СТЕНД ДЛЯ ФОРМОВАНИЯ ОБРАЗЦОВ ИЗ ПОЛИМЕРНЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ ПО ТЕХНОЛОГИИ "КВИКСТЕП"

Область техники
Полезная модель относится к области изготовления изделий из полимерных композиционных материалов (ПКМ) и касается конструкции стенда, предназначенного для изготовления в лабораторных условиях образцов из ПКМ по технологии формования «Квикстеп» с целью отработки (подбора) режимов для формования конкретных изделий из ПКМ на основе анализа результатов испытаний отформованных образцов. Указанная технология «Квикстеп» представляет собой процесс температурного отверждения ПКМ, ключевой особенностью которого является то, что процедуры подъема температуры и охлаждения протекают настолько быстро, насколько это возможно для отверждаемой заготовки детали. Технология «Квикстеп» имеет значительные преимущества с точки зрения производительности по сравнению с традиционным формованием в формах, помещаемых в автоклав. Полезная модель может быть использована в авиастроении, объектах космической техники, машиностроении и в других областях техники.
Уровень техники.
Известна установка, используемая для изготовления изделий из полимерных композиционных материалов, пропитываемых полимерным связующим, содержащая расположенные одна над другой с возможностью подачи одна навстречу другой верхнюю и нижнюю нагревательные плиты, при сближении которых происходит нагрев и формование заготовки изделия, и систему охлаждения нагревательных плит (см. US 2008203622 А1). Известная установка представляет собой промышленный агрегат, предназначенный для формования изделий по технологии «Квикстеп», и не может быть использована в качестве лабораторной установки для формования образцов из полимерных композиционных материалов, используемых при отработке режимов формования изделий по указанной технологии.
Известно лабораторное устройство, предназначенное для восстановления изделия из эластичного материала, содержащее нижнюю обогреваемую плиту с постаментом для размещения изделия и верхнюю обогреваемую плиту, перемещаемую в направлении к нижней плите. При опускании верхней плиты обеспечивается нагрев изделия в зоне его восстановления и оказание на него давления со стороны верхней плиты с одновременной подачей в зону восстановления газообразного азота и пара (см. KR 100771696 В1). Известное устройство не пригодно для формования образцов из полимерных композиционных материалов по технологии «Квикстеп».
Ближайшим аналогом к заявляемому техническому решению является лабораторное устройство, предназначенное для изготовления образца из полимерного материала с целью его последующих испытаний, содержащее держатель образца, две обогреваемые плиты, перемещаемые одна навстречу другой и оказывающие на заготовку образца давление и температурное воздействие, а также включающее систему охлаждения (см. JP 2000094523 А). Конструктивное выполнение системы охлаждения, используемой в данном устройстве, не обеспечивает равномерное температурное воздействие по всей поверхности образца, в результате чего получаемый образец будет иметь неоднородную структуру как по толщине так и по площади. Испытание такого образца не позволит получить достоверные результаты, пригодные для разработки технологии формования в отношении реальных деталей.
Раскрытие полезной модели.
Задачей заявляемой полезной модели является создание конструкции стенда, обеспечивающего возможность изготовления образцов из предварительно пропитанного связующим полимерного композиционного материала методом формования по технологии, известной под названием «Квикстеп».
Технический результат, достигаемый при реализации заявляемой полезной модели, заключается в повышении точности определения режимов формования изделий из полимерных композиционных материалов за счет повышения качества получаемого образца, благодаря возможности получения однородной температуры по всей поверхности образца, обеспечивающей равномерное распределение полимерного связующего в образце, а также в обеспечении автономной работы частей системы охлаждения, приданных соответствующим нагревательным узлам, и в расширении, благодаря этому, технологических возможностей стенда.
Для достижения указанного технического результата предлагается конструкция стенда для изготовления образцов изделий из пропитанного полимерным связующим полимерного композиционного материала, который включает расположенные одна над другой с возможностью перемещения (подачи) одна навстречу другой верхнюю и нижнюю нагревательные плиты и систему охлаждения нагревательных плит. Каждая из нагревательных плит образована двумя прижимной и периферийной пластинами из теплопроводного материала и расположенным между ними нагревательным элементом. По крайней мере, одна из обращенных друг к другу поверхностей прижимных пластин нагревательных плит образует опорную поверхность (ложемент) для укладки заготовки образца из полимерного композиционного материала, пропитанного полимерным связующим.
