Проекты

Купол церкви из композитных материалов

Работа победителя конкурса проектов и исследований «Наука для жизни» открытой городской научно-практической конференции «Наука для жизни» в секции «Прикладная химия. Материаловедение»

Направление работы: Материаловедение
Авторы работы: ГБОУ Школа № 1231
Предметы: Химия
Классы: 8 класс
Мероприятия: Конкурс проектов и исследований «Наука для жизни» открытой городской научно-практической конференции «Наука для жизни» 2021 года

Актуальность

Композитный материал — это искусственно созданный материал, то есть не встречающийся в природе, состоящий из двух или более компонентов (матрица и наполнитель) с четкой границей раздела между ними. Изготовление сборного купола церкви луковичной формы из композитных материалов позволит решить следующие задачи:

  • долговечность: купол обладает стойкостью к коррозии;
  • использование облегченных материалов: купол легче уже существующих металлических или деревянных, что делает удобной транспортировку и установку;
  • экономическая целесообразность: купол из стеклопластика намного реже будет нуждаться в ремонте или замене, чем деревянные или металлические.

Цель

Изготовление лепестка сборного купола церкви луковичной формы из композитных материалов.

Задачи

  1. Разработать 3D модель.
  2. Изготовить мастер-модель.
  3. Изготовить матрицы.
  4. Изготовить изделие.

Оснащение и оборудование, использованное при создании работы

Оборудование:

  • Станок с ЧПУ «Росфрезер ARF12STM»
  • Пневматический лобзик
  • Орбитальная пневматическая шлифовальная машинка
  • Печь

Программное обеспечение:

  • «Autodesk Inventor Professional 2020»
  • «Autodesk PowerMill Ultimate»

Расходные материалы:

  • Двухкомпонентная эпоксидная смола ЭД-20 с отвердителем ТЭТА в весовой пропорции 100 : 10
  • Воск
  • Гелькоут зелёного цвета
  • Стеклоткань разных типов
  • Состав Polywax®
  • Мелкая наждачная бумага (зернистость 400)
  • Двухкомпонентная эпоксидная смола «Elantas» БП-2406
  • Вакуумная плёнка
  • Вакуумные и спиральные трубки
  • Герметизирующий жгут
  • МДФ

Описание

Технологию изготовления купола можно разделить на четыре основных этапа, которые включают в себя множество вспомогательных операций.

1. Моделирование

1.1. Моделирование главной поверхности изделия

1.2. Моделирование полной формы

1.3. Моделирование оснасток

2. Изготовление мастер-модели

2.1. Резка заготовки

2.2. Создание управляющей программы

2.3. Пропитка оснастки смолой

2.4. Термообработка

2.5. Чистовая обработка

3. Изготовление матрицы

3.1. Нанесение воска на матрицу 3 раза, полировка

3.2. Нанесение гелькоута зелёного цвета

3.3. Укладка трех слоев стеклоткани малой плотности, далее укладка трех слоев стеклоткани большей плотности

3.4. Снятие матрицы

3.5. Механическая обработка матрицы

4. Изготовление изделия

4.1. Нанесение заливного гелькоута

4.2. Шлифовка мелкой наждачной бумагой

4.3. Раскрой материала

4.4. Нанесение разделительного состава

4.5. Формование изделия

4.6. Сборка вакуумного пакета

4.7. Подготовка связующего

4.8. Пропитка детали

4.9. Разбор оснастки

4.10. Механическая обработка изделия

Результаты работы/выводы

В ходе работы был изготовлен лепесток сборного купола церкви, превосходящий по качествам любые аналоги, изготовленные из других материалов. Благодаря материалу и сборной технологии, он легче и удобнее привычных каменных, металлических и деревянных куполов. Купол состоит из гелькоута и двух типов стеклоткани (стеклоткань плотностью 160 г/м2 и триаксиальная стеклоткань). Благодаря этому получается добиться требуемой долговечности и коррозионной стойкости изделия. Строение купола упрощает транспортировку, установку и ремонт конструкции. Также такой купол обладает большей долговечностью, чем аналоги, за счет свойств композиционных материалов. Купол устойчив к коррозии, благодаря этому его нужно будет реже ремонтировать. Помимо этого, благодаря конструкции, состоящей из восьми лепестков, починка может быть не полной, а частичной, и представлять из себя замену одного или нескольких лепестков, которые не составит труда изготовить на уже существующей матрице. Несмотря на то, что в момент установки цена данного купола будет выше, чем у аналогов из традиционных материалов, в долгосрочной перспективе это решение будет выгодным благодаря редкой потребности в ремонте или замене деталей купола. По всем параметрам купол из стеклопластика удобен, долговечен и бюджетен.

Перспективы использования результатов работы

Изготовление недостающих деталей и установка готового купола на здание церкви в городе Москва.

Сотрудничество с вузом/учреждением при создании работы

Технопарк «Инжинириум МГТУ им. Н.Э. Баумана», Межотраслевой инжиниринговый центр «КОМПОЗИТЫ РОССИИ» МГТУ им. Н.Э. Баумана.

Награды/достижения

Конференция «Инженеры будущего» – призер.

Конкурс проектных работ школьников «Создаем будущее вместе!» НИТУ МИСИС – победитель.

Мнение автора

«Я узнал много нового в сфере композитных материалов, научился применять свои знания на практике. Также я получил опыт защиты проектов, для меня это был новый формат. Мне понравился этот проект. Обязательно буду участвовать в следующем учебном году!»