Заявляемое техническое решение относится к области машиностроения, а именно к способам и устройствам создания в автоматическом режиме, как в условиях земной атмосферы, так и за её пределами, металлополимерных монококовых конструкций корпусных деталей, применяемых преимущественно в авиационной технике.

Первые самолёты представляли собой каркасные конструкции из различных материалов. По мере совершенствования каркасной конструкции последняя обрела сначала внешнюю оболочку, а затем избавилась от традиционного каркаса. Для обеспечения достаточного внутреннего пространства каркасная конструкция трансформировалась в систему шпангоутов, лонжеронов, стрингеров и нервюр, - элементов обеспечивающих прочность внешней оболочки самолёта. Этот принцип конструкции планера самолёта и стал именоваться тонкой монококовой конструкцией, а точнее усиленным монококом.

В заявляемом техническом решении производится наплавление монокока как цельной конструкции, но, тем не менее, логически непротиворечиво классифицировать такую конструкцию как многослойную конструкцию. При обычном изготовлении оболочка монокока является первым слоем, силовая конструкция (заполнитель или каркас) - вторым слоем и если есть также внутренняя оболочка - то это третий слой, поэтому подобный монокок в виде цельной конструкции в некоторых случаях называют многослойным монококом.

Монокок - это цельная оболочка, форма которой удовлетворяет требованиям аэродинамики и в то же время является достаточно прочной для того, чтобы воспринимать и передавать нагрузки, возникающие при полёте, посадке и движении самолёта по земле. Монокок состоит из внешней оболочки (обычно листы алюминиевого сплава) с минимумом подкрепляющих конструктивных элементов - шпангоутов, лонжеронов, стрингеров.

Аналогом заявляемого способа является способ по патенту РФ на изобретение .452593 от 1 1 .01 .201 1 г., МП -5: B22F3/08, опубликованному 10.06.2012г., предметом которого является способ получения металлополимерного нанокомпозиционного материала путем взрывного прессования. Способ-аналог использует взрывное прессование и включает размещение в цилиндрической ампуле стальных вкладышей и прессуемой порошковой металлополимерной смеси, а также песчаных прослоек, контактирующих с секторными зарядами взрывчатого вещества, расположенными на наружной поверхности ампулы, инициирование процесса детонации в зарядах взрывчатого вещества и взрывное прессование.

Общие признаки способа-аналога и заявляемого технического решения: получение металлополимерного материала.

Отличие заявляемого технического решения от способа-аналога проявляется в том, что в заявляемом техническом решении раскрыты возможности эффективного, с точки зрения интенсификации процесса и точности выполнения способа изготовления многослойной монококовой конструкции. Главным отличием является то, что в аналоге разработан способ изготовления материала плоской формы, а заявляемое техническое решение позволяет конструировать и изготавливать обечайки (цилиндрические части корпуса) практически любой требуемой формы.

Способ-аналог взрывного прессования требует применения дополнительных конструктивных элементов в виде пуансонов, ампулы, вкладышей и оболочки контейнера, которые после заввершения технологического процесса удаляют. В то время как в заявленном техническом решении процесс идёт по электронному чертежу и не требует дополнительных ограничивающих конструкций.

Другим аналогом заявляемого способа является патент РФ на изобретение N22351473 от 12.03.2007г., МПК-7: В29С63/38, опубликованный 20.09.2008г. и зищищающий способ изготовления защитного корпуса, включающий герметизацию полости между наружной и внутренней оболочками, заполнение полости термоизоляционным материалом и вспенивание, при этом предварительно определяют области максимальной концентрации напряжений на внутренней оболочке, материал внутренней оболочки фиксируют на оправке, вспенивание осуществляют одновременно с формированием внутренней оболочки и соединением образующихся слоев, после снятия оправки осуществляют выравнивание поля напряжения на внутренней оболочке путем выполнения надрезов по линиям с критическим уровнем распределения напряжений и последующее восстановление целостности оболочек. Восстановление целостности оболочек может осуществляться путем установки закладных деталей и их креплением либо путем заливки полимерного материала в образовавшиеся полости.

Общие признаки способа-прототипа и заявляемого технического решения: наличие формирования оболочки и соединения образующихся слоев.

Отличие заявляемого технического решения от способа-аналога заключается в том, что в заявляемом техническом решении раскрыты возможности создания корпуса-обечайки без использования каких-либо оправок или закладных деталей, что избавляет от применения усложнённых действий.

Следует отметить, что способ-аналог, при попытке применения, может оказаться недостаточно хорошо функционирующим, также как и вышеприведенный аналог, поскольку этот способ не решает задачу повышения точности изготовления корпуса.

Наиболее близким аналогом (прототипом) заявляемых способа и устройства для изготовления монококовой конструкции в виде единой непрерывной оболочки является способ и устройство для лазерной наплавки по патенту РФ N°2228243 (ПРОТОТИП), МПК-7: В23К26/34, опубликованному 10.05.2004, в котором описаны:

по способу - способ автоматического изготовления изделия, характеризующийся тем, что включает использование описания изделия, подлежащего изготовлению, формирование изделия на подложке путем нагрева локализованного участка подложки при помощи регулируемого лазера для формирования на нём ванны расплава, подачу материала в ванну расплава с помощью средства подачи материала для получения слоя наплавленного материала с заданной высотой, оптическое отслеживание высоты слоя наплавленного материала, автоматическое регулирование высоты слоя в соответствии с описанием изделия и перемещение из одного локализованного участка подложки на другой, при этом упомянутые этапы повторяют вплоть до завершения изготовления изделия.

по устройству - система автоматического регулирования послойной наплавки материала на подложке, включающая регулируемый лазер, испускающий луч, направленный в локализованный участок подложки для образования на нём ванны расплава, средство подачи материала в ванну расплава для его плавления лазером и получения слоя наплавленного материала с заданной высотой, а также средство оптического детектирования и регулятор с обратной связью для автоматического регулирования скорости наплавки материала. Система также содержит интерфейс для компьютеризированной системы проектирования, содержащей описание изделия, подлежащего изготовлению. При этом вариантом является автоматическая система регулирования лазерной наплавки, содержащая испускающий луч лазер со средством фокусировки луча на локализованном участке подложки, а также средство перемещения испускающего луч лазера и подложки относительно друг друга, и средство подачи материала, подлежащего плавлению, в ванну расплава для его накопления в локализованном участке по мере наплавки материала и регулятор с обратной связью для восприятия информации о высоте слоя наплавленного материала и автоматического регулирования скорости наплавки материала в соответствии с заданной высотой слоя. При этом средство перемещения выполнено с возможностью перемещения рабочего стола относительно неподвижных лазера и средства подачи материала либо средство перемещения выполнено с возможностью перемещения лазера и средства подачи материала относительно неподвижного рабочего стола, причем подложка выполнена металлической, а материал, подаваемый в ванну расплава, является металлическим порошком.

Общие признаки прототипа и заявляемого технического решения: наличие лазера, материала для его плавления лазером, средства перемещения испускающего луч лазера и подложки относительно друг друга, и средства подачи материала, подлежащего плавлению, а также компьютеризированной системы проектирования, содержащей описание изделия, подлежащего изготовлению. Общие признаки включают компьютеризированную систему проектирования, содержащую описание изделия, подлежащего изготовлению, аналогичную применяемой при работе заявляемого технического решения системе изготовления электронного чертежа монокока. Однако компьютеризованная система не является частью устройства, а является отдельным устройством, поэтому в дальнейшем рассмотрении наличие компьютеризированной системы проектирования не учитывается.

Отличия прототипа от заявляемого технического решения: в прототипе применён иной принцип изготовления изделия путём осаждения на подложку расплавленного металлического порошка вдуваемого через сопло в лазерный луч, каковое использование влечёт за собой необходимость софокусировки потока порошка и лазерного луча на зоне ванны расплава и оптического детектирования толщины наплавляемого слоя, подробно описанных в прототипе. Кроме того, в прототипе послойная наплавка ведётся в горизонтальной плоскости, которая технически продиктована наличием ванны расплава и рабочего стола, поэтому средство перемещения испускающего луч лазера и подложки относительно друг друга работает в горизонтальной плоскости. Наплавка в горизонтальной плоскости вызовет серьёзные трудности при изготовлении изделия сигарообразной формы, например, планера самолёта со значительным размером вдоль горизонтальной строительной оси.

Недостатки прототипа устранены в заявляемом техническом решении путём применения послойной наплавки в вертикальной плоскости и того, что в качестве автоматически подающегося наплавляемого материала применяется проволока, исключающая применение ванны расплава с устройствами оптического дете ктирования .

Цель разработки заявляемого технического решения - создание действительно «идеального монокока», а именно монокока в виде единой непрерывной металлической или металлополимерной многослойной оболочки требуемой аэродинамической формы и прочности с достижением возможности формирования всего планера самолёта от носа до хвоста в виде цельной конструкции, включающей оболочку и силовой каркас.