Система охлаждения нагревательных плит содержит две камеры охлаждения, каждая из которых работает на принципе циркуляции внутри нее теплоносителя, установлена со стороны наружной поверхности соответствующей нагревательной плиты и выполнена с возможностью перемещения к указанной плите и поджатия к ее периферийной пластине по всей теплопередающей поверхности пластины и отвода от плиты.
Нагревательные плиты соединены между собой по четырем вертикальным направляющим с возможностью перемещения вдоль них.
Преимущественно, прижимная и периферийная пластины нагревательных плит выполнены из стали.
Каждая камера охлаждения установлена на соответствующей нагревательной плите на вертикальных направляющих с возможностью перемещения вдоль них.
Для увеличения площади теплопередачи внутри камеры охлаждения выполнены ребра из теплопроводного материала.
Камеры охлаждения имеют штуцеры для подачи и отвода охлаждающей среды.
Для обеспечения перемещения камеры охлаждения к соответствующей нагревательной плите и отвода от нее на каждой плите закреплена посредством стоек ось с кулачками, поднимающими и опускающими камеру охлаждения, а поджатие камеры охлаждения к соответствующей пластине плиты обеспечено пружинами.
Благодаря выполнению нагревательных плит из двух теплопроводных пластин и расположенного между ними нагревательного элемента, а также приданию каждой плите автономной камеры охлаждения, которая поджимается к наружной (периферийной) пластине плиты по всей теплопередающей поверхности пластины, обеспечивается равномерное температурное воздействие на образец в процессе формования, повышается качество отформованного образца и, как следствие, повышается точность отработки (определения) режимов формования изделий из полимерных композиционных материалов.
Краткое описание чертежей.
Полезная модель поясняется чертежами, где
на фиг.1 изображен общий вид лабораторного стенда;
на фиг.2 - лабораторный стенд, закрытый теплозащитным коробом;
на фиг.3 - нагревательная плита с камерой охлаждения;
на фиг.4 - прижимная пластина нагревательной плиты;
на фиг.5 - периферийная пластина нагревательной плиты с нагревательным элементом;
на фиг.6 - блок из двух нагревательных плит;
на фиг.7 - камера охлаждения в аксонометрии, вид изнутри;
Осуществление полезной модели
Предлагаемый стенд содержит расположенные одна над другой верхнюю 1 и нижнюю 2 нагревательные плиты и систему охлаждения нагревательных плит. Нагревательные плиты 1 и 2 соединены между собой по четырем вертикальным направляющим 3 с возможностью перемещения вдоль направляющих одна навстречу другой.
Каждая нагревательная плита (1, 2) состоит из прижимной пластины 4. периферийной пластины 5 и расположенного между этими пластинами нагревательного элемента 6. Пластины 4 и 5 имеют прямоугольную форму и выполнены из теплопроводного материала, преимущественно из стали. В качестве нагревательных элементов 6 предпочтительно используются пластинчатые нагреватели прямоугольной формы. Прижимные пластины 4 плит 1 и 2 обращены одна к другой своими рабочими поверхностями 7, каждая из которых может быть использована для размещения заготовки изготавливаемого образца из полимерного композиционного материала, пропитанного полимерным связующим.
Система охлаждения нагревательных плит 1 и 2 содержит две камеры охлаждения 8 и 9, каждая из которых работает на принципе циркуляции внутри камеры теплоносителя. Каждая камера охлаждения (8, 9) имеет коробчатую форму и содержит прямоугольные переднюю панель 10 и заднюю панель 11. Внутри камеры охлаждения имеются теплоотводящие ребра 12 для увеличения площади теплопередачи. На фиг.7 показано закрепление ребер 12 на передней панели 10. При этом теплоотводящие ребра 12 располагаются вдоль противолежащих боковых стенок 13 и 14 камеры (8, 9) и предпочтительно параллельно друг другу и на одинаковом расстоянии друг от друга. Возможно, однако, крепление ребер и на других внутренних поверхностях камеры охлаждения.
Панели 10 и 11 выполнены из теплопроводного материала. Задние панели 11 снабжены штуцерами 15 для подвода жидкости, используемой предпочтительно в качестве теплоносителя, во внутренний объем камер и штуцерами 16 для отвода жидкости из камер. Каждая камера 8, 9 установлена на соответствующей нагревательной плите 1, 2 на вертикальных направляющих 17 с возможностью перемещения вдоль них и образует вместе с приданной ей нагревательной плитой (1, 2) единый модульный узел. При этом камера 8 установлена со стороны наружной поверхности нагревательной плиты 1 и в крайнем приближенном к плите 1 положении примыкает своей передней панелью 10 к периферийной пластине 5 плиты 1. В свою очередь камера 9 установлена со стороны наружной поверхности нагревательной плиты 2 и в крайнем приближенном к плите 2 положении примыкает своей передней панелью 10 к периферийной пластине 5 плиты 2. Поджатие камеры охлаждения 8, 9 к соответствующей периферийной пластине 5 нагревательной плиты 1, 2 обеспечено пружинами 18. На каждой нагревательной плите 1, 2 закреплены противолежащие стойки 19, в которых установлены оси 20 с кулачками 21. Поворотом осей 20 обеспечивают вращение кулачков 21, которые поднимают и опускают камеру охлаждения либо перемещая ее к соответствующей нагревательной плите, либо отводя от плиты.
