ФОРМУЮЩАЯ ОСНАСТКА ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ПОЛИМЕРНЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ ИЗДЕЛИЙ СЛОЖНОЙ ПРОСТРАНСТВЕННОЙ ФОРМЫ

Полезная модель относится к области производства изделий из полимерных композиционных материалов и может быть использована при производстве композиционных изделий в аэрокосмической отрасли, автомобилестроении, ветроэнергетике, судостроении и других отраслях.
В производстве полимерных композиционных изделия особенные сложности возникают при необходимости изготовления изделия имеющего сложную пространственную форму, как правило, имеющего внутренние полости, например, криволинейные трубопроводы, рабочие колеса центробежных насосов, впускные коллекторы двигателей внутреннего сгорания и т.п. В этих случаях стоимость изделия определяется не столько стоимостью сырьевых материалов, энергозатратами и трудозатратами, сколько стоимостью используемой технологической оснастки, поскольку сложно отделить готовое изделие после его формования и изготовления от оснастки.
Одним из путей решения этой задачи является использование оснастки (оправок, форм, вставок, стержней) изготовленной из удаляемых (разрушаемых) материалов, например гипса (например, патент РФ №2233744).
К таким материалам относятся воски, песчано-смоляные смеси, гипсовые составы. Эти материалы используются только однократно, поскольку после полного изготовления композитного изделия они разрушаются и удаляются преимущественно в виде кусков. Использование этих материалов очень трудоемко и снижает производительность процесса, увеличивая его стоимость. Использование такой оснастки затруднено вследствие большой трудоемкости ее удаления кусков гипса из внутренней полости изделия и возможности повреждения внутренней поверхности полости изделия при силовом разрушении оснастки.
Известна оснастка, выполненная из легкоплавкого сплава на основе висмута и олова с температурой плавления 132 град. C. (патент РФ №2262551). При этом предварительно формуется оснастка, повторяющая внутреннюю полость полимерного композиционного изделия, затем на оснастке из смолы и наполнителя формуется само изделие, которое затем полимеризуется при нагревании, после чего изделие с оснасткой внутри вновь нагревается до температуры плавления легкоплавкого материала оснастки и расплавленный металл оснастки вытекает из внутренней полости.
Данная оснастка обладает существенными недостатками т.к. ее использование ограничено только изделиями с низкотемпературной полимеризацией до 132 град. C, в противном случае оснастка просто потеряет форму (жесткость). Кроме того, данная оснастка требует высоких энергозатрат на расплавление металла, на использование подъемных механизмов вследствие большого веса оснастки. Пары расплавленного висмута высокотоксичны, что делает данное техническое решение не экологичным и требующим повышенной защиты. На практике с такой оснасткой могут работать только высокороботизированные комплексы.
Наиболее близким к предлагаемому решению аналогом (прототипом), является водорастворимая оснастка, содержащая твердые агрегатированные частицы - керамические микросферы, жестко соединенные между собой водорастворимой связкой, например, смесью поливинилпиролидона и силиката натрия. Из этой смеси, которая находится в жидком, подвижном состоянии, в форме за счет высушивания изготавливается твердая оснастка, например оправка, на поверхности которой формуется, например, методом намотки изготовливаемое композиционное изделие. После изготовления изделия во внутреннюю полость подается струя воды комнатной температуры, оснастка растворяется и в виде жидкой смеси материалов удаляется. Удаленные материалы могут быть использованы повторно. (Патент EP 1379367, опубл. 2004-01-14).
В сравнении с вышеуказанными аналогами прототип обладает рядом преимуществ: это высокая точность изготовления полимерного композиционного изделия, обусловленная повышенной текучестью смеси для формования оснастки: микросферы - связка из-за сферической формы микросфер; пониженым удельным весом смеси для оснастки (0,45 г/см3), что резко снижает энергозатраты, особенно при изготовлении изделий методом намотки при вращении оснастки-оправки.
