УСТАНОВКА ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ПРЕПРЕГОВ

Полезная модель относится к области машиностроения, а именно, к оборудованию для изготовления препрегов, применяемых для конструкционных изделий, и может быть использована в различных отраслях промышленности, таких как авиационная, автомобильная, судостроительная, медицинская и т.д.
Препрег - это композиционный материал-полуфабрикат, полученный по непрерывной технологии посредством пропитки армирующего наполнителя равномерно распределенным полимерным связующим, и частично отвержденный, что позволяет изготавливать детали сложной формы. Данные материалы применяются в авиастроении при изготовлении корпусов самолетов и вертолетов, крыльев, обтекателей, винтов, также используются при изготовлении лопастей для ветроэнергетических установок, в судостроении для изготовления корпусов судов, в автомобилестроении для ненесущих деталей кузовов колесных транспортных средств, в строительстве, в том числе для армирования бетонных конструкций, в медицине при изготовлении протезов и медицинских приборов, а также используются при изготовлении спортивного инвентаря, например, лыж. Изделия из таких материалов характеризуются сочетанием высокой прочности и жесткости, низкими температурным коэффициентом линейного расширения (благодаря чему при повышенных температурах они имеют хорошую стабильность размеров) и коэффициентом трения, высокими тепло- и электропроводностью, износостойкостью, устойчивостью к термическому, химическому и радиационному воздействию. Использование композиционных материалов позволяет снизить вес изделия (например, снижение массы самолета за счет использования композиционных материалов для деталей фюзеляжа, крыла, оперения самолета составляет 15-30%, и, как следствие, снижение расхода топлива воздушных судов), увеличить прочностные характеристики и срок их службы.
В качестве наполнителя (армирующего материала) при изготовлении препрега могут быть использованы стеклянные, углеродные, базальтовые и другие волокна, например, в виде однонаправленной ленты или тканого материала (сатин, полотно и т.д.). Связующее для препрега можно разделить на две категории: содержащие растворитель и без растворителя. Последнее может быть как в жидком, так и в твердом состоянии при комнатной температуре. Для связующих с растворителем применяется пропитка в ванной и последующая сушка от растворителя, для связующих без растворителя применяется нанесение пленки связующего и соединение этой пленки с армирующим материалом. При использовании твердых при комнатной температуре связующих производится предварительный нагрев связующего для получения расплава. Связующими таких материалов могут служить синтетические полимеры, например, эпоксидные или полиэфирные смолы.
Способы и условия получения препрегов, а также их свойства определяются преимущественно типом связующего. В связи с этим основное отличие установок для изготовления препрегов заключается в устройствах для нанесения связующего на наполнитель.
Известна установка для изготовления препрегов, в которой используется устройство, предназначенное для нанесения связующего способом горячего расплава, который позволяет высоковязкой низкоконцентрированной термореактивной смоле легко проникать в волокнистую основу без необходимости использования растворителей (JP 2009091377 А1, C08J 5/24, 30.04.2009).
Известна установка для изготовления препрегов, в которой используется устройство для нанесения покрытия на рулонный материал, в котором расплав связующего подается в объем между валком и раклей при температуре ниже его температуры отверждения. Безроликовый прижим полотна материала в зоне пропитки осуществляется заданным натяжением полотна материала. (RU 2254172 С1, В05С 1/08, 20.06.2005).
Известна установка для изготовления препрегов, содержащая шпулярник для шпулей со жгутом, распределительную гребенку, устройство для крепления ткани, размоточное устройство для крепления подложки, первую пропиточную ванну, устройство для сушки, вторую пропиточную ванну, натяжной узел, кашировочный каландр, горизонтальную камеру сушки наполнителя после второй пропитки, обогреваемые и охлаждаемые каландры, приемное устройство для полученного препрега (RU 2321606 C1, C08J 5/24, 10.04.2008, прототип).
Недостатком указанных установок является то, что каждое из них применяется для изготовления препрегов из определенного вида наполнителей с использованием определенных связующих с заданным уровнем характеристик.
Задачей полезной модели является расширение технологических возможностей установки для изготовления препрегов, повышение качества препрегов конструкционного назначения при минимизации занимаемой установкой производственной площади, а также снижение себестоимости изготавливаемых препрегов.
Технический результат достигается тем, что установка для изготовления препрегов содержит узел подачи материала, устройство нанесения покрытия, состоящее из узла нанесения покрытия горячим плавлением, узла нанесения покрытия в виде ракли над валом и узла нанесения покрытия плавающим ножом, первый узел ламинирования, узел пропитки, расположенный под первым узлом ламинирования, узел для сушки, узел калибрования, второй узел ламинирования, узел охлаждения и узел обрезки кромок, узел размотки/намотки, расположенный под устройством нанесения покрытия, узел намотки готового изделия, смонтированный под узлом обрезки кромок, а также центральный блок управления, связанный с указанными узлами с возможностью их выборочного приведения в действие.
Представленная универсальная автоматизированная установка за счет того, что она содержит как устройство нанесения покрытия, так и узел пропитки, позволяет осуществлять изготовление препрегов на основе различных термопластичных и термореактивных связующих, например, в виде растворов, расплавов, пленок, волокон, с использованием различных армирующих наполнителей, например, углеродных, стеклянных, базальтовых и др., в виде как жгутов (в том числе и площеных), так и в виде текстильных структур независимо от их толщин, при этом препрега могут быть изготовлены посредством нанесения связующего на наполнитель как с одной стороны, так и с обеих сторон, а также пропиткой наполнителя связующим в пропиточной ванне. Компактное размещение узла нанесения покрытия горячим плавлением, узла нанесения покрытия в виде ракли над валом и узла нанесения покрытия плавающим ножом в одном устройстве нанесения покрытия, размещение узла пропитки под первым узлом ламинирования, а также возможность установки узла намотки готового изделия под узлом обрезки кромок позволяет минимизировать занимаемую установкой производственную площадь, что, в свою очередь, позволит снизить себестоимость изготовления препрегов. Наличие центрального блока управления, связанного со всеми узлами установки позволяет выборочно приводить в действие (включать/выключать) требуемые узлы установки в соответствии с технологическим процессом, что в свою очередь обеспечит быструю переналадку оборудования при переходе с одного технологического процесса на другой.
Вышеизложенные особенности и преимущества полезной модели будут понятны из последующего описания предпочтительного примера осуществления со ссылками на прилагаемый чертеж, на котором для представления одинаковых элементов используются одинаковые позиции. На чертеже представлена схема универсальной установки для изготовления препрегов в соответствии с настоящей полезной моделью, которая содержит: 1 - шпулярник; 2 - каландр с распределительной гребенкой; 3 - первый блок контроля качества изготавливаемого материала; 4 - устройство нанесения покрытия, включающее: 5 - узел горячего плавления. 6 - узел нанесения покрытия в виде ракли над валом, 7 - узел нанесения покрытия плавающим ножом; 8 - узел размотки/намотки; 9 - узел размотки; 10 - первый узел ламинирования; 11 - узел пропитки, включающий: 12 - пропиточную ванну, 13 - обжимные валы, 14 - вертикальное устройство для сушки, 15 - бак бесперебойной подпитки раствора; 16 - горизонтальный узел для сушки; 17 - узел калибрования, состоящий из: 18 - первого узла калибрования, 19 - второго узла калибрования, 20 - третьего узла калибрования, 21 - нагреваемой плиты, 22 - узла размотки/намотки и 23 - узла размотки/намотки; 24 - второй блок контроля качества изготавливаемого материала; 25 - второй узел ламинирования; 26 - узел размотки/намотки; 27 - узел охлаждения; 28 - узел обрезки кромок; 29 - узел намотки полученного препрега.
Установка для изготовления препрегов содержит узел подачи материала в виде шпулярника 1 для установки бобин с волокном.
За шпулярником 1 установлен компенсирующий каландр 2, который применяется для формирования единого натяжения всех нитей. Он содержит три валка, два из которых - нижние - покрыты резиной, а верхний валок может быть выполнен как прорезиненным, так и металлическим. Указанные валки установлены с возможностью их разведения.
На входе в каландр 2 может быть установлено бердо (на чертеже не показано).
За каландром 2 расположен первый блок 3 контроля качества изготавливаемого материала, который измеряет и контролирует вес материала на кв.м полотна. Контроль качества осуществляется постоянно посредством сенсоров, расположенных на протяжении всего цикла следования материала, которые передают информацию в блок автоматического контроля. Блок построен по модульному принципу и включает электронную панель со станцией контроля и отображения, а также программное обеспечение. На дисплее формируется карта материала на основании совокупных данных от датчиков, расположенных по длине и ширине материала, которые регистрируют минимальный, максимальный и средний показатели после каждого перекрестного сканирования.
За первым блоком 3 контроля качества смонтировано многофункциональное устройство 4 нанесения покрытия (связующего), которое состоит из следующих основных узлов: узла 5 горячего плавления, узла 6 нанесения связующего раклей над валом и узла 7 нанесения связующего плавающим ножом.
