Самолет из стекловолокна своими руками
Добавил пользователь Владимир З. Обновлено: 19.09.2024
Сочетая вещества с разными свойствами, можно получить новый, композиционный материал. Самый известный пример такого материала - железобетон. Это материал, состоящий из металлической арматуры и бетона, без которого невозможно было бы строить высокие здания. Армирующий наполнитель - металлические прутья - обладает более высоким модулем упругости, чем бетон, и повышает жесткость материала. Прочность железобетона в направлении армирования значительно выше, чем у простого бетона. Можно строить сравнительно легкие и высокие конструкции, которые не будут терять устойчивость и разрушаться под собственным весом или внешними нагрузками. По такому же принципу устроены и другие конструкционные композиты.
Конструкционные полимерные композиты
Все композиционные материалы состоят из матрицы и жесткого армирующего наполнителя. Как правило, армирующий наполнитель в полимерных композитах - углеродные или стеклянные волокна, а матрица - полимерный материал, как правило синтетическая смола. Чаще всего применяют термореактивные смолы. При нагревании они образуют трехмерную полимерную сетку, из-за чего матрица становится жесткой и химически устойчивой. Из этих материалов можно создавать легкие детали, по прочности превосходящие металлические.
В конструкции самолета из композиционных материалов можно изготовить фюзеляж, крылья, хвостовое оперение, мотогондолу, детали интерьера. Чаще для самолетов применяется более легкий углепластик, а стеклопластик - для ненагруженных деталей и носового обтекателя. Стеклопластик тяжелее, чем углепластик, и менее прочный, но он значительно дешевле. Носовой обтекатель самолета делают из стеклопластика, так как эта деталь должна пропускать радиоволны, а углеволокно проводит ток и создает помехи.
Нельзя заменить композиционными материалами детали двигателя, потому что полимеры не выдерживают температуры. Стойки шасси не делают из композитов, потому что на них высокая ударная нагрузка; металлическими остаются подвижные части, например некоторые элементы механизации крыла. Тормозные диски делают из композиционных материалов, но другого класса - углерод-углеродных композитов.
Разработка новых материалов
Композиционные материалы совершенствуются: прочность и легкость материала зависят от инжиниринга детали, вида наполнителя. Разработчики постоянно улучшают параметры углеродных волокон, меняют типы выкладок и совершенствуют технологии формования.
Чтобы производить термостойкие материалы, получают новые полимеры.
В технологии при создании новых полимерных матриц есть ограничение: нужно отталкиваться от исходных веществ, которые уже есть в тоннажном производстве и недорого стоят. Композитная отрасль в России достаточно маленькая, и запускать новое производство узкоспециализированных реагентов нерационально.
Теплостойкость материала определяется исключительно свойствами матрицы - все известные полимеры выдерживают существенно более низкие температуры, чем углеродное или стеклянное волокно. Стекловолокно плавится при температуре около 600 °C, а авиационные эпоксидные смолы - до 180 °C, максимальная описанная в научной литературе температура стеклования эпоксидных матриц - около 240 °C, но этого материала нет в массовом производстве.
Выдерживающие высокие температуры композиты нужны для деталей двигателей, выхлопных труб, для высокотемпературной электроизоляции, тепловых щитов космических кораблей, интерьеров подводных лодок - там, где очень сложно потушить пожар. В авиастроении снова рассматривают возможность возвращения к пассажирской сверхзвуковой авиации: скорости большие, важна экономия топлива и теплостойкость обшивки. Для всех этих применений нужны новые полимеры.
Формирование деталей
Свойства композиционного материала определяют не только матрица и наполнитель, но и технология их получения. Благодаря волокну упрочнение идет только в одном направлении - вдоль волокна. Чтобы добиться хорошей прочности, композит выкладывают слоями, чередуя направление волокна - прочность уравнивается в длину и в ширину. Чтобы упрочнить материал в третьем направлении, слои могут быть вертикально прошиты дополнительными волокнами. Задавая направление волокон в материале, мы определяем его свойства. Каждая деталь индивидуальна, и у каждого типа изделия из композита своя выкладка - в зависимости от того, в каких направлениях она будет нагружаться. Как правильно выложить ленту волокна для конкретной детали, рассчитывают математики-прочнисты, исходя из свойств волокон и матрицы.
Как получить готовое изделие из композита? Изначально технология была похожа на изготовление папье-маше: брали волокно, промазывали кисточкой и клали следующий слой. Некоторые изделия производят таким способом до сих пор, но риск человеческой ошибки слишком высок. Сейчас процесс производства стремятся максимально автоматизировать.
