Способ изготовления изделий из термопластичных композиционных материалов методом намотки

Способ изготовления изделий из термопластичных композиционных материалов методом намотки

Классификация по МПК: B29C

Изображения:

Изобретение относится к технологии изготовления конструкционных материалов для авиационной, электротехнической, судостроительной, машиностроительной, нефтегазовой, строительной, медицинской промышленности и предназначено для изготовления изделий из термопластичных композиционных материалов (ТКМ) методом намотки. В способе изготовления изделий волокнистые полуфабрикаты предварительно нагревают. Расплавляют матричный компонент полуфабрикатов, наматывают на оправку и прикладывают усилие в месте укладки волокон на оправку. В качестве волокнистых полуфабрикатов используют армирующие и матричные волокна. Предварительный нагрев совмещают с пропиткой армирующих волокон посредством горячего прикаточного ролика. При приложении усилия в месте укладки волокон на оправку осуществляют формование изделия с помощью дополнительного горячего ролика. Способ позволяет уменьшить время технологического цикла, сократить энергоемкость производства и, как следствие, повысить эксплуатационные характеристики термопластичного композиционного материала в изделии. 1 ил., 2 табл.

 

Изобретение относится к технологии изготовления конструкционных материалов для авиационной, электротехнической, судостроительной, машиностроительной, нефтегазовой, строительной, медицинской промышленности и предназначено для изготовления изделий из термопластичных композиционных материалов (ТКМ) методом намотки.

Известны способы изготовления изделий из термопластичных композиционных материалов методом намотки различных видов волокнистых полуфабрикатов, когда весь процесс разделен на две стадии. Один из способов заключается в применении сочетания чередующихся армирующих и матричных (термопластичных) волокон по методу "волоконной технологии" [1], когда после намотки системы волокон на оправку полученную заготовку формуют одним из известных методов (прессовым, автоклавным и т.д.).

К основным недостаткам данного способа относятся значительные затраты на материально-техническое оснащение (пресса, автоклавы и т.п.), а также невысокая производительность процесса.

Наиболее близким по технической сути и достигаемым результатам к предлагаемому изобретению является способ изготовления изделий из ТКМ методом намотки, при котором волокнистые полуфабрикаты предварительно нагревают, расплавляют матричный компонент полуфабрикатов, наматывают на оправку и прикладывают усилие в месте укладки волокон на оправку [2].

Недостатками данного способа являются, во-первых, двухкратный нагрев термопластичного материала до температуры плавления и, следовательно, опасность негативных изменений механических и других свойств в результате термоокислительной деструкции, во-вторых, низкая производительность технологического процесса.

Целью изобретения является уменьшение времени технологического цикла производства, сокращение энергоемких рабочих мест и, как следствие, повышение эксплуатационных характеристик термопластичного композиционного материала в изделии.

Эта цель достигается за счет того, что в качестве волокнистых полуфабрикатов используют армирующие и матричные волокна, предварительный нагрев совмещают с началом пропитки армирующих волокон посредством горячего прикаточного ролика, а при приложении усилия в месте укладки волокон на оправку осуществляют формование изделия с помощью дополнительного горячего ролика.

Схема намотки изображена на чертеже. Способ осуществляется в одну стадию следующим образом. Нити двух видов - неплавкие армирующие 1 и плавкие матричные 2 разматываются с разных бобин и, проходя через собирающее кольцо 3 и раскладочный механизм 4, укладываются на теплоизолированную оправку 5. При укладке они чередуются через одну.

Далее нити проходят через систему горячих прикаточных роликов 6 и 7. Первый по ходу движения ролик 6 (верхний) осуществляет прикатку нитей, транспортирование матричных нитей (на случай их обрыва), а также предварительный подогрев, при этом осуществляется начало пропитки армирующих волокон. Перед вторым роликом волокна расплавляются при помощи струи горячего воздуха, подаваемого из сопла 8, а ролик 7 (боковой) монолитизирует расплав, то есть осуществляется формование изделия на оправке. После окончания намотки изделие охлаждается и снимается с оправки.

Пример. Процесс осуществлялся по схеме, изображенной на чертеже. Наматывали однонаправленные кольца стандартного размера (диаметр 150 мм, ширина 10 мм). Для намотки использовались нити поликапроамида и нити стекловолокна (состав ВМП). Технологические параметры процесса приведены в табл. 1. Определялись физико-механические характеристики полученных материалов (табл. 2).

