APPARATUS FOR ULTRASONIC IMPREGNATION OF MULTILAYER FIBROUS MATERIALS
УСТРОЙСТВО ДЛЯ УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ПРОПИТКИ МНОГОСЛОЙНЫХ ВОЛОКНИСТЫХ МАТЕРИАЛОВ

Изобретение относится к устройствам ультразвуковой пропитки многослойных волокнистых материалов различными полимерными связующими и может быть использовано в производстве препрегов из волокнистых композиционных материалов (стеклопластиков, органопластиков, углепластиков, в том числе и многослойных) для машиностроительной, авиационной, судостроительной, нефтегазовой и строительной промышленности и бытовых целей.
Известно устройство для пропитки волокнистых армирующих материалов [А.с. №1780852 СССР, МПК В05В 17/06, В05С 5/02. Устройство для пропитки волокнистых армирующих материалов / Курочкин Е.А., Романов Д.А., Смыслов В.И., Шалыгин В.Н., Орлова В.П., Карасик В.Н., Лебедев А.Б.; заявитель и патентообладатель Ленинградский механический институт им. маршала Советского Союза Устинова Д.Ф. - №4832017, заявл. 29.05.1990; опубл. 15.12.1992 г.], содержащее излучатель ультразвуковых колебаний и клинообразный концентратор колебаний с криволинейными боковыми поверхностями и внутренними каналами, выполненными в плоскости его симметрии, по которым движется связующее, подвергаясь ультразвуковому воздействию, что увеличивает его напор на поверхность армирующего волокнистого материала, интенсифицируя пропитку.
Недостатком данного устройства является сложность конструкции концентратора ультразвуковых колебаний и воздействие ультразвуковых колебаний только на связующее, причем до момента его контакта с волокнистым связующим.
Известно устройство для ультразвуковой пропитки [Пат. №2224649 Российская Федерация, МПК В29В 15/10, C08J 7/18, В05С 3/12. Устройство ультразвуковой пропитки / Хмелев В.Н., Барсуков Р.В., Цыганок С.Н., Сливин А.Н., Хмелев М.В.; заявитель и патентообладатель ГОУВПО Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова. №2003104729/15; заявл. 17.02.2003; опубл. 27.02.2004], содержащее ванну со связующим, ультразвуковую колебательную систему, состоящую из концентратора колебаний и рабочего инструмента, выполненного в виде пластины со скругленными краями и криволинейной излучающей поверхностью, погруженного в связующее.
Недостатком данного устройства является низкая эффективность процесса пропитки, обусловленная кратковременным контактом наполнителя с излучающей поверхностью рабочего инструмента. Наполнитель обрабатывается ультразвуком локально в то время, когда он контактирует с излучающей поверхностью рабочего инструмента, установленного на выходе наполнителя из связующего. Все остальное время перемещения наполнителя через связующее в пропиточной ванне он пропитывается за счет капиллярного эффекта достаточно вязким связующим, которое не подвергается воздействию ультразвука.
Наиболее близким к заявляемому является устройство для ультразвуковой пропитки волокнистых материалов [Пат. №2538873 Российская Федерация, МПК В05С 3/12. Устройство для ультразвуковой пропитки волокнистых материалов / Красновский А.Н., Казаков И.А., Шурко А.Н.; заявитель и патентообладатель ФГБОУ ВПО МГТУ «СТАНКИН». - №2013140043; заявл. 29.08.2013; опубл. 10.01.2015, Бюл. №1], содержащее ванну со связующим средством, в которой установлены прижимные ролики, концентратор колебаний и рабочий инструмент, установленный в ванне в герметичном стакане ортогонально к обрабатываемой поверхности волокнистого материала и выполненный в виде пластины со скругленными краями и криволинейной излучающей поверхностью.
Недостатком данного устройства является низкая эффективность процесса пропитки, обусловленная рассеиванием ультразвуковых колебаний в результате отражения от стенок ванны и созданием встречных микропотоков связующего, что сказывается на качестве заполнения связующим наполнителя и требует дополнительного механического продавливания связующего в структуру наполнителя.
Техническим результатом изобретения является повышение эффективности процесса пропитки многослойных волокнистых материалов и равномерности распределения связующего в структуре волокнистого наполнителя за счет попеременного воздействия ультразвуковых колебаний.
Указанный технический результат достигается тем, что в устройстве для ультразвуковой пропитки многослойных волокнистых материалов, содержащем ванну для связующего, приводные ролики, концентратор колебаний и рабочий инструмент, установленный в ванне в виде герметичного корпуса с размещенным в нем концентратора колебаний и выполненный в виде пластин с излучающей поверхностью, согласно изобретению, рабочий инструмент с концентратором колебаний и излучающей плоской поверхностью выполнен в виде рядного набора герметичных корпусов, расположенных в ванне со связующим в параллельных рядных плоскостях по обеим сторонам и параллельно плоскости позиционирования движущегося полотна обрабатываемого многослойного волокнистого материала, представляющих собой чередование излучающих ультразвуковые колебания плоских пластин в составе герметичного корпуса и с промежутками между герметичными корпусами таким образом, что каждая излучающая поверхность герметичного корпуса рабочего инструмента верхнего ряда установлена противоположно пустого промежутка нижнего ряда излучающей поверхности герметичного корпуса рабочего инструмента, полностью перекрывая пространство между излучающими пластинами каждого герметичного корпуса рабочего инструмента противоположного ряда.