Есть разные способы совместить матрицу и наполнитель. Самый распространенный в авиации - формование препрегов. Заранее пропитанную связующим и выложенную в несколько слоев ткань (препрег, от английского pre-impregnated) помещают в автоклав, куда подают высокое давление и высокую температуру. Полимерные связующие вязкие, и при выкладке между слоями образуются пустоты, которые нужно убрать под высоким давлением - пузырек газа просто схлопывается и растворяется в матрице. Детали, имеющие осевую симметрию, например фюзеляжи самолетов или мачты парусников или ветрогенераторов, получают намоткой пропитанного связующим волокна на вращающийся вал, после чего их также помещают в автоклав. Использование автоклавов для формования больших деталей могут позволить себе только крупные производители, и мировые тенденции направлены на отказ от автоклавных технологий и удешевление производства.
Альтернатива автоклавам - технология вакуумной инфузии. В специальный пакет выкладывают сухой материал, полимерное связующее за счет вакуума затягивается по трубкам и пропитывает ткань, и деталь отверждают при высоких температурах. Пакет для вакуумной инфузии можно сделать любого размера, и эта технология позволяет производить очень большие детали, которые нельзя сделать ни одним из других методов производства композитов. Вакуумной инфузией получают детали крыла российского самолета МС-21 длиной 25 метров, чего до этого не делал никто в мире.
Минусы композиционных материалов
Использование композитов позволяет сокращать количество частей в детали, тем самым ускоряя сборку самолета, и получать изделия сложной формы. В отличие от металлов, композиты не подвержены усталости. В то же время полимерные композиты имеют ряд недостатков: композиционные материалы пока что значительно дороже, чем металлы, и их использование окупается лишь при долгой эксплуатации.
Кроме того, углепластики, в отличие от металла, горят, и при этом выделяются ядовитые вещества, люди могут задохнуться дымом, поэтому в интерьерах используются пластики с низкой горючестью, в состав которых входят специальные добавки - антипирены.
Что такое стеклопластик?
Стеклопластиком обычно зовется уже готовое изделие – совокупность материалов, технологий и работ. Чем удобен стеклопластик? Да тем, что можно изготовить любой формы деталь, какую только вообразит фантазия, будь то сабвуфер, повторяющий нижней стенкой очертания багажника, мелкосерийные крылья автомобилей своего дизайна, реплики спойлеров, обвесы, бампера, различные усовершенствования внутренних панелей салона автомобиля и многое другое.
Какие существуют методы производства изделий?
Достаточно часто требуется изготовить всего одно изделие и сэкономить время и материалы, в таком случае делается болван (макет) и прямо по нему клеится стеклопластик с последующим его выведением шпаклёвкой под покраску. Макет должен быть заведомо меньших размеров(на толщину стеклопластик+шпаклёвка.
Другой метод – изготовление изделий по матрице. Применяется для размножения (копирования, тиражирования) какого-либо изделия, а так же если делается в одном экземпляре, но есть вероятность разрушения изделия в процессе эксплуатации (например юбка бампера).
Видео-пример изготовления детали из стеклопластика, с использованием полиэфирных смол и стекломата:
Материалы для полиэфирных смол
Для полиэфирных смол используются следующие материалы:
стекловуаль для первого слоя
для последующих слоев – стекломаты 100, 300, 450 и 600 г/м.кв. обычно 100 и 300 для первого-второго слоя, 450 и 600 для набора толщины
для внутренних углов применяется ровинг рубленый, ровинг в виде нити
для жесткости применяется стеклоткань или стеклорогожа конструкционная, но эти материалы не любят изгибов
для склейки половинок и для некоторых других случаев (заполнение углов, увеличение толщины в частных случаях) применяется аэросил размешанный в смоле либо готовая смесь Филер
для финишного (первого) слоя изделия в матрице применяется гелькоут.
Для эстетики последним слоем матрицы, а так же изделия наносится топкоут, необязательный материал.
Гелькоуты и топкоуты обычно делятся на 2 группы и каждая так же на две – для ручного нанесения(Hand маркировка Н) и для пульверизатора(Spray маркировка S), для матриц (маркировка GM) и просто изделий (для матриц повышенной износостойкостью отличается)
Смолы так же выпускаются различных модификаций, такие как матричные, уменьшенной усадки, для изделий стандартные общего применения; устойчивые к химическим средам, устойчивые к повышенной температуре, устойчивые к атмосферным воздействиям (ультрафиолету).
Меры безопасности при работе с полиэфирными смолами
Полиэфирная смола выделяет очень вредные для здоровья летучие вещества, поэтому необходимо защищать органы дыхания как минимум угольным респиратором и обязательная вентиляция помещения, иначе дикая вонь и головные боли обеспечены, возможно и расстройство здоровья.
Так же необходимо защищать руки медицинскими перчатками, что б на кожу не попадала смола.
Вкратце про эпоксидные смолы и материалы под них
Начнем с того, что эпоксидные смолы в настоящее время используются в основном для изготовления декоративного карбона, так как время кристаллизации большое, жесткость больше и соответственно изделие будет более хрупким, кроме того эпоксидная смола стоит дороже полиэфирной. Стекломатериалы для эпоксидки применяются так же специальные, так как стандартные стекломаты пропитаны специальной эмульсией, которую растворяет только полиэфирная смола.
Замешивание смол, гелькоутов
Важно не отходить от рекомендаций производителя по пропорциям смолы и отвердителя, иначе, если отвердителя перельете смола может закипеть, либо кристаллизоваться намного быстрее, чем нанесете. Если меньше нальете, то рискуете испортить все, так как смола не кристаллизуется.
Смолы необходимо замешивать столько, что б можно было ее всю использовать за примерно 20 минут работы.
В идеальном варианте можно иметь весы электронные, в более простом – шприцы, большой на 20мл для смолы и инсулиновый для отвердителя.
Снятие формы (матрицы), разделители
Рабочая температура в помещении должна быть не менее 20 градусов по Цельсию.
Первым этапом необходимо определиться, будет ли матрица из одной части или нескольких. Для этого необходимо прикинуть, сможете ли вы вытащить болван из матрицы, не разрушив его.
Далее делаются поля из тонкого листового картона, либо из пластика, приклеиваются на пластилин либо термоклей по границе матрицы, если матрица будет состоять из нескольких частей то по границе первой части и последующих нечетных. Когда будут готовы эти части матрицы, необходимо будет удалить поля и завосковать оставшиеся части изделия и поля готовых частей матрицы. Так же желательно сделать бугорки из пластилина на полях для матрицы, что бы у самих полей матрицы были контрольные пазы.
Первым делом необходимо, что бы изделие или болван были чистыми. Далее наносится воск в несколько слоев с промежуточной сушкой и Конечной полировкой. После воскования и полировки желательно нанести поливиниловый спирт CRA губкой или мягкой тканью в один слой.
Пример создания матрицы и изделия из стеклопластика:
Формула расчёта материалов для изготовления:
Расчет веса материалов (х-это знак умножения)
Площадь поверхности х количество слоев х удельный вес стеклоткани = вес стеклоткани
Вес стеклоткани х 2 (где 2 отношение к смоле 1:2)= вес смолы
Площадь поверхности х 0,6(удельный вес гелькоата 0,6кг х 1м²)= вес гелькоата
Вес смолы х 0,03(удельный вес закрепителя0,03кг* х 1кг)= вес закрепителя
Вес стеклоткани + Вес смолы + Вес гелькоата + Вес закрепителя = Вес детали (будущей)
Ламинирование ручное
Ламинирование в матрице вакуумное – инжекция и просто пакет
к преимуществам вакуумной технологии можно отнести такие вещи как: меньший расход смолы, нестесненная по времени укладка стекломатериалов, намного проще работать со смолой, более лучшее соотношение смола/стекломатериалы, в результате чего получается более легко и крепкое изделие
Инжекция
технология состоит в том, что вакуум сам распределяет смолу по стекломатериалу, далее вакуум сохраняется до кристаллизации смолы.
предварительно необходимо по периметру матрицы приклеить спираль из пвх, с ее помощью вакуум будет равномерно по всей матрице засасывать смолу.
далее наносится гелькоут. после укладываются стекломатериалы в нужном количестве, далее укладывается на всю поверхность стекломатериала проводящий смолу слой, сверху на него впитывающий слой, далее из специальной пленки делается либо мешок, в который полностью входит матрица, либо пленка приклеивается по периметру матрицы. в пленке предусматриваются два отверстия, одно под сосок для вакуума, устанавливается впритык к вакуумной магистрали, второе под сосок для подачи смолы. возможны варианты с большим количеством резервуаров для подачи смолы, все зависит от конфигурации матрицы.
когда все подготовлено включается насос. при достижении максимального вакуума, открываем магистраль подачи смолы. при заполнении полностью всего стекломатериала подачу смолы прекращают. так же на вакуумной магистрали желательно предусмотреть резервуар под лишнюю смолу.
Инструменты для ручного ламинирования
для ручного ламинирования используются кисти флейцевые, валики металлические, металл.угловые, игольчатые
Инструменты и материалы для вакуумной инжекции
-насос вакуумный
-спираль пвх
-пропускающий слой
-впитывающий слой
-соски, трубочки
-пленка вакуумная
-герлен
Авторизуясь в LiveJournal с помощью стороннего сервиса вы принимаете условия Пользовательского соглашения LiveJournal
| Посмотреть и купить мои фотографии вы можете в этих фотобанках: |
| |
Самолет из дерева и стеклопластика вместе с группой гродненских энтузиастов из Гродненской ассоциации любителей авиации сконструировал и собрал Олег Вахрушев.
Самолет гродненской ассоциации "А-23 Неман" прошел сертификацию и внесен в реестр воздушных судов Республики Беларусь.
Эта машина способна на 2-х цилиндровом заводском моторе развивать скорость до 160 км/час. Расход топлива не превышает 12 литров бензина марки АИ-92 на час полета.
Такие самолеты весом до 750 кг можно использовать в народном хозяйстве для перевозки мелких грузов, почты, патрулирования, для экологических исследований.
Отставной летчик, инструктор 1 класса, Олег Вахрушев, инженер клуба раннее уже занимался конструированием легких самолетов со своим братом Игорем Вахрушевым, известным в Самаре конструктором и пилотом. До "А-23 Неман" в Гродно были изготовлены и построены еще два легких самолета - "Гамлет" и "Бусел".
На изготовление матриц такого самолета уходит больше 2 лет. Сейчас коллектив имеет готовые комплекты матриц на два легких самолета.
Andre 14 июля, 2018 No Comments
15 лет назад мировая авиационная отрасль отмечала 100-летие первого полета моторного самолета братьев Райт. Он длился всего около минуты. В настоящее время человечество летает в космос, а дальнемагистральные рейсы за океан стали обыденностью. Благодаря мечте, упорству неисчислимых энтузиастов и профессионалов, человечество достигло этих успехов за сравнительно короткий исторический промежуток. Начав с примитивных деревянных конструкций первых самолетов и планеров, заканчивая современными аппаратами из композитных материалов на базе смол, стеклотканей и углеволокна. Материаловедение, а также прогресс в химии, дали авиационным (и не только) конструкторам материал, дающий большой простор для идей в проектировании элегантных обтекаемых воздушных судов.
Однако, несмотря на стереотипы, история ламинатов и композитов значительно старше, чем авиации. Ведь что такое композит? Проще говоря, это – материал изготовленный минимум из двух компонентов, свойства которого лучше, чем у одного из них. Самый древний композит – глиняный кирпич укрепленный соломой появился за около 800 лет до нашей эры. В свою очередь ламинат – специфический вид композитного материала, образующийся в результате сочетания двух материалов с разными свойствами, уложенных слоями, между которыми находится клеящее вещество (смола, клей).
Тогда был запатентован способ создания стекловолокон. В 1942 г. было впервые применено сочетание смолы и стеклоткани, годом позже были сделаны удачные попытки применения стеклопластиков для военных целей в Германии и в США. В 50-х годах прошлого века разработана технология создания дешевых смол с химическим отвердением и методы их сочетания со стекловолокнами. Простая и доступная даже для примитивного производства технология пропитки стеклотканей смолой произвела революцию в изготовлении лодок, самолетов, планеров и другой малосерийной продукции. Свобода в выборе форм изделий, обеспеченная новым материалом, и простота его использования вызвала резкий скачок в развитии стекловолокон и стеклопластиков.
В 1961 году в лабораториях были получены первые образцы углеволокна, а семнадцатью годами позже – арамидные волокна. В 1968 год появился первый в мире планер выполненный целиком из композитных материалов – Phoebus.
Как изготавливаются стеклопластиковые элементы?
Первым этапом подготовки к производству композитной конструкции является изготовление модели в масштабе 1:1, с которой затем снимаются матрицы. В матрицу первым слоем наносится гелькоут. Обычно это та же самая смола, которая затем будет использоваться для пропитки стеклоткани, но с добавлением красителя. Собственно гелькоут будет затем предохранять элемент от атмосферных воздействий (вода, лет, снег).
После отвердения гелькоута до определенной степени, зависящей от технологии, укладываются по очереди слои ткани, которые последовательно пропитываются смолой. Ткань может из стекло- или углеволокон, кевлара и т.д., а также иметь различные методы сплетения. Пропиточный материал – эпоксидные, полиэстеровые или винилэтеровые смолы в соответствие с техническими требованиями к ткани. В процессе укладки вклеиваются усиливающие элементы (шпангоуты, лонжероны и т.п.) и крепления для внутреннего оборудования.
Вклейка шпангоутов
Часто различные элементы, например, шпангоуты или нервюры крыльев, изготавливаются в отдельных матрицах, а затем вклеиваются в более крупные элементы конструкций. Большинство больших деталей (крылья, фюзеляж, хвостовое оперение) делаются из двух половинок, а после окончания формовки и установки внутренних деталей (нервюр, шпангоутов, креплений) склеиваются в единое целое. Некоторые объемные элементы внутри конструкции изготавливаются из пенопласта и оклеиваются стеклотканью.
Планеры и ультралегкие самолеты, изготовленные из стеклопластика на эпоксидной основе имеют ограничения по эксплуатации температуре окружающей среды 55°C. Выше этой температуры эпоксидная смола начинает размягчаться и теряет свои свойства. Большинство воздушных судов из этого вида материала окрашивается в белый цвет, чтобы уменьшить нагрев конструкций от солнца во время полета или на земле.
Зимой или при низких температурах смолы становятся хрупкими. Об этом стоит помнить, если вы совершаете полеты зимой и летом. Изменение цвета воздушного судна или оклеивание декоративными элементами разных цветов вызывает разницу в температуре нагрева отдельных областей поверхности и, как следствие, образование микротрещин на границе перехода цвета. Топливные баки большинство самолетов из таких материалов выклеены как единое целое с фюзеляжем или крыльев. Окраска или оклейка области крыла, где находится топливный бак, может вызвать образование в топливе пузырьков воздуха, а затем – воздушных пробок в топливопроводе, что потенциально грозит перебоями в работе двигателя и/или его остановкой. В европейских климатических условиях размещение на белой поверхности голубой (RAL 5017) наклейки вызывает рост температуры стеклопластика на 18°C, при температуре окружающей среды 30°C.
Композиты на основе винилэстерных смол достаточно широко используются в США, у них более широкий рабочий диапазон температур + 75°C – 25°C. Самолеты из таких материалов обычно окрашивают в различные цвета и в сочетания цветов без ущерба для конструкции. Следует отметить, что стеклоткани, несмотря на общепринятое мнение, не являются абсолютно водостойкими. Поэтому самолет из композитных материалов подвергается негативному влиянию окружающей среды. При его эксплуатации нужно обращать особое внимание на состояние внешних слоев – краски и гелькоута.
Чтобы был понятен механизм коррозии этих видов материалов, можно привести пример воздушного винта (пропеллера) гидросамолета композитного материла, например, дерева ламинированного стеклотканью. Во время взлета с воды удары капель от разбрызгиваемой поверхности вызывают микротрещины на наружном слое (гелькоуте). Вода проникает с каждым разом все глубже и становится причиной коррозии и разбалансировки. Разбалансировка вызывает вибрацию, которая в свою очередь усугубляет состояние всех элементов конструкции (а особенно коренного подшипника двигателя или редуктора, но это уже тема для другой статьи). Подобное явление, только в более растянутом промежутке времени, происходит и планером самолета. Подходящим случаем для осмотра состояния гелькоута может быть мытье самолета и его консервация.
На/в композитном самолете, если его не мыть, из-за оседающей пыли и грязи образуются плесень и грибки. Последние вредны и для здоровья человека. Они могут образовываться в различных уголках всей конструкции, каналах, пустотах и даже на внутренних поверхностях моторного отсека. На снимках видны фрагменты обшивки самолета, атакованной плесенью, а также следующим звеном этой пищевой цепочки – слизняком, питающимся плесенью.
Композитные материалы, в том числе и стеклопластики являются прекрасным конструктивным материалом, а построенные из них самолеты имеют красивые обтекаемые формы, но также требуют ухода и знаний об их свойствах, как и другие материалы.
Аэропорт Стамбула показал в 2021 году лучшие результаты среди европейских
Читайте также: