a 1-2 melt higher melt viscosity; this leads to the fact that the filler is not wetted by polymer melts - therefore, sizing and modification techniques are used in the development of such composite materials, which increases the complexity and, consequently, the cost of the material.

Учитывая указанные выше специфические свойства термопластичных связующих, главным из которых являются их высокая температура нагрева (250-415°C) и трудность выкладки термопластичного препрега вследствие его пониженной липкости, наиболее целесообразно изготавливать детали конструкций, используя для выкладки термопластичных препрегов лазерное излучение.Considering the specific properties of thermoplastic binders mentioned above, the main of which are their high heating temperature (250-415 ° C) and the difficulty of laying out a thermoplastic prepreg due to its reduced stickiness, it is most expedient to fabricate structural parts using laser radiation for laying thermoplastic prepregs.

Первый раз возможности лазерной сварки демонстрировались в 70-х годах. Но стоимость оборудования была тогда очень высока, поэтому данная технология не получила широкого применения. В конце 90-х годов, когда цены на оборудование стали более доступными, доля использования лазерной сварки значительно увеличилась.The first time laser welding capabilities were demonstrated in the 70s. But the cost of the equipment was then very high, so this technology was not widely used. In the late 90s, when equipment prices became more affordable, the share of laser welding increased significantly.

Необходимо отметить следующие преимущества от использования лазерного излучения для формования конструкций из ПКМ в сравнении с традиционными технологическими процессами формования:It should be noted the following advantages from the use of laser radiation for forming PCM structures in comparison with traditional molding processes:

- снижение энергопотребления на 40%;- reduction of energy consumption by 40%;

- снижение технологического цикла изготовления деталей на 30%;- reduction of the technological cycle of manufacturing parts by 30%;

- снижение брака материала;- reduction of scrap material;

- снижение экологической нагрузки на производство на 20%;- reduction of the environmental load on production by 20%;

- снижение трудоемкости в 2-2,5 раза;- reduction of labor intensity by 2-2.5 times;

- сокращение площади производства;- reduction of production area;

- снижение цикла подготовки производства новых изделий на 40%;- reduction of the preparation cycle for the production of new products by 40%;

- выполнение высокоточных соединений; при этом точный, повторяемый, напряженно-независимый процесс выкладки позволяет выполнить схему армирования под любым углом;- the implementation of high-precision compounds; at the same time, an accurate, repeatable, stress-independent calculation process allows you to perform a reinforcement scheme at any angle;

- отсутствие прямого контакта соединяемых частей с оборудованием;- lack of direct contact of the connected parts with the equipment;

- возможность применения манипуляторного оборудования;- the possibility of using manipulator equipment;

- прочность соединений;- strength of joints;

- возможность сварки полимеров различного состава.- the possibility of welding polymers of various compositions.

В результате анализа уровня техники в области изготовления деталей из термопластичных ПКМ с применением принципа лазерного нагрева при выкладке или намотке ПКМ установлено следующее.As a result of the analysis of the prior art in the manufacture of parts from thermoplastic PCM using the principle of laser heating when laying or winding PCM, the following is established.

Широко известно использование энергии лазерного излучения для нагрева полимерных композиционных материалов с целью их скрепления путем термосваривания между собой (см., например, US 5792301 А). В процессе скрепления материалов, раскрытом в этом патента, обеспечивается воздействие на материалы после нагрева двумя уплотняющими роликами, через жало которых проходит сдублированный пакет.It is widely known to use the energy of laser radiation to heat polymer composites with the aim of bonding them by heat sealing with each other (see, for example, US 5792301 A). In the process of bonding the materials disclosed in this patent, the materials are exposed after heating by two sealing rollers through the sting of which a duplicated bag passes.

В качестве ближайшего аналога к заявляемому техническому решению принят способ изготовления деталей из полимерного композиционного материала с применением промышленных лазеров, заключающийся в автоматизированной выкладке термопластичного препрега на специально подготовленную формообразующую оправку, нагреве и размягчении лазерным лучом материала препрега, приварке слоев препрега, охлаждении и дальнейшей механической обработке детали. Нагрев обеспечивается в интервале температур расплава термопластичного связующего. Процесс изготовления сопровождается использованием укладочного прижимного ролика, воздействующего на препрег одновременно со стадиями размягчения и приварки слоев термопластичного препрега (см. WO 2010031364 А1). Основной недостаток известного способа состоит в том, что при приварке слоев препрега не происходит достаточное требуемое уплотнение расплавленного термопласта при воздействии укладочного ролика. В результате наблюдается повышенная пористость получаемых деталей. Данный недостаток оказывает существенное влияние на эксплуатационные свойства деталей, снижая их прочностные характеристики и стойкость к ударным нагрузкам, дождевой эрозии и воздействию химических реагентов. Кроме того, возможность налипания на ролик остатков расплавленного термопласта существенно влияет на качественные свойства деталей и повышает количество брака.As the closest analogue to the claimed technical solution, a method has been adopted for manufacturing parts from a polymer composite material using industrial lasers, which consists in the automated laying of a thermoplastic prepreg on a specially prepared forming mandrel, heating and softening the prepreg material with a laser beam, welding the prepreg layers, cooling and further machining the details. Heating is provided in the melt temperature range of the thermoplastic binder. The manufacturing process is accompanied by the use of a laying pinch roller acting on the prepreg simultaneously with the stages of softening and welding of the layers of the thermoplastic prepreg (see WO 2010031364 A1). The main disadvantage of this method is that when welding the layers of the prepreg does not occur sufficient required compaction of the molten thermoplastic when exposed to a laying roller. As a result, an increased porosity of the obtained parts is observed. This drawback has a significant impact on the operational properties of parts, reducing their strength characteristics and resistance to shock loads, rain erosion and chemical agents. In addition, the possibility of adhering to the roller residues of molten thermoplastic significantly affects the quality properties of parts and increases the number of defects.

Здесь целесообразно подробным образом раскрыть механизм воздействия ролика на препрег в известном по WO 2010031364 способе со ссылкой на отдельные фигуры чертежей, являющихся принадлежностью материалов данной заявки, полный перечень которых будет приведен ниже в разделе «Краткое описание чертежей».It is advisable here to disclose in detail the mechanism of action of the roller on the prepreg in the method known in WO 2010031364 with reference to the individual figures of the drawings, which belong to the materials of this application, a full list of which will be given below in the section "Brief Description of the Drawings".

Уплотнение роликом позволяет создать высокососредоточенное давление на небольшой площади препрега, достаточной для быстрого нагрева лазером, что не требует использования мощного прессового оборудования и, следовательно, приводит к уменьшению затрат мощности, электроэнергии и увеличению скорости процесса. Однако при обычном механическом способе укладки, по мере изменения исходной формы сечения, происходит образование жестких радиусных областей по краям препрегов, вследствие возрастающих сил упругости и образования остаточных изгибающих напряжений. Причем, чем больше степень деформирования препрега и меньше величины радиусов на краях препрега, тем более напряженным становится состояние радиусных областей и тем более жесткими они становятся. В результате, вследствие взаимодействия жестких радиусных областей при последующей прокладке нового соседнего слоя происходит лишь наложение нового слоя поверх уложенного радиуса (в лучшем случае после последующей прикатки), без должного обтекания, и образование области пустоты (фиг. 1 и фиг. 1а, вид А на фиг. 1). Наличие этой пустоты позволяет слоям наезжать друг на друга при предельных нагрузках, разрушая исходную картину силового армирования и герметичность наносимого слоя препрега, открывая тем самым путь для интенсификации коррозии в разгерметизированном месте. В промышленных масштабах, чтобы избежать подобных последствий и улучшить герметизацию, армирование проводится так, что существует постоянный небольшой «наезд» нового слоя на предыдущий (фиг. 2, и фиг. 2а вид Б на фиг. 1). Однако наличие области пустоты по-прежнему оставляет возможность слоям наезжать друг на друга, причем еще дальше при предельных нагрузках, также разрушая исходную картину силового армирования и нарушая герметичность нанесенного слоя препрега с вышеописанными последствиями.Roller sealing allows you to create highly concentrated pressure on a small area of the prepreg, sufficient for rapid laser heating, which does not require the use of powerful press equipment and, consequently, reduces the cost of power, electricity and increase the speed of the process. However, with the usual mechanical laying method, as the initial cross-sectional shape changes, rigid radius areas are formed along the edges of the prepregs due to increasing elastic forces and the formation of residual bending stresses. Moreover, the greater the degree of deformation of the prepreg and the smaller the radii at the edges of the prepreg, the more stressed the state of the radius regions becomes and the more rigid they become. As a result, due to the interaction of hard radius areas during the subsequent laying of a new adjacent layer, only a new layer is applied over the laid radius (at best after the subsequent rolling), without proper flow, and the formation of a void region (Fig. 1 and Fig. 1a, view A in Fig. 1). The presence of this void allows the layers to collide with each other at extreme loads, destroying the initial picture of the power reinforcement and the tightness of the applied prepreg layer, thereby opening the way for intensification of corrosion in a depressurized place. On an industrial scale, in order to avoid such consequences and improve sealing, reinforcement is carried out so that there is a constant small “collision” of a new layer on the previous one (Fig. 2, and Fig. 2a view B in Fig. 1). However, the presence of the void region still allows the layers to collide with each other, and even further at maximum loads, also destroying the initial picture of the power reinforcement and violating the tightness of the applied prepreg layer with the above consequences.

Задачей, на решение которой направлено заявленное техническое решение, является разработка такого способа изготовления деталей из полимерного композиционного материала на основе термопластичных связующих методом выкладки или намотки с применением промышленных лазеров, который обеспечил бы максимально качественное нанесение слоев термопластичного препрега без образования технологических пустот.The task to which the claimed technical solution is directed is to develop such a method of manufacturing parts from a polymer composite material based on thermoplastic binders by lay-up or winding using industrial lasers, which would ensure the highest quality deposition of thermoplastic prepreg layers without the formation of technological voids.

Технический результат, достигаемый при реализации заявляемого изобретения, заключается в повышении качества изготавливаемых деталей и в повышении надежности деталей в процессе их эксплуатации за счет достижения высокой степени монолитности уложенных или намотанных слоев термопластичного препрега и за счет значительного снижения склонности к расслоению нанесенных слоев препрегов.The technical result achieved by the implementation of the claimed invention is to improve the quality of the manufactured parts and to increase the reliability of the parts during their operation by achieving a high degree of solidity of the laid or wound layers of the thermoplastic prepreg and by significantly reducing the tendency to delamination of the applied prepreg layers.

Для достижения указанного технического результата предлагается способ изготовления деталей из полимерного композиционного материала на основе термопластичных связующих, заключающийся вTo achieve the technical result, a method for manufacturing parts from a polymer composite material based on thermoplastic binders is proposed, which consists in

- автоматизированной выкладке или намотке слоями термопластичного препрега на предварительно подготовленную формообразующую оснастку,- automated laying out or winding in layers of a thermoplastic prepreg on a previously prepared forming tool,

- нагреве термопластичного препрега, в процессе его выкладки или намотки слоями на формообразующую оснастку, лазерным лучом в интервале температур расплава термопластичного связующего, с приваркой каждых последующих слоев препрега, образованных в результате выкладки или намотки, к предыдущим,- heating the thermoplastic prepreg, in the process of laying it out or wrapping it in layers on the forming tool, with a laser beam in the temperature range of the thermoplastic binder melt, with welding of each subsequent layers of the prepreg formed as a result of laying out or winding, to the previous ones,

- уплотнении слоев нагретого термопластичного препрега укладочным прижимным элементом, поджимаемым к поверхности формы,- compaction of the layers of the heated thermoplastic prepreg with a laying clamping element pressed to the surface of the mold,

- охлаждении полученных по окончании выкладки или намотки слоев препрега.- cooling obtained at the end of the calculation or winding of the prepreg layers.