Технический результат изобретения достигается за счет попеременного воздействия ультразвуковых колебаний и возможности уменьшения на 50% амплитуды колебаний на свободные участки обрабатываемого многослойного волокнистого материала, создаваемых рабочими поверхностями рабочего инструмента в виде чередующихся пластин, расположенных по обеим сторонам обрабатываемого материала.
Ультразвуковое воздействие приводит к возникновению в связующем кавитационных явлений, заключающихся в резком схлопывании пузырьков и вызывающих сильные гидродинамические возмущения в жидкости, сопровождающиеся мощными микропотоками. Кроме того, в пузырьках происходит разогрев парогазовой смеси, что в свою очередь снижает вязкость связующего и облегчает его проникновение в структуру волокнистого материала. В отличие от прототипа, в заявляемом устройстве не происходит движения потоков связующего навстречу потокам, создаваемым рабочим инструментом, приводя к постоянному движению жидкости в объеме материала. При этом уменьшение амплитуды колебаний ультразвукового воздействия приводит к тому, что в процессе обработки связующее, находящееся во внутренних областях структуры многослойного волокнистого материала, уже не подвергается гидродинамическому воздействию, в то время как в областях у поверхности субстрата кавитационные эффекты продолжают воздействовать на связующее. В результате происходит интенсивное и равномерное распределение связующего в структуре волокнистого материала, что приводит к повышению эффективности процесса пропитки многослойных волокнистых материалов и равномерности распределения связующего в структуре волокнистого наполнителя за счет попеременного воздействия ультразвуковых колебаний.
На фиг. 1 представлен общий вид заявляемого устройства, на фиг. 2 - поперечный разрез устройства по сечению А-А.
Устройство для пропитки содержит ванну 1, установленные в ней приводные ролики 2. Герметичный корпус 4 рабочего инструмента с концентратором колебаний 3 и излучающей плоской поверхностью, выполнен в виде рядного набора герметичных корпусов, расположенных в ванне со связующим 6 в параллельных рядных плоскостях по обеим сторонам и параллельно плоскости позиционирования движущегося полотна 5 обрабатываемого многослойного волокнистого материала, представляющих собой чередование излучающих ультразвуковые колебания плоских пластин в составе герметичного корпуса 4 и с промежутками между герметичными корпусами 4 таким образом, что каждая излучающая поверхность рабочего инструмента верхнего ряда установлена противоположно пустого промежутка нижнего ряда излучающей поверхности герметичного корпуса 4 рабочего инструмента, полностью перекрывая пространство между излучающими пластинами каждого герметичного корпуса рабочего инструмента противоположного ряда.
Устройство работает следующим образом.
Волокнистый многослойный материал 5 перемещается в ванне 1 со связующим 6 между приводными роликами 2 и между излучающими пластинами герметичного корпуса 4 рабочего инструмента, расположенными по обеим сторонам обрабатываемого материала 5. Концентратор колебаний 3 создает за счет ультразвукового воздействия кавитационные явления в объеме связующего 6. Возникающие в результате этого гидродинамические возмущения приводят к образованию интенсивных микропотоков связующего 6 в пористой структуре волокнистого материала 5.
Расположение излучающих пластин герметичного корпуса 4 рабочего инструмента по обеим сторонам многослойного волокнистого материала позволяет избежать встречных резонансных потоков связующего 6, отрицательно влияющих на степень распределения связующего в объеме пористой структуры полотна 5 многослойного волокнистого материала за счет возможности уменьшения амплитуды ультразвуковых колебаний на 50%, что в процессе обработки позволяет равномерно распределять связующее в структуре волокнистого материала по его объему за счет того, что кавитационные явления в этом случае будут возникать, перемещаясь постепенно к поверхностным слоям материала.
Кроме того, в образовавшихся газовых пузырьках происходит разогрев парогазовой смеси, что в свою очередь снижает вязкость связующего и облегчает его проникновение в структуру волокнистого материала.
Уменьшение амплитуды ультразвуковых колебаний в процессе обработки приводит к тому, что кавитационные явления, обуславливающие гидродинамические микропотоки, возникают не во всем объеме многослойного волокнистого материала, а в его поверхностных областях.
Весь комплекс описанных явлений приводит к существенной интенсификации массообменных процессов, повышению эффективности процесса пропитки многослойных волокнистых материалов и равномерности распределения связующего в структуре наполнителя при изготовлении препрегов композитных материалов.
Таким образом, предлагаемое устройство повышает эффективность процесса пропитки многослойных волокнистых материалов и качество распределения связующего в структуре препрега.