Активное использование полимерных композиционных материалов (ПКМ) для конструктивных элементов самолетов ведет к созданию цифровых паспортов ПКМ и построению качественных цифровых двойников.

Инженер Центра композитных технологий КНИТУ-КАИ им. А. Н. Туполева Евгений Пузырецкий на секции «Совершенствование методов ведения технологической подготовки производства» Международного технологического форума «Инновации. Технологии. Производство» представил доклад «Цифровой паспорт композиционного материала как необходимый компонент проектирования технологических процессов».

Цель исследования - разработка методологической и экспериментальной базы для калибровки и верификации цифрового паспорта композиционного материала на этапах пропитки, отверждения и коробления композиционных изделий. Это итог поиска новых решений и отказа от устоявшихся подходов, растрачивающих финансовые и временные ресурсы.

По словам автора, оригинальность исследования заключается в том, что на данный момент не разработан цифровой паспорт материала и методики валидации его параметров. Тема набирает популярность, в первую очередь, потому, что повсеместно переходят к цифровизации производства.

Надо понимать, что при создании изделий из ПКМ возникает ряд технологических проблем, таких как «сухие зоны» при пропитке, неконтролируемая экзотермическая реакция, коробление и высокая пористость. Как правило, прогнозирование перечисленных дефектов производится путём виртуального моделирования технологических процессов. Точность виртуального моделирования определяется в первую очередь путём сопоставления с экспериментальными данными. Этот процесс называется валидацией расчётной модели.

В случае значительных отклонений модели от эксперимента её совершенствуют путём корректировки тех или иных параметров (как правило, свойств материала). Традиционно валидация и калибровка проводятся на основе целого ряда индивидуальных для каждого изделия опытов.

Исследователи КНИТУ-КАИ предлагают современную методологическую и экспериментальную базу, включающую комплекс универсальных оснасток и образцов для калибровки параметров материалов и создания цифрового паспорта. Предлагаемый ими подход позволяет уйти от конструктивно-подобных образцов, и тем самым снижает финансовые и временные издержки.

Конструктивно-подобный образец – физический образец, имитирующий элемент конструкции, применяемый при проведении экспериментов.

Как известно, цифровой паспорт материала это не только параметры материала и его компонентов, но и база знаний о материале, необходимая для построения качественного цифрового двойника.

Так, на каждом этапе технологического процесса необходима фиксация основных определяющих параметров. Для контроля данных параметров необходимы современные программно-аппаратные средства.

Основные средства контроля и технологического обеспечения – это система анализа создания и выкладки преформ Apodius 3D, система мониторинга состояния связующего diamond plus inasco и термоинфузионный автоматический центр.

На основе известных данных свойства материалов в исследовании были разделены на три группы по степени влияния на технологические параметры. Были выбраны основные свойства материалов для калибровки. Также выявлены требования к образцам и технологическому процессу.

Для калибровки проницаемости и химической усадки по толщине разработана модель оснастки для изготовления П-образного образца. В оснастку были заложены датчики давления, состояния связующего и температуры.

Для калибровки теплопроводности, удельной теплоёмкости и кинетики отверждения связующего предлагается оснастка для контроля параметров чистого связующего. В оснастку заложены датчики состояния связующего и термодатчики. В исследовании представлен прототип и модифицированный концепт для реализации в перспективе.

Для проведения экспериментальной отработки было выбрано два набора материалов, это углеродное волокно UMT 49S-12K-EP со связующим ВСЭ62 и арамидное волокно Русар С600 со связующим Т26. По каждому набору материалов производились калибровка и верификация различного набора свойств.

Также были определены параметры материалов по трём группам: от производителя, исследованные в лабораторных условиях и идентифицированные из литературных источников.

Для определения эффективных свойств слоёв использованы известные формулы и соотношения. Далее производится создание цифровых двойников по каждому образцу.

В рамках наблюдения за отверждением образцов с чистым связующим фиксируются параметры теплового пика и времени его достижения. В ходе сравнения результатов виртуальных и натурных испытаний образцов были сделаны выводы о необходимости калибровки параметров связующего Т26, тогда как модель материала ВСЭ62 с высокой точностью отражает наблюдаемые эффекты. Для калибровки теплопроводности и теплоёмкости связующего Т26 был проведён ряд виртуальных испытаний над цифровым двойником и определены оптимальные величины свойств. Так, удалось достичь погрешности по температурному пику равной 0,56% и по времени достижения 2,46%, что не отменяет верификацию модели отверждения.

Для этого был проведён технологический эксперимент по изготовлению конструктивно-подобного образца изделия авиационного назначения. Основной проблемой при изготовлении данного изделия является его значительная толщина, которая может стать причиной возникновения неконтролируемой экзотермической реакции. Перед изготовлением было проведено построение цифрового двойника и оптимизация режимов отверждения. Далее для контроля технологических параметров в преформе размещены термопары. По итогам изготовления было проведено сравнение результатов виртуальных и натурных испытаний. Отмечено, что погрешность по температурному пику составляет всего 7,7%, по времени достижения 6,22%.

Для моделирования технологических процессов на этапах инфузионной пропитки, отверждения и коробления был создан цифровой двойник П-образного образца. Можно заметить, что на каждом этапе виртуальных испытаний появляются сомнения в отношении ряда параметров. В связи с этим требуется технологическая отработка и фиксирование данных параметров для уточнения цифрового двойника образца.

В рамках технологической отработки производится сбор необходимых технологических параметров и изготовление изделия. Так, в моделях были уточнены фактическая геометрия оснастки, фактические углы армирования слоёв, фактический коэффициент наполнения преформы и расход связующего в преформе.

По итогам изготовления были зафиксированы необходимые параметры для сопоставления с цифровым двойником. По итогам сравнения были зафиксированы погрешности по этапам пропитки и коробления. Таким образом, потребовались уточнение цифрового двойника и калибровка свойств материалов.

Калибровка параметров материалов на этапах пропитки и коробления была произведена итерационным способом. Были определены оптимальный коэффициент проницаемости преформы и оптимальный коэффициент химической усадки монослоя.

По результатам исследования отмечено, что методика показывает хорошую сходимость виртуальных и натурных экспериментов. Были сделаны первые шаги для создания полного комплекса образцов, оснасток и методических рекомендаций. Результаты работ были частично верифицированы на опытных изделиях.

Развитие темы автор видит в создании интегрированной в технологическое оборудование интеллектуальной системы онлайн мониторинга параметров, их сопоставления с исходными данными и самообучения для построения систем больших данных.