ВОДОРАСТВОРИМАЯ ФОРМУЮЩАЯ ОСНАСТКА ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ КОМПОЗИТНЫХ ИЗДЕЛИЙ СЛОЖНОЙ ПРОСТРАНСТВЕННОЙ ФОРМЫ

Полезная модель относится к области производства изделий из полимерных композиционных материалов на основе связующего (смолы) и наполнителя (нити, жгуты, препреги и т.п) и может быть использована при производстве композитных изделий в аэрокосмической отрасли, автомобилестроении, ветроэнергетики судостроении и т.д В производстве полимерных композитных изделия особенные сложности возникают при необходимости изготовления изделия имеющего сложную пространственную форму, как правило имеющего внутренние полости, например, криволинейные трубопроводы, рабочие колеса центробежных насосов, впускные коллекторы двигателей внутреннего сгорания и т.п. В этих случаях стоимость изделия определяется не столько стоимостью сырьевых материалов, энергозатратами и трудозатратами, сколько стоимостью используемой технологической оснастки, поскольку сложно извлечь готовое изделие после его формования и изготовления из оснастки. Одним из путей решения этой задачи является использование оснастки (оправок, форм, вставок, стержней) изготовленной из удаляемых (разрушаемых) материалов, например гипса. (См. патент РФ №2233744)
Использование такой оснастки затруднено вследствии большой трудоемкости удаления кусков гипса из внутренней полости изделия и кроме того, возможности повреждения внутренней поверхности полости при силовом разрушении оснастки.
Известна оснастка выполненная из легкоплавкого металла на основе висмута и олова (температура плавления 132С) (См. патент РФ №2262551)
При использовании такой оснастки - предварительно формуется оснастка повторяющая внутреннюю полость композиционного изделия, затем на оснастке формуется (из смолы и наполнителя) само изделие которое затем полимеризуется при помощи нагрева и после чего изделие с оснасткой (внутри) нагревается до температуры плавления 132С, и расплавленный металл вытекает из внутренней полости. Данная оснастка обладает существенными недостатками т.к. ее использование ограничено только для изделий с низкотемпературной полимеризацией (до 132С) в противном случае оснастка проста потеряет форму (жесткость), требует высоких энергозатрат на расплавление металла, необходимо использовать подъемные механизмы вследствии большого веса оснастки, использование расплавленного висмута (высокотоксичные пары металла), требует повышенной защиты. На практике с такой оснасткой могут работать только высокороботизированные комплексы.
Наиболее близкой к предлагаемому решению (выбранной в качестве протопила), является водорастворимая оснастка, содержащая твердые агрегатированные частицы - керамические микросферы жестко соединенные между собой водорастворимой связкой (поливипирролидон и силикат натрия) из этой смеси которая находится в жидком, подвижном состояния в форме за счет сушки изготавливается твердая оснастка, например оправка на поверхности которой формуется например методом намотки изготовливаемое композиционное изделие. После изготовления изделия во внутреннюю полость подается струя воды комнатной температуры и оснастка (водорастворимый материал) удаляется (вытекает) (См патент ЕР 1379367 опубл. 2004-01-14
3
В сравнении с вышеуказанными аналогами оснастка (протопит) обладает рядом преимуществ-высокая точность изготовления изделия, обусловленная повышенной текучестью композиции микросферы-связка из-за сферической формы микросфер, пониженым весом (0.55 г/см), что резко снижает энергозатраты, особенно при изготовлении изделий методом намотки (вращающаяся оправка с частыми остановками и замедлением вращения) Вместе с тем, данная оснастка обладает существенным недостатком - недостаточной прочностью, которая определяется в первую очередь силами сцепления между керамическими микросферами и находящейся на их поверхности связкой. Первично оснастка формуется из влажной смеси в форме и для того чтобы получить некоторую прочность оснастки (для того чтобы было возможно ее взять руками) ее необходимо выдержать в около 1-2 часов(в зависимости от размеров) в форме, далее для того чтобы получить твердость необходимую для формовки композитного изделия, необходимо высушить оснастку(удалить всю влагу), однако полученная жесткая оснастка не обладает необходимой прочностью т.к. усилия сдвига при нагрузке происходят на гладкой поверхности микросфер (См фиг. 2) и связь между микросферой и связкой на ее поверхности незначительна т.е. не дает желаемой прочности. Так, по сообщению фирмы патентовладельца Advanced Ceramic Mfg время сушки оснастки (оправки торговая марка AQUAPOUR) размером 5 см в диаметре и длиной 15 см имеет предельную прочность на сжатие 5,8 Мпа, что недостаточно дл проведения современных процессов намотки и изготовления изделия методом (RTM) где оснастка в процессе формовки композитного изделия испытывает большое давление Решаемая полезной моделью задача состоит в том, чтобы создать конструкцию оснастки, обеспечивающую повышенную прочность. Повышение прочности не должно быть достигнуто за счет введения усиливающих элементов или введения более тяжелых (в сравнении с микросферами) компонентов например кварцевого песка, что неизбежно приведет к увеличению веса оснастки, что является недопустимым. Поставленная задача решается тем, что в известной формующей оснастке для изготовления композитных изделий сложной пространственной формы, содержащей, соединенные между собой водорастворимой связкой, полые микросферы, образующие поверхность для формования внутренней полости изделия, согласно полезной модели, не мене 8% (по объему) полых микросфер выполнены с перфорированными стенками в которых расположена связка. Поскольку микросферы в оснастке находятся в контакте со связкой, то часть связки проникает в перфорации (отверстия, выполненные в стенке) и таким образом, образуют дополнительные приливы связки в отверстиях, что повышает сцепление связки с микросