Вакуумная установка для процесса вакуумной инфузии
VACUUM INSTALLATION FOR VACUUM INFUSION PROCESS

Изобретение относится к машиностроению, в частности, к устройствам для изготовления деталей из композиционных материалов методом вакуумной инфузии. Изобретение может быть использовано при создании оборудования для вакуумной инфузии, в частности генераторов вакуума и дегазаторов, вакуумных ловушек.
В настоящее время известны устройства для изготовления деталей из композиционных материалов методом переноса смолы посредством перепадов давления.
Например, в известном техническом решении (см. патент RU2579380 от 28.05.2014, МПК B29C 45/02, B29C 43/56, B29C 70/44, B29C 70/36, B29L 9/00) описывается вакуумная установка, включающая вакуумную ловушку, генератор вакуума в виде вакуумного насоса и трубку, соединяющую вакуумную ловушку и генератор вакуума. Известное техническое решение позволяет производить композитные изделия методом вакуумной инфузии. Недостатками известного технического решения является повышенная себестоимость установки из-за наличия в ней вакуумного насоса, а так же вероятность попадания воздуха в вакуумную установку после отключения вакуумного насоса.
Известна вакуумная установка (см. патент WO2007054268 (A1) от 18.05.2007, МПК B29C70/48; B29C33/00), включающая вакуумную ловушку, генератор вакуума в виде вакуумного насоса, причем вакуумная ловушка объединена в одном корпусе с литьевой формой. Техническое решение по патенту WO2007054268 (A1) позволяет добиться некоторого снижения себестоимости за счёт исключения элементов одноразового использования, например шлангов и снижения расхода смолы. Недостатками являются невозможность полноценного контроля над процессом инфузии, что приводит к ухудшению качества изготавливаемого изделия, повышенная материалоёмкость при изготовлении литьевой формы, отсутствие запорного устройства между вакуумной ловушкой и генератором вакуума, а так же повышенная себестоимость установки за счёт наличия в ней вакуумного насоса.
В современном оборудовании для переноса смолы за счет перепада давлением методом вакуумной инфузии (в установках вакуумной инфузии), самым дорогим элементом является вакуумный насос. Стоимость используемых в настоящее время механических (пластинчатых, спиральных, мембранных) вакуумных насосов с электроприводом составляет 70 - 90% стоимости установки вакуумной инфузии.
Наиболее близким аналогом к заявляемому изобретению, который принят в настоящей заявке за прототип, является известная установка вакуумной инфузии, содержащая вакуумную ловушку и соединенный с ней генератор вакуума в виде вакуумного эжектора на основе эффекта Вентури (см. заявку №2018141458 от 26.11.2018, МПК B29C70/28, B29C70/36, B29C70/44, B29C39/24). В известном устройстве себестоимость установки вакуумной инфузии существенно снижена за счет применения совместно с вакуумной ловушкой генератора вакуума в виде вакуумного эжектора на основе эффекта Вентури, вместо механических вакуумных насосов. Однако, значительная часть смол, используемых при изготовлении деталей из композиционных материалов методом вакуумной инфузии, требует дегазации перед началом процесса инфузии и так же могут требовать отсутствия контакта с атмосферным воздухом во время процесса. Как правило, эти требования выполняются за счет применения дегазатора, оснащенного генератором вакуума, которым дополнительно комплектуется установка вакуумной инфузии. Известное устройство не содержит такого дегазатора, что существенно ограничивает диапазон доступных для применения смол, или приводит к существенному удорожанию установки из-за необходимости использовать отдельный дегазатор со своим генератором вакуума. Возможен вариант использования известной установки, при котором вакуумная ловушка используется вначале в качестве дегазатора, а после в качестве вакуумной ловушки, однако такой вариант крайне не удобен, в связи с тем, что смолы имеют ограниченное время жизни, а подключение вакуумной ловушки к оснастке занимает значительное время, так же такой вариант характеризуется повышенной вероятностью ошибок при подключении вакуумной ловушки, из-за ограниченного времени и как следствие повышенной вероятностью нарушения технологического процесса и получения бракованной детали.
Задачами, решаемыми предлагаемым изобретением, являются: упрощение конструкции, снижение себестоимости, повышение удобства эксплуатации и обслуживания установки, с сохранением высокого качества процесса инфузии.
Технический результат в предлагаемом изобретении достигается путем создания вакуумной установки, для процесса вакуумной инфузии, включающей в себя вакуумную ловушку, состоящую из корпуса с размещенным на нем устройством для девакууммизации и крышки с размещенными на ней присоединениями для трубок и вакуумметром, вакуумный дегазатор, состоящий из корпуса с размещенным на нем устройством для девакууммизации и крышки с размещенными на ней присоединениями для трубок, вакуумметром и смотровым окном, и соединенный с ними посредствам газовых каналов генератор вакуума, состоящий из присоединения для подачи рабочего тела, запорно-регулирующего устройства, глушителя и вакуумного эжектора на основе эффекта Вентури, включающего в себя последовательно расположенные полые участки, в том числе: входной участок, конфузор, вакуумную камеру и диффузор.
3
Объединение в одной установке вакуумного дегазатора и вакуумной ловушки и использование одного вакуумного эжектора в качестве генератора вакуума, как для вакуумного дегазатора, так и для вакуумной ловушки, позволяет существенно удешевить установку, за счет исключения дополнительного генератора вакуума, упростить ее конструкцию и повысить удобство эксплуатации. В то же время вакуумный эжектор не имеет подвижных деталей, не требует обслуживания и смазки, что значительно упрощает конструкцию установки и повышает удобство ее эксплуатации и обслуживания, при этом компактные вакуумные эжекторы способны обеспечить глубину вакуума до 95% и производительность по вакууму до 20 м/час, что позволяет использовать их в качестве генераторов вакуума для целого ряда установок без снижения качества процесса инфузии.
Исполнение вакуумной ловушки и вакуумного дегазатора в виде корпуса с размещенным на нем устройством для девакууммизации и крышки с размещенными на ней присоединениями для трубок, вакуумметром и смотровым окном позволяет повысить удобство эксплуатации установки, за счет удобства присоединения трубопроводов, возможности независимого контроля давления и возможности визуального контроля.
Исполнение генератора вакуума в виде  вакуумного эжектора на основе эффекта Вентури включающего в себя последовательно расположенные полые участки, в том числе: входной участок, конфузор, вакуумную камеру и диффузор и дополнительно включающего в себя присоединение для подачи рабочего тела, запорно-регулирующее устройство и глушитель, позволяет обеспечить оптимальные характеристики вакуумного эжектора, удобство присоединения линии для подачи рабочего тела, удобство регулирования вакуумного эжектора и, снизить шум, возникающий при работе, что позволяет повысить удобство эксплуатации и обслуживания установки
Исполнение установки, корпус вакуумной ловушки, корпус вакуумного дегазатора и корпус вакуумного эжектора которой выполнены в виде единой детали, позволит максимально сократить количество трубопроводов и запорной арматуры (газовых каналов), а так же выполнить установку максимально компактной и легкой, что удешевит конструкцию установки и упростит ее эксплуатацию и обслуживание.
Исполнение установки, в которой, в соединении, между вакуумной ловушкой и вакуумным эжектором и вакуумным эжектором и вакуумным дегазатором установлены обратные клапаны, позволит автоматизировать процесс отключения генератора вакуума, что позволит повысить удобство эксплуатации и обслуживания установки.
Исполнение установки, в которой, в соединении, между вакуумной ловушкой и вакуумным эжектором и вакуумным эжектором и вакуумным дегазатором установлены запорные вентили, позволит независимо регулировать давление в вакуумном дегазаторе и вакуумной ловушке, что позволит повысить удобство эксплуатации установки.
Исполнение установки, в которой, оси вакуумной ловушки, вакуумного дегазатора и генератора вакуума параллельны, позволит выполнить конструкцию установки максимально технологичной, для любых методов производства, что позволить снизить себестоимость установки.
Исполнение установки, в которой вакуумный эжектор соединен с источником сжатого воздуха, позволяет использовать в установке вместо дорогих вакуумных насосов компрессоры, цена которых в несколько раз ниже, чем у вакуумных насосов.
Исполнение установки, в которой корпус вакуумной установки выполнен из полимера методом литья под давлением, позволит удешевить процесс изготовления установки и снизить ее себестоимость, и так же упростить ее конструкцию.
Исполнение установки, в которой корпус вакуумной установки выполнен из двухкомпонентного полимерного материала методом литья в силиконовые формы, позволит упростить конструкцию и снизить стоимость технологической оснастки (пресс-формы), необходимой для изготовления корпуса и, как следствие, снизить себестоимость установки.
Сущность предлагаемого изобретения поясняется нижеследующим описанием и чертежами, где:
Фиг.1 - Вакуумная установка для процесса вакуумной инфузии;
Фиг.2 - Вакуумная установка, для процесса вакуумной инфузии, вариант исполнения.
Вакуумная установка, для процесса вакуумной инфузии (Фиг.1), состоит из вакуумной ловушки (1), состоящей из корпуса (2) с размещенным на нем устройством для девакууммизации (3) и крышки (4) с размещенными на ней присоединениями для трубок (5) и вакуумметром (6), вакуумного дегазатора (7), состоящего из корпуса (8) с размещенным на нем устройством для девакууммизации (9) и крышки (10) с размещенными на ней присоединениями для трубок (11), вакуумметром (12) и смотровым окном (13), и соединенного с ними посредствам газовых каналов (14) генератора вакуума (15) состоящего из присоединения для подачи рабочего тела (16), запорно-регулирующего устройства (17), глушителя (18) и вакуумного эжектора на основе эффекта Вентури (19) включающего в себя последовательно расположенные полые участки, в том числе: входной участок (20), конфузор (21), вакуумную камеру (22) и диффузор (23).
Вакуумная установка, для процесса вакуумной инфузии (Фиг.2) может быть выполнена так, что в газовом канале, соединяющем вакуумную ловушку и вакуумный эжектор и вакуумный эжектор и вакуумнй дегазатор установлены обратные клапаны (24), и в газовом канале, соединяющем вакуумную ловушку и вакуумный эжектор и вакуумный эжектор и вакуумнй дегазатор установлены запорные вентили (25).
