Разработка автоматизированной технологии изготовления трубчатых трансформируемых элементов из термопластичных композиционных материалов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.11.14, кандидат наук Ювшин Александр Михайлович

• Ювшин Александр Михайлович
• кандидат наук
• 2021

Оглавление диссертации кандидат наук Ювшин Александр Михайлович

Реферат

Synopsis

Введение

Глава 1. Трансформируемые конструкции и элементы

1.1 Классификация трансформируемых конструкций и элементов

1.2 Требования, предъявляемые к трансформируемым конструкциям и элементам

1.3 Материалы для изготовления трансформируемых конструкций

1.4 Виды армирующего наполнителя композиционного материала

1.5 Виды матриц композиционного материала

1.6 Методы изготовления трубчатых трансформируемых элементов из термопластичных полимерных композиционных материалов

1.7 Выводы по главе

Глава 2. Программа и методика экспериментальных исследований

2.1 Разработка программы и методики испытаний прочностных характеристик экспериментальных образцов трансформируемого трубчатого элемента

2.2 Материально техническое обеспечение экспериментальных исследований

2.3 Элементы конструкции лабораторного оборудования

2.3.1 Узел размотки и намотки

2.3.2 Узел нагрева

2.3.3 Узел формовки

2.3.4 Приводные элементы

2.4 Выводы по главе

Глава 3. Исследование прочностных характеристик трубчатых трансформируемых элементов из ТПКМ

3.1 Анализ технологических режимов изготовления трансформируемого трубчатого элемента из термопластичного ПКМ

3.2 Изготовление образцов и определение их упруго-прочностных характеристик

3.2.1 Анализ результатов, полученных при испытании трансформируемого трубчатого элемента из термопластичного ПКМ, армированного углетканью марки УТН180-3/3-200П70/30

3.2.2 Анализ результатов, полученных при испытании трансформируемого трубчатого элемента из термопластичного ПКМ, армированного комбинированной тканью уголь/стекло

3.2.3 Определение прочностных характеристик трансформируемого элемента из термопластичного ПКМ, армированного углетканью, изготовленного по рациональным технологическим режимам

3.3 Выводы по главе

Глава 4. Автоматизированная технология изготовления трубчатых трансформируемых конструкций из термопластичного ПКМ

4.1 Технические средства автоматизации процесса изготовления трансформируемого трубчатого элемента из термопластичного ПКМ

4.2 Средства контроля технологического процесса изготовления трансформируемого трубчатого элемента из термопластичного ПКМ

4.3 Мониторинг и анализ технологических параметров изготовления трансформируемого трубчатого элемента из термопластичного ПКМ

4.4 Выводы по главе

Заключение

Список сокращений и условных обозначений

Список литературы

Приложение А

Приложение Б

Приложение В

Приложение Г

Приложение Д

Приложение Е

Приложение Ж

Приложение И

Тексты публикаций

Реферат

Актуальность работы и степень ее разработанности. В ходе исследования космоса инженеры столкнулись с проблемой обеспечения упаковки приборов и инструментов, необходимых для исследования космического пространства, в замкнутом и ограниченном объеме космического аппарата (КА), а также их оперативного и точного выведения за его пределы. В связи с чем, инженерами и конструкторами были спроектированы и разработаны трансформируемые конструкции.

Трансформируемые конструкции - это вид изделий, состоящих из трансформируемых элементов, которые могут изменять свою конфигурацию в автономном режиме. Изменение конфигурации представляет собой переход от компактной формы к развернутой, который можно сравнить с раскрытием зонта, или с открытками, изготовленными по технике киригами. Трансформируемые конструкции нашли свое широкое применение в составе малых спутниковых аппаратов (СА) в качестве несущих конструкций солнечных батарей, парусов, систем ориентации спутника, антенн, рефлекторов и других инструментов, работающих за пределами СА, а также в качестве наземных конструкций антенн связи [1].

Трансформируемые элементы изготавливались из магниевых и бериллиевых сплавов, но вследствие современных тенденций по снижению себестоимости запуска СА на околоземную орбиту, увеличение срока службы СА и переход к малым и сверхмалым СА, трансформируемые элементы начали изготавливать из полимерных композиционных материалов (ПКМ) [1, 2]. Современные трансформируемые элементы изготавливают в большей степени из термореактивного ПКМ [1-4, 6-18].

Исследования в области разработки трансформируемых элементов ведется странами Европы, США и Россией [1, 2, 36, 37]. Несмотря на их многолетнее применение в составе трансформируемых конструкций СА, до сих пор существуют проблемы с разработкой и изготовлением трансформируемых элементов из термореактивных ПКМ, процесс изготовления является полностью ручным и трудоемким. Применение же термопластичных связующие дают ряд преимуществ по

сравнению с термореактивными при изготовлении трансформируемых конструкций и элементов [7, 24, 25]: меньшая трудоемкость процесса изготовления, широкие возможности автоматизации, стойкость к радиационному и ультрафиолетовому излучению [23, 24]. Также существует недостаточность практического и теоретического материала, объясняющего механизмы трансформации и их взаимосвязи с технологическими режимами изготовления.

Проблемой моделирования процессов трансформации, упруго-прочностных свойств трансформируемых элементов и ПКМ занимаются такие авторы как: Knott G., Pankow M., Ekelow. J. и Hakkak, F., S. Khoddam, S., ZhongYi Chu, YiAn Lei., Bezzazi B. и другие. Результаты их исследований представлены в работах [6, 8-11, 14-17]. Вопросы изготовления трансформируемых элементов и факторов, влияющих на способность к трансформации, отражены в работах [2, 3, 7, 12, 13, 18, 19] таких авторов как: Daton-Lovett A. J., Leipold M., Ekelow J., Florian H., Herlem F., Herbeck L. В работах российских ученых особое внимание уделяется моделированию процесса раскрытия трансформируемых конструкций и воздействие его на КА, созданию методик и средств испытаний трансформируемых конструкций и моделированию физико-механических свойств ПКМ, используемых в данных конструкциях и элементах. Данным проблемам посвящены работы [20-24] таких ученых как: Маринин Д. А., Митин Ф. В., Гриневич Д. В., Френкель М. М., Марков А. В. Однако, в представленных работах не рассматриваются вопросы изготовления трансформируемых элементов, влияние технологических параметров изготовления на прочностные характеристики и способности к трансформации, а также применение термопластичного полимерного связующего в составе ПКМ для изготовления трансформируемых конструкций и элементов.

Целью работы является разработка научно-обоснованного технологического процесса и оборудования для изготовления трансформируемых трубчатых элементов из термопластичного ПКМ, обеспечивающих их прочностные характеристики.

Задачи исследования:

1. Проанализировать существующие технологии, материалы и методы изготовления трансформируемых конструкций и элементов и определить основные требования к данным изделиям.

2. Разработать и научно обосновать методику определения рациональных температурно-скоростных режимов формования и конструктивных параметров лабораторного оборудования, позволяющих изготавливать трансформируемые трубчатые элементы из термопластичного ПКМ.

3. Определить зависимость, учитывающую связь между технологическими режимами и прочностными характеристиками трансформируемых трубчатых элементов из термопластичного ПКМ.

4. Изготовить опытный образец лабораторного оборудования для проведения экспериментальных исследований.

5. Исследовать связь между технологическими режимами и конструктивными параметрами лабораторного оборудования и прочностными характеристиками трансформируемых трубчатых элементов из термопластичного ПКМ в результате экспериментальных исследований.

6. Разработать аппаратно-программный комплекс, обеспечивающий автоматизацию процесса изготовления трансформируемых трубчатых элементов из термопластичного ПКМ.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка автоматизированной технологии изготовления трубчатых трансформируемых элементов из термопластичных композиционных материалов»

Научная новизна работы.

1. Впервые исследовано влияние технологических режимов изготовления трансформируемых трубчатых элементов из термопластичного ПКМ на их прочностные характеристики.

2. Установлены режимы технологического процесса изготовления трансформируемых трубчатых элементов из термопластичных ПКМ, сведения о которых отсутствуют в литературе.

3. Установлена зависимость критического усилия сжатия и изгиба от темпе-ратурно-скоростных параметров технологического процесса изготовления трансформируемого трубчатого элемента из термопластичного ПКМ.

Теоретическая значимость работы заключается в разработанной методике определения рациональных температурно-скоростных режимов формования и конструктивных параметров лабораторного оборудования, позволяющих изготавливать трансформируемые трубчатые элементы из термопластичного ПКМ.

Практическая значимость работы заключается в предлагаемой технологии изготовления трансформируемого трубчатого элемента, в разработанном лабораторном оборудовании и программно-аппаратном комплексе, обеспечивающих заданные прочностные характеристики изделия. Методы исследования.

В ходе исследования применялись методы анализа, синтеза и обобщения теоретического и практического материала. В работе использовались основные положения теории планирования эксперимента. Обработка полученных результатов исследования производилась при помощи методов математической статистики с использованием программных сред Excel и Minitab.

Соответствие паспорту специальности: работа соответствует п. 4 области исследования паспорта специальности 05.11.14 - Технология приборостроения «Изыскание и внедрение новых материалов для приборов и их элементов, методов модификации их свойств, обеспечивающих создание приборов на новых физических принципах», а также п. 6 «Разработка, исследование и внедрение новых видов технологического оборудования для изготовления деталей, сборки, регулировки, контроля и испытаний приборов». Положения, выносимые на защиту: 1. Совокупность выявленных зависимостей между технологическими режимами и прочностными характеристиками трансформируемого трубчатого элемента из термопластичного ПКМ позволяет уменьшить число итераций

при проектировании и технологической подготовке производства новых изделий.

2. Технология и технологические режимы изготовления трансформируемого трубчатого элемента из термопластичного ПКМ обеспечивают выполнение требований к данным изделиям.

3. Разработанное оборудование и программно-аппаратные средства автоматизации технологического процесса изготовления трансформируемого трубчатого элемента из термопластичного ПКМ позволяет обеспечить заданные прочностные характеристики трансформируемых трубчатых элементов из термопластичного ПКМ.

Достоверность научных достижений.

Достоверность подтверждается согласованностью проделанного аналитического обзора, теоретических расчетов и результатов экспериментальных исследований, основанных на теории планирования экспериментов, представленных в работе, публикациями в рецензируемых журналах, а также справкой о внедрении полученных результатов в работу кампании ООО «Би Питрон СП». Внедрение результатов работы.

Разработанная технология изготовления трансформируемого трубчатого элемента из термопластичного полимерного композиционного материала и выявленные зависимости прочностных характеристик от технологических режимов изготовления используются в рамках выполняемых научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ, проводимых в ООО «Би Питрон СП».

Результаты работы использовались при выполнении следующих НИОКР:

1. НИОКР для подготовки магистрантов и аспирантов «Разработка методов создания и внедрения киберфизических систем», фонд учебной нагрузки Университета ИТМО.

2. НИОКР для подготовки магистрантов и аспирантов «Разработка методов интеллектуального управления киберфизическими системами с использованием квантовых технологий», фонд учебной нагрузки Университета ИТМО.

Апробация результатов работы.

Основные результаты работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях:

- XXII Международная научно-практическая конференция, посвященная памяти генерального конструктора ракетно-космических систем академика Михаила Федоровича Решетнева, Красноярск, 2018 г.

- III Научно-техническая конференция «Приборы и методы неразруша-ющего контроля качества изделий и конструкций из композиционных и неоднородных материалов НККМ-2018», Санкт-Петербург, 2018 г.

- XLVII научная и учебно-методическая конференция Университета ИТМО, Санкт-Петербург, 2018 г.

- XLVIII научная и учебно-методическая конференция Университета ИТМО, Санкт-Петербург, 2019 г.

- VIII Конгресс молодых ученых (КМУ), Санкт-Петербург, 2019 г.

- 2020 International Multi-Conference on Industrial Engineering and Modern Technologies (FarEastCon), Владивосток, 2020 г.

- Международная конференция «Композитные материалы и конструкции», Москва, 2020 г.

- Пятидесятая научная и учебно-методическая конференция Университета ИТМО, Санкт-Петербург, 2021 г.

Личный вклад автора.

Заключается в постановке цели и задач теоретических и экспериментальных исследований, формулировке научных положений, планировании, проведении и обработке результатов экспериментов. Все приведенные в работе проектные и конструкторские работы, а также изготовление экспериментальных образцов выполнены лично соискателем, либо при непосредственном участии.

Автор выражает благодарность сотрудникам компании ООО «Би Питрон СП», сотрудникам ООО «НТЦ «Эталон», а также Яблочникову Евгению Ивановичу за поддержку на протяжении всего периода обучения в аспирантуре.

Структура и объем диссертации.

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложений. Основные материалы работы изложены на 130 страницах машинописного текста, в том числе содержат 45 таблиц, 58 рисунка, 81 наименования литературы и 8 приложений.

Публикации.

По теме диссертации опубликовано 4 работы, из них 2 публикации в изданиях, рецензируемых Scopus, 1 публикация из перечня ВАК, 1 публикация в иных изданиях.

В международных изданиях, индексируемых в базе данных S^pus:

1. Iuvshin A.M., Andreev Y.S., Tretyakov S.D. Development of Forming Method of Deployable Boom from Thermoplastic Polymer Composite //Key Engineering Materials. - Trans Tech Publications Ltd, 2021. - Т. 887. - С. 105-109.

2. Iuvshin A.M., Tretyakov S.D., Andreev Y.S., Gibadullin I.N. Thermoplastic Polymer Composites Production by Automated Fiber Placement Method // Key Engineering Materials - 2020, Vol. 836, pp. 78-83.

В изданиях из перечня ВАК РФ:

1. Ювшин А.М., Андреев Ю.С., Восоркин А.С., Яблочников Е.И. Роботизированный комплекс для реализации технологии автоматизированной выкладки изделий из термопластичных композиционных материалов // Известия высших учебных заведений. Приборостроение - 2018. - Т. 61. - № 8. - С. 672-677.

В прочих изданиях:

1. Ювшин А.М. Разработка технологии трансформируемого трубчатого элемента из термопластичного полимерного композиционного материала // Альманах научных работ молодых ученых Университета ИТМО - 2019. - Т. 2. - С. 168-172.

2. Ювшин А.М. Исследование и разработка методов формирования неразъемных соединений деталей волноводов из термопластичных композиционных материалов // Альманах научных работ молодых ученых Университета ИТМО -2016. -Т. 5. - С. 300-302.

Содержание работы.

Во введение представлена и обоснована актуальность темы исследования, сформулирована цель и определены задачи. Представлена научная новизна, практическая и теоретическая значимость работы, а также представлены положения, выносимые на защиту.

В первой главе была определена область применения трансформируемых конструкций и элементов. Трансформируемые конструкции - это вид изделий, состоящих из трансформируемых элементов, которые могут изменять свою конфигурацию в автономном режиме (рисунок 1).

а) трансформируемый трубчатый элемент; б) трансформируемая конструкция, рефлектор

Рисунок 1 - Пример трансформируемых конструкций и элементов

Трансформируемые конструкции нашли свое применение в составе малых спутниковых аппаратов, в качестве устройств, позволяющих выводить различную полезную нагрузку за их пределы. Полезная нагрузка спутникового аппарата представляет из себя такие устройства и инструменты как: солнечные паруса, солнечные батареи, различные научные инструменты и системы связи. Поэтому для более плотной упаковки, снижения массы и стоимости запуска малого спутникового аппарата используются трансформируемые конструкции и элементы. В подразделе 1.2 приведена классификация трансформируемых конструкций и элементов.

Исходя из результатов классификации для дальнейших исследований были выбраны трансформируемые трубчатые элементы, которые обладают такими преимуществами перед другими элементами как: высокая масса полезной нагрузки (до 50 кг), низкий коэффициент упаковки (0,05), большая длина трансформации (до 50 м), простота в изготовлении и хранении, отсутствие активного управления трансформацией. В результате анализа открытых источников были сформулированы эксплуатационные и прочностные требования, предъявляемые к трансформируемым трубчатым элементам. Учитывая требования для изготовления трансформируемого трубчатого элемента, в подразделе 1.3 представлено обоснование выбора термопластичного ПКМ с полимерной матрицей в виде PEEK, армированного тканью с углеродным или стеклянным волокном. Выбранная термопластичная полимерная матрица обладает высокими эксплуатационными характеристиками, такими как: высокая радиационная и ультрафиолетовая стойкость, низкая плотность, высокая температура эксплуатации. Армирующий наполнитель в виде углеволокна был выбран благодаря его высоким прочностным характеристикам и низкой плотности. Стекловолокно было выбрано из-за наличия низкого модуля упругости. По результатам проведенного анализа был установлен метод и технология изготовления трансформируемого трубчатого элемента из термопластичного ПКМ.

Во второй главе разработана программа и методики испытаний для проведения экспериментов, направленных на исследование прочностных характеристик трансформируемого трубчатого элемента из термопластичного ПКМ. Программа и методика содержит следующую информацию: порядок и условия проведения экспериментов, схемы испытания образцов, материально-техническое оснащение.

Объектом испытаний является экспериментальные образцы трансформируемого трубчатого элемента из термопластичного ПКМ, изготовленных по разработанной технологии.

Технологический процесс профилирования фасонными вращающимися подогреваемыми валами трансформируемого трубчатого элемента из термопластичного ПКМ технологии состоит из следующих переходов:

- размотка материала с катушки узла размотки. При этом узел должен обеспечивать необходимое натяжение;

- нагрев термопластичного ПКМ до температуры плавления;

- формообразование трансформируемого трубчатого элемента в узле формовки;

- охлаждение трансформируемого трубчатого элемента во время прохождения между двумя парами формовочных валов;

- намотка сформованного профиля на приемную катушку.

Экспериментальный образец представляет из себя тонкостенную оболочку,

изготовленную из термопластичного ПКМ (Victrex 150CA30 PEEK, армированный углетканью УТН180-3/3-200П70/30 и Victrex 150CA30 PEEK, армированный комбинированной тканью уголь/стекло). Целью испытаний являлось определение прочностных характеристик экспериментального образца трансформируемого трубчатого элемента при различных технологических режимах его изготовления. Программа и методика испытаний содержит четыре основных этапа:

1 этап: подготовка к испытанию - в рамках данного этапа были определены условия испытаний.

2 этап: испытания для определения соответствия геометрических форм, размеров и массы - проводились путем измерения высоты профиля (h), диаметра (D) и массы трансформируемого трубчатого элемента (рисунок 2).

Рисунок 2 - Образец для проверки соответствия геометрических форм, размеров и

массы

3 Этап: испытания на сжатие - испытания для определения критического усилия сжатия трансформируемого трубчатого элемента.