Узел 5 горячего плавления состоит из двух нагреваемых валов с регулируемыми усилием и зазором для перераспределения связующего, установленных перед задним валом нанесения покрытия. Нагреваемые валы имеют тефлоновое покрытие. Температура нагреваемых валов горячего плавления контролируется с помощью датчиков температуры и регулируется. Также посредством микрометрического регулирующего устройства осуществляется регулирование зазора между валами горячего плавления с учетом толщины материала слева и справа. Задний охлаждающий вал имеет хромированное покрытие. Его температура составляет 16°-17°С, т.к. при более низкой температуре собирается конденсат.
Второй узел 6 нанесения покрытия устройства 4 нанесения покрытия выполнен в виде ракли, расположенной над валом, на которую подается связующее. В данном узле 6 предусмотрено микрометрическое регулирование зазора с помощью левого и правого микрометрических устройств, независимых одно от другого.
Третий узел 7 нанесения связующего устройства 4 нанесения покрытия выполнен в виде плавающего ножа, расположенного над валом и на расстоянии от него.
Под устройством 4 нанесения покрытия установлен узел 8 размотки/намотки, а за устройством 4 нанесения покрытия сверху него установлен узел 9 размотки. Узел 8 размотки/намотки и узел 9 размотки содержат сердечник воздушного вала и пневматический тормоз, снабжены независимым двигателем для работы в прямом и обратном направлении и применяются как для рулонов подложки, так и для рулонов наполнителя в виде ткани.
За устройством 4 нанесения покрытия расположен первый узел 10 ламинирования, который состоит из двух охлаждающих валов с тефлоновым покрытием и микрометрическим регулированием зазора. Узел включает пневматическое устройство поднимания и опускания вала в зависимости от настроек толщины ламината.
Под первым узлом 10 ламинирования расположен узел 11 пропитки, содержащий пропиточную ванну 12, смонтированные над ней обжимные валы 13, покрытые тефлоном, и вертикальное устройство 14 для сушки. Пропиточная ванна 12 может быть выполнена с расположенными внутри нее одним цилиндром или с тремя цилиндрами и соединена трубой с баком 15 бесперебойной подпитки раствора. Для поддержания постоянной вязкости пропиточная ванна оснащена вискозиметром.
Вертикальное устройство 14 для сушки состоит из двух нагревательных панелей, вертикально расположенных с возможностью перемещения между ними изготавливаемого препрега. Конструкция устройства 14 для сушки предполагает сушку материалов из углеродных и стеклянных волокон. Температура воздуха внутри секции может составлять от 100 до 450°С.
За первым узлом 10 ламинирования расположен узел 16 для сушки (например, инфракрасным излучением), секции нагрева которого состоят из нескольких нагревательных панелей, горизонтально расположенных с возможностью перемещения между ними изготавливаемого препрега. Температура воздуха внутри каждой секции составляет от 100 до 450°С. Конструкция узла 16 предполагает сушку материалов из углеродных и стеклянных волокон. Узел 16 также содержит трубу для отвода загрязненного воздуха и вытяжной вентилятор (на чертеже не показаны).
Узел 16 для сушки и вертикальное устройство 14 для сушки применяются только для процесса пропитки материала связующим в пропиточной ванне 12.
За узлом 16 для сушки расположен узел 17 калибрования, который состоит из трех узлов 18, 19, 20 калибрования, два из которых (18, 19) содержат нагревательные каландры, а третий узел (20) содержит охлаждающий каландр, при этом все каландры выполнены с тефлоновым покрытием и микрометрическим регулирование зазора. Каждый из узлов (18, 19, 20) калибрования оснащен устройством настройки в соответствии с толщиной материала. Между узлами 18 и 19, а также 19 и 20 расположены нагреваемые электрические плиты 21, поверхность которых выполнена из нержавеющей стали. Рабочая температура плит 21 составляет 450°С. Над и под узлом 18 калибрования расположены узлы 22 размотки/намотки, а над и под узлом 20 калибрования расположены узлы 23 размотки/намотки. Каждый из узлов 22 размотки/намотки состоит из сердечника воздушного вала и пневматического тормоза и снабжен независимым двигателем. А каждый из узлов 23 размотки/намотки выполнен с возможностью управления натяжением материала.
За узлом 17 калибрования расположен второй блок 24 контроля качества, который как и первый блок 3 контроля качества измеряет и контролирует вес материала на кв.м полотна. Контроль качества осуществляется постоянно посредством сенсоров, расположенных на протяжении всего цикла следования материала, которые передают информацию в блок автоматического контроля. Указанный блок построен по модульному принципу и включает электронную панель со станцией контроля и отображения, а также программное обеспечение. На дисплее формируется карта материала на основании совокупных данных от датчиков, расположенных по длине и ширине материала, которые регистрируют минимальный, максимальный и средний показатели после каждого перекрестного сканирования.
