Технологический комплекс для изготовления сложноармированных изделий из полимерных композиционных материалов

Полезная модель относится к технологическим комплексам для изготовления армированных изделий из полимерных композиционных материалов методами протягивания и намотки, и может быть использована для получения длинномерных изделий круглого сплошного сечения в машиностроительной, авиационной, судостроительной, нефтегазовой и строительной промышленности. Технологический комплекс для изготовления сложноармированных изделий из полимерных композиционных материалов включает систему 1 подачи волокна, систему 2 пропитки волокон с пропиточной ванной, систему 3 направляющих и отжимающих роликов с направляющими пазами 4, преформовочное устройство 5, системы 6 формующих матриц, тянущее устройство 7, устройство 8 намотки наружного слоя, вертлюг 9, термокамеру 10, тянущее устройство 11, отрезное устройство 12. При реализации полезной модели обеспечивается получение длинномерных сложноармированных изделий из полимерных композиционных материалов, в том числе гибридных, преимущественно круглого сплошного сечения с высокими прочностными характеристиками. Фиг.1

Полезная модель относится к технологическим комплексам для изготовления армированных изделий из полимерных композиционных материалов методами протягивания и намотки, и может быть использована для получения длинномерных изделий круглого сплошного сечения для 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. 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.

Техническая задача состоит в обеспечении получения изделий с многонаправленной структурой армирующих волокон.

Для достижения технического результата технологический комплекс для изготовления сложноармированных изделий из полимерных композиционных материалов, программно организованный из пространственно расположенных и взаимосвязанных соответственно друг с другом, системы подачи волокна, системы пропитки волокон с пропиточной ванной, преформовочного устройства, системы формующих матриц, устройства намотки наружного слоя, термокамеры, отрезного устройства и двух тянущих устройств, согласно полезной модели, дополнительно содержит систему направляющих и отжимающих роликов, расположенную между системой пропитки волокон и преформовочным устройством, при этом ролики выполнены с направляющими пазами, а система подачи волокон выполнена с возможностью вращения в горизонтальной плоскости относительно системы пропитки волокон с обеспечением скручивания волокон внутри пропиточной ванны в среде полимерной композиции.

Предлагаемое техническое решение поясняется графическими материалами, где:

- на фиг.1 схематически изображен технологический комплекс для изготовления сложноармированных изделий из полимерных композиционных материалов;

- на фиг.2 - схема скручивания волокон (укрупненно).

Технологический комплекс для изготовления сложноармированных изделий из полимерных композиционных материалов включает систему 1 подачи волокна (шпулярник), систему 2 пропитки волокон с пропиточной ванной, систему 3 направляющих и отжимающих роликов с направляющими пазами 4, преформовочное устройство 5, системы 6 формующих матриц, тянущее устройство 7, устройство 8 намотки наружного слоя, вертлюг 9, термокамеру 10, тянущее устройство 11, отрезное устройство 12. Указанные системы и устройства расположены и взаимосвязаны между собой таким образом, что образуют замкнутый цикл производства изделий из полимерных композиционных материалов.

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

Армирующий материал в виде волокон сматывается с бобин системы 1 подачи волокон и пропускается через систему 2 пропитки с пропиточной ванной, в которой 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.

Шпулярник содержит до 12-ти сменных бобин, установленных по его периметру с возможностью принудительного вращения уходящим с бобины волокном. Система 1 подачи волокон выполнена с возможностью вращения в горизонтальной плоскости относительно системы 2 пропитки волокон с обеспечением скручивания волокон внутри пропиточной ванны. Волокна могут скручиваться в жгут с различной скоростью в двух различных окружных направлениях. Соотношение скорости вращения шпулярника и скорости протягивания заготовки через фильеру позволяет регулировать плотность центрального слоя. Изменение толщины волокон и количества бобин, участвующих в процессе, позволяет регулировать толщину (диаметр) центрального слоя.

Вращательное движение шпулярника по заданной программе обеспечивает мокрое скручивание волокон внутреннего слоя заготовки внутри пропиточной ванны. В процессе мокрого скручивания из волокон отжимается воздух, находящийся в их порах, за счет чего обеспечивается формирование внутреннего волокнистого слоя с более плотной структурой. Более высокая плотность скрученной заготовки достигается не только силами, возникающими при протягивании ее через фильеру, но также силами, действующими при скручивании со стороны шпулярника. На шпулярник могут устанавливаться бобины с различными упрочняющими волокнами, что позволит сформировать скрученный центральный слой изделия из гибридных композиционных материалов.

Пропитанная полимером скрученная заготовка проходит через систему 3 направляющих и отжимающих роликов. Направляющие пазы 4 роликов дополнительно профилируют заготовку, отжимают связующее и изменяют вертикальное направление движения заготовки на горизонтальное. После этого заготовка попадает в преформовочное устройство 5, которое придает волоконно-полимерному пучку требуемую форму. Преформовочное устройство (на чертеже не показано) может содержать, например, матрицу предварительного формования, в которой пропитанные волокна постепенно приближаются к форме профиля. После прохождения преформовочного устройства 5 волокна и незатвердевший полимер пропускаются через систему 6 формующих матриц, в которой отжимается избыток связующего, материал сжимается в поперечном направлении и приобретает форму изделия.

Полученная заготовка состоит из скрученных в жгут 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 скрученного композиционного материала в продольном направлении значительно выше, чем в поперечном.

Отвержденная до температуры стеклования матричного полимера заготовка вытягивается из матрицы 6 тянущим устройством 7, которое может быть выполнено на основе ременных фрикционных передач, и подается в устройство 8 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 8 намотки. Устройство намотки представляет собой рамную конструкцию портального типа. Внутри устройства 8 намотки установлен вертлюг 9. По периметру вертлюга могут быть установлены шпули с препрегами (волокна, ленты или жгуты).

Вертлюг 9 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 реализуется схема спирально-перекрестной намотки наружного слоя волокон на поверхность заготовки. В том случае, когда вертлюг 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 10, в которой происходит его нагрев, окончательное отверждение и охлаждение. Из термокамеры отвержденное изделие подается вторым тянущим устройством 11 в отрезное устройство 12, 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 со скрученными в жгут волокнами 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.

Готовое изделие, полученное на предлагаемом техническом решении, имеет многонаправленную армированную структуру, при этом внутренний слой изделия состоит из скрученных волокон, а наружный слой из спирально-ориентированных волокон. При вращательном движении вертлюга реализуется спирально-винтовая схема армирования наружного слоя. При вращательном и возвратно-поступательном движении вертлюга реализуется спирально-перекрестная схема армирования. Внутренний слой изделия формируется из скрученных мокрым способом волокон за счет вращательного движения системы подачи волокна.

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

Технологический комплекс для изготовления сложноармированных изделий из полимерных композиционных материалов, программно организованный из пространственно расположенных и взаимосвязанных соответственно друг с другом системы подачи волокна, системы пропитки волокон с пропиточной ванной, преформовочного устройства, системы формующих матриц, устройства намотки наружного слоя, термокамеры, отрезного устройства и двух тянущих устройств, отличающийся тем, что он дополнительно содержит систему направляющих и отжимающих роликов, расположенную между системой пропитки волокон и преформовочным устройством, а система подачи волокон выполнена с возможностью вращения в горизонтальной плоскости относительно системы пропитки волокон с обеспечением скручивания волокон внутри пропиточной ванны в среде полимерной композиции, при этом упомянутые ролики выполнены с направляющими пазами.