ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ КОМПЛЕКС ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ СЛОЖНОАРМИРОВАННЫХ ИЗДЕЛИЙ ИЗ ПОЛИМЕРНЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

Полезная модель относится к технологическим комплексам для непрерывного изготовления армированных изделий из полимерных композиционных материалов методом протягивания, и может быть использована для получения длинномерных изделий круглого сплошного сечения для машиностроительной, авиационной, судостроительной, нефтегазовой и строительной промышленности.
Из уровня техники известна 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 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.
Наиболее близким решением из уровня техники по технической сути является 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, который дополнительно содержит тянущее средство и вертлюг. 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. (Патент РФ №108338, В29С 70/30, В29С 63/04, 2011 г.).
Достигаемый устройством технический результат заключается в обеспечении изготовления длинномерных сложноармированных изделий из полимерных композиционных материалов с высокими прочностными характеристиками.
К недостаткам известного из уровня техники устройства, следует отнести его низкую производительность, обусловленную тем, что сначала формуется и отверждается внутренний слой изделия, а затем на него наматывается наружный слой, с последующим отверждением всего изделия. Комплекс позволяет получать изделия с высокими прочностными характеристиками, однако прочность таких изделий не является постоянной по всему объему, прочность места контакта слоев определяется прочностью связующего.
Техническая задача состоит в увеличении производительности изготовления длинномерных сложноармированных изделий и обеспечении возможности изготовления высокопрочных изделий из полимерных композиционных материалов.
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, термокамеры, тянущего и отрезного устройства, согласно полезной модели, дополнительно содержит формирующую матрицу в виде кольца с коническим отверстием и плетельный узел, расположенные между преформовочным устройством и системой формующих матриц, при этом устройство плетения наружного слоя выполнено с возможностью вращения относительно продольной оси изделия с обеспечением возможности переплетения волокон на наружной поверхности изделия.
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 - плетельный узел с формирующей матрицей (укрупненно).
Технологический комплекс для изготовления сложноармированных изделий из полимерных композиционных материалов включает систему 1 подачи волокна (шпулярник), систему 2 пропитки волокон с пропиточной ванной, преформовочное устройство 3, плетельный узел 4, формирующую матрицу 5 в виде кольца с коническим отверстием, систему 6 формующих матриц, термокамеру 7, тянущее устройство 8, отрезное устройство 9. 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.
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 незатвердевшая волоконная заготовка пропускается через плетельный узел 4 и формирующую матрицу 5. Плетельный узел 4 имеет возможность вращения относительно оси изделия. Формирующая матрица 5 установлена неподвижно. Плетельный узел содержит 24 катушки с волокнами, которые совершают согласованные вращательные движения по часовой и против часовой стрелки, результатом которых является образование наружного плетеного слоя на поверхности изделия. Сухие армирующие волокна сматываются с катушек плетельного узла, пропускаются через коническое отверстие формирующей матрицы, в процессе переплетения обжимают волоконную заготовку и образуют на ее поверхности плетеный наружный слой. Схема переплетения, количество волокон, шаг плетения и другие технологические параметры задаются программно в зависимости от свойств исходных материалов и требуемых свойств изделия. Далее заготовка, сформированная из центрального слоя, имеющего одноосную ориентацию, и наружного плетеного слоя, поступает в систему 6 формующих матриц.
Система 6 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 формующих матриц 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 формующих матриц 6 контролируется термопарами для получения необходимого распределения температуры по ее длине. Тепло от стенок матриц 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. Полное отверждение композита происходит при непрерывном движении материала в матрице 6. Выходная зона матрицы является зоной охлаждения. При перемещении изделия через сужающееся отверстие формующих матриц, наружный плетеный слой вдавливается в центральный одноосный слой, что создает между слоями более прочное сцепление. На выходе из матрицы получается армированный профиль, конфигурация которого повторяет форму отверстия матрицы.
После формующих матриц изделие поступает в термокамеру 7, в которой происходит его нагрев, окончательное отверждение и охлаждение. Из термокамеры отвержденное изделие подается тянущим устройством 8 на основе ременных фрикционных передач в отрезное устройство 9, в котором алмазным кругом разрезается на элементы заданной длины.
В заявленном технологическом комплексе формирование центрального и наружного слоев изделия осуществляется в непрерывном режиме в процессе его прямолинейного перемещения в направлении протягивания. Скорости протягивания и плетения 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 плетения совмещены во времени, то комплекс имеет более высокую производительность по сравнению с аналогами при всех прочих равных условиях.
Технологический комплекс позволяет получать высокопрочные сложноармированные изделия из композиционных материалов с многонаправленной армированной структурой. Известно, что композиционные материалы имеют сравнительно низкое сопротивление межслойным сдвиговым деформациям. Разрушение композита, чаще всего, происходит в месте контакта его слоев. Изделия, полученные с помощью технологического комплекса, имеют внутренний слой с одноосной ориентацией волокон и наружный переплетенный слой, который частично вдавлен во внутренний слой. Изделия с такой структурой и схемой армирования будут иметь одновременно высокую прочность на сжатие, растяжение, кручение и изгиб.
Технологический комплекс позволяет также 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 - увеличение производительности комплекса и получение высокопрочных длинномерных сложноармированных изделий из полимерных композиционных материалов, в том числе гибридных, преимущественно круглого сплошного сечения.
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 - увеличение производительности комплекса и получение высокопрочных длинномерных сложноармированных изделий из полимерных композиционных материалов, в том числе гибридных, преимущественно круглого сплошного сечения.
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 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.