Таким образом, предлагаемый способ обеспечивает одностадийный технологический процесс, что дает возможность, во-первых, повысить эксплуатационные характеристики композиционного материала в изделии, уменьшить энергоемкость процесса за счет значительного сокращения времени температурного воздействия на термопластичную матрицу, во-вторых, значительно увеличить производительность процесса за счет совмещения операций намотки заготовки, пропитки армирующих волокон и формования изделия.

 

 

 

 

 

Намотка – процесс изготовления высокопрочных армированных изделий, форма

которых определяется вращением произвольных образующих. При этом способе

армирующий материал (нить, лента, жгут или ткань) укладываются по заданной

траектории на вращающуюся оправку, которая несет внутреннюю геометрию изделия.

Для намотки пригоден практически любой непрерывный армирующий материал.

Специальные механизмы, которые перемещаются со скоростью, синхронизированной с

вращением оправки, контролируют угол намотки и расположение армирующего

материала. Его можно обертывать вокруг оправки в виде прилегающих друг к другу полос

или по какому-то повторяющемуся рисунку до полного покрытия поверхности оправки.

Последовательные слои наносятся под одним и тем же или под разными углами намотки,

пока не будет набрана нужная толщина. Угол намотки может изменяться от очень малого

- продольного до большого - окружного, т. е. около 90o относительно оси оправки,

включая любые углы спирали в этом интервале. Основными материалами для матрицы

служат эпоксидные и полиэфирные смолы и полимеры сложных виниловых эфиров. Для

намотки изделий из углеродных волокон чаще применяются эпоксидные смолы, тогда как

для намотки изделий из стеклопластиков - ненасыщенные полиэфирные смолы. Для

получения теплостойких изделий используются полиимидные смолы.

Способы намотки можно классифицировать:

• по способу совмещения связующего и наполнителя;

• по рисунку укладки арматуры;

• по устройству намоточного оборудования.

По способу совмещения различают «сухую» и «мокрую» намотку. В способе

«мокрой» намотки смола наносится на армирующий волокнистый материал в процессе

самой намотки. На рис. 4.1 показана схема мокрой намотки.

Оборудование при этой технологии намотки состоит из следующих составляющих:

секция подачи стеклянного ровинга; установка для приготовления связующего: смесь

полиэфирная смола - катализатор или другой тип связующего; ванна со связующим -

катализированной полиэфирной смолой или другим типом смолы, через которую

проходят и смачиваются нити ровинга; секция намотки с валами вращения, размер

которых определяет диаметр конечного изделия; органы управления оборудованием для

намотки.

В случае «мокрой» намотки требуется более низкое усилие при натяжении

арматуры, что позволяет применять оборудование меньшей мощности и оправки меньшей

жесткости. «Мокрая» намотка обеспечивает лучшую формуемость изделий, поэтому

преимущественно применяется при изготовлении крупногабаритных оболочек сложной

конфигурации и сосудов высокого давления.

«Сухая» намотка основана на использовании препрегов. Она обеспечивает

равномерное содержание связующего, задаваемого при изготовлении препрегов, и,

следовательно, стабильность прочностных свойств изделий. Коэффициент трения при

«сухой» намотке практически в 2 раза выше, чем при «мокрой», что позволяет

формировать более сложные формы этим способом. При использовании «сухого» метода

повышается культура производства и увеличивается производительность. Однако при

этом методе необходимо обеспечивать значительное натяжение арматуры.

После завершения намотки проводят отверждение связующего. Его осуществляют

в термокамерах при соответствующей температуре (например, в случае эпоксидных смол

при 395 или 450 К); время отверждения обычно составляет 1 - 2 ч; в процессе отверждения

желательно продолжать вращение оправки. Затем оправку извлекают из изделия, с

помощью специальной машины. Проводится окончательная отделка изделия: зачистка,

обработка его торцов и т. д.

Конструкции, намотанные по поверхностям вращения, могут быть получены в

виде гладких цилиндров, труб или тюбингов диаметром от нескольких сантиметров до

нескольких десятков сантиметров. Намоткой можно формовать также изделия

сферической, конической и геодезической формы. По рисунку укладки арматуры

существует несколько способов намотки.