Отличие предлагаемого способа состоит в том, что уплотнение препрега осуществляют путем воздействия на него высокочастотными короткоимпульсными ударами укладочного прижимного элемента с помощью ультразвуковой, импульсной вибрации этого элемента, создаваемой пьезоэлементами.The difference of the proposed method lies in the fact that the compaction of the prepreg is carried out by exposure to it with high-frequency short-pulsed strokes of the laying-down clamping element using ultrasonic, pulsed vibration of this element created by piezoelectric elements.

В качестве укладочного прижимного элемента, предпочтительно, используют ролик из силиконовой резины. Преимущественно, ролик выполняют с керамическим покрытием.Preferably, a silicone rubber roller is used as the stacking pressing member. Advantageously, the roller is ceramic coated.

Таким образом, для решения проблемы, связанной с образованием областей пустот, на которую было указано при анализе уровня техники, предлагается применять высокочастотное, короткоимпульсное уплотнение слоев укладочным прижимным элементом, которое обеспечивается ультразвуковой, импульсной вибрацией этого элемента, создаваемой, преимущественно, пьезоэлементами, которые являются идеальными средствами контроля касания, и поэтому их применение позволяет совместить систему уплотнения и контроля касания, исключив дополнительные датчики и все сопутствующие элементы конструкции.Thus, to solve the problem associated with the formation of void regions, which was indicated in the analysis of the prior art, it is proposed to use a high-frequency, short-pulse compaction of the layers with a styling clamping element, which is provided by ultrasonic, pulsed vibration of this element, created mainly by piezoelectric elements, which are ideal means of touch control, and therefore their application allows you to combine a sealing system and touch control, eliminating additional sensors and all related structural elements.

Краткое описание чертежей.A brief description of the drawings.

На фиг. 1 и фиг. 1а изображена сформированная структура шва между лентами препрега, выполненная обычной, известной из уровня техники, укладкой;In FIG. 1 and FIG. 1a shows the formed structure of the seam between the prepreg tapes, made by conventional laying known from the prior art;

На фиг. 2 и фиг. 2а - схема традиционного решения по улучшению качества швов;In FIG. 2 and FIG. 2a is a diagram of a traditional solution for improving the quality of seams;

На фиг. 3а, 3b, 3c, 3d, 3e показана последовательность распространения ударных волн при воздействии укладочного прижимного элемента;In FIG. 3a, 3b, 3c, 3d, 3e shows the sequence of propagation of shock waves when exposed to a laying clamping element;

На фиг. 4 и фиг. 4а - сформированная структура швов между лентами препрега, выполненных при помощи ультразвуковой вибрации;In FIG. 4 and FIG. 4a - the formed structure of the seams between the prepreg tapes made using ultrasonic vibration;

На фиг. 5 - устройство, реализующее способ, общий вид;In FIG. 5 - a device that implements the method, General view;

На фиг. 6 - узел В на фиг. 5;In FIG. 6 - node B in FIG. 5;

На фиг. 7 - узел Г на фиг. 5, вид сверху.In FIG. 7 - node G in FIG. 5, top view.

Осуществление технического решения.Implementation of a technical solution.

Предлагается способ изготовления деталей из полимерного композиционного материала на термопластичных связующих. Согласно способу производится автоматизированная выкладка или намотка слоями термопластичного препрега на предварительно подготовленную формообразующую оснастку. В процессе послойной выкладки или намотки препрега на оснастку осуществляют нагрев препрега лазерным лучом в интервале температур расплава термопластичного связующего (250-415°C). В результате обеспечивается приварка каждого последующего слоя термопластичного препрега, образованного в результате выкладки или намотки, к предыдущему слою. Под действием укладочного прижимного элемента, преимущественно ролика (и далее - ролик), происходит уплотнение каждого слоя препрега на участке, поджимаемом к поверхности формы, и нагретом до температуры расплава связующего, в то время как на предшествующем участке (в непрерывном процессе) происходит размягчение и приварка слоя. При этом указанное уплотнение термопластичного препрега осуществляют путем воздействия на него высокочастотными короткоимпульсными ударами укладочного ролика, которые обеспечиваются ультразвуковой, импульсной вибрацией ролика, создаваемой, преимущественно, пьезоэлементами. Завершение процесса автоматизированной выкладки включает охлаждение ленты препрега в процессе укладки, а также лазерную обрезку ленты по окончании нанесении слоя. Лазерная обрезка позволяет осуществлять оплавление волокон и исключать их разлохмачивание, неизбежное при механической резке.A method for manufacturing parts from a polymer composite material on thermoplastic binders is proposed. According to the method, an automated laying out or winding in layers of a thermoplastic prepreg on a previously prepared forming tooling is performed. In the process of layering or wrapping the prepreg on the tool, the prepreg is heated by a laser beam in the temperature range of the thermoplastic binder melt (250-415 ° C). The result is the welding of each subsequent layer of thermoplastic prepreg, formed as a result of laying or winding, to the previous layer. Under the action of the laying clamping element, mainly the roller (and hereinafter referred to as the roller), each prepreg layer is densified in the section pressed to the mold surface and heated to the melt temperature of the binder, while in the preceding section (in a continuous process) softening occurs and welding layer. Moreover, the said compaction of the thermoplastic prepreg is carried out by exposing it to high-frequency short-pulse strokes of the stacking roller, which are provided by ultrasonic, pulsed vibration of the roller, created mainly by piezoelectric elements. The completion of the automated calculation process includes cooling the prepreg tape during installation, as well as laser cutting of the tape at the end of the deposition. Laser pruning allows you to melt the fibers and prevent them from breaking up, which is unavoidable during mechanical cutting.

Более подробное описание способа дано на примере его реализации с использованием устройства, показанного на фиг. 5-7.A more detailed description of the method is given by the example of its implementation using the device shown in FIG. 5-7.

На фиг. 5 показан главный вид устройства для изготовления деталей из полимерных композиционных материалов на основе термопластичных связующих.In FIG. 5 shows a main view of a device for manufacturing parts from polymer composite materials based on thermoplastic binders.