4 этап: испытания на изгиб - испытания для определения критического усилия изгиба трансформируемого трубчатого элемента.

Для каждого этапа выбрано необходимое материально-техническое обеспечение испытаний включающее в себя оборудование (средства) и материалы для метрологического и технологического обеспечения условий проведения испытаний.

Во второй части главы описан процесс проектирования и изготовления лабораторного оборудования необходимого для подготовки экспериментальных образцов трансформируемого трубчатого элемента из термопластичного ПКМ. С учетом выбранной технологии формования трансформируемого трубчатого элемента лабораторная установка должна реализовывать перемещение заготовки, ее нагрев и поэтапное формование. Для обеспечения этих процессов в установке предусмотрены следующие основные узлы: узел размотки, ровнитель, узел нагрева, промежуточный подогрев, узел формовки, узел намотки, натяжитель и привод (рисунок

3).

Рисунок 3 - Модель лабораторной установки для изготовления трансформируемого трубчатого элемента

Узел размотки предназначен для размотки исходного ПКМ с катушки для дальнейшего формообразования. Сам узел состоит из подшипниковых узлов, катушки с материалом и дискового фрикциона, который обеспечивает необходимое натяжение для прямолинейной подачи термопластичного ПКМ в зону формообразования и предотвращения образования складок и заломов во время формообразования. При проектировании данного узла был произведен расчёт фрикциона для обеспечения оптимального натяжения при формообразовании трубчатого элемента.

Узел намотки обеспечивает намотку на приёмную катушку трубчатого элемента и создаёт необходимое натяжение. Он состоит из подшипниковых узлов, фрикционной муфты и приемной катушки. Фрикционная муфта обеспечивает синхронизацию угловых скоростей приводных фасонных валов и приемной катушки за счет проскальзывания звездочки на валу.

Для обеспечения расплавления термопластичного ПКМ произведён расчёт мощности нагревателей узла нагрева.

Узел формовки состоит из формообразующих валов, блока токосъемных колец и блока графитовых щеток. Для проверки геометрических построений сечений развертки профиля было произведено моделирование формования профиля. Выполнен расчет нагревательных элементов.

Расчет приводных элементов производился с учетом кинематической схемы лабораторной установки.

Проведенная серия расчетов характеристик узлов лабораторного оборудования позволила подобрать необходимые комплектующие для изготовления и сборки оборудования (рисунок 4).

Рисунок 4 - Лабораторная установка

Третья глава посвящена описанию экспериментальных исследований степени влияния технологических параметров изготовления на прочностные характеристики элемента. Планирование эксперимента и анализ результатов проведены с применением метода Тагути. Метод Тагути позволяет оценить влияние большого количества факторов с проведением малого числа натурных испытаний, что очень важно при работе с дорогостоящим термопластичным ПКМ на основе РЕЕК. Согласно методу Тагути были определены технологические параметры (факторы), влияющие на прочностные характеристики изготавливаемых трансформируемых трубчатых элементов, и для каждого фактора были установлено три уровня их значений (таблица 1). В ходе планирования эксперимента была выбрана ортогональная матрица Ь9(34), в результате чего были составлены матрицы Тагути и проведены испытания полученных трансформируемых трубчатых элементов на осевое сжатие и изгиб, а также на определение соответствия геометрических форм, размеров и массы, согласно разработанной программе и методике испытаний.

Таблица 1 - Факторы эксперимента и их уровни

Фактор Уровни обработки

1 2 3

А Температура нагрева первой пары клети, °С 295 300 305

В Температура нагрева второй пары клети, °С 282 287 292

С Температура промежуточного подогрева, °С 282 287 292

В Скорость протягивания ПКМ, м/мин 0,5 1,5 2,5

В результате экспериментальных исследований (рисунок 5, рисунок 6), трансформируемых трубчатых элементов, изготовленных из термопластичного ПКМ, армированного углетканью, и термопластичного ПКМ, армированного гибридной тканью (уголь, стекло), было установлено, что максимальное критическое осевое усилие сжатия и критическое усилие изгиба у трансформируемого трубчатого элемента из термопластичного ПКМ, армированного углетканью, достигается при температурах формообразования от 305 до 292 °С, температурой промежуточного подогрева 292 °С и скоростью процесса формообразования, равного 1,5 м/мин. Определено, что максимальное критическое осевое усилие сжатия и критическое усилие изгиба у трансформируемого трубчатого элемента из термопластичного ПКМ, армированного гибридной тканью, достигается при температурах формообразования от 295 до 292 °С, температурой промежуточного подогрева от 282 до 292 °С и скоростью процесса формообразования равного от 0,5 до 1,5 м/мин. Установлено, что трансформируемый трубчатый элемент, из термопластичного ПКМ, армированный углеродной тканью, обладает более высокими показателями критического осевого усилия сжатия и изгиба, по сравнению с трансформируемым трубчатым элементом из термопластичного ПКМ, армированного гибридной тканью. В сравнении общих средних значений критического осевого усилия сжатия и критического усилия изгиба, по сжатию трансформируемый трубчатый элемент из углеродной ткани превосходит трансформируемый трубчатый элемент, армированный гибридной тканью в 1,44 раза, по изгибу в 1,66 раза. Полученные образцы

трансформируемого трубчатого элемента из ПКМ, армированного углетканью и гибридной тканью, отвечают предъявляемым к ним требованиям по погонной массе, критическому осевому усилию сжатия и критическому изгибному усилию. Полученные зависимости позволят гарантировать необходимые характеристики при изготовлении различных по форме и геометрии трансформируемых трубчатых элементов из термопластичного ПКМ, армированного углеродной тканью на основе PEEK.

а) испытания на сжатие трансформируемого трубчатого элемента из термопластичного ПКМ, армированного углеродной тканью; б) испытания на сжатие трансформируемого трубчатого элемента из термопластичного ПКМ, армированного гибридной тканью; Рисунок 5 - Испытания на сжатие трансформируемого трубчатого элемента

а) испытания на изгиб трансформируемого трубчатого элемента из термопластичного ПКМ, армированного гибридной тканью; б) испытания на сжатие трансформируемого трубчатого элемента из термопластичного ПКМ, армированного углеродной тканью;

Рисунок 6 - Испытания изгиб трансформируемого трубчатого элемента

В четвертой главе представлены программно-аппаратные средства автоматизации технологического процесса изготовления трансформируемого трубчатого элемента из термопластичного ПКМ, позволяющие обеспечить заданные прочностные характеристики. Автоматизация технологического процесса изготовления трубчатых трансформируемых элементов из термопластичных ПКМ выполнена с учетом рекомендаций следующих стандартов ЕСКД в области автоматизации технологических процессов: ГОСТ 31.201, ГОСТ 24.302, ГОСТ 21.208, ГОСТ 34.60190, ГОСТ 21.208-2013.

В рамках работы предложена и реализована схема автоматизации системы управления технологическим процессом изготовления трансформируемого трубчатого элемента из термопластичного ПКМ, включающая в себя программные и технические средства. Предлагаемая схема состоит из двух основных блоков:

- технические средства автоматизации: к техническим средствам автоматизации относят приборы, регуляторы, а также электроаппараты, щиты.

- контур контроля, регулирования и управления: совокупность отдельных функционально связанных технических средств автоматизации,

выполняющих определенную задачу по контролю, регулированию, сигнализации и управлению.

Для каждого блока проведено обоснование и выбор технических средств и построена схема автоматизации (рисунок 7). Для регистрации и контроля параметров технологического процесса изготовления трансформируемого трубчатого элемента из термопластичного ПКМ были определены средства контроля для последующей разработки контура контроля, регулирования и управления. Средства контроля представляют из себя совокупность датчиков и измерительных преобразователей. Для реализации регулирования, сигнализации и мониторинга технологическим процессом изготовления трансформируемого трубчатого элемента из термопластичного ПКМ к контуру контроля была подключена система мониторинга и диспетчеризации '^ппиш.

Рисунок 7 - Схема автоматизации технологического процесса изготовления трансформируемого трубчатого элемента из термопластичного ПКМ

В результате был изготовлен шкаф управления (рисунок 8) и произведено подключение средств автоматизации и контроля к системе '^пдиш (рисунок 9).

а) о) в)

а) левая часть шкафа управления; б) лицевая часть шкафа управления; в) правая

часть шкафа управления Рисунок 8 - Шкаф управления

инфориация об оборудовании Онлайн график сигналов *

С : Г 180 " " "

^ текущие значення сигналов ь * а 0 п*™**™

Я с™»™^ »««И»- 1 -.7 ме*1ег_1оок_у00....е*е Я 'пуе*1 е л 3 *яй\ге-Ме9.г1р " 05 ¡пгеЛвЧоо |5лр а 0 жЛодДеч? а 13 МоЬЬ| га1оая"1 "я 1в Ро119А0...ЛР Л Пкиль к* *

Рисунок 9 - Пример подключенного к '^пдиш двухканального ТРМ202 с термопарами типа К

Разработанная система автоматизации технологического процесса изготовления трансформируемого трубчатого элемента их термопластичного ПКМ обеспечивает мониторинг ключевых параметров технологического процесса, что

позволяет контролировать и изменять технологический процесс в реальном времени, тем самым получая изделия с требуемыми прочностными характеристиками. Сбор информации о параметрах технологического процесса позволяет производить необходимые корректировки для улучшения прочностных и эксплуатационных характеристик трансформируемого трубчатого элемента. Подключенная система диспетчеризации Winnum дает возможность масштабировать систему автоматизации разработанной технологии при производстве трансформируемых элементов более сложной формы и больших размеров путем подключения новых средств автоматизации, датчиков.

В заключении диссертации представлены основные результаты работы, сформулированы выводы, рекомендации по использованию результатов.

Synopsis General Description of the Thesis

Relevance of thesis.

During space exploration, engineers faced a problem of ensuring the packaging of scientific instruments necessary, for space exploration, in a closed and limited volume of a spacecraft, as well as their fast and accurate launching outside of SC. In this connection, deployable structures were designed and developed by engineers.

Deployable structures are a type of products consisting of deployable elements that can change their configuration in an autonomous mode. The change in configuration represents a transition from compact to expanded form, which can be compared to opening an umbrella, or to postcards made using the kirigami technique. Deployable structures have found their wide application as part of small satellite vehicles (SV) as supporting structures of solar batteries, sails, satellite orientation systems, antennas, reflectors and other tools operating outside the satellite, as well as ground antenna structures communication [1].

Deployable structures were made of magnesium and beryllium alloys, but due to modern trends in reducing the cost of launching a spacecraft into near-earth orbit, an increase in the spacecraft service life and the transition to small and ultra-small spacecraft, the deployable structures and elements began to be made of polymer composite materials (PCM) [1, 2]. Modern deployable structures and elements are made to a greater extent from thermosetting PCM [1-4, 6-16, 18].

The development of such structures is carried out by the countries of Europe, the USA and Russia [1, 2, 34, 35]. Despite their long-term use in deployable SV structures, there are still problems with the development and manufacture of transformable elements from thermosetting PCMs; the manufacturing process is completely manual and laborious. The use of thermoplastic binders gives several advantages over thermosetting in the manufacture of transformable structures and elements [7, 24, 25]: lower labor intensity of the manufacturing process, wide automation capabilities, resistance to radiation and

ultraviolet radiation [23, 24]. There is also a lack of practical and theoretical material explaining the mechanisms of transformation and their relationship with the operating practicesof manufacture.

The problem of modeling transformation processes and elastic-strength properties of the transformed elements are dealt with by such authors as: Knott G., Pankow M., Ekelow. J. and Hakkak, F., S. Khoddam, S., ZhongYi Chu, YiAn Lei, Bezzazi B and others. The results of their research are presented in works [6, 8-11, 14-17]. The issues of making deployable elements and factors affecting the ability to transform are reflected in the works [2, 3, 7, 12, 13, 18, 19] by such authors as: Daton-Lovett AJ, Leipold M., Ekelow J., Florian H., Herlem F., Herbeck L. In the works of Russian scientists, special attention is paid to modeling the process of opening transformable structures and their impact on the spacecraft, creating methods and tools for testing transformable structures, and modeling the physical and mechanical properties of PCMs used in these structures and elements. These problems are devoted to the work [20-24] of such scientists as: Marinin D.A., Mitin F.V., Grinevich D.V., Frenkel M.M., Markov A. V. However, the presented works do not consider the issues of manufacturing deployable elements, the influence of technological parameters of manufacturing on strength characteristics and ability to transform, as well as the use of a thermoplastic polymer binder in the composition of PCM for the manufacture of deployable structures and elements.

The aim of the work is to develop a scientifically grounded technological process and equipment for the manufacture of deployable tubular elements from thermoplastic PCM, providing their elastic and strength characteristics.

To achieve this goal, the following tasks have been performed:

1. Analyze existing technologies, materials and methods of manufacturing deployable structures and elements and determine the main requirements for these products.

2. To develop and scientifically substantiate a methodology for determining rational temperature and speed modes of forming and design parameters of laboratory setup that allow the manufacture of deployable tubular elements from thermoplastic PCM.

3. Determine the relationship that considers the relationship between technological factors and strength characteristics of tubular deployable elements made of thermoplastic PCM.

4. Make a sample of laboratory equipment for experimental research.

5. Determine and investigate the relationship between the technological, design parameters of laboratory equipment and the elastic-strength characteristics of the transformed tubular elements made of thermoplastic PCM as a result of experimental studies.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Ювшин Александр Михайлович, 2021 год

Литература

1. Conley P.L. Space vehicle mechanisms. - New York: John Wiley & Sons, INC, 1997. - 769 p.

2. Пат. ЕР 0 891 248 B1 Европа, МПК В29С 61/06, B65G 15/08. An extendible member / Daton-Lovett, Andrew, James. Опубл. 25.03.1997.

3. Fernandez J.M. Advanced deployable shell-based composite booms for small satellite structure applications including solar sails [Электронный ресурс]. - Режим доступа: https://www.researchgate.net/publication/313889971 Advanced Deployable Shell-Based_Composite_Booms_for_Small_Satellite_Structural_Applications_Including_Solar_Sails, своб.

4. Herbeck L., Eiden M., Leipold M., Sickinger C., Unkenbold W. Development and Test of Deployable Ultra-Light Weight CFRP Boom for a Solar Sail [Электронный ресурс]. - Режим доступа:

https://www.researchgate.net/publication/234494867_Development_and_Test_of_Deployable_ Ultra-Lightweight_CFRP-Booms_for_a_Solar_Sail, своб.

5. Wypych G. Handbook of Polymers. - 2nd ed. - Toronto: ChemTec Publishing, 2016. - 712 p.

6. McKeen L.W. The Effect of UV Light and Weather on Plastics and Elastomers. - 3rd ed. -Elsevier, 2013.-400 p.

7. Бабич Л.Н., Бородин Ю.В. Перспективные полимерные материалы, используемые для радиационной защиты // Энергетика: эффективность, надежность, безопасность: материалы XXI Всероссийской научно-технической конференции. — 2015. — С. 261-262.

8. Pellegrino S. Deployable structures. - New York: Springer-Verlag Wien GmbH, 2001. - 360 p. Ozan O., Ozarslan Y. Video lecture watching behaviors of learners in online courses // Educational Media International. - 2016. -V. 53. - P. 27—41.

9. Pluig L., Barton A., Rando N. A review Large deployable structures for astrophysics missions // Astro Astronautica. - 2010. - V. 67. - P. 12-26.

Key Engineering Materials

ISSN: 1662-9795, Vol 887, pp 105-109

doi: 10.4028/www.scientific. net/KEM. 88 7.105

© 2021 Trans Tech Publications Ltd, Switzerland

Submitted: 2020-12-09 Accepted: 2020-12-09 Online: 2021-05-25

Development of Forming Method of Déployable Boom from Thermoplastic Polymer Composite

luvshin A.M.1a, Andreev Y.S.1, Tretyakov S.D.1

1ITMO University, St. Petersburg, Russia [e-mail]

a,

Keywords: Déployable boom, thermoplastics, polymer composite, carbon fiber

Abstract. This paper studies deployable elements which are used in satellites and different terrestrial antenna devices. Many deployable elements are made from steel or thermoset polymer composite materials and have the following disadvantages like length limitation of deployable elements, labour intensity of manufacturing process of deployable elements etc. For this purpose a deployable tube boom element was chosen and a forming method for manufacturing deployable tube element from thermoplastic polymer composite material was developed.

Introduction

In the course of space exploration, engineers faced the challenges of efficient packaging of tools and instruments for space exploration in a closed and limited space of a spacecraft and their fast and accurate launching beyond spacecraft. In this connection engineers designed deployable constructions and elements [1]. Deployable structures are a type of products which consist of deployable elements that can change their configuration automatically. The configuration change represents transition from flattened to deployed form, which can be compared with opening an umbrella, or with postcards are made using the kirigami technique.

Deployable structures are used as part of spacecraft (SC) as supporting structures of solar batteries, sails, satellite orientation systems, antennas, reflectors and other tools operating outside the spacecraft, as well as ground structures of communication antennas [1].

The relevance of this topic is development of a method for forming deployable elements from thermoplastic polymer composite materials (PCM). Scientific novelty of this work is the study of dependency deployable element to deploy from flattened to unfolded form from mechanical characteristics of thermoplastic PCM (tensile strength, modulus of elasticity) which will allow to optimize parameters of the technological process for the manufacture of deployable elements.

The aim of the study is to develop a forming method deployable element from thermoplastic PMC, develop apparatus for manufacturing deployable element and research dependency of the degree of transformability on the elastic-strength properties of thermoplastic PCM. Currently, deployable elements are made of metal alloys and thermosetting PMC and are used in small and ultra-small spacecraft. Deployable structures and elements are classified by the method of transformation and by the types of elements are included in their composition. Thus, the elements are: rod tubular, telescopic, truss, pantographs, ring pantographs, inflatable [2,3].

Technological processes for the manufacture of deployable elements from PMC are quite laborious,

expensive and use manual labor that cannot be automated [4,5,6,7]. Also, the main difficulty of widespread use of PCM for deployable elements is the low level of theoretical studies of the transformation process. Based on the analysis of the literature [8,9,10,11], it is proposed to use a thermoplastic PCM as a material, which gives the following advantages:

reduces the labor intensity of technological processes for manufacturing products;

- provides ample opportunities for automation of manufacturing technologies;

- increases the energy efficiency of technological processes of manufacturing products (use of out-of autoclave technologies);

All rights reserved. No part of contents of this paper may be reproduced or transmitted in any form or by any means without the written permission of Trans Tech Publications Ltd. www.scientmc.net. (#570970224-18/10/21,19:41:45)

106 FarEastCon - Materials and Construction III

- gives opportunities for the subsequent processing of products, reshaping, welding, etc. with multiple heating and cooling, both of the entire product and of its individual parts, without deteriorating of material properties;

- increases resistance to most technical fluids and moisture;

- reduces harm to health during processing and operation of products from thermoplastic PCM.