За вторым блоком 24 контроля качества размещены второй узел 25 ламинирования с расположенными над и под ним узлами 26 размотки/намотки, узел 27 охлаждения, а также узел 28 обрезки кромок. Второй узел 25 ламинирования содержит ламинирующие валы с хромированной поверхностью и пневматический цилиндр, расположенный при входе в указанный узел 25, для регулирования натяжения материала. Узел 25 оснащен устройством синхронизации скорости и предполагает также возвратные движения. Узел 27 охлаждения выполнен в виде приводного хромированного вала, имеющего ротационное соединение для циркуляции воды. Узел 28 обрезки кромок выполнен, например, в виде двух пар ножей, которые установлены с возможностью регулирования в зависимости от толщины и ширины обрезаемого материала.
Под узлом 28 обрезки кромок установлен узел 29 намотки готового препрега, выполненный в виде, по меньшей мере, одного приводного намотчика для готового препрега, который оснащен устройствами синхронизации скорости и контроля натяжения материала и предполагает возвратные движения.
Все указанные узлы связанны с центральным блоком управления, с пульта управления которого возможно задавать режимы их выборочного приведения в действие, благодаря чему предлагаемая установка позволяет реализовать несколько технологических схем производства препрегов.
В помещении, где расположена установка для изготовления препрегов, поддерживаются посредством системы кондиционирования и очистки воздуха определенные условия: температура воздуха - 22°С-24°С, влажность воздуха - 65%.
Ниже будут приведены несколько из возможных примеров изготовления препрегов посредством предлагаемой установки для изготовления препрегов. Однако данные примеры осуществления не ограничивают объем полезной модели, т.к. возможны и другие технологические схемы изготовления препрегов посредством предлагаемой установки.
Пример 1.
В данном примере для изготовления препрега используется связующее, которое может быть нанесено только в виде расплава при температуре от 30°С до 200°С. Перед началом работы с центрального блока управления подаются команды на приведение в действие узла 8 размотки/намотки, узла 5 горячего плавления, узла 9 размотки, первого узла 10 ламинирования, узлов 22, 23 и 26 размотки/намотки, узлов 18, 19 и 20 калибрования, второго узла 25 ламинирования, узла 27 охлаждения и узла 29 намотки. На силиконизированную бумагу, подаваемую с узла 8 размотки/намотки, с помощью узла 5 горячего плавления наносят расплавленное связующее. Далее с узла 9 размотки подается армирующий материал (ткань или лента), который с помощью первого узла 10 ламинирования соединяется с пленкой связующего. Затем сверху с узла 22 размотки/намотки подается вспомогательная бумага и силиконизированной стороной соединяется со слоем армирующего материала. Полученную ленту пропускают через узлы 18 и 19 калибрования с нагревательными каландрами для пропитки армирующего материала расплавленным связующим и узел 20 калибрования с охлаждающим каландром для понижения вязкости связующего. После этого вспомогательная бумага отделяется и сматывается в рулон в расположенном сверху узле 23 размотки/намотки. Далее с узла 26 размотки/намотки на армирующий материал сверху подается полиэтиленовая пленка и посредством второго узла 25 ламинирования соединяется с армирующим материалом. Полученный препрег окончательно охлаждается при контакте с охлаждаемым валом узла 27 охлаждения и наматывается в рулон узлом 29 намотки.
Пример 2.
Технологическая схема изготовления препрега в соответствии с примером 2 аналогична схеме изготовления препрега в соответствии с примером 1 за исключением того, что вместо ткани или ленты непосредственно со шпулярника подается однонаправленная лента.
Пример 3.