Вакуумная установка, для процесса вакуумной инфузии (Фиг.1 и 2) может быть выполненная так, что оси вакуумной ловушки (26), вакуумного дегазатора (27) и генератора вакуума (28) параллельны.
На фиг.1 и 2 показан вариант исполнения вакуумной установки, в котором корпус вакуумной ловушки (2), корпус вакуумного дегазатора (8) и корпус вакуумного эжектора выполнены в виде единой детали.
Вакуумная установка, для процесса вакуумной инфузии (фиг.1, 2) работает следующим образом:
Емкость с предварительно смешанной смолой помещают в вакуумный дегазатор (7), с помощью генератора вакуума (15) с подключенным через присоединение для подачи рабочего тела (16), источником рабочего тела, например компрессором, подающим сжатый воздух,  создают в дегазаторе необходимое давление, регулируя производительность генератора вакуума (15) с помощью запорно-регулирующего устройства (17), давление контролируют с помощью вакуумметра (12), а непосредственно процесс дегазации контролируют через смотровое окно (13). В случае если вакуумная установка оснащена запорным вентилем (25), вакуумная ловушка (1) может быть отключена от генератора вакуума (15) во время процесса дегазации. В случае если вакуумная установка оснащена обратным клапаном (24), генератор вакуума (15) может быть выключен после достижения необходимого давления в дегазаторе (7). После завершения процесса дегазации выключат генератор вакуума (15), и с помощью устройства для девакууммизации (9) выравнивают давление в вакуумном дегазаторе (7) с атмосферным, после, с помощью трубок для подачи смолы, через присоединения для трубок (11) подключают вакуумный дегазатор (7) и емкость со смолой к оснастке с размещенной в ней заготовкой. Так же к оснастке подключают вакуумную ловушку (1) через присоединения для трубок (5). При необходимости устройство для девакууммизации (9) может быть соединено с источником инертного газа или включать в себя различные фильтры, для защиты смолы от контакта с атмосферным воздухом, водой и загрязнениями.
Далее выполняется непосредственно изготовление детали методом вакуумной инфузии, с помощью генератора вакуума (15) создается необходимое давление в вакуумной ловушке (1), которое контролируют с помощью вакуумметра (6), за счет разницы давлений в дегазаторе (7) и вакуумной ловушке (1) выполняется пропитка детали смолой, после деталь выдерживается до отверждения смолы и установка отключается от оснастки с деталью и прочего оборудования. Работа генератора вакуума (15), его подключение и регулировка, а так же девакууммизация вакуумной ловушки (1) аналогична процессу дегазации.
Разница давлений в вакуумной ловушке (1) и вакуумном дегазаторе (7) при использовании одного генератора вакуума может быть обеспечена с помощью частичного открытия  устройства для девакууммизации (9) на вакуумном дегазаторе или, в случае, если вакуумная установка оснащена запорным вентилем (25), за счет частичного или полного перекрытия запорного вентиля (25) в газовом канале (14) соединяющем вакуумный дегазатор (7) с генератором вакуума (15).
Вакуумный эжектор (19), входящий в состав генератора вакуума (15)  в процессе инфузии работает следующим образом: поток рабочего тела (например, воздуха), подаваемый от источника рабочего тела (например, компрессора), имеющий необходимое давление и расход, отрегулированные с помощью запорно-регулирующего устройства (17), проходя через входной участок (20) попадает в конфузор (сопло) эжектора (21) ускоряется и создает за счет эффекта Вентури разрежение в кольцевой полости эжектора (22), соединенной с вакуумной ловушкой. Откачанный из установки воздух удаляется потоком использованного рабочего тела через диффузор (23) и далее через глушитель (18) в атмосферу. Для предотвращения загрязнения атмосферы парами смолы перед генератором вакуума (15) может быть установлен фильтр.
Таким образом, в заявленном устройстве, за счет объединения в одной установке вакуумного дегазатора и вакуумной ловушки и использования одного вакуумного эжектора в качестве генератора вакуума, как для вакуумного дегазатора, так и для вакуумной ловушки, достигается существенное удешевление установки, за счет исключения дополнительного генератора вакуума, упрощение конструкции и повышение удобства эксплуатации, отсутствует необходимость в дорогостоящем и ненадежном механическом вакуумном насосе, при этом полностью сохранен общепринятый технологический процесс вакуумной инфузии, позволяющий получать детали с высоким качеством и повторяемостью, что обеспечивает упрощение конструкции, снижение себестоимости, повышение удобства эксплуатации и обслуживания установки, с сохранением высокого качества процесса инфузии.
Работоспособность предлагаемой вакуумной установки, для процесса вакуумной инфузии подтверждена испытанием опытного образца. При испытаниях в качестве компонентов создаваемой детали, использовались стеклоткань и полиэфирные смолы, а также компрессор, который подавал в установку сжатый воздух давлением 7 атм. для создания вакуума.