In analyzing literature sources [6,7,12,13] requirements for deployable elements were defined (Table 1).

Table 1. Requirements for deployable elements

Requirement Value

Mass per unit length, kg/m -0,1

Payload mass, kg from 10 to 50

Operating temperature, °C from - 150 to+150

Packing ratio 0,01-0,02

Deploy length, m from 10 to 50

Bending moment, N*m 4

Radiation and ultraviolet resistance High

In accordance with the requirements, a tubular element with a semicircular cross section was chosen to develop a method for forming the deployable element. This is due to the ease of its manufacture and possibility of improving the forming process. The transformation mechanics of this type deployable element consist in a linear-elastic state of PCM which is achieved with help a specific reinforcement structure. Samples were made of thermoplastic PCM with a matrix of polyetheretherketone (PEEK) and various reinforcing fillers: glass fiber, carbon fiber and a hybrid of glass fiber and carbon fiber, the characteristics of the materials are presented in Table 2 to study the dependence of the elastic-mechanical properties and the degree of transformability. Thermoplastic PCM was obtained according to technology of dry impregnation and passing through the polymer melt.

Table 2. Material characteristic

Sample, № Matrix type Type of reinforcing filler Weft-to-warp ratio Areal density, g/m2 Matrix-to-fiber ratio

1 PEEK Carbon Plain Weave Grade YTH180-3/3-2001170/30 7/1 200 60/40

2 PEEK Hybrid fabric carbon / glass plain weave 10/1 200 60/40

3 PEEK Plain Weave Fiberglass 60/40

During the development of a method for forming a tubular element, assumptions were made about the influence of the degree of crystallinity of PCM and adhesion between the fiber and matrix on the elastic-strength properties. These assumptions are in good agreement with the conclusions made in works [14, 15,16,17,18]. In order to change the properties of PCM, it is necessary to vary such parameters as the melting and recrystallization temperature and the rate of PCM cooling during the technological process. This can be realized by the technology of profiling using temperature-controlled rotating rolls. The study found that to achieve high adhesion and high crystallinity of the polymer it is necessary:

- heat up PCM to a temperature above the melting point to the equilibrium melting point (T ° pi), in order to completely eliminate the crystal structures in the PCM. It will also allow removing internal stresses remaining after the PCM preparation process;

- to obtain the maximum degree of crystallinity and adhesion, it is necessary to provide a cooling rate of 20 to 60 ° C / min;

- the initial temperature of the molding process should be 10 - 20 ° C below the melting point of the material;

- the molding process must be completed before the end of recrystallization, that begins at 40 0 C below the melting point (depending on the type of polymer material, the difference may vary);

- forming must be done gradually, avoiding large bending angles;

- ensure tension and straightness of PCM.

In order to study dependence of the elastic-mechanical properties of PCM on the degree of transformability, it is necessary to implement the following technological and structural elements in the prototype of the testing installation:

- at least two forming rollers for sequential forming of the element;

- each pair of rollers must be temperature-controlled;

- in particular, the first pair of rollers must be able to heat up to 300 ° C;

- to obtain the maximum degree of crystallinity and adhesion, it is necessary to provide a cooling rate of 20 to 60 ° C / min;

- provide the tension adjustment for the thermoplastic PCM ;

- provide temperature control of the forming rolls;

- provide the speed adjusting of the material pulling through the shaping shafts;

- for the correct performance of laboratory tests and identification of forming modes, it is necessary to make movable stands with forming shafts.

As a result, a prototype of the installation shown in Figure 1 was constructed.

The laboratory installation consists of:

1) Unwinding unit, providing unwinding of thermoplastic PCM from a spool.

2) Heating unit consisting of infrared heaters for melting thermoplastic PCM.

3) A forming unit consisting of two pairs of forming rolls. Its heating is carried out by using tubular electric heaters connected to the block of slip rings.

Fig. 1. Model apparatus for manufacturing a déployable tubular element.

108 FarEastCon - Materials and Construction III

4) Winding unit with a clutch for keeps the constant tension of the thermoplastic PCM on the take-up spool in order to avoid folds when forming the transformable element.

Conclusions

During the study, a method of forming a deployable element was developed, a prototype of an installation for its production was developed, and the main technological parameters of the forming process were determined.

The direction of further research is associated with the manufacture of samples with different degrees of crystallinity and adhesion. Carrying out their tests to determine the ultimate strength and modulus of elasticity and setting up an experiment to determine the dependence of the degree of transformability on mechanical characteristics that will ensure the preservation of geometric dimensions during multiple cycles of the transformation. As part of this work, a study of the influence of various matrices and reinforcing filler on the elastic and strength properties of the transformed element will be carried out.

References

[1] Peter L. Conley, Space vehicle mechanisms, John Wiley & Sons, New York INC, 1997.

[2] Pellegrino S. Deployable structures, Springer-Verlag Wien GmbH, New York, 2001.

[3] L. Pluig, A. Barton, N. Rando, A review Large deployable structures for astrophysics missions, Astro Astronautica. 67 (2010) 12-26.

[4] Juan M. Fernandez., Advanced deployable shell-based composite booms for small satellite structure applications including solar sails, Conference: 4th International Symposium on Solar Sailing. Kyoto, Japan, January 2017.

[5] L. Herbeck, M. Eiden, M. Leipold, C. Sickinger, W. Unkenbold, Development and Test of Deployable Ultra-Light Weight CFRP Boom for a Solar Sail, Conference on Spacecraft Structures, Materials and Mechanical Testing. Noordwijk, 2000.

[6] F. Herlem, Modeling and Manufacturing of a Composite Bi-Stable Boom for Small Satellites, PhD thesis, Roayl Institute of Technology, Sweden, 2014.

[7] M. Pankow, C. White, Design and testing of Bi-Stable booms for space application, In. Conf. 20th on Composite Materials, Copenhagen, July, 2015.

[8] P.K. Mallick, Fiber-Reinforced Composites Materials, Manufacturing and Design., third Edition, Taylor & Francis, 2007.

[9] George Wypych, Handbook of Polymers., 2-nd edition, ChemTec Publishing, Toronto, 2016.

[10] Krishan K. Chawla, Composite materials science and engineering, 4-th Edition, Springer, Switzerland 2019.

[11] Laurence W. McKeen, The Effect of UV Light and Weather on Plastics and Elastomers, 3rd edition, Elsevier, 2013.

[12] J. Ekelow, Design and manufacturing of thin composite tape springs, PhD thesis, Royal Institute of Tech-nology, Sweden, 2014.

[13] ZhongYi Chu, YiAn Lei Design theory and dynamic analysis of a deployable boom, Mechanism and Machine Theory. 71 (2014) 126-141.

[14] Andrew James Herrod-Taylor, The crystallisation of Poly (aryl ether etherketone) (PEEK) and its carbon fibre composites, PhD thesis, University of Birmingham, Birmingham, 2011.

[15] B.D. Hachmi, T. Vu-Khanh, Crystallization mechanism in PEEK/carbon fiber composites, Journal of Thermoplastic Composite Materials. 10 (1997) 488-501.

[16] Corey Lynam, Abbas S Milani, David Trudel-Boucher, Hossein Borazghi, Predicting dimensional distortions in roll forming of comingled polypropylene/glass fiber thermoplastic composites: On the effect of matrix viscoelasticity, Journal of Composite Materials. 48 (2013) 3539-3552.

[17] F. Henninger, K. Friedrich, Process analysis of roll forming of thermoplastic composite, The 6-th International Conference on Flow Processes in Composite Materials, Auckland, New Zealand, 2002 63-72.

[18] R.J. Dykes, S.J. Mander, D. Bhattacharyya, Roll forming continuous fiber-reinforced thermoplastic sheets: experimental analysis. Composite: Part A. 31 (2000) 1395-1407.

672 А. М. Ювшин, Ю. С. Андреев, А. С. Восоркин, Е. И. Яблочников

УДК 678

DO 1:10.17586/0021 -3454-2018-61 -8-672-677

РОБОТИЗИРОВАННЫЙ КОМПЛЕКС ДЛЯ РЕАЛИЗАЦИИ ТЕХНОЛОГИИ АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ ВЫКЛАДКИ ИЗДЕЛИЙ ИЗ ТЕРМОПЛАСТИЧНЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

А. М. Ювшин1, Ю. С. Андреев1, А. С. Восоркин2, е. И. Яблочников1

1 Университет ИТМО, 197101, Санкт-Петербург, Россия

E-mail: yuvshin. [e-mail]

2ООО „Бы Патрон", 191014, Санкт-Петербург, Россия

Рассмотрены преимущества использования термопластичных полимерных композиционных материалов и безавтоклавных технологий в аэрокосмической промышленности. Разработан роботизированный комплекс для реализации технологии автоматизированной выкладки изделий из таких материалов. Представлены результаты физико-механических испытаний образцов, изготовленных из термопластичного препрега, подтверждающие конкурентоспособность и преимущества термопластичных материалов и реализуемой технологии.

Ключевые слова: термопластичные материалы, безавтокчавные технологии, автоматизированная выкчадка, роботизированный комплекс, препрег

Для изготовления изделий в различных отраслях промышленности массово используются полимерные композиционные материалы (ПКМ), при этом наиболее широкое распространение имеют материалы с реактопластами в качестве матрицы, что объясняется разнообразием технологий переработки и соответствующего оборудования.

В основном полимерные композиционные материалы применяются в аэрокосмической и автомобильной промышленности. По последним данным [1, 2], в конструкциях космических аппаратов используется около 50 % ПКМ, а полностью из ПКМ изготавливаются тарелки антенн, вспомогательные и ситовые конструкции, корпуса двигателей и т. д. В то же время с ростом потребления ПКМ данными высокотехнологическими отраслями увеличиваются габаритные размеры и усложняется геометрия изготавливаемых деталей, ужесточаются предъявляемые к ним требования и растет себестоимость.

В связи с этим в последние десятилетия все большее внимание уделяется другой группе ПКМ, а именно термопластичным полимерным композиционным материалам (ТПКМ). Процесс изготов ления изделий из таких материалов имеет следующие преимущества [3—7]:

— более короткий цикл изготовления;

— меньшая трудоемкость;

— широкие возможности автоматизации;

— отсутствие временных ограничений;

— меньшая энергоемкость (безавтоклавные технологии);

— широкие возможности по последующей обработке изделий, переформовке, сварке и т.д. при многократном нагреве и охлаждении как всего изделия, так и его отдельных частей без ухудшения свойств материала.

Кроме того, конструкционные термопластичные материалы:

— прочнее соответствующих реактопластов, что выражается в их более высокой ударной прочности и стойкости к повреждениям;

— практически нечувствительны к воздействию большинства технологических жидкостей и устойчивы к воздействию влаги;

— имеют длительный срок хранения;

— обладают возможностью вторичной переработки;

— менее вредны для здоровья.

Следует также отметить, что применение ТПКМ позволяет во многом уменьшить пожароопасность, а также снизить дымность и токсичность продуктов горения.

Согласно мировым тенденциям традиционные технологии изготовления деталей из ПКМ, использующие, в том числе, ручные методы формования, все чаще замещаются новыми автоматизированными технологиями, например, такими, как автоматизированная выкладка ленты, автоматизированная выкладка волокна и др. [8].

Высокая потребность в автоматизации обусловлена повышением требований к механическим и точностным характеристикам изделий. Востребованность, в частности, безавтоклавных технологий [9] объясняется меньшей себестоимостью готового изделия и меньшим технологическим временем, так как автоклавные технологии являются дорогостоящими из-за высокой цены оборудования, а технологическое время на изготовление детали напрямую зависит от времени отверждения полимера.

Для реализации безавтоклавной технологии — автоматизированной выкладки деталей из ТПКМ — разработан роботизированный комплекс, позволяющий получать прецизионные изделия с высокими механическими характеристиками при минимальном участии в этом процессе человека.

Автоматизированная выкладка (Automated Таре Placement) — это процесс выкладки ленты ТПКМ на формообразующую оснастку (оправку), обеспечивающий получение изделий с различной структурой армирования. Физика процесса заключается в подводе тепла, необходимого для расплавления связующего ленты ТПКМ и дальнейшей ее консолидации с приложением давления, что приводит к формообразованию готовой детали (рис. 1).

Установка для выкладки состоит из двух основных частей — промышленного манипулятора и одноосного позиционера, которые в совокупности обеспечивают для всей установки семь степеней свободы, что позволяет изготавливать изделия различной степени сложности (рис. 2, а). Манипулятор представляет собой промышленный робот Kawasaki RS80N с шестью степенями свободы с скрепленным на нем рабочим органом в виде технологической намоточной головки. Одноосный позиционер фиксирует оправку. Траектория движения намоточной головки, ее ориентация и скорость вращения оправки в позиционере определяют траекторию выкладки ленты на оправку, что позволяет достичь необходимой структуры армирования изделия.

Технологическая головка обеспечивает подачу ленты ТПКМ в рабочую область, нагрев зоны сварки, а также прижим ленты к ранее уложенным слоям. Для реализации этих основных функций технологическая головка включает в себя следующие элементы (рис. 2, б):

— систему направляющих роликов;

— систему контроля натяжения ленты в виде тензодатчика и тормозного механизма;

Прижимной

Рис. 1

препрега (полимерного композиционного материала-полуфабриката) на основе полифени-ленсульфида марки РогНоп 0214 с углеродным армирующим наполнителем марки Ш^ех ЦМТ 45-12К-ЕР. Схема армирования (0 и 90°) характеризует ориентацию ленты материала относительно оси вращения изделия. При изготовлении образцов использовались теоретически и экспериментально полученные параметры процесса выкладки, представленные в табл. 1.

Таблица 1

Параметр Значение

Температура излучения лазера, °С 310

Скорость намотки, м/мин 4

Прижимное давление, Н 100

Угол падения лазерного излучения, .. 14,5

В ходе испытаний определялись модуль упругости, коэффициент Пуассона и предел прочности при растяжении; количество образцов — 5, температура испытания 23 °С, тип образцов — по ГОСТ 32656-2014. Полученные при испытаниях результаты приведены в табл. 2.

Таблица 2

Параметр Номер образца

1 2 3 4 5

Ширина Ь, мм 14,896 15,074 14,732 14,906 14,928

Толщина А, хм 1,224 1,418 1,204 1,222 1,162

Площадь поперечного сечения, мм" 18,233 21,375 17,737 18,215 17,346

Начальная расчетная длина, 10 мм 50 50 50 50 50

Модуль упругости Е, МПа 67016,01 52083,73 66000,15 59133,93 60119,48

Коэффициент Пуассона V 0,087 0,084 0,092 0,08 0,067

Предел прочности ов, МПа 873,29 697,96 923,2 760,55 759,92

Согласно данным табл. 2, среднее значение модуля упругости Е = 60 871 МПа, среднее значение коэффициента Пуассона v = 0,08, средний предел прочности ав = 802,98 МПа.

Полученные по результатам испытаний параметры образцов из ТПКМ оказались идентичными параметрам образцов из ПКМ с реактопластичным связующим, изготовленных методом ручной выкладки и подвергшихся отверждению в автоклаве [10], однако в то же время значения модуля упругости и предела прочности исследованных образцов оказались вдвое ниже этих же параметров у образцов с реактопластичным связующим, изготовленных по технологии автоматизированной выкладки [11].

По результатам проведенных исследований можно сказать, что технология автоматизированной выкладки имеет большой потенциал развития и высокую конкурентоспособность в области технологий по изготовлению прецизионных и высокопрочных деталей из ТПКМ. Развитие разработанного роботизированного комплекса видится в возможности использования манипуляторов различного типа: роботов разной грузоподъемности, портальных систем разных размеров и т. д. Также возможно увеличение функциональности самой технологической головки: добавление функций обрезки и подачи ленты, дополнительных систем контроля, разных типов устройств, реализующих нагрев области сварки. Это позволит получить установку для производства широкого спектра изделий из ТПКМ: от маленьких до габаритных, от простых тел вращения до фасонных деталей с еще более высокими прочностными характеристиками.

список литературы

X.Rana 5., Fangueiro R. Advanced Composite Materials for Aerospace Engineering: Processing, Properties and Applications. Woodhead Publishing, 2016.

676 А. М. Ювшин, Ю. С. Андреев, А. С. Восоркнн, Е. II. Яблочников

2. Nikliil V. Nayak. Composite materials in aerospace applications // Litem. Journal of Scientific and Research Publications. 2014. Vol 4, iss. 9.

3. PPS for Continuous Fiber Composites Aerospace Applications // Celanese [Электронный ресурс]: <http://celanese.com/engineered-material>, 14.08.2017.

4. Akca E., Gursel A. A review on the matrix toughness of thermoplastic materials // Periodicals of Engineering and Natural Sciences. 2015. Vol. 3, N 2. P. 1—8.

5. Wypych G. Handbook of Polymers. Toronto: ChemTec Publishing, 2016.

6. McKeen L. W. The Effect of UV Light and Weather on Plastic and Elastomer. Waltham: Elsevier, 2013. 388 p.

7. Campbell F. C. Structural Composite Materials. Ohio: ASM International, 2010.

8. The Outlook for Thermoplastics in Aerospace Composites, 2014—2023 [Электронный ресурс]: <http://m^y.composites\\'orld.coni;aiticles/the-outlook-for-thermoplastics-in-aerospace-coinposites-2014-2023#carousel6c6739dl-6331-42bf-9dcl-aa0cfa0833b2>, 14.08.2017.

9. No Autoclave, No Oven, No Problem! [Электронный ресурс]: <http://compositesmanufectiuingmagazine.com/ 2014/08/out-of-autoclave-solutions-expand-coniposite-opportunities-across-niarket-sectors/>, 14.08.2017.

10. de Paiva F. J. M., Mayer S., Rezende M. C. Comparison of tensile strength of different carbon fabric reinforced epoxy composites // Materials Research. 2006. Vol. 9, N 1. P. 83—89.

11. DeH'Aiino G., Partridge I., Cartie D., Hamlyn A., Chehura E., James S., Tatam R. Automated manufacture of 3D reinforced aerospace composite strucUues // Intern. Journal of Structural Integrity. 2011. Vol. 3, iss. 1. P. 22—40.

Сведения об авторах

Александр Михайлович Ювшин — аспирант: Университет ИТМО; кафедра технологии приборостроения:

E-mail: [e-mail] Юрий Сергеевич Андреев — канд. техн. наук, доцент; Университет ИТМО; кафедра технологии

приборостроения; E-mail: [e-mail] Алексей Сергеевич Восоркин — ООО .Ли Питрон ": инженер-конструктор;

E-mail: [e-mail]

Евгений Иванович Яблочников — канд. техн. наук, доцент; Университет ИТМО; кафедра технологии

приборостроения; E-mail: [e-mail]

Поступила в редакцию 15.02.18 г.

Ссылка для цитирования: Ювшин А. М., Андреев Ю. С., Восоркин А. С., Яблочников Е. И. Роботизированный комплекс для реализации технологии автоматизированной выкладки изделий из термопластичных композиционных материалов//Изв. вузов. Приборостроение. 2018. Т. 61, № 8. С. 672—677.

ROBOTIZED COMPLEX FOR THE REALIZATION OF TECHNOLOGY OF AUTOMATED PLACING OF PRODUCTS FROM THERMOPLASTIC COMPOSITE MATERIALS

A. M. Yuvshin1, Yu. S. Andreev1, A. S. Vosorkin2, E. I. Yablochnikov1

1ITMO University, 197101, St. Petersburg, Russia

E-mail: [e-mail] 2Bee Pitron, Ltd., 191014, St. Petersburg, Russia

Advantages of using thermoplastic polymer composite materials and non-autoclave technologies in the aerospace industry are considered. A robotic complex was developed to implement the technology of automated laying of products from such materials. The results of physical and mechanical tests of samples made of thermoplastic prepreg confirm the competitiveness and advantages of thermoplastic materials and the technology being implemented.

Keywords: thermoplastic materials, non-autoclave technologies, automated laying of products, robotized complex, prepreg

REFERENCES

1. Rana S., Fangueiro R. Media. The Officers' Mess Business Centre, UK, Woodhead Publishing, 2016. pp. 1-15.

2. Nayak N.V. Intern. J. of Scientific and Research Publications, 9 September 2014, no. 9(4).

3. PPS for Continuous Fiber Composites Aerospace Applications, Celanese, http://celanese.com/engineered-material.

4. Akca E., Gursel A. Periodicals of Engineering and Natural Sciences, 2015, no. 2(3), pp. 1-8.

5. Wypych G. Handbook of Polymers, Toronto, ChemTec Publishing, 2016.

6. McKeen L.W. The Effect of UV Light and Weather on Plastic and Elastomer, Waltham, Elsevier, 2013, 388 p.

7. Campbell F.C. Structural Composite Materials, Materials Park, ASM International, 2010.

8. The Outlook for Thermoplastics in Aerospace Composites, 2014-2023, http://www.compositesworld.com/artides/the-outlook-for-thermoplastics-in-aerospace-composites-2014-2023#carousel6c6739d1-6331-42bf-9dc1-aa0cfa0833b2.

9. No Autoclave, No Oven, No Problem! http://compositesmanufacturingmagazine.com/2014/08/out-of-autoclave-sol utions-expand-composite-opportunities-across-market-sectors.

10. de Paiva F.J.M., Mayer S., Rezende M.C. Materials Research, 2006, no. 1(9), pp. 83-89.

11. DeNAnno G., Partridge I., Cartie D., Hamlyn A., Chehura E., James S., Tatam R. International Journal of Structural Integrity, 2011, no. 1(3), pp. 22-40.

Data on authors

Post-Graduate Student; ITMO University, Department of Instrumentation Technologies; E-mail: [e-mail] PhD, Associate Professor; ITMO University, Department of Instrumentation Technologies; E-mail: [e-mail] Bee Pitron, Ltd.; Engineer-Designer; E-mail: [e-mail] PhD, Associate Professor; ITMO University, Department of Instrumentation Technologies; Head of the Department; E-mail: [e-mail]

Alexander M. Yuvshin

Yuri S. Andreev

Alexey S. Vosorkin Evgenyl. Yablochnikov

For citation: Yuvshin A. M., Andreev Yu. S, Vosorkin A. S., Yablochnikov E. I. Robotized complex for the realization of technology of automated placing of products from thermoplastic composite materials. Journal of Instrument Engineering. 2018. Vol. 61, N 8. P. 672—677 (in Russian).

DOI: 10.17586/0021-3454-2018-61-8-672-677

Key Engineering Materials

ISSN: 1662-9795, Vol. 836, pp 78-83

doi: 10.4028/www. scientific. net/KEM. 836.78

Submitted: 2019-10-28 Accepted: 2019-10-29 Online: 2020-03-30

© 2020 Trans Tech Publications Ltd, Switzerland

Thermoplastic Polymer Composites Production by Automated Fiber

Placement Method

IUVSHIN A.M.1,3, TRETYAKOV S.D.1, ANDREEV Y.S.1 and GIBADULLIN I.N.1

1ITMO University, St. Petersburg, Russia [e-mail]

Keywords: polymer composites, thermoplastics, polymer matrix, carbon fiber

Abstract. This article deals with comparative analysis between thermoplastics and thermosets polymer materials. The problems of the choice of the polymer matrix and reinforcement filler in the manufacture products are made of polymer composite materials (PCM) for the oil industry are considered. Based on the analysis of existing types of polymer matrix and reinforcement fillers to maximize the requirements for PCM products for the oil and gas industry, a polyphenylene sulfide feed was proposed as a polymer matrix, and a unidirectional carbon fiber was used as a reinforcement filler. The results of laboratory tests of samples made with the help of melt impregnation and automated fiber placement technologies are presented.

Introduction

The choice or development of a polymer matrix is the one of the most important tasks in the creation of polymer composite materials (PCM). Proper polymer matrix should ensure the achievement of the maximum values of those properties that are specified by the field of application of the composite material and modes of operation.

The development of thermoplastic binders and the production of prepregs from them based on reinforcing fibers of various nature (carbon, glass, aramid) and their processing into products are engaged in such large foreign companies as Dupont de Nemours, General Electric, Porsche, Teijin Technology and others. The main areas of application are aerospace engineering, automotive, medicine, constructions, sports equipment [1, 2].

First of all, PCMs are divided according to the types of the polymer matrix into thermosetting and thermoplastic. In thermosetting polymers, the bond between macromolecules is made with the help of weak Van der Waals forces, and in thermoplastic ones, they are determined by chemical bonds. The polymer matrix in the PCM is responsible for such performance characteristics as: operating temperature, hygroscopicity, resistance to ultraviolet radiation, flammability, etc.

According to the statistics of consumption of polymers and PCM shows, 80 % of all consumed polymers are thermoplastics, the remaining 20 % is thermosetting. At the same time, thermoplastics consumption constitutes 20 % as a binder for composite materials [3]. Such a small percentage of the use of thermoplastics as a polymer matrix lies in the fact that they have a high melt viscosity, which leads to the complication of the technological process of obtaining a pre-impregnated semifinished product with a polymer binder (prepreg), but with each year the percentage of use of thermoplastics polymers increases due to the simplicity of the process - processing in the molten state, reshaping, while the thermoset materials cannot be re-melt and reshape. Another one advantage of thermoplastics is ease of PCM utilization. Thermoplastics have an unlimited shelf life during storage and the thermosets have a shelf life is about only 6 months when stored frozen.

In terms of mechanical characteristics, and in particular, in terms of the modulus of elasticity and yield strength, thermoplastics roughly correspond to thermosetting epoxy binders, which are traditionally used to produce reinforced plastics. At the same time, the limiting deformations of thermoplastics are very large and reach 30-100 %. This leads to high resistance of thermostable thermoplastic polymers to the development of cracks (the specific energy of delamination is approximately an order of magnitude higher than that of polyepoxides) and good operational characteristics of materials.

All rights reserved. No part of contents of this paper may be reproduced or transmitted in any form or by any means without the written permission of Trans Tech Publicatrons Ltd, www.scientific.net. (#570970766-18/10/21,19:46:49)

Due to heat resistance, new types of polymers can be operated in a wide temperature range, for example, polysulfones, polyphenylene sulfides up to 180-240 0 C. polyketones, polyetherimides, liquid crystal polyethers - up to 250-300 °C, polyimides - up to 400 °C. In addition, these materials are frost resistant and can be used at low temperatures. It should also be noted the high chemical and radiation resistance of heat-resistant thermoplastics (in some cases unique), good dielectric properties and low creepage. This paper presents a comparative analysis between thermoplastics and thermosets polymer materials, the method of choice and manufacturing products from thermoplastic polymer composite materials

Materials Comparative Analysis

In order to make a reliable and durable product or construction from PCM, it need first to determine the requirements that apply to these materials in the oil and gas industry. Based on the field of application, parts and designs from PCM should meet the following requirements presented in Table 1.

Table 1. Requirements for products made of polymer composite materials (PCM)

Requirements Values

Operating temperature range -110...+200 °C

Temperature deformations from exposure to operating temperatures No more than 0,1 mm

Hygroelastic deformations when humidity varies from 60 to 0 % No more than 0,1 mm

Excretion of toxic substances Absent

Adhesive joints -

UV resistance -

Elastic modulus. GPa 70

Breaking point, MPa 1000

If we consider super-engineering thermoplastic materials, which is more resistant to aggressive environments, such as oil products, has low toxicity and smoke formation. This is an important requirement for oil and gas production equipment. The main operational characteristics of thennoplastic and thermosetting materials are presented in Tables 2 and 3, respectively [3, 4].

Table 2. Main performance characteristics of thermoplastic materials Name_Thermoplastic_

Material/specification Polyphenylene sulfide (PPS) Polysulfone Polyetheretherketone (PSU) (PEEK) Polycarbonate (PC)

Operating temperature, °C -80..+220 -50..+150 -50..+250 -40.+130

Flammability Low Low Low Middle

Smoke fonnation Low Low Low Middle

Toxicity Low Low Low Middle

Hygroscopicity, % 0,02-0,03 0,3-0,6 0,12 0,09-0,3

Chemical resistance:

Acids High High High Middle

Alcohols High High High High

Alkalis High High High High

Solvents High High High Middle

Aliphatic hydrocarbons High High High High

Aromatic Hydrocarbons High Middle High Low

Fats and oils High - High Middle

UV Resistance High Middle High High

80 Mining Industry: Innovations and Prospects for the Development of Materials

Science

Table 3. Main performance characteristics of thermosets materials

Name Thermosets

Material/specification Epoxy (E) Polyester (PE) Bismaleimides (BMI) Cyanate ester resin (CE)

Operating temperature, °C -50..+150 -50..+170 -75.+204 -50..+250

Flanunability Middle High Low Low

Smoke formation Middle High Low Low

Toxicity Middle Middle Low Middle

Hygroscopicity, % 3,9 0,15-0,2 4,3 0,07-2,5

Chemical resistance:

Acids High High - High

Alcohols High High Low Middle

Alkalis High High - Middle

Solvents High Low Low High

Aliphatic hydrocarbons High Low - High

Aromatic Hydrocarbons High Low High High

Fats and oils High Low - High

UV Resistance Middle Middle Middle -

The next component of the PCM is a reinforcing filler. It is responsible for the mechanical and strength characteristics. Reinforcing fillers are classified according to the type of fiber, the distribution structure of the fibers and the type of its fiber-forming material [4]. According to the type of fiber, the fillers are divided into two groups: continuous, discontinuous and determined by the length / diameter ratio. According to the fiber distribution structure, reinforcing fillers are divided into [5, 6]:

• fillers with continuous unidirectional fiber;

• fillers with continuous fiber with a certain type of weave;

• fillers with discontinuous chopped (short) fiber;

• break intermittent fibrous fillers in the form of a mat.

From the above noted types of fibers, the maximum mechanical characteristics are realized by continuous unidirectional fiber. By type of fiber-forming material, reinforcing fillers are divided into:

• fillers with glass fiber-forming material;

• fillers with carbon fiber-forming material;

• fillers with aramid fiber-forming material;

• fillers with basalt fiber-forming material.

The main comparison criterion for selecting the best reinforcing filler was the mechanical and strength characteristics implemented by the fiber (Table 4) [6].

_Table 4. Comparative characteristics of various fibers_

Parameter/Fiber

Basalt fiber E-fiberglass S-fiberglass Carbon fiber Aramid fiber

Breaking Point, MPa Elastic modulus, GPa Relative extension, % Operating temperature,

°C

Application area

3000-4840 79,3-93,1 3,1

—260..+500

3100-3800 4020-4650 3500-6000 72,5 -75,5 83- 86 230-600 4,7 5,3 1,5-2,0

—50..+380 -50..+300 -50..+700

pipes with a non-essential Parts of parts of diameter of 5 to parts of power bearings 2000 mm at an equipment for structures of without load, internal pressure the oil and gas equipment body parts of from 0 to 400 industry for oil and atm. for oil and gas gas production transportation_

2900 - 3400 70 - 140

2,8 - 3,6

-50..+290

stiffening element in small diameter thermoplastic pipes (RTP)

The Manufacturing Method and Testing Results '

Based on the above analysis, for the maximum implementation of the requirements for products for the oil and gas industry from PCM, polyphenylene sulfide was chosen as the polymer matrix, and unidirectional carbon fiber was used as the reinforcing filler. Melt impregnation technology was chosen as the manufacturing technology of PCM. Figure 1 shows the impregnation machine developed by the company "Bee Pitron SP", for the thermoplastic prepreg making. The prepreg was manufactured from Fortran 0214 polyphenylene sulfide and Umatex UMT 45-12K-EP carbon fiber.

As a technology for the manufacture of samples, an automated fiber placement machine was chosen to maximize the implementation of mechanical properties [10]. At this installation (Figure 2) developed by the company "Bee Pitron SP", the pipes of square section 60x60 mm and 750 mm long were manufactured.

Figure 2. Robotic complex for automated fiber winding: 1 - uniaxial positioner; 2 - winding head;

3 - mandrel; 4 - industrial robot Kawasaki RS80N

The samples were placement in accordance with the following modes, obtained analytically and experimentally (Table 5) [12-15].

Samples of the manufactured pipes were subjected to mechanical tests, during which the elastic modulus, Poisson's ratio, tensile strength were determined. The number of test samples is 5, the test temperature is +23 °C, the type of samples is according to GOST 32656-2014. The data obtained during testing are shown in table 6.

Jf Ä

Figure 1. Impregnating machine for producing thermoplastic prepreg: 1 - pulling unit; 2 - pro-feeding node; 3 - metering unit

82 Mining Industry: Innovations and Prospects for the Development of Materials

Science

Table 5. Fibre placement parameters

Parameters Measuring units Value

Laser radiation temperature °C 310

Winding speed M/Nlin 4

Down pressure N 100

Angle of incidence of laser radiation degree 14,5

Table 6. The results of physical and mechanical tests of samples Parameters_Number of samples

Name of the sample 1 2 3 4

Width b, mm 14,896 15,074 14,732 14,906

Thickness h, mm 1,224 1,418 1,204 1,222

Cross-sectional area A, mm2 18,233 21,375 17,737 18,215

Estimated length, mm 50 50 50 50

Elastic modulus E, MPa 67016,01 52083,73 66000,15 59133,93

Poisson's ratio v 0,087 0,084 0,092 0,08

Tensile strength oB, MPa 873,29 697,96 923,2 760,55

Conclusion

The test results of the samples showed the same values as compared to PCM samples with a thermoplastic binder, made by hand-laid method and subjected to curing in the autoclave [11], but at the same time, the elastic modulus and tensile strength of the studied samples were twice as low with thermosets binder made by automated display technology [5].

Based on the test results, it can be said that the requirements were met and the thermoplastic PCM manufacturing technology and structural elements used in this work have a high development potential for use in the oil and gas industry.

References

[1] N.N. Onoprienko, Sh.M. Rahimbaev, Influence of composition of functional additives and deformation modes on flow behavior of polymer composite materials, IOP Conf. Ser.: Mater. Sci. Eng. 327 (2018)032043.

[2] O.V. Lebedeva et al., Development of composite membrane materials for fuel cells IOP Conf. Ser.: Mater. Sci. Eng. 327 (2018) 032016.

Ch. Red, The Outlook for Thermoplastics in Aerospace Composites, 2014—2023 (2014).

M.L. Kerber, V.M. Vinogradov, G.S. Golovkin et al„ Polymer composite materials: structure, properties, technology, "Profession", St. Petersburg, 2011, 560 p.

K. Chawla Krishan, Composite Materials Science and Engineering 3rd ed„ Springer, New York; Springer, Heidelberg Dordrecht London, 2013, 542 p.

P.K. Mallick, Fiber Reinforced Composites Materials, Manu-facturing, and Design 3rd ed., CRC Press Taylor & Francis Group, New York, 2007, 616 p.

F.C. Campbell, Structural Composite Materials Materials Park, ASM International®, Ohio 44073-0002, 2010,629 p.

[8] George Wypych, Handbook of Polymers 2rd ed., ChemTec Publishing, Toronto, 2016, 711 p.

[9] A. Mcllhagger, E. Archer, R. Mcllhagger, Manufacturing processes for composite materials and components for aerospace applications Woodhead Publishing Series in Composites Science and Engineering: Number 50 Polymer Composites in the Aerospace Industry, Woodhead Publishing, Cambridge, 2015, pp. 53-75.

[3]

[4]

[5]

[6] [7]

[10] A.M. Yuvshin, Y.S. Andreev, A.S. Vosorkin, Y.I. Yablochnikov, Robotized Complex for the Realization of Technology of Automated Placing of Products from Thermoplastic Composite Materials, J. of Instrum. Engineer. 61 672-677.

[11] W. McKeen Taurence, The Effect of UV Light and Weather on Plastic and Elastomer, third ed„ Elsevier, Waltham, 2013, 388 p.

[12] D. Maurer, P. Mitschang, Laser-powered tape placement process - simulation and optimization Advanced Manufacturing: Polymer & Composites, Sci. 2015, 129-137.

[13] W. Grouve, Weld Straight of Laser-Assisted Tape placement Thermoplastic Composites, Ipskamp Drukkers, Netherlands, 2012, 152 p.

[14] F.O. Sonmez, Mustafa Akbulut, Process optimization of tape placement for thermoplastic composites, Composites, Part A 38 (2007) 2013-2023.

[15] F.O. Sonmez. H. Thomas Hahn, Analysis ofthe On-Line Consolidation Process in Thermoplastic Composite Tape Placement, J. of Thermoplastic Composite Mater. 10 (1997) 543-572.