Российские ученые решили проблему герметизации при производстве композиционных материалов

Компрессионная консолидация термопластичных композиционных материалов — это технологический процесс, при котором из отдельных слоев армирующего материала и полимера (в форме порошка либо пленки) или полуфабрикатов (например, препрегов) получают монолитное, прочное изделие. Суть в том, что материал подвергают одновременному воздействию избыточного давления, вакуума и повышенной температуры, чтобы слои плотно соединились, а связующее равномерно распределилось, вытеснив при этом воздушные поры.

Разработка казанских ученых позволяет создавать пресс-формы с герметичной полостью для применения в автомобильной, авиационной, аэрокосмической и электротехнической промышленности в целях производства деталей из композиционных материалов и пластмасс.

«Основной проблемой, которую мы решали, является сложность и низкая надежность систем герметизации известных аппаратов и пресс-форм, — поясняет аспирант кафедры производства летательных аппаратов КНИТУ-КАИ Руслан Соловьев. — В частности, для создания герметичной полости пресс-формы часто используются сложные системы подвижных рам, гибких диафрагм, эластомерных уплотнителей и отдельные приводы для их активации. Эти элементы имеют ограниченный ресурс, подвержены износу, требуют точной синхронизации и сложны в обслуживании».

Кроме того, такие конструкции предполагают вакуумирование большого объема вокруг самой пресс-формы, что снижает энергоэффективность и увеличивает длительность производственного цикла.

Так, среди ряда запатентованных ранее образцов – разработка, защищенная патентом US 3 971 875 A. Его авторы предлагали компактную камеру, герметичную, с дверцей. Камера превращается в рабочую форму под давлением пресса, позволяя нагревать и прессовать заготовки в вакууме или инертной атмосфере без необходимости удалять воздух в окружающем пространстве.

Одна часть стенки камеры не жесткая, а складчатая. Эта сильфонная секция способна многократно сжиматься и разжиматься, сохраняя герметичность внутреннего объема и возвращаясь в исходную форму после снятия нагрузки. При сжатии верхняя и нижняя жесткие пластины камеры сближаются, и внешние плиты пресса напрямую передают равномерное давление на заготовки через распределительные плитки, одновременно ведущие тепло внутрь и отводящие его при необходимости.

Камера имеет широкую загрузочную нишу с дверцей, обеспечивающей газонепроницаемое закрытие для удобной многократной загрузки/выгрузки деталей, а внутри расположены электрические нагреватели, теплоотражающие экраны и охлаждаемые детали корпусов, чтобы управлять теплом и защитить складчатую стенку от перегрева. Пространство внутри герметизируется до высокого вакуума или наполнения инертным газом для подавления химической реакций при нагреве.

Главный технологический узел — прямоугольный сильфон с рядом пластинчатых гофров, занимающий площадь, примерно равную площади рабочего объема камеры, который обеспечивает изменение высоты и объема камеры при внешнем прессовании и одновременно служит барьером между внутренней рабочей средой и внешней средой пресса.

Недостаток описанного решения — это большая и сложная в изготовлении подвижная гофрированная конструкция. При циклической работе сильфона на изгиб и растяжение/сжатие риск микротрещин в материале или швах высок, а вакуумирование большого объема остается энерго- и времязатратным, что снижает надежность и срок службы герметизации.

Таким образом, задачей, которую решали казанские инженеры, стало устранение ряда недостатков имеющихся аналогов. Среди них сложность и низкая надежность систем герметизации, обусловленные использованием множества подвижных элементов (рам, сильфонов, пружинных механизмов), которые подвержены износу, усталостным разрушениям и требуют точной синхронизации. Также к недостаткам можно отнести необходимость вакуумирования большого объема (всей камеры, окружающей пресс-форму), что приводит к значительным затратам времени и энергии, замедляя производственный цикл. Кроме того, в известных конструкциях предполагалось применение уплотнительных элементов с ограниченным ресурсом, таких как эластомеры, резины и силиконы, которые склонны к старению и потере герметичности под воздействием высокой температуры.

Разработанная учеными КНИТУ-КАИ пресс-форма для компрессионной консолидации композиционных материалов и пластмасс с герметичной внутренней полостью состоит из расположенных последовательно стального пуансона, имеющего на вертикальной стенке кольцевое медное уплотнение, а также расположенного в полости матрицы кольцевого упора, регулирующего толщину получаемого изделия, и составной матрицы, которая представляет собой вертикальную стенку. Последняя изготовлена так, чтобы при нагреве кольцевого медного уплотнения на вертикальной стенке пуансона создавалось герметичное скользящее соединение между вертикальной стенкой матрицы и вертикальной стенкой пуансона. При этом кольцевой упор имеет толщину, необходимую для получения заданного изделия.

Горизонтальная плита имеет кольцевой канал распределения вакуума в полости пресс-формы, вакуумный штуцер конического типа на вертикальной поверхности. Кольцевое медное уплотнение так расположено, чтобы при его нагреве создавалось герметичное статичное соединение между вертикальной стенкой и плитой матрицы, при этом вертикальная стенка и плита стальной матрицы соединяются при помощи болтового соединения и являются разъемными – так легче снимать полученное изделие.

Отметим, что медное уплотнение на вертикальной стенке пуансона и плите матрицы выполнено в виде не менее двух кольцевых контуров. Пресс-форма также интересна тем, что ее сжатие может быть выполнено с использованием гидравлического пресса.

Первоначальное сжатие и дегазацию материала можно осуществить с использованием вакуумной установки, при этом герметизация пресс-формы обеспечивается пластической деформацией меди. Тепловое расширение происходит благодаря нагреву плит пресса.

Новая разработка позволила упростить конструкцию и повысить надежность системы герметизации за счет уменьшения количества подвижных элементов. Удалось избежать вакуумирования большого объема, обеспечивая герметичность лишь рабочей полости пресс-формы, а также исключить использование уплотнительных элементов на основе эластомеров, резин и силиконов, склонных к старению при высокой температуре.

Федеральная служба по интеллектуальной собственности в 2026 году выдала коллективу авторов Патент RU 2 863 151.