Габариты камеры охлаждения 8, 9 выбраны таким образом, что, при перемещении камеры к нагревательной плите 1, 2 до положения контакта с ней, поверхность передней панели 10 камеры перекрывает всю теплопередающую поверхность периферийной пластины 5 нагревательной плиты 1, 2. Между панелями камер охлаждения и их боковыми стенками размещены уплотнения для обеспечения водонепроницаемости внутреннего объема камеры.
Стенд снабжен теплозащитным коробом 22 с ручками 23 для переноски. В процессе эксплуатации стенд устанавливается на опорные стойки 24.
1
1
1
р
1
о
р
о
1
р
о
1
р
о
Для отработки режимов формования изделий из ПКМ принимают во внимание несколько режимов нагрева образцов из ПКМ в соответствии с технологией Квикстеп. Выбирают материал образца и полимерное связующее при поступлении задания на изготовление определенной детали. Оператор стенда формует несколько образцов с варьированием режимов нагрева. При формовании каждого образца на нижнюю плиту укладывают заготовку образца, предварительно пропитанную одним из выбранных для данного образца составом полимерного связующего. Распределяют упорядоченным образом термопары: в центре, по краям, по углам опорной поверхности для заготовки образца. Вокруг заготовки образца формируют технологический вакуумный пакет; для этого на опорной поверхности прижимной пластины нагревательной плиты закрепляют герметизирующий жгут, проложенный вокруг заготовки образца. Между заготовкой образца и герметизирующим жгутом размещают перфорированную вакуумную трубку. Накрывают заготовку образца пленкой, приклеивают пленку к герметизирующему жгуту. Откачивают воздух из-под пленки через вакуумную трубку. В результате пленка прижимается к заготовке образца; из заготовки образца удаляется воздух и выдавливается излишнее связующее, остальное связующее равномерно распределяется в объеме заготовки образца. Сверху устанавливают верхний блок (нагревательная плита + камера охлаждения). Подключают термопары к терморегулятору (не показаны) и включают терморегулятор на первую программу «Подъем температуры». Происходит нагрев заготовки образца до температуры T. При достижении температуры T в заготовке образца идет экзотермическая реакция полимеризации связующего. Если термопары фиксируют значительную разницу температур на различных участках заготовки образца, вследствие чего будет происходить неравномерное распределение связующего в заготовке образца, то принимают меры по выравниванию температур по участкам заготовки. Далее необходимо обеспечить отвод тепла, которое выделяется при полимеризации связующего. Для этого, по сигналу терморегулятора о достижении температуры T, выбранной заранее для одного из принятых режимов для данного образца, поворотом рукояток прижимают камеры охлаждения 8, 9 к нагревательным плитам 1, 2. При достижения температуры T, значение которой на 10-15° ниже температуры T, камеры охлаждения отводят, воду меняют на холодную. Затем необходим дополнительный подогрев, поскольку реакция полимеризации связующего не завершилась и стала менее интенсивной. Ставят терморегулятору программу поддержания необходимой температуры T (подогрев), значение которой на 10-15° выше температуры T. Выдерживают образец при температуре T до полного завершения реакции полимеризации связующего и затем охлаждают. Для охлаждения отформованного образца опускают камеры охлаждения. Для каждого образца принимаются температурные режимы T, T, T, отличные от температурных режимов T, T, T, подбираемых для других образцов. Каждый полученный на стенде образец разрезают на элементарные образцы для проведения комплекса испытаний. Элементарные образцы исследуют в лаборатории на предмет определения прочностных характеристик образца в целом, отформованного при определенных температурных режимах и составе связующего. Сравнивают полученные результаты исследования всех отформованных образцов. В результате сравнения определяют образец, обладающий наиболее высокими прочностными характеристиками. Устанавливают, по каким режимам нагрева формовался на стенде данный образец, и дают рекомендации по использованию этих режимов при формовании определенной детали.