Вместе с тем, данная оснастка обладает существенным недостатком - длительным циклом ее изготовления и высокими энергозатратами вследствие этого. Первично оснастка формуется из влажной смеси в форме. Для получения оснастки, сохраняющей свою форму ее необходимо выдержать в форме около 1-2 часов (отверждение в форме) в зависимости от ее размеров. Далее для получения необходимой для формования композиционного изделия твердости, необходимо высушить оснастку и удалить из нее всю влагу, на что уходит еще несколько часов (отверждение вне формы). Режим сушки возможен только при температуре 95-125 град.С из-за возможного разрушения оснастки вследствие сильного парообразования, при этом существенную роль в снижении эффективности сушки играет низкая теплопроводность смеси, из которой выполнена оправка, поскольку основной ее компонент полые керамические микросферы являются теплоизолятором, что требует длительного нагрева при сушке. Так, по сообщению фирмы патентовладельца Advanced Ceramic Mfg, время сушки оснастки (оправки торговой марки AQUACORE) размером 5 см в диаметре и 15 см в длину составляет 3 часа при температуре 95 град.С и при каждом увеличении диаметра оснастки на 2,5 см время сушки увеличивается на 1,5 часа. В современных условиях, когда композиционные изделия используются в массовом производстве, особенно в автомобилестроении, такой длительный временной технологический цикл просто недопустим.
Задачей предлагаемой полезной модели является снижение стоимости оснастки за счет снижения энергозатрат и повышения производительности процесса изготовления оснастки и полимерного композиционного изделия.
Технический результат от использования предлагаемого решения заключается в сокращении длительности цикла изготовления оснастки за счет улучшения условия прогрева и, как следствие, сокращения времени формования и сушки оснастки из-за увеличения коэффициентов электро и теплопроводности материала оснастки.
Сущность полезной модели состоит в том, что в известной формующей оснастке для изготовления полимерных композиционных изделий сложной пространственной формы, содержащей соединенные между собой водорастворимой связкой полые микросферы, образующие оснастку (поверхность) для формования композиционного изделия, в соответствии с предлагаемым техническим решением, не менее 30 вес.% полых микросфер, выполнены с металлическим покрытием, нанесенным на их наружную поверхность.
Использование в предлагаемом решении, по меньшей мере 30 вес.% полых микросфер, выполненных с металлическим покрытием на их наружной поверхности, позволит увеличить коэффициент теплопроводности, что улучшает условия прогрева и позволяет сократить время формования и сушки оснастки.
Кроме того, металлизированные микросферы с электропроводной поверхностью, образуют пространственную электро- и теплопроводную структуру из металла, обладающего высокими электро- и теплопроводностью, что позволяет использовать для формования и сушки оснастки нагрев с помощью электрического и/или электромагнитного полей, например, включить оснастку в качестве электропроводника в электрическую цепь, а также другими способами.
В качестве металла покрытия может быть использован практически любой металл, например, никель, медь, серебро и т.п. В качестве микросфер целесообразно использовать алюмо-силикатные микросферы, выделенные из золо-шлаковой смеси электростанций, работающих на каменном угле. Толщина слоя металлического покрытия составляет 5-15 микрон, при толщине стенки микросферы 10-30 микрон и при диапазоне диаметров микросферы 10-250 микрон. Насыпная плотность полых микросфер в металлическим покрытием составляет 0.43-0.48 г/см3. Количество микросфер в предлагаемой оснастке с металлическим покрытием на их поверхности может меняться в диапазоне 30-100 вес % от веса микрошариков и определяется необходимыми параметрами (площадью металлизированной поверхности, коэффициентами теплопроводности и теплового расширения и другими) в конкретных случаях использования предлагаемой оснастки в соответствии с характеристиками изготавливаемого композиционного изделия. Для большинства используемых полимерных материалов (смол, наполнителей) в композиционных изделиях, оснастка может содержать 100% покрытых металлом микросфер.
Таким образом, совокупность существенных признаков, а именно: формующая оснастка для изготовления полимерных композиционных изделий сложной пространственной формы, содержащая соединенные между собой водорастворимой связкой полые микросферы, образующие поверхность для формования композиционного изделия, при этом, по крайней мере 30 вес % полых микросфер, выполнены с металлическим покрытием, нанесенным на их наружную поверхность, - позволяют достичь указанного технического результата, а именно: сократить длительность цикла изготовления оснастки за счет улучшения условия прогрева и, как следствие, сокращения времени формования и сушки оснастки из-за увеличения коэффициентов электро и теплопроводности материала оснастки. При этом снижается стоимость изготовления оснастки за счет снижения энергозатрат и повышения производительности процесса изготовления оснастки и композиционного изделия.