В данном примере изготовления препрега используется связующее, которое может быть нанесено только в виде расплава при температуре от 30°С до 200°С. Процесс производства разделяется на два этапа: нанесение связующего на бумагу (этап 1) и перенос связующего с бумаги на армирующий материал (этап 2). Перед началом работы с центрального блока управления подаются команды на приведение в действие узлов 8, 22, 23 и 26 размотки/намотки, узла 5 горячего плавления, первого узла 10 ламинирования, второго узла 25 ламинирования, узлов 18 и 19 калибрования, узла 27 охлаждения и узла 29 намотки. На этапе 1 на силиконизированную бумагу, подаваемую с узла 8 размотки/намотки, наносится расплавленное связующее с помощью узла 5 горячего плавления. Далее с узла 26 размотки/намотки подается полиэтиленовая пленка и посредством второго узла 25 ламинирования соединяется со слоем связующего. Полученный материал охлаждается при контакте с охлаждаемым валом узла 27 охлаждения и наматывается в рулон узлом 29 намотки. На этапе 2 армирующий материал в виде однонаправленной ленты подается со шпулярника через первый узел 10 ламинирования. Сверху и снизу армирующего материала с узлов 22 размотки/намотки подается бумага с предварительно нанесенным на этапе 1 слоем связующего. Далее полученную ленту пропускают через узлы 18 и 19 калибрования с нагревательными каландрами для пропитки армирующего материала расплавленным связующим и узел 20 калибрования с охлаждающим каландром для понижения вязкости связующего. Верхняя и нижняя бумага отделяется и наматывается в рулоны узлами 23 размотки/намотки. Далее сверху и снизу с узлов 26 размотки/намотки на армирующий материал подается разделительная полиэтиленовая пленка. Полученная лента окончательно охлаждается при контакте с охлаждаемым валом узла 27 охлаждения и наматывается в рулон узлом 29 намотки.
Пример 4.
В данном примере изготовления препрега используется связующее, обладающее низкой вязкостью при комнатной температуре без растворителей.
Перед началом работы с центрального блока управления подаются команды на приведение в действие узлов 8, 22, 23 и 26 размотки/намотки, узла 6 нанесения покрытия в виде ракли над валом, узла 9 размотки, узлов 18, 19 и 20 калибрования, узла 27 охлаждения и узла 29 намотки. На силиконизированную бумагу, подаваемую с узла 8 размотки/намотки, наносится связующее с помощью узла 6 нанесения покрытия в виде ракли над валом. Далее с узла 9 размотки подается армирующий материал (ткань или лента) и соединяется с пленкой связующего. Затем с узла 22 размотки/намотки подается вспомогательная бумага и силиконизированной стороной соединяется со слоем армирующего материала. Полученную ленту пропускают через узлы 18 и 19 калибрования с нагревательными каландрами для пропитки армирующего материала расплавленным связующим и узел 20 калибрования с охлаждающим каландром для понижения вязкости связующего. Верхняя и нижняя бумага отделяется и наматывается в рулоны узлами 23 размотки/намотки. Далее сверху с узла 26 размотки/намотки на армирующий материал подается разделительная полиэтиленовая пленка. Полученная лента окончательно охлаждается при контакте с охлаждаемым валом узла 27 охлаждения и наматывается в рулон узлом 29 намотки.
Пример 5.
В данном примере изготовления препрега используется связующее, содержащее растворители. Необходимая вязкость связующего поддерживается автоматически при помощи добавления растворителя из бака 15 бесперебойной подпитки. Армирующим материалом может быть как ткань или лента из рулона, так и однонаправленная лента непосредственно со шпулярника.
Перед началом работы с центрального блока управления подаются команды на приведение в действие шпулярника 1 или узла 8 размотки/намотки, обжимных валов 13, устройств 14 и 16 для сушки, узлов 26 размотки/намотки, узла 27 охлаждения и узла 29 намотки. Армирующий материал со шпулярника 1 или из узла 8 размотки/намотки пропускается через систему валов в пропиточной ванне 12 со связующим. Излишки связующего удаляются с помощью обжимных валов 13. Далее лента проходит через вертикальное устройство 14 для сушки и горизонтальное устройство 16 для сушки с целью удаления растворителя из связующего. Затем сверху и снизу с узлов 26 размотки/намотки на армирующий материал подается разделительная полиэтиленовая пленка. Полученная лента окончательно охлаждается при контакте с валом узла 27 охлаждения и наматывается в рулон узлом 29 намотки.
Из приведенных выше примеров видно, что с помощью предложенной установки может быть получен препрег на основе жгутов из углеродных, стеклянных, органических волокон или их сочетаний, а также тканей различного переплетения, выполненных на их основе, пропитанных раствором полимерного связующего, с требуемыми параметрами независимо от толщины волокнистого наполнителя, типа наполнителя и полимерного связующего, а так же от ширины ткани. Таким образом, предложенная конструкция позволяет расширить технологические возможности установки для изготовления препрегов и повысить качество препрегов конструкционного назначения при минимизации занимаемой установкой производственной площади, и тем самым снизить себестоимость изготавливаемых препрегов при минимальном времени на переналадку оборудования при переходе с одного технологического процесса на другой.
Описанные выше примеры осуществления следует во всех аспектах рассматривать лишь как иллюстративные и не обуславливающие никаких ограничений. Следовательно, могут быть использованы другие примеры осуществления настоящей полезной модели и примеры внедрения, которые не выходят за пределы описанных здесь существенных признаков.