Технологический комплекс для непрерывного изготовления длинномерных сложноармированных изделий из полимерных композиционных материалов

Полезная модель относится к технологическим комплексам для изготовления армированных изделий из полимерных композиционных материалов (ПКМ) методами протягивания и намотки, и может быть использована для получения длинномерных изделий круглого сплошного и кольцевого сечения в машиностроительной, авиационной, судостроительной, нефтегазовой и строительной промышленности. Технологическая линия для непрерывного изготовления длинномерных сложноармированных изделий из полимерных композиционных материалов включает систему 1 подачи волокна (шпулярник), систему 2 пропитки волокон, преформовочное устройство 3, формующие матрицы 4 (фильеры), тянущее устройство 5, устройство 6 намотки наружного слоя, вертлюг 7, термокамеру 8, тянущее средство 9, отрезное устройство 10. При реализации полезной модели обеспечивается получение длинномерных сложноармированных изделий из полимерных композиционных материалов, в том числе гибридных, преимущественно круглого сплошного и кольцевого сечения с высокими прочностными характеристиками. Фиг.1

Полезная модель относится к технологическим комплексам для изготовления армированных изделий из полимерных композиционных материалов (ПКМ) методами протягивания и намотки, и может быть использована для получения длинномерных изделий круглого сплошного и кольцевого сечения в машиностроительной, авиационной, судостроительной, нефтегазовой и строительной промышленности.

Наиболее близким решением из уровня техники по технической сути является технологическая линия для изготовления композитной арматуры, содержащая шпулярник с бобинами ровингов, выравнивающее устройство, камеру отжига, пропиточную ванну с натяжным устройством, отжимное устройство, формовочный узел, устройство спиральной намотки, полимеризационные камеры, тянущее устройство, узлы резки и сматывания. Формовочный узел выполнен из двух частей. Первая часть представляет собой матрицу со щелевым каналом, толщина которого меньше диаметра арматуры (d) и равна (0,7-0,1)d, а ширина равна (2-10)d. Вторая часть установлена перед зоной спиральной намотки и представляет собой матрицу с круглым каналом, диаметр которого равен (1,2-1,5)d. Технологическая линия снабжена двумя устройствами спиральной намотки, размещенными последовательно, а также устройствами для предотвращения скрутки волокон и распределения полимерного связующего по длине арматуры (Патент РФ 2384408, В29С 39/00, Е04С 5/07, 2008 г.). Достигаемый устройством технический результат заключается в повышении производительности технологической линии и возможности выпуска композитной арматуры с повышенными потребительскими свойствами.

К недостаткам известного из уровня техники устройства, следует отнести его невысокие технологические возможности. Технологическая линия предназначена для получения оребренной арматуры из ПКМ, и не позволяет получать сложноармированные изделия из полимерных композиционных материалов с многонаправленной структурой армирующих волокон, сплошные стержни круглого сечения и трубы. Технологическая линия имеет избыточную конструктивную сложность: содержит формовочный узел, состоящий из двух отдельных матриц с разными каналами и два устройства спиральной намотки. Оба устройства спиральной намотки укладывают волокна композиционного материала в поперечном направлении с шагом оребрения арматуры, в результате чего, волокна наружного слоя не имеют механического сцепления между собой, а получаемые изделия имеют невысокие механические свойства.

Технической задачей, на решение которой направлена заявленная полезная модель, является создание конструктива технологического комплекса, который обеспечивал бы получение изделий широкой номенклатуры, в частности, длинномерных сложноармированных изделий из полимерных композиционных материалов, в том числе гибридных, преимущественно круглого сплошного и кольцевого сечения с высокими прочностными характеристиками.

Для достижения технического результата технологический комплекс для непрерывного изготовления длинномерных сложноармированных изделий из полимерных композиционных материалов, организованный из пространственно расположенных и взаимосвязанных соответственно друг с другом систем: системы подачи волокна; системы пропитки волокон; преформовочного устройства; формующих матриц; устройства намотки наружного слоя; термокамеры; отрезного устройства и тянущего устройства, согласно полезной модели, дополнительно содержит тянущее средство и вертлюг, при этом тянущее средство расположено между термокамерой и отрезным устройством, а вертлюг установлен внутри устройства намотки наружного слоя, с возможностью посредством заданной программы осуществлять намотку наружных слоев на заготовку по спирально-винтовой и/или перекрестно-винтовой схеме армирования.

Готовое изделие имеет многонаправленную армированную структуру, при этом внутренний слой изделия состоит из одноосно-ориентированных волокон, а наружный слой из спирально-ориентированных волокон. Намотку наружных слоев изделия по спирально-перекрестной схеме осуществляет вертлюг, совершающий вращательное и возвратно-поступательное движение относительно прямолинейно движущейся заготовки. Намотку наружных слоев изделия по спирально-винтовой схеме осуществляет вертлюг, совершающий вращательное движение относительно прямолинейно движущейся заготовки.

Полезная модель поясняется графическими материалами, где:

- на фиг.1 - схема технологической линии;

- на фиг.2 - устройство намотки (укрупнено).

Технологический комплекс для непрерывного изготовления длинномерных сложноармированных изделий из полимерных композиционных материалов включает систему 1 подачи волокна (шпулярник), систему 2 пропитки волокон, преформовочное устройство 3, формующие матрицы 4 (фильеры), тянущее устройство 5, устройство 6 намотки наружного слоя, вертлюг 7, термокамеру 8, тянущее средство 9, отрезное устройство 10.

Технологический комплекс для непрерывного изготовления длинномерных сложноармированных изделий из полимерных композиционных материалов работает следующим образом.

Армирующий материал в виде волокон, лент или жгутов сматывается с бобин шпулярника 1 и пропускается через систему 2 пропитки волокон (пропиточную ванну), где он пропитывается полимерной композицией (матрицей). В качестве полимерной композиции используются полиэфиры, виниловые эфиры, эпоксидные и другие смолы в смеси с отвердителем. Армирующими материалами являются стеклянное или углеродное волокно. Пропитанные полимером волокна пропускаются через преформовочное устройство 3, которое придает волоконно-полимерному пучку требуемую форму и выравнивает волокна. Преформовочное устройство содержит матрицу предварительного формования, в которой пропитанные волокна постепенно приближаются к форме профиля. После прохождения преформовочного устройства 3 волокна и незатвердевший полимер пропускаются через систему 4 формующих матриц, в которой отжимается избыток связующего, материал сжимается в поперечном направлении и приобретает форму изделия.

Система 4 формующих матриц на своем протяжении имеет несколько температурных зон с регулируемой температурой нагрева и охлаждения. Входная зона фильеры охлаждается водой, чтобы не допустить преждевременной коагуляции полимера на входе. Нагревание формирующих матриц 4 осуществляется с помощью переменного электрического поля высокой частоты (магнетрон СВЧ), что позволяет осуществлять практически мгновенный нагрев материала до заданной температуры в любом объеме. Использование высокочастотного нагрева позволяет существенно увеличить производительность протягивания и всего процесса в целом.

Температура формирующих матриц 4 контролируется термопарами для получения необходимого распределения температуры по ее длине. Тепло от стенок матриц 4 инициирует экзотермическую реакцию в полимере, приводящую к превращению материала связующего в гель. В результате экзотермической реакции выделения теплоты температура внутри полимера может быть выше температуры стенок матрицы 4.

Полное отверждение композита происходит при непрерывном движении материала в матрице 4. Выходная зона матрицы 4 является зоной охлаждения. На выходе из матрицы 4 получается армированный профиль, конфигурация которого повторяет форму матрицы 4. В предложенном комплексе профиль заготовки может иметь два вида сечения: профиль сплошного круглого сечения и профиль кольцевого сечения (труба). Для изготовления труб используются фильеры с установленной внутри цилиндрической оправкой. В обоих случаях полученная заготовка состоит из одноосно-ориентированных волокон упрочнителя и связующего, и имеет целью создание внутреннего слоя изделия. При этом свойства полученной заготовки существенно анизотропны. Прочность и жесткость при растяжении и сжатии одноосно-ориентированного композиционного материала в продольном направлении значительно выше, чем в поперечном.

Отвержденная до температуры стеклования матричного полимера заготовка вытягивается из матрицы 4 тянущим устройством 5, которое выполнено на основе ременных фрикционных передач, и подается в устройство 6 намотки наружного слоя.

В заявленном технологическом комплексе, полученная протягиванием и отвержденная заготовка из композиционного материала является оправкой, на которую наматывается наружный слой композита. Для обеспечения необходимой устойчивости в процессе намотки оправка опирается на опоры устройства 6 намотки. Устройство 6 намотки представляет собой рамную конструкцию портального типа. Внутри устройства 6 намотки установлен вертлюг 7. По периметру вертлюга установлены шпули с препрегами (волокна, ленты или жгуты).

Вертлюг 7 в процессе намотки может совершать два программно-управляемых и согласованных с перемещением заготовки движения: вращаться вокруг оси заготовки и перемещаться вдоль оси заготовки. При вращении и возвратно-поступательном перемещении вертлюга 7 реализуется схема спирально-перекрестной намотки наружного слоя волокон на поверхность заготовки. В том случае, когда вертлюг 7 совершает только вращательное движение, волокна на заготовку выкладываются по схеме спирально-винтовой намотки. Схема намотки, количество слоев и проходов, шаг намотки и другие технологические параметры задаются программно в зависимости от свойств исходных материалов и требуемых свойств изделия.

После намотки изделие поступает в термокамеру 8, в которой происходит его нагрев, окончательное отверждение и охлаждение. Из термокамеры отвержденное изделие подается вторым тянущим устройством 9 в отрезное устройство 10, в котором алмазным кругом разрезается на элементы заданной длины.

В заявленном технологическом комплексе намотка наружного слоя изделия осуществляется в непрерывном режиме в процессе его прямолинейного перемещения в направлении протягивания. Скорости протягивания и намотки для разных исходных материалов взаимно согласуются по управляющей программе с целью получения изделий с заданными характеристиками. Производительность изготовления изделий определяется в основном временем отверждения композита, которое зависит от типа связующего и размеров изделия. Поскольку операции протягивания и намотки совмещены во времени, то комплекс имеет более высокую производительность по сравнению с аналогами при всех прочих равных условиях.

Технологический комплекс позволяет получать сложноармированные изделия из композиционных материалов с многонаправленной армированной структурой. Известно, что одноосно- и двухосно-армированные материалы имеют сравнительно невысокие механические свойства, в основном, из-за низкого сопротивления межслойному сдвигу. Изделия, полученные с помощью технологического комплекса, имеют внутренний слой с одноосной ориентацией волокон и наружный слой со спирально-перекрестной или спирально-винтовой ориентацией волокон. Изделия с такой схемой армирования будут иметь одновременно высокую прочность на сжатие, растяжение, кручение и изгиб.

Технологический комплекс позволяет получать изделия из гибридных композиционных материалов, с различными связующими и упрочняющими волокнами.

Таким образом, заявленная совокупность существенных признаков, отраженная в независимом пункте формулы полезной модели, обеспечивает получение заявленного технического результата - получение длинномерных сложноармированных изделий из полимерных композиционных материалов, в том числе гибридных, преимущественно круглого сплошного и кольцевого сечения с высокими прочностными характеристиками.

Анализ заявленной полезной модели на соответствие условиям патентоспособности показал, что указанные в формуле признаки являются существенными и взаимосвязаны между собой с образованием устойчивой совокупности неизвестной на дату приоритета из уровня техники необходимых признаков, достаточной для получения требуемого технического результата - получение длинномерных сложноармированных изделий из полимерных композиционных материалов, в том числе гибридных, преимущественно круглого сплошного и кольцевого сечения с высокими прочностными характеристиками.

Таким образом, вышеизложенные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании заявленного технического решения следующей совокупности условий:

- объект, воплощающий заявленное техническое решение, при его осуществлении предназначен для непрерывного изготовления сложноармированных изделий из полимерных композиционных материалов и может быть использован для получения длинномерных изделий круглого сплошного и кольцевого сечения в машиностроительной, авиационной, судостроительной, нефтегазовой и строительной промышленности.

- для заявленного объекта в том виде, как он охарактеризован в независимом пункте формулы полезной модели, подтверждена возможность его осуществления с помощью вышеописанных в материалах заявки известных из уровня техники на дату приоритета средств и методов;

- объект, воплощающий заявленное техническое решение, при его осуществлении способен обеспечить достижение усматриваемого заявителем технического результата.

Следовательно, заявленный объект соответствуют требованиям условиям патентоспособности «новизна» и «промышленная применимость» по действующему законодательству.

Технологический комплекс для непрерывного изготовления длинномерных сложноармированных изделий из полимерных композиционных материалов, организованный из пространственно расположенных и взаимосвязанных соответственно друг с другом систем: системы подачи волокна; системы пропитки волокон; преформовочного устройства; формующих матриц; устройства намотки наружного слоя; термокамеры; отрезного устройства и тянущего устройства, отличающийся тем, что он дополнительно содержит тянущее средство и вертлюг, при этом тянущее средство расположено между термокамерой и отрезным устройством, а вертлюг установлен внутри устройства намотки наружного слоя с возможностью посредством заданной программы осуществлять намотку наружных слоев на заготовку по спирально-винтовой и/или перекрестно-винтовой схеме армирования.