Устройство содержит расположенные в корпусе 1 шпулярник 2 с термопластичным препрегом 3, укладочный прижимной элемент, преимущественно свободно вращающийся ролик 4 (который, однако, при определенных конструктивных дополнениях устройства, может быть выполнен приводным), с керамическим покрытием, систему 5 генерации лазерного излучения, систему 6 фокусировки лазерного излучения, направляющую систему 7, поглотитель 8 лазерного излучения для отрезка препрега. Рядом с укладочным прижимным роликом 4 расположен охлаждающий ролик 9 из силиконовой резины, подсоединенный к холодильному устройству 10.The device comprises a creel 2 located in the housing 1 with a thermoplastic prepreg 3, a laying clamping element, a predominantly freely rotating roller 4 (which, however, with certain structural additions of the device, can be driven), with a ceramic coating, a laser radiation generation system 5, a system 6 focusing the laser radiation, the guiding system 7, the laser absorber 8 for the segment of the prepreg. Next to the styling pinch roller 4 is a cooling roller 9 made of silicone rubber connected to the refrigeration device 10.

В контакте с керамической поверхностью укладочного прижимного ролика 4 находится нож 11, а в непосредственной близости к ролику 4 - трубка 12 подачи воздуха высокого давления. С другой стороны ролика 4 противоположно трубке 12 установлена ловушка 13. На фиг. 5 позицией 14 показана формуемая деталь, позицией 15 - формообразующая оправка для технологии выкладки или намотки, позицией 16 - лазерное излучение и позицией 17 - рабочая площадь контакта лазера, 18 - регулируемая система пьезоэлектрических преобразователей, 19 - муфта, передающая виброусилия.In contact with the ceramic surface of the stacking pressure roller 4 is a knife 11, and in close proximity to the roller 4 is a high pressure air supply pipe 12. On the other side of the roller 4, a trap 13 is installed opposite the tube 12. In FIG. 5, position 14 shows a moldable part, position 15 - a forming mandrel for lay-up or winding technology, position 16 - laser radiation and position 17 - laser contact area, 18 - an adjustable piezoelectric transducer system, 19 - a vibration transmitting coupling.

Реализация способа с использованием данного устройства осуществляется следующим образом.The implementation of the method using this device is as follows.

Прежде всего, в шпиндели закрепляется оснастка в соответствии с выбранным типом укладки, в случае выбора технологии намотки это будет цилиндрическая оснастка; а в случае выбора технологии укладки - оснастка в виде качающегося стола. При этом в случае установки большеразмерной оснастки применяется лазерная система контроля точного положения.First of all, snap-in equipment is fixed in the spindles in accordance with the selected type of installation, in the case of choosing the winding technology it will be cylindrical equipment; and in the case of the choice of laying technology - equipment in the form of a swinging table. In this case, in the case of installing large-sized equipment, a laser system for controlling the exact position is used.

Производится заправка шпулярника в укладочной головке робота-манипулятора. Также производится включение системы генерации лазерного излучения, проверяется работы системы фокусировки лазерного излучения, направляющей системы. Затем запускается процесс изготовления детали. Процесс укладки роботом-манипулятором начинается, как только укладочная головка, расположенная на руке робота, касается рабочей поверхности оснастки. Рука робота-манипулятора начинает скользить по укладываемой поверхности, укладывая термопластичный препрег. В процессе автоматизированной выкладки или намотки (при скорости подачи корпуса с расположенными в нем узлами VПОД.) препрег 3, подаваемый со шпулярника 2, подвергается воздействию лазерного излучения 16, нагревается до температуры плавления термопластичного связующего и попадает под действие укладочного прижимного ролика 4. При этом ролик 4 с заданным усилием давит на расплавленную термопластичную основу препрега, повторяя кривизну поверхности формообразующей оправки 15. Усилие прижима формируется как за счет контролируемого усилия руки-манипулятора, так и за счет работы пьезопреобразователей, суммарное вибрационное усилие которых передается через муфту 19, позволяющую передавать виброусилия от пьезоэлементов исключительно на укладывающий ролик, исключая рассеивание энергии на все массу оборудования, в случае отсутствия этой муфты.The creel is refilled in the stacking head of the robotic arm. The laser generation system is also turned on, the operation of the laser focusing system, the guide system, is checked. Then the process of manufacturing the part starts. The laying process by the robotic arm begins as soon as the laying head located on the robot arm touches the working surface of the equipment. The arm of the robotic arm begins to slide along the laid surface, laying the thermoplastic prepreg. In the process of automated laying out or winding (at the feed rate of the case with the nodes V SUB under it), the prepreg 3 supplied from creel 2 is exposed to laser radiation 16, is heated to the melting temperature of the thermoplastic binder and falls under the action of the styling pinch roller 4. When this roller 4 with a given force presses on the molten thermoplastic base of the prepreg, repeating the curvature of the surface of the forming mandrel 15. The clamping force is formed as a result of controlled hands and the manipulator, and due to the operation of the piezoelectric transducers, the total vibrational force of which is transmitted through the coupling 19, which allows the transmission of vibration from the piezoelectric elements exclusively to the laying roller, excluding energy dissipation to the entire mass of equipment, in the absence of this coupling.

Чтобы исключить налипание расплавленного термопласта, по поверхности укладывающего ролика скользят ножи 11. Остатки термопластичного связующего сдуваются направленным потоком воздуха высокого давления в ловушку 13 с большим сечением, и потом остатки удаляются в циклонный фильтр. Чтобы исключить обильное налипание термопластичного связующего, также на поверхность укладывающего ролика 4 нанесено специальное керамическое покрытие, к которому не прилипает подплавленный термопласт.To prevent sticking of the molten thermoplastic, knives 11 slide on the surface of the laying roller 11. The remains of the thermoplastic binder are blown away by a directed stream of high pressure air into the trap 13 with a large cross section, and then the residues are removed into the cyclone filter. In order to prevent excessive sticking of the thermoplastic binder, a special ceramic coating is also applied to the surface of the stacking roller 4, to which the melted thermoplastic does not adhere.

Далее, укладываемый препрег попадает под действие охлаждающего ролика 9. Прижим осуществляется за счет регулируемой по высоте пружины, а охлаждение ролика 9 обеспечено с помощью специального холодильного устройства 10, работающего по принципу создания холодного потока воздуха и обдувающего ребра охлаждающего ролика изнутри. При этом также существует возможность достаточно широкого температурного диапазона не только за счет регулировки мощности интенсивного охлаждения, но и установки дополнительных малогабаритных тэнов в воздушном тракте. Охлаждающий ролик 9 не только охлаждает расплавленный препрег и придает окончательную форму в процессе укладки, но также перераспределяет остаточные напряжения так, чтобы укладываемые слои точно повторяли заданную кривизну детали. Также часть только холодного потока воздуха направляется для охлаждения пьезоэлектрических преобразователей, предотвращая поступления тепла от укладывающего ролика 4, подверженного постоянному тепловому воздействию со стороны лазерного излучения.Further, the stacked prepreg falls under the action of the cooling roller 9. The clamp is carried out by means of a height-adjustable spring, and the cooling of the roller 9 is provided by means of a special cooling device 10 operating on the principle of creating a cold air stream and blowing the ribs of the cooling roller from the inside. At the same time, there is also the possibility of a sufficiently wide temperature range not only by adjusting the power of intensive cooling, but also by installing additional small-sized heating elements in the air duct. The cooling roller 9 not only cools the molten prepreg and gives the final shape during the laying process, but also redistributes the residual stresses so that the stacked layers accurately repeat the specified curvature of the part. Also, part of only the cold air stream is sent to cool the piezoelectric transducers, preventing heat from the stacking roller 4, which is subject to constant thermal radiation from the laser radiation.

Для завершения процесса укладки ленты препрега и обреза ленты в момент остановки робота-манипулятора также применяется лазерная система. Таким образом, осуществляется оплавление волокон и исключается их разлохмачивание, неизбежное при механической резке.A laser system is also used to complete the process of laying the prepreg tape and cutting the tape at the moment the robotic arm stops. Thus, the fibers are melted and their disintegration is excluded, which is inevitable during mechanical cutting.

На фигурах 3а-3e показаны следующие этапы распространения ударных волн. Фиг. 3а - этап действия первичного импульса (F, F2 - импульсное усилие деформации от действия вибрирующего ролика 4; N, N2 - реакция опоры; R - радиусы жестких областей по краям препрегов). Фиг. 3b - этап возникновения первичной волны (V1 - скорость волны первичного импульса; N2 - реакция опоры; R - радиусы жестких областей по краям препрегов). Фиг. 3с - этап возникновения вторичной волны, эффект геометрии, сфера отражения (V2 - скорость волны вторичного импульса; R - радиусы жестких областей по краям препрегов). Фиг. 3d - вторичная сфера отражения, возникновение областей наименьшего сопротивления (V2 - скорость волны вторичного импульса; N3 - реакция опоры; S - области наименьшего сопротивления). Фиг. 3е - заполнение областей наименьшего сопротивления.Figures 3a-3e show the following stages of shock wave propagation. FIG. 3a - stage of action of the primary impulse (F, F 2 - impulse deformation force from the action of the vibrating roller 4; N, N 2 - support reaction; R - radii of hard regions along the edges of the prepregs). FIG. 3b - stage of the appearance of the primary wave (V 1 is the wave velocity of the primary pulse; N 2 is the reaction of the support; R is the radius of the hard regions along the edges of the prepregs). FIG. 3c - stage of the emergence of the secondary wave, the effect of geometry, the sphere of reflection (V 2 is the wave velocity of the secondary pulse; R is the radius of the hard regions along the edges of the prepregs). FIG. 3d - secondary sphere of reflection, the occurrence of regions of least resistance (V 2 - wave velocity of the secondary impulse; N 3 - reaction of the support; S - regions of least resistance). FIG. 3e - filling the areas of least resistance.

Вследствие того, что в процессе короткого по времени, но достаточно мощного по силе импульса, создаваемого ультразвуком, формируется высокое давление, под воздействием которого возникает мощная ударная волна (фиг.3а), один радиус накладывается и упирается в уже уложенный радиус R1, а радиус R2 остается свободным. В процессе воздействия ультразвукового импульса и создания ударной волны происходит следующее: ударная волна начинает распространяться в обе стороны, постепенно растягивая сечение. Так как основной принцип распространения любого энергетического потока - принцип наименьшего сопротивления, поэтому радиус R1, упираясь в уже уложенный радиус, начинает интенсивно отражать набегающую в это место волну, но при этом происходит интенсивное укладывание в верхней части. Отраженная волна идет в сторону свободного радиуса R2 и по мере достижения начинает удлинять профиль. Удлинение профиля сопровождается уменьшением свободного радиуса R2 и ростом механических напряжений в этой области, что приводит к тому, что растет сопротивление и свободный радиус R2 начинает работать как сфера, отражая пришедшую волну в сторону радиуса R1. Но так как верхняя часть радиуса R1 несвободна и распространение волны идет по принципу наименьшего сопротивления, то в данном случае наименьшее сопротивление имеет пустота, т.е. под действием кратковременных мощных силовых импульсов происходит заполнение пустоты. Это приводит к формированию следующей межслоевой картины, имеющей однородную структуру (см. фиг. 4, 4а). Теперь слои оказываются сцепленными, и для возможного смещения слоев потребуется значительно большая нагрузка, что свидетельствует о повышении герметичности и позволит увеличить эксплуатационные нагрузки.Due to the fact that in the process of a short-time, but sufficiently powerful pulse, generated by ultrasound, high pressure is formed, under the influence of which a powerful shock wave appears (Fig.3a), one radius overlaps and abuts against the already laid radius R 1 , and the radius R 2 remains free. In the process of exposure to an ultrasonic pulse and the creation of a shock wave, the following occurs: the shock wave begins to propagate in both directions, gradually stretching the cross section. Since the main principle of the propagation of any energy flow is the principle of least resistance, therefore, the radius R 1 , abutting against the already laid radius, begins to intensively reflect the wave incident at this place, but at the same time there is intensive laying in the upper part. The reflected wave goes towards the free radius R 2 and as it reaches it begins to lengthen the profile. The lengthening of the profile is accompanied by a decrease in the free radius R 2 and an increase in mechanical stresses in this region, which leads to an increase in resistance and the free radius R 2 begins to work like a sphere, reflecting the incoming wave in the direction of radius R 1 . But since the upper part of the radius R 1 is not free and the wave propagates according to the principle of least resistance, in this case the void has the least resistance, i.e. under the influence of short-term powerful power pulses, the void is filled. This leads to the formation of the next interlayer pattern having a uniform structure (see Fig. 4, 4a). Now the layers are interlocked, and for a possible displacement of the layers, a much larger load will be required, which indicates an increase in tightness and will increase the operational loads.

Также проявляются еще два немаловажных фактора такого способа укладывания. Прежде всего, под действием ударных волн происходят процессы, аналогичные ультразвуковой сварке. Поскольку ударная волна также воздействует и на укладываемую поверхность, то происходит частичное разрушение контактирующих поверхностей и наблюдается процесс взаимопроникновения друг в друга. Таким образом, обеспечивается гораздо лучшее сцепление уложенного термопласта с укладываемой поверхностью, по сравнению с обычной механической укладкой.Two more important factors of this stacking method also appear. First of all, under the action of shock waves, processes similar to ultrasonic welding occur. Since the shock wave also acts on the laid surface, partial destruction of the contacting surfaces occurs and the process of interpenetration into each other is observed. Thus, much better adhesion of the laid thermoplastic to the laid surface is ensured, as compared to conventional mechanical laying.

И самое главное, под действием ударных волн происходят процессы, приводящие к тому, что во всех местах непосредственного контакта (термопласт - термопласт, термопласт - укладываемая поверхность) возникают области G с повышенной плотностью (фиг. 4), в которых происходит своеобразное вдавливание одних полимерных цепочек в другие, что, в свою очередь, приводит к снижению свободного расширения термопластичной основы, т.е. к снижению ползучести. Процесс аналогичен образованию швейного шва с той лишь разницей, что сшиваемые материалы и нити - это одни и те же полимерные цепочки.And most importantly, under the influence of shock waves, processes occur that lead to the fact that in all places of direct contact (thermoplastic - thermoplastic, thermoplastic - stacked surface) there arise G regions with increased density (Fig. 4), in which a kind of indentation of some polymer chains to others, which, in turn, leads to a decrease in the free expansion of the thermoplastic base, i.e. to reduce creep. The process is similar to the formation of a sewing seam with the only difference being that stitched materials and threads are the same polymer chains.

Таким образом, применение укладывающего ролика с ультразвуковой вибрацией и системой против налипания термопласта позволяет обеспечить существенно лучший контакт с поверхностью, сформировать более герметичные швы между слоями, снизить текучесть термопластичной основы связующего и обеспечить более стойкую к механическим воздействиям композиционную структуру, что открывает возможность качественного получения более однородных, сложных и более жестких пространственных структур, например, 3D - оболочек аэродинамических поверхностей крыла, фюзеляжа, различных элементов интерьера и т.д.Thus, the use of a stacking roller with ultrasonic vibration and a system against sticking of thermoplastics makes it possible to provide significantly better contact with the surface, form more tight joints between the layers, reduce the fluidity of the thermoplastic binder base and provide a more resistant to mechanical stresses composite structure, which makes it possible to obtain better quality homogeneous, complex and more rigid spatial structures, for example, 3D - shells of aerodynamic surfaces to yla fuselage, different interior elements, etc.

Следовательно, самым эффективным способом уплотнения расплавленного термопластичного связующего является комбинирование обкатки роликом с одновременной ультразвуковой вибрацией самого ролика. Как известно, пьезоэлектрики (пьезоэлементы) под действием электрического тока и относительно невысокого напряжения, незначительно деформируются. Но как только действие электрического тока прекращается, пьезоэлектрики возвращаются в исходное состояние, восстанавливая форму. И чем быстрее прекращается действие электрического тока, тем быстрее происходит процесс возвращения в исходную форму. А поскольку пьезоэлектрики имеют очень большие значения модуля упругости, и поэтому очень жесткие, то при очень быстром прекращении действия электрического тока, в процессе восстановления формы достигаются очень высокие значения ускорений, высокие давления, несмотря на скоротечность процесса и незначительную величину деформации. Это позволяет формировать ударные волны высоких энергий в различных средах (причем возможность формировать узконаправленные, концентрированные потоки): в газах, в жидкостях, в твердых телах, которые находят применение в различных областях техники.Therefore, the most effective way to seal the molten thermoplastic binder is to combine rolling by the roller with simultaneous ultrasonic vibration of the roller itself. As you know, piezoelectrics (piezoelectric elements) under the influence of electric current and relatively low voltage, are slightly deformed. But as soon as the action of the electric current ceases, the piezoelectrics return to their original state, restoring shape. And the faster the action of the electric current stops, the faster the process of returning to the original form occurs. And since piezoelectrics have very large values of the elastic modulus, and therefore are very rigid, with a very rapid cessation of the electric current, very high acceleration values, high pressures are achieved in the process of shape restoration, despite the transience of the process and a small amount of deformation. This allows the formation of high-energy shock waves in various media (and the ability to form highly focused, concentrated flows): in gases, in liquids, in solids, which are used in various fields of technology.

Так, благодаря физической основе процесса работы пьезоэлектриков, появляется возможность эффективного соединения и упрочнения связующего на основе термопластов (которые также обладают приличными значениями модуля упругости), поскольку в процессе циклического воздействия сверхкороткими импульсами высоких давлений в структуре термопластов возникают ударные волны высоких энергий, что приводит к возникновению интенсивных местных деформаций и значительному повышению температуры, превышающей значение температуры стеклования термопластов. Это, в свою очередь, приводит к тому, что на рабочем участке обеспечивается значительно большая подвижность молекулярных цепочек, значительное лучшее взаимопроникновение молекулярных цепочек друг в друга, в течение короткого времени, и к появлению существенно больших изгибающих тау-напряжений, также способствующих более интенсивному спутыванию молекулярных цепочек, то есть к снижению текучести термопластов, и повышению прочностных свойств. А при наличии интенсивного охлаждения, небольших толщин, обеспечивается быстрая фиксация, и высокая скорость процесса. Нет необходимости греть всю оснастку и давить на всю площадь формуемой детали.Thus, due to the physical basis of the process of operation of piezoelectrics, it becomes possible to efficiently bond and harden a binder based on thermoplastics (which also have decent elastic modulus values), since high-energy shock waves arise in the structure of thermoplastics during cyclic exposure to high-pressure pulses, which leads to the occurrence of intense local deformations and a significant increase in temperature exceeding the glass transition temperature of thermoplastic ists. This, in turn, leads to the fact that a significantly greater mobility of the molecular chains is ensured at the working site, significantly better interpenetration of the molecular chains into each other for a short time, and to the appearance of significantly larger bending tau stresses, which also contribute to more intense tangling molecular chains, that is, to reduce the fluidity of thermoplastics, and increase the strength properties. And in the presence of intensive cooling, small thicknesses, fast fixation, and high speed of the process are provided. There is no need to warm all the equipment and press on the entire area of the molded part.

Предотвращение налипания расплавленного термопластичного связующего осуществляется вследствие удаления осевшей части термопласта на ролике системой ножей и мощным пылесосом, имеющим две трубки: одна, меньшего диаметра, сдувающая большим давлением, а вторая, имеющая больший диаметр, захватывающая вакуумом, как обычный пылесос. При этом дополнительным методом исключения налипания термопласта является нанесение на ролик специального керамического покрытия.The sticking of the molten thermoplastic binder is prevented due to the removal of the settled part of the thermoplastic on the roller by the knife system and a powerful vacuum cleaner having two tubes: one of a smaller diameter, blowing off with large pressure, and the second, having a larger diameter, capturing with a vacuum, like an ordinary vacuum cleaner. In this case, an additional method of eliminating the sticking of thermoplastic is to apply a special ceramic coating to the roller.

Применение укладывающего прижимного ролика с керамическим покрытием с ультразвуковым вибрационным воздействием для уплотнения расплавленной термопластичной основы и системой удаления налипания термопласта в процессе изготовления детали, формование которой осуществляется при помощи автоматизированной выкладки термопластичного препрега с применением промышленных лазеров, позволяет достичь следующих результатов.The use of a ceramic-coated styling pinch roller with ultrasonic vibration to seal the molten thermoplastic base and the system of removing thermoplastic sticking during the manufacturing process of a part, which is molded using automated lay-out of a thermoplastic prepreg using industrial lasers, allows to achieve the following results.

Благодаря ультразвуковой импульсной вибрации укладывающего ролика достигается существенно лучшее прилипание термопластичного препрега к укладываемой поверхности, получаемая структура имеет большую однородность, формируются более герметичные швы между слоями, появляются граничные области повышенной плотности и поэтому снижается текучесть термопластичной основы связующего, что обеспечивает более стойкую к механическим воздействиям композиционную структуру. Применение системы ножей для удаления подплавленного термопласта позволяет более эффективно оптимизировать процесс, увеличить его производительность и значительно снизить количество брака готовых деталей. При этом нагрев ролика под действием ультразвука позволит значительно повысить качество детали, т.к. лента препрега, подходя к нагретому ролику, не будет охлаждаться, и в результате будет обеспечено надежное «схватывание» ленты препрега с формообразующей поверхностью.Due to the ultrasonic pulsed vibration of the stacking roller, much better adhesion of the thermoplastic prepreg to the stacked surface is achieved, the resulting structure has greater uniformity, more tight joints between the layers are formed, boundary areas of increased density appear and therefore the fluidity of the thermoplastic binder base is reduced, which provides a more resistant to mechanical stresses composite structure. The use of a system of knives to remove the melted thermoplastic allows you to more efficiently optimize the process, increase its productivity and significantly reduce the number of rejects of finished parts. In this case, heating the roller under the action of ultrasound will significantly improve the quality of the part, because the prepreg tape, approaching the heated roller, will not be cooled, and as a result, reliable "setting" of the prepreg tape with the forming surface will be ensured.

Все вышеприведенные достоинства позволяют изготавливать трехмерные детали любой конфигурации с высоким качеством поверхности, высокой прочностью, минимальной ползучестью, высокой точностью геометрических размеров, минимальным весом и большим ресурсом работы.All the above advantages make it possible to produce three-dimensional parts of any configuration with high surface quality, high strength, minimal creep, high accuracy of geometric dimensions, minimum weight and a long service life.

Claims (3)