Техническая задача - разработка способа и устройства, позволяющих создавать монококовый корпус самолёта без единой заклёпки, без сварки, склейки или соединительных элементов, - может быть, лишь за исключением места крепления крыла к фюзеляжу (фланцевое соединение).

Сущность заявляемого технического решения - способа состоит в том, что способ изготовления монококовой конструкции, далее монокока, в виде единой непрерывной оболочки требуемой конфигурации и аэродинамической формы, переходящей изнутри в силовые элементы, включает размещение мишени для выполнения работ по лазерному наплавлению, причем при реализации способа сначала выполняют послойный электронный чертёж монокока, а мишень располагают в вертикальной плоскости и посредством рабочей головки, двигающейся в вертикальной плоскости, на мишени последовательно слой за слоем, наплавляют монокок согласно электронному чертежу, при этом наплавление рабочей головкой металлического слоя происходит в процессе частичного расплавления лазерным лучом автоматически подающейся проволоки заданного профиля, состава и характерного поперечного размера, причём монокок движение не совершает и фиксируется по мере его изготовления специальными механизированными опорами, а движется в процессе выполнения способа рабочая головка, располагающаяся на технологической оснастке и осуществляющая согласованное движение в вертикальной плоскости и поступательное движение относительно продольной строительной оси монокока, при этом рабочая головка имеет возможность совершать как движение в вертикальной плоскости, так и поступательное движение вдоль строительной оси. При этом автоматически подающаяся проволока изготовлена из металла. В рабочем процессе одновременно могут быть задействованы несколько рабочих головок, располагающихся на технологической оснастке, осуществляющей согласованное движение в вертикальной плоскости и поступательное движение относительно строительной оси монокока. В процессе реализации способа одновременно производят подогрев предыдущего слоя и наплавление текущего слоя, а также сглаживание внешней поверхности, при этом подают в рабочую зону наплавления более одного лазерного луча в целях достижения заданного качества образующегося монокока, причём сглаживание внешней поверхности производят посредством оплавления. Лазерный луч передаётся посредством оптоволокна к рабочей головке, а мощность лазера может составлять не более 1 кВт. В случаях, когда чертежом задают конструкцию с выполнением оболочки, каркаса и внутренней оболочки из разных материалов либо реализуют сложные каркасные конструкции в виде плетения, то соответственно задействуются рабочие головки, использующие проволоку соответствующего металлического сплава либо используют рабочую головку с возможностью либо выдавливания смолы, полимеризующейся в ультрафиолете, либо применяют вместо металлической проволоки полимерную нить. Изготовление монококовой конструкции в случае, когда внешняя аэродинамическая оболочка переходит в силовую конструкцию, а затем переходит во внутреннюю оболочку, осуществляется также посредством послойного наплавления согласно электронным чертежам, а с целью получения более широкой полосы наплавления, чем характерный поперечный размер проволоки, рабочая головка может совершать колебательные движения относительно собственной оси.

Сущность заявляемого технического решения - устройства состоит в том, что устройство для изготовления монококовой конструкции в виде единой непрерывной оболочки требуемой конфигурации и аэродинамической формы, переходящей изнутри в силовые элементы, включает мишень для выполнения работ по лазерному наплавлению монокока и рабочую головку, причем неподвижная мишень расположена в вертикальной плоскости, а рабочая головка выполнена с возможностью движения в вертикальной плоскости и снабжена технологической оснасткой и оптоволокном, связывающим рабочую головку с лазером, а также включает автоматически подающуюся металлическую проволоку для наплавления монокока, фиксируемого по мере его изготовления специальными механизированными опорами. При этом мишень представляет собой металлический лист, а рабочих головок с лазером, располагающихся на технологической оснастке, может быть больше одной. Металлическая проволока может иметь диаметр от 0, 10 мм. В качестве лазера может быть использован диодный лазер. Технологическая оснастка, содержащая рабочую головку и устройство автоматической подачи металлической проволоки может являться частью манипулятора, имеющего до пяти степеней свободы, закреплённого на оснастке, имеющей возможность передвигаться перпендикулярно относительно мишени. В устройстве вместо металлической проволоки может использоваться полимерная нить.

Технический результат применения заявляемого технического решения заключается в создании способа и устройства для изготовления в автоматическом режиме как в условиях земной атмосферы, так и за её пределами, многослойного монокока в виде единой непрерывной оболочки переходящей в силовые элементы с возможностью изготовления сложных каркасных конструкций в виде плетения.

Сущность заявляемого технического решения проиллюстрирована чертежом варианта исполнения цилиндрической части корпуса, а именно обечайки, в виде тонкостенного усиленного монокока, где:

1 - мишень;

2 - обечайка;

3 - стрингер.

Обечайка 2 снабжена стрингерами 3, при этом мишень 1 предназначена для выполнения работ по лазерному наплавлению.

Заявленное устройство работает следующим образом. Для изготовления монокока в виде цилиндрической обечайки 2, представляющей собой металлическую цилиндрическую оболочку, усиленную изнутри двумя металлическими стрингерами 3. имеющими Г-образную форму, сначала создают с помощью системы AutoCAD электронную ЗО-модель чертежа обечайки.

В вертикальной плоскости неподвижно устанавливают мишень 1 из металлического листа таким образом, чтобы через геометрический центр мишени О перпендикулярно её плоскости проходила продольная (далее строительная) ось будущей обечайки 2. Технологическое оборудование, на котором установлена рабочая головка с автоматически подающим металлическую проволоку устройством, устанавливают с возможностью перемещения рабочей головки в вертикальной плоскости и вдоль строительной оси обечайки 2. Далее ЗО-модель разбивают на слои в плоскости, перпендикулярной строительной оси обечайки 2. Рабочая головка имеет возможность совершать как движение в вертикальной плоскости, так и поступательное движение вдоль строительной оси. Рабочей головкой, согласно 3D модели чертежа, после наплавления на мишени первого слоя обечайки металлической проволокой автоматически подающейся в рабочую зону, последовательно слой за слоем формируют обечайку 2. Работает в описываемом варианте диодный лазер, луч которого передаётся посредством оптоволокна в рабочую головку. Мощность лазера около 500 Ватт.

ПРИМЕР конкретного выполнения заявленного способа изготовления монокока в виде обечайки.

Конкретная задача изготовления монококовой конструкции: Изготовить обечайку 2 диаметром 50мм и длиной 70мм, представляющую собой медную цилиндрическую оболочку толщиной 0.5мм усиленную изнутри двумя медными стрингерами 3 толщиной 1 мм, высотой 6 мм, имеющими Г-образную форму.

Технический процесс изготовления цилиндрической обечайки заключается в следующем: Создают с помощью системы AutoCAD электронную ЗО-модель чертежа обечайки.

В вертикальной плоскости неподвижно устанавливают металлическую мишень 1 из медного листа толщиной 2мм и размерами, превышающими диаметр D обечайки 2 не менее чем на 10% таким образом, чтобы через геометрический центр мишени О перпендикулярно её плоскости проходила Строительная ось будущей обечайки 2. Технологическое оборудование, на котором установлена рабочая головка с автоматически подающим медную проволоку устройством, устанавливают с возможностью перемещения рабочей головки в вертикальной плоскости и вдоль строительной оси обечайки 2. SD-модель разбивают на слои толщиной 0.5мм в плоскости, перпендикулярной строительной оси обечайки 2.

На технологическом оборудовании устанавливается основная рабочая головка РГ1 с автоматически подающим медную проволоку диаметром 0.5мм устройством, вспомогательная рабочая головка РГ2, осуществляющая прогрев рабочей области мишени 1 и далее части сформированной обечайки и вспомогательная головка РГЗ, осуществляющая частичное оплавление внешней задней части рабочей области с целью достижения более гладкой внешней поверхности обечайки.

Рабочая головка РГ2 направляет подающийся через оптоволокно луч лазера в рабочую область на мишени где будет формироваться обечайка 2. Мощность лазерного луча рабочей головки РГ2 такова, что приводит рабочую область мишени в состояние близкое к плавлению. Далее рабочая головка РГ1 направляет подающийся через оптоволокно луч лазера в рабочую область на автоматически подающуюся в рабочую область медную проволоку и наплавляет её на мишень до металлургического связывания.

Наплавление проволоки происходит согласно электронного чертежа до тех пор, пока не завершится первый слой обечайки. Формирование обечайки согласно электронного чертежа происходит в процессе послойного наплавления медной проволокой как с предшествующим слоем, так и с образуемым. С целью получения более гладкой внешней поверхности обечайки рабочая головка РГЗ направляет подающийся через оптоволокно луч лазера на только что сформировавшуюся внешнюю часть слоя с целью её частичного оплавления.

Лазерный луч получают от диодного лазера мощностью около 500 Ватт.

В уровне техники не обнаружено подобного сочетания технической эффективности и экономичности, что позволяет сделать вывод о том, что заявляемое техническое решение соответствует критериям «новизна», «изобретательский уровень» и «промышленная применимость».