9. WYTWARZANIE ELEMENTÓW PŁATOWCA Z MATERIAŁÓW KOMPOZYTOWYCH

9.1. Cel stosowania materiałów kompozytowych

W budowie samolotów i śmigłowców szerokie zastosowanie znajdują polimerowe kompozyty wzmacniane włóknami, ze względu na ich korzystne właściwości wytrzymałościowe, a zwłaszcza wysoką sztywność właściwą - większą niż metali. Dotyczy to głównie kompozytów wzmacnianych włók­nami węglowymi i borowymi. Początkowo wysokowytrzymałe kompozyty polimerowe stosowano do usztywniania elementów szkieletu płatowców, obecnie wytwarza się z nich całe elementy szkieletu (np. wręgi) i pokrycia integralne. Pokrycia kompozytowe są o 20% lżejsze od metalowych. Stoso­wanie kompozytów powoduje tzw. efekt kaskadowy - zastąpienie metali materiałami kompozytowymi zmniejsza masę konstrukcji, co w przypadku samolotu pozwala zmniejszyć powierzchnię skrzydeł, a w konsekwencji dalej zmniejszyć masę płatowca. Szerokie i właściwe zastosowanie materiałów kompozytowych w konstrukcji samolotów pozwala zmniejszyć ich masę ok. 40% w porównaniu z konstrukcjami metalowymi.

Pierwszym samolotem wykonanym całkowicie z materiałów kompozy­towych był samolot dyspozycyjny Beechcraft Starsihp (1987 r.). W prototypowych samolotach bojowych YF-22 i YF-23 kompozyty stanowiły odpowiednio 23 i 30%, ale w produkowanych seryjnie F-22 stanowią już 35% masy płatowca. Przewiduje się, że w projektowanych obecnie samolotach bojowych kompozyty stanowić będą 65% masy płatow­ców.

Materiały kompozytowe stosowano w budowie samolotów i śmigłow­ców w różnym zakresie:

• zamieniano tradycyjne materiały konstrukcyjne (metale) w podzespo­łach produkowanych płatowców materiałami kompozytowymi, bez zmieniania kształtów i wymiarów tych podzespołów;

• lokalnie wzmacniano metalowe elementy szkieletów płatowców nakład­kami lub wstawkami z materiałów kompozytowych;

• projektowano części i podzespoły z materiałów kompozytowych opty­malizując ich właściwości wytrzymałościowe i masowe poprzez uwzględnienie specyficznych właściwości tych materiałów konstrukcyj­nych.

Przy wytwarzaniu części z materiałów kompozytowych, w procesie produkcyjnym kształtuje się jednocześnie i samą część i materiał, z którego jest ona wytworzona, nadając mu określone właściwości fizyczno-mechaniczne. Właściwości materiałów kompozytowych zależą, nie tylko od właściwości zbrojenia (wypełniacza) i osnowy (spoiwa), ale i od połączenia między tymi dwiema fazami oraz od parametrów procesu technologicznego wytwarzania części. Przy zwiększaniu do około 70% udziału objętościowego zbrojenia (włókien) w materiale kompozytowym poprawiają się jego właści­wości mechaniczne (wytrzymałość doraźna i moduł sprężystości), a po prze­kroczeniu udziału optymalnego - pogarszają. Materiały kompozytowe wzmacniane włóknami wykazują wyraźne właściwości anizotropowe i w związku z tym kierunek układania włókien ma istotny wpływ na właści­wości wytwarzanego elementu.

Tylko kształtowanie elementów z materiałów kompozytowych w za­krytych formach pod ciśnieniem umożliwia uzyskanie jednorodnej struktury materiału bez wad wewnętrznych. W związku z tym wytwarzanie dużych wymiarowo elementów struktury płatowców stwarza określone trudności technologiczne związane z koniecznością wytwarzania dużych foremników i urządzeń wytwarzających niezbędne naciski i podwyższoną temperaturę (przyspieszającą lub powodującą utwardzanie polimerowego spoiwa).

9.2. Technologie wytwarzania

Podstawowymi sposobami wytwarzania elementów płatowców z poli­merowych materiałów kompozytowych są:

• formowanie z zastosowaniem elastycznej przepony;

• prasowanie;

• przesycanie pod ciśnieniem;

• nawijanie.

9.2.1. Formowanie z zastosowaniem elastycznej przepony

Proces formowania części z materiałów kompozytowych z zastosowa­niem elastycznej przepony (rys. 9.1) składa się z następujących operacji:

• przygotowania powierzchni foremników poprzez naniesienie powłok antyadhezyjnych w postaci smarów, wosków lub cienkich termopla­stycznych folii w celu zapobieżeniu sklejania się wyrobu z foremnikiem,

• układania poprzycinanych na wymiar tkanin, dzianin lub taśm przesyco­nych spoiwem, ewentualnie suchych wymagających przesycenia po na­łożeniu na foremnik,

• przykrycia nałożonych tkanin folią oddzielającą,

• ułożenia elastycznej przepony i uszczelnienia jej poprzez zastosowanie podkładek i zacisków (śrubowych, pneumatycznych lub hydraulicz­nych),

• formowania części pod określonym ciśnieniem w ustalonej temperaturze.

Niezbędne ciśnienie formowania części z materiałów kompozytowych można uzyskać metodą podciśnienia lub podciśnienia i nadciśnienia wytwa­rzanego w specjalnych komorach, autoklawach lub hydroklawach. Przy for­mowaniu uzyskuje się tym cieńsze i bardziej jednorodne ścianki wyrobu, im większe stosuje się naciski. Największe, rzędu 15 MPa, można uzyskać w hydroklawach.

Rys. 9.1 Sposoby uzyskiwania nacisków przy wytwarzaniu elementów kompozytowych z zastosowaniem elastycznej przepony: a - podciśnieniowy, b - w komorze ciśnieniowej, c - w autoklawie lub hydroklawie,

l - foremnik, 2 - elastyczna przepona, 3 - kształtowa­ny element, 4 - pierścień dociskowy, 5 - zacisk śrubowy,

6 - elastyczna podkładka, 7 - autoklaw, 8 - wózek, 9 - pokrywa ^:

9.2.3. Prasowanie

Prasowanie (rys. 9.2) można stosować przy wytwarzaniu części o nie­zbyt dużych wymiarach, ograniczonych wymiarami powierzchni roboczej stołu i naciskami prasy. Do wytwarzania części z materiałów kompozyto­wych metodą prasowania stosuje się sztywne formy i prasy hydrauliczne. W zależności od właściwości wytwarzanego materiału kompozytowego i wytrzymałości wytwarzanej części ciśnienie prasowania może się zmieniać w granicach 5...40 MPa. Prasowanie umożliwia uzyskanie wyrobu o gładkiej powierzchni, jednorodnej strukturze i wysokich właściwościach mechanicz­nych.

Rys. 9.2. Schemat wytwarzania części kompozytowych metodą prasowania w sztywnej formie: l - stempel, 2 - matryca, 3 - prasowany wyrób, 4 - ogranicznik szczeliny

9.2.4. Przesycanie pod ciśnieniem

Przesycanie pod ciśnieniem polega na umieszczeniu w szczelnej formie suchego (bez spoiwa) wypełniacza w postaci tkanin, taśm lub krótko ciętego włókna, który następnie przesycany jest polimerową osnową wtłaczaną pod ciśnieniem (rys. 9.3). Ciśnienie potrzebne do wtłoczenia do formy ciekłej osnowy uzyskuje się poprzez wytworzenie w formie podciśnienia lub nadci­śnienia w zbiorniku z osnową. Szczelina między stemplem i matrycą formy powinna być równa grubości ścianki wyrobu. Podwyższoną temperaturę potrzebną do utwardzenia polimerowej osnowy lub przyspieszenia jej utwar­dzenia uzyskuje się poprzez umieszczenie formy w komorze grzewczej lub poprzez zastosowanie podgrzewaczy w samej formie.

Rys. 9.3. Schemat przesycania pod ciśnieniem: a - podciśnieniowego, b - nadciśnieniowego,

l - stempel, 2 - matryca, 3 - zbrojenie (tkanina), 4 - pojemnik ze spoiwem, 5 - kran odcinający,

6 - wziernik, 7 - filtr odstojnik, 8 - zacisk śrubowy

Zaletami przesycania pod ciśnieniem są: dokładność wymiarowa wy­twarzanych wyrobów, eliminacja porowatości, wysoka spoistość i wytrzy­małość materiału. Proces wytwarzania można zmechanizować, co pozwala wyeliminować szkodliwe oddziaływanie płynnego spoiwa na pracowników. Wadą tej metody jest konieczność stosowania skomplikowanego, drogiego oprzyrządowania.

9.2.5. Nawijanie

Metodą nawijania można wytwarzać z materiałów kompozytowych wy­roby o obrotowych kształtach (walcowych, stożkowych, sferycznych) po­przez nawijanie na obracający się foremnik: rowingu, taśm lub tkanin przesy­conych nie spolimeryzowaną osnową (rys. 9.4). Materiał wzmacniający ukła­dany jest z regulowanym naciągiem na obracającym się foremniku. Prędkość nawijania zależy od prędkości obrotu foremnika, która jest zsynchronizowana z prędkością przesuwania się układacza. Właściwe zaprogramowanie ruchu foremnika i układacza zapewnia uzyskanie równomiernej grubości wyrobu.

Sposób nawijania, w którym materiał będący zbrojeniem kompozytu przesycony jest płynną osnową, nazywany jest „na mokro”. Jeżeli nawijany materiał występuje w postaci twardego prepregu (nawijanie „na sucho"), należy go podgrzać poprzez przepuszczenie przez podgrzane walce lub ko­morę cieplną, co umożliwia jego dokładne ułożenie na powierzchni foremni­ka. Prepregi (preimpregnaty) są to taśmy, tkaniny lub rowingi przesycone osnową będąca w stanie stałym (rys. 9.5), w których proces utwardzania osnowy został przyhamowany na określonym etapie.

Rys. 9.4. Schemat urządzenia do wytwarzania elementów kompozytowych metodą nawi­jania:

l - szpulki, 2 - rolki prowadzące, 3 - wanna ze spoiwem, 4 - wałki odciskające nadmiar spoiwa, 5 - komora grzewcza,

6 - układacz, 7 - foremnik, 8 - nawijany półfa­brykat, 9 - prowadnica

Rys. 9.5. Schemat wytwarzania preimpregnatów: l - rama natykowa, 2 - włókna, 3 - wanna ze spoiwem, 4 - suszarka (l 10...115 °C),

5 - gotowa taśma, 6 - bęben

Na osnowy prepregów stosowane są specjalne kompozycje żywiczne i odpowiednie rodzaje utwardzaczy dobrane tak, aby w temperaturze bliskiej normalnej rekcja utwardzania nie przekroczyła pewnego stopnia. Dalszy etap reakcji utwardzania wymaga ogrzania tworzywa preimpregnatu do odpo­wiednio wysokiej temperatury (rzędu 80...120 °C, zależnie od rodzaju kom­pozycji żywicznej).

Nawijanie z zastosowaniem prepregów jest częściej stosowane w pro­dukcji lotniczej niż nawijanie „na mokro", gdyż umożliwia łatwiejszą kon­trolę poprawnego zbrojenia wyrobów oraz zapewnia bardziej równomierne rozmieszczenie osnowy wzdłuż grubości ścianki, co podwyższa jakość wyrobu.

Metodą nawijania wykonuje się zbiorniki, komory oraz wysokociśnie­niowe butle kuliste i cylindryczne, ze szczelnymi denkami lub mającymi otwory (rys. 9.6).

Rys. 9.6. Sposoby nawijania: a - podłużno-poprzeczne, b - spiralne, c - poprzeczno-spiralne

9.3. Technologia wykonywania konstrukcji przekładkowych

Polimerowe materiały kompozytowe wzmacniane włóknami stosuje się do wytwarzania lotniczych konstrukcji przekładkowych. Z materiałów takich wykonuje się zarówno okładziny takich konstrukcji, jak i wypełniacze ko­mórkowe. Podstawowymi metodami wytwarzania wypełniaczy komórko­wych z materiałów niemetalowych (tkanin bawełnianych, tkanin szklanych, papieru) są:

• kształtowanie arkuszy tkaniny przesyconej spoiwem;

• kształtowanie arkuszy tkaniny, sklejanie z nich bloków, a następnie przesycanie ich spoiwem;

• klejenie pakietów tkaniny, rozciąganie ich i przesycanie;

• tkanie przestrzenne (objętościowe) i przesycanie.

Z polimerowych materiałów kompozytowych wytwarza się wiele ele­mentów współczesnych statków powietrznych w postaci konstrukcji prze­kładkowych. Przy ich wytwarzaniu można bazować na konturze zewnętrz­nym (powierzchni zewnętrznej) wytwarzanej części (metoda bardziej dokładnego odtwarzania geometrii) lub na konturze wewnętrznym (łatwiej­szy proces technologiczny).

Typowy proces technologiczny wytwarzania z materiałów kompozyto­wych pokrycia konstrukcji przekładkowej składa się z czterech podstawo­wych operacji (rys. 9.7):

• formowania na stemplu okładziny wewnętrznej i utwardzania jej,

• formowania w matrycy okładziny zewnętrznej i utwardzania jej,

• przyklejenia do wykładziny zewnętrznej umieszczonej w matrycy wy­pełniacza komórkowego o określonej wysokości,

• ostatecznego kształtowania wykonywanego podzespołu poprzez skleje­nie wypełniacza z okładziną wewnętrzną, z wykorzystaniem formy jaką tworzą stempel i matryca.

Rys. 9.7. Kolejne etapy wytwarzania przekładkowego pokrycia kompozytowego przy bazowaniu na jego zewnętrznym konturze: l - stempel, 2 - matryca, 3 - wewnętrzna okładzina, 4 - zewnętrzna okładzina, 5 - wypełniacz komórkowy,

6 - elastyczna przepona

Proces technologiczny wytwarzania z materiałów kompozytowych kon­strukcji przekładkowej, przy bazowaniu na konturze wewnętrznym wyrobu, nie zapewnia wysokiej dokładności odwzorowania powierzchni zewnętrznej wyrobu. W procesie takim wykorzystuje się tylko jeden foremnik - stempel. Proces taki składa się z trzech podstawowych operacji (rys. 9.8):

kształtowanie na foremniku okładziny wewnętrznej o ściśle określonej grubości i utwardzenie jej,

przyklejenia wypełniacza komórkowego do wytworzonej okładziny,

formowania na wypełniaczu okładziny zewnętrznej i utwardzenia jej.

W przedstawionej metodzie, w celu zwiększenia dokładności odwzoro­wania powierzchni zewnętrznej wyrobu, przyklejony do wykładziny wewnętrznej wypełniacz czasami poddaje się obróbce mechanicznej nadają­cej mu ostateczny kształt.

Rys. 9.8. Kolejne operacje wytwarzania przekładkowego porycia kompozytowego, przy bazowaniu na jego wewnętrznym konturze: l - foremnik, 2 - elastyczna przepona, 3 - wewnętrzna okładzina, 4 - wypełniacz komórkowy,

5 - zewnętrzna okładzina

Proces technologiczny wytwarzania kompozytowych pokryć przekład­kowych z wypełniaczami piankowymi (rys. 9.9) niewiele różni się od wy­twarzania takich pokryć z wypełniaczami komórkowymi. W procesie technologicznym wykorzystywana jest matryca i stempel tworzące po złożeniu formę. Operacja wklejania wypełniacza zastąpiona jest operacją wlewania do matrycy zawierającej pokrycie zewnętrze, kompozycji spieniającej się oraz spienienia jej i utwardzenia po złożeniu formy i wytworzeniu odpowiedniej, podwyższonej temperatury.

Rys. 9.9. Kolejne operacje wytwarzania przekładkowego pokrycia kompozytowego z wypełniaczem piankowym: l - stempel, 2 - matryca, 3 - elastyczna przepona, 4 - we­wnętrzna okładzina, 5 - zewnętrzna okładzina, 6 - płynna kompozycja samospieniająca, 7 - pianka

9.4. Technologia wykonywania kompozytowych łopat WN

Łopaty wirników nośnych współczesnych śmigłowców wykonywane są z materiałów kompozytowych, najczęściej jako połączenie kompozytowych dźwigarów i przekładkowych sekcji spływowych łopat Kompozytowy dźwigar łopaty klejony jest z kilku części (rys. 9.10) - wstępnie uformowanych pakietów kompozytowych i masy przeciwflatterowej.

Rys. 9.10. Schemat podziału technologicznego dźwigara łopaty nośnej śmigłowca: l, 2, 3 - pakiety formowane z materiału kompozytowego, 4 -masa przeciwflatterowa, 5 - guma

Proces technologiczny wykonania takiego dźwigara (rys. 9.11) składa się z operacji:

1. przycinania tkaniny wzmacniającej wg szablonów,

2. przesycania wykrojów tkaniny spoiwem, układania ich w odpowiedniej kolejności na foremnikach, pokrytych środkami antyadhezyjnymi, odwzorowujących części dźwigara,

Rys. 9.11. Podstawowe etapy procesu technologicznego wykonywania kompozytowego dźwigara łopaty nośnej śmigłowca: a - składanie pakietu, b - wstępne kształtowanie pa­kietu, c - składanie i łączenie części dźwigara oraz nadanie mu ostatecznego kształtu, l - foremnik, 2 - warstwy tkaniny, 3 - autoklaw, 4 - elastyczna przepona, 5 - przewód do pompy próżniowej, 6 - forma ciśnieniowa, 7 - gumowy rękaw, 8 - podgrzewacz elek­tryczny

3. formowania i wstępnego (częściowego) utwardzania pakietów w autoklawach,

4. składania części dźwigara w sztywnej formie, pokrytej środkiem antyadhezyjnym, odwzorowującej kształt dźwigara oraz wprowadzenia do wnętrza dźwigara gumowego rękawa,

5. łączenia części dźwigara i utwardzania spoiwa elementów kompozytowych pod wysokim ciśnieniem w określonej temperaturze,

6. chłodzenia dźwigara pod ciśnieniem do temperatury 40..50 °C, redukcji ciśnienia, usunięcia gumowego rękawa i ostatecznego utwardzenia spoiwa w kolejnej podwyższonej temperaturze,

7. kontroli jakości montażu, wymiarów geometrycznych, zwichrowania i masy.

Kontrola jakości podzespołów wytwarzanych z materiałów kompozytowych polega głównie na ścisłej kontroli przestrzegania procesów technologicznych ich wytwarzania. Kontroli podlegają:

• materiały stosowane do wytwarzania kompozytów,

• jakość przygotowania powierzchni,

• lepkość i zużycie spoiw,

• prawidłowość układania zbrojenia (rowingów, taśm, tkanin),

• zakresy stosowanych ciśnień i temperatury oraz czas utwardzania spoiwa.

W gotowych wyrobach sprawdza się wizualnie kształt i wymiary geometryczne, jakość powierzchni (występowanie wybrzuszeń, teksturę, falistość, mikropęknięcia, szczeliny w miejscach połączeń) oraz wytrzymałość. Pokrycia anten podlegają również badaniom określającym ich właściwości fizyczne (radioprzeźroczystość).

Włókno węglowe (włókno karbonizowane, ang. carbon fibre) - włókno składające się prawie wyłącznie z rozciągniętych struktur węglowych podobnych chemicznie do grafitu.

Ich wysoce zorganizowana struktura nadaje im dużą wytrzymałość mechaniczną, a fakt, że składają się prawie wyłącznie z grafitu, powoduje, że są one nietopliwe i odporne chemicznie. Włókna te są stosowane jako materiał konstrukcyjny w wielu laminatach, które wspólnie nazywa się czasami "karbonami".

Włókna te dzieli się na dwa rodzaje:

Właściwie włókna węglowe, które zawierają 80-98% węgla, ich grafitowa struktura jest słabo rozwinięta i mało zorientowana; włókna węglowe z poliakrylonitrylu mają moduł Younga E ok. 90 GPa, a wytrzymałość na rozciąganie Rr ok. 900 MPa

Włókna grafitowe zawierają ok. 99% węgla z dobrze wykształconą i zorientowaną grafitową strukturą krystaliczną; włókno grafitowe z poliakrylonitrylu mają moduł E ok. 420 GPa, wytrzymałość Rr ok. 2500 MPa.

3

5

8

podawanie powietrza (pary lub wody)

---