1. Способ изготовления деталей из полимерного композиционного материала на основе термопластичных связующих,
заключающийся в
выкладке или намотке слоями термопластичного препрега на предварительно подготовленную формообразующую оснастку,
нагреве препрега, в процессе его выкладки или намотки слоями на формообразующую оснастку, лазерным лучом в интервале температур расплава термопластичного связующего, с приваркой каждых последующих слоев препрега, образованных в результате выкладки или намотки, к предыдущим,
уплотнении слоев термопластичного препрега укладочным прижимным элементом,
охлаждении полученных выкладкой или намоткой слоев препрега,
отличающийся тем, что
уплотнение препрега осуществляют путем воздействия на него
высокочастотными короткоимпульсными ударами укладочного прижимного элемента с помощью ультразвуковой, импульсной вибрации этого элемента, создаваемой пьезоэлементом пьезопреобразователя.
1. A method of manufacturing parts from a polymer composite material based on thermoplastic binders,
consisting in
laying or winding in layers of a thermoplastic prepreg on a previously prepared forming tool,
heating the prepreg, in the process of laying it out or wrapping it in layers on the forming equipment, with a laser beam in the temperature range of the thermoplastic binder melt, with welding of each subsequent layers of the prepreg formed as a result of laying out or winding, to the previous ones,
compaction of the layers of thermoplastic prepreg with a laying clamping element,
cooling obtained by laying out or winding prepreg layers,
characterized in that
compaction of the prepreg is carried out by exposure to it
high-frequency short-pulse strokes of the laying-down clamping element using ultrasonic, pulsed vibration of this element created by the piezoelectric element of the piezoelectric transducer.
2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве укладочного элемента используют прижимной ролик.2. The method according to p. 1, characterized in that the pressure roller is used as the laying element. 3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что прижимной ролик выполняют с керамическим покрытием. 3. The method according to p. 1, characterized in that the pressure roller is ceramic coated.
RU2015116306/05A 2015-04-29 2015-04-29 Method of producing parts from polymer composite material based on thermoplastic binders using industrial lasers RU2600762C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2015116306/05A RU2600762C1 (en) 2015-04-29 2015-04-29 Method of producing parts from polymer composite material based on thermoplastic binders using industrial lasers

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2015116306/05A RU2600762C1 (en) 2015-04-29 2015-04-29 Method of producing parts from polymer composite material based on thermoplastic binders using industrial lasers

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2600762C1 true RU2600762C1 (en) 2016-10-27

Family

ID=57216448

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2015116306/05A RU2600762C1 (en) 2015-04-29 2015-04-29 Method of producing parts from polymer composite material based on thermoplastic binders using industrial lasers

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2600762C1 (en)

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5078821A (en) * 1990-08-13 1992-01-07 The United States Of America As Represented By The United States Department Of Energy Method and apparatus for producing composites of materials exhibiting thermoplastic properties
RU2055734C1 (en) * 1989-04-18 1996-03-10 Уральский научно-исследовательский институт композиционных материалов Plant for continuous making of long-measured articles of polymeric composite materials
RU2156421C2 (en) * 1994-10-31 2000-09-20 Везювью Франс С.А. Roller unit for transportation of articles at high temperature (versions)
EP1479507A1 (en) * 2003-05-22 2004-11-24 Leister Process Technologies Process and device for welding through a mask moving plastic sheets with laser beams
DE202006014872U1 (en) * 2006-09-26 2006-11-30 Prolas Produktionslaser Gmbh Welding unit for joining at least two films, comprises two press elements and a laser which passes through the first press element
WO2010031364A1 (en) * 2008-09-18 2010-03-25 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. Method and device for producing composite material components and contact pressure unit
RU2540656C2 (en) * 2009-08-11 2015-02-10 Хонейвелл Интернэшнл Инк. High-strength belt-type articles made of ultrahigh-molecular-weight polyethylene

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2055734C1 (en) * 1989-04-18 1996-03-10 Уральский научно-исследовательский институт композиционных материалов Plant for continuous making of long-measured articles of polymeric composite materials
US5078821A (en) * 1990-08-13 1992-01-07 The United States Of America As Represented By The United States Department Of Energy Method and apparatus for producing composites of materials exhibiting thermoplastic properties
RU2156421C2 (en) * 1994-10-31 2000-09-20 Везювью Франс С.А. Roller unit for transportation of articles at high temperature (versions)
EP1479507A1 (en) * 2003-05-22 2004-11-24 Leister Process Technologies Process and device for welding through a mask moving plastic sheets with laser beams
DE202006014872U1 (en) * 2006-09-26 2006-11-30 Prolas Produktionslaser Gmbh Welding unit for joining at least two films, comprises two press elements and a laser which passes through the first press element
WO2010031364A1 (en) * 2008-09-18 2010-03-25 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. Method and device for producing composite material components and contact pressure unit
RU2540656C2 (en) * 2009-08-11 2015-02-10 Хонейвелл Интернэшнл Инк. High-strength belt-type articles made of ultrahigh-molecular-weight polyethylene

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Friel Power ultrasonics for additive manufacturing and consolidating of materials
US11155031B2 (en) 5-axis continuous carbon fiber 3D printing and meta-materials, parts, structures, systems, and design methods thereby enabled
US10875288B2 (en) Additive manufacturing of composite materials
August et al. Recent developments in automated fiber placement of thermoplastic composites
US20070151701A1 (en) Continuous Metal Matrix Composite Consolidation
JP5453408B2 (en) Method and apparatus for manufacturing a fiber reinforced thermoplastic composite structure
JP6411359B2 (en) Joining composite parts using low temperature thermoplastic film fusion.
US6519500B1 (en) Ultrasonic object consolidation
Barile et al. Thermoplastic composites for aerospace applications
CN108819292B (en) Automatic laying device and method for thermoplastic composite material
Li et al. Ultrasonic welding of fiber-reinforced thermoplastic composites: a review
CN101730618A (en) The joint method of thermoplastic and fibrous composite
WO2018089080A1 (en) Foil-based additive manufacturing system and method
Pokkalla et al. A novel additive manufacturing compression overmolding process for hybrid metal polymer composite structures
RU2600762C1 (en) Method of producing parts from polymer composite material based on thermoplastic binders using industrial lasers
NL2018468B1 (en) Assembly and method for processing a pipe section for a pipeline
US11890788B2 (en) Methods and process for producing polymer-metal hybrid components bonded by C—O-M bonds
Taylor et al. The feasibility of welding thermoplastic composite materials
US20060165884A1 (en) Increasing fiber volume and/or uniformity in an ultrasonically consolidated fiber reinforced metal-matrix composite
CN204914616U (en) A take laying device for constructing and bonding layer casting die
CN205097569U (en) A take laying device for constructing and bonding layer casting die
US20200061938A1 (en) Additive manufacturing of continuous fiber thermoplastic composites
US20060282192A1 (en) Method And Apparatus For Surface Shaping Of Polymer Composite Components
US7186948B1 (en) Continuous metal matrix composite consolidation
Haavajõe et al. Design and manufacturing of variable angle tow laminate

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20180430