Предлагаемое решение было экспериментально проверено в лабораторных условиях. Для проведения испытаний и получения сравнительных характеристик были изготовлены оправки длиной 15 см и диаметром 5 см по предлагаемому решению и прототипу, проведены испытания, результаты которых представлены в таблице. В качестве водорастворимой связки были использованы поливинилпирролидон и силикат натрия.
Таблица.
№ п/п
Состав/характеристики/параметры
Заявляемое решение Вариант 1
Заявляемое решение Вариант 2
Прототип
1
Состав: % по весу
- микросферы с металлическим покрытием никелем толщиной 5 микрон
80
30
-
2
- микросферы без покрытия
-
50
80
3
- органическая связка поливинилпироллидон
3
3
3
4
- неорганическая связка силикат натрия
3
3
3
5
- вода
14
14
14
7
Время сушки при температуре 97 град. C, час
1,2
1,5
3,1
6
Плотность, г/см 3
0,48
0,46
0,45
8
Коэффициент теплопроводности, вт/град C
0,69
0,55
0,17
9
Коэффициент теплового расширения, 10<sup>-6</sup> мм/град C
5,1
4,2
2,1
Как видно из таблицы, по основному параметру: время сушки и производные от этого параметра,- предлагаемая оснастка превосходит известную (прототип) и позволяет сократить время сушки более, чем в 2 раза.
Сущность полезной модели поясняется чертежами, где:
На фиг. 1 - изображена предлагаемая оснастка (оправка), со схематическим изображением «А», показывающим, что материал оснастки состоит из микросфер.
На фиг. 2 - схематически в увеличенном виде изображен «Вид А», представляющий расположение микросфер и связующего в оснастке для изготовления полимерных композиционных изделий сложной пространственной формы.
Предлагаемая оснастка (оправка) 1 состоит из полых микросфер 2 соединенных между собой водорастворимой связкой 3. Количество микросфер 30-100 вес. % выполнены с металлическим покрытием 4 на их наружной поверхности.
В качестве примера конкретного осуществления предлагаемой полезной модели приводится оправка для изготовления криволинейной трубки из композиционного материала методом намотки, однако предлагаемая полезная модель может быть использована для изготовления оснастки для композиционных изделий другой формы, например, вставок и стержней при изготовлении композиционов в пресс-формах, вакуумном формовании и других технологических процессах, где извлечение оснастки из изделия затруднено вследствие его сложной геометрической формы и наличия внутренних полостей.
В качестве микросфер были использованы алюмо-силикатные микросферы, выделенные из золо-шлаковой смеси электростанций, работающих на каменном угле, при толщине стенки микросферы 10-30 микрон и при диапазоне диаметров микросфер 10-250 микрон. Такие микросферы производятся и продаются фирмой «Уралайт». В качестве металла покрытия был использован никель, но может использован практически любой металл, например, медь, серебро и другие. Нанесение металлического покрытия на микросферы может быть осуществлено широко известными методами: химическим осаждением, осаждением в паровой фазе, магнетронным нанесение и другими известными специалистам способами. Толщина слоя металлического покрытия составляет 5-15 микрон. Количество непокрытых и покрытых металлом микросфер может варьироваться в широком диапазоне и зависит от требуемых характеристик оснастки по коэффициенту линейного расширения материала оснастки, который определяется технологией изготовления композиционного изделия. Для большинства используемых материалов (смол, наполнителей) в композиционных изделиях, оснастка может содержать 100% (все микросферы) покрытых металлом микросфер. Насыпная плотность полых микросфер с металлическим покрытием составляет 0.43-0.48 г/см3.
Поскольку одним из компонентов оправки являются металлизированные микросферы, то они, равномерно распределяясь в объеме оснастки (оправки), образуют пространственную решетку, что позволяет увеличить коэффициенты электро и теплопроводности (практически без повышения плотности). Применение металлизированных микросфер позволяет сократить время формования и сушки оснастки за счет улучшения условия прогрева.