При поперечной (кольцевой) намотке препрег в виде лент укладывается в

плоскости, перпендикулярной оси вращения оправки (рис. 4.2).

 

 

Рис. 4.2. Схема поперечной намотки: 1 — оправка; 2 — рулоны с препрегом; 3 — ленты препрега; 4

— прикатной подогреваемый ролик; 5 — приводные ролики

Продольная (осевая) намотка предполагает укладку арматуры вдоль оси изделия

(рис. 4.3), при этом раскладчик 2 двигается по направляющей 3 от полюса к полюсу и при

смене направления движения оправки 1 проворачивается на угол 1800+Δ , где Δ – шаг

намотки.

Рис. 4.3. Схема осевой намотки:

1 — оправка; 2 — раскладчик; 3

— направляющая.

Продольно-поперечная намотка является комбинацией поперечной и осевой (рис.

4.4). Вертлюг 2, на котором по периметру установлены шпули 3 с ленточной арматурой,

вращаясь синхронно с оправкой 1, перемещается при этом вдоль оси оправки, укладывая

Рис. 4.4. Схема продольно-поперечной

намотки: 1 — оправка; 2 — вертлюг;

3 — шпули; 4 -ленты продольной

укладки; 5 — поперечные раскладчики;

6 — ленты поперечной намотки.

продольные ленты 4. Одновременно поперечные раскладчики 5, перемещаясь вдоль оси

оправки, укладывают ленточную арматуру 6, фиксирующую ленты продольной укладки.

Метод, как правило, применяется при «сухом» режиме изготовления изделия.

При спиральной намотке армирующая лента, пропитанная полимерным

связующим, укладывается на поверхность вращающейся оправки по винтовой линии

(рис. 4.5). Скорость перемещения раскладчика и вращения оправки 1 задаются такими,

Рис. 4.5. Схема простой спиральной намотки. 1 -

оправка; 2 - раскладчик; 3 - лента препрега.

чтобы обеспечить требуемый угол намотки.

Главной разновидностью спиральной намотки

является геодезическая намотка, при которой

армирующий материал ложится на поверхности оправки по геодезическим линиям. Из

всех возможных линий, лежащих на поверхности оправки, геодезическая та, которая

кратчайшим образом соединяет произвольные точки, принадлежащие этой поверхности.

Именно при таком расположении нитей намотки при эксплуатации имеет место

нагружение вдоль волокна, что обеспечивает максимальную прочность изделия.

Методом намотки можно формовать изделия, работающие в специфических

условиях нагружения, таких как внутреннее или наружное давление, сжимающие или

крутящие нагрузки. Намотка дает возможность укреплять термопластичные трубы и

металлические сосуды высокого давления наружными бандажами. Изделия могут быть

спроектированы и сделаны с высокой степенью точности. С другой стороны, для намотки

характерны меньшие скорости производства.

Для намотки применяются машины различных типов: от разновидностей токарных

станков и машин с цепным приводом до более сложных компьютеризованных агрегатов с

тремя или четырьмя осями движения. В намоточных станках, выполненных по токарной

схеме, оправка непрерывно вращается, в то время как раскладчик, подающий арматуру,

перемещается возвратно-поступательно по направляющей. При реализации

шлифовальной схемы картина обратная: вращающая оправка совершает возвратно-

поступательные движения, а раскладчик неподвижен. Выбор схемы определяется

соотношением размеров наматываемого изделия и толщины его стенок. Так, при больших__габаритах оправки целесообразнее токарная схема, а для намотки толстостенного баллона

небольшого размера – шлифовальная.

Имеются также машины для непрерывного производства труб. Спроектировано

портативное оборудование для намотки больших резервуаров на месте установки. С

помощью этих машин производится обычно только намотка по окружности, а для

усиления конструкции в продольном направлении применяют рубленую пряжу или ленты.

В последнее время разрабатывается оборудование, в котором вместо механических

средств управления схемой ориентации волокон используются компьютерные системы.

Это позволяет получать трубчатые изделия, имеющие изгибы и неправильную форму, а

также изделия со сложной геометрией. Разрабатывается оборудование для намотки с

применением гибкой технологии, когда армирующие волокнистые материалы можно

укладывать на оправке в любом направлении.

Оправки для намотки должна иметь форму и размеры точно соответствующие