Исследование воздействия лазерного излучения на термопластичный препрег в процессе автоматизированной выкладки композитной конструкции летательного аппарата

Язык труда и переводы:
УДК:
629.73: 536.4
Дата публикации:
07 марта 2023, 16:07
Категория:
Секция 19. Производство конструкций ракетно-космичeской техники
Авторы
Смирнов Григорий Константинович
МГТУ им. Н.Э. Баумана; АО «НИИграфит»
Резник Сергей Васильевич
МГТУ им. Н.Э. Баумана
Щербина Виталий Андреевич
МГТУ им. Н.Э. Баумана; АО «НИИграфит»
Аннотация:
Рассмотрено воздействие лазерного излучения на препрег на основе аморфно-кристаллического термопластичного полимера полифениленсульфида с наполнителем в виде непрерывного однонаправленного углеродного волокна. Установлена зависимость между временем достижения рациональной температуры препрега и мощностью лазерной установки для обеспечения технологического процесса автоматизированной выкладки лент. Показано влияние лазерного излучения на степень кристалличности матрицы.
Ключевые слова:
термопластичный препрег, Автоматизированная выкладка, лазерная обработка, термопластичная лента
Основной текст труда

Автоматизированная выкладка препрегов на основе термопластичной матрицы является одной из перспективных технологий изготовления изделий авиационной и ракетно-космической техники из композиционных
материалов [1–3]. Указанная технология заключается в послойном наплавлении армированной ленты на формообразующую оснастку с помощью лазерной установки. Благодаря автоматизации повышается производительность, точность и стабильность процесса выкладки и, вместе с тем, понижается количество отходов и время производства деталей.

Главной особенностью автоматизированной выкладки препрега на основе термопластичного связующего является система локального лазерного нагрева места выкладки полимерного композиционного материала. В связи с этим для определения рациональных режимов обработки возникает необходимость исследовать взаимодействие лазерного излучения с полимерным композиционным материалом.

Понимание процессов, происходящих в полимере при термообработке термопластичных лент, имеет существенное значение. Так, при плавлении аморфно кристаллического полимера изменяется степень кристалличности связующего после воздействия излучения. В свою очередь, изменение степени кристалличности может существенно изменить как физико-механические характеристики самой матрицы, так и характеристики межфазного взаимодействия в системе «матрица – наполнитель» [4]. Также при локальном нагреве композиционного материала температурное распределение зависит от укладки слоев и типа наполнителя. При моделировании прогрева ленты, армированной непрерывными углеродными волокнами, необходимо учитывать анизотропию теплофизических свойств препрега, что будет проявляться в неоднородности температурного распределения. Указанная особенность будет влиять на остаточные напряжения, возникающие по причине существенной разницы температур из-за локального характера прогрева детали при выкладке.

Помимо влияния особенностей локального нагрева на полимер необходимо определить характеристики системы нагрева, опираясь на технологический диапазон температур для связующего. Температура ленты при сварке должна быть между температурой плавления и деструкции полимера. Конкретные значения рациональной температуры при формовании необходимо определять исходя из условий скорости деструкции, значения вязкости расплава и распределения температуры в материале. Для обеспечения контроля теплового состояния препрега при выкладке необходимо установить зависимость между мощностью лазера и реализуемой температурой в ленте.

В работе рассмотрен нагрев заготовки лазерным излучением с длиной волны 1070±5 нм. Исследован препрег на основе полифениленсульфида с наполнителем в виде непрерывного углеродного волокна марки UMT40-48К-EP. Образец ленты подвергался нагреву за счет воздействия лазерного излучения по нормали к поверхности. Расстояние между коллиматором и образцом было взято на основании геометрических параметров конструкции выкладочной головки, и составило 250 мм. Пятно нагрева составило в диаметре 12 мм. Температура ленты определялась с помощью тепловизора в центре пятна взаимодействия излучения с образцом. Степень черноты образца принималась равной 0,9. Методом ДСК были определены степени кристалличности препрега до и после воздействия лазерного излучения с различной мощностью.

Таким образом, в работе были установлены зависимости между временем достижения необходимой температуры в ленте и мощностью лазерной установки, а также исследовано влияние термообработки с помощью лазерного излучения на степень кристалличности полимера.

Литература
  1. Михайлин Ю.А. Термоустойчивые полимеры и полимерные материалы. Санкт-Петербург, Профессия, 2006, 623 с.
  2. Петрова Г.Н., Ларионов С.А., Платонов М.М., Перфилова Д.Н. Термопластичные материалы нового поколения для авиации. Авиационные материалы и технологии, 2017, № 2, с. 420–436.
  3. Сорокин А.Е., Петрова Г.Н., Самогонова В.А. и др. Термопластичные композиционные материалы для авиации. Полимерные композиционные материалы и производственные технологии нового поколения: Матер. II Всероссийской научно-технической конф., Москва, Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов, 2017, с. 196–217.
  4. Foram D., Muhammad M. A., Sherlock R., Kandasami A., Tormey D. Laser transmission welding of semi-crystalline polymers and their composites: A critical review. Polymers, 2021, vol. 13, 51 p.
Ваш браузер устарел и не обеспечивает полноценную и безопасную работу с сайтом.
Установите актуальную версию вашего браузера или одну из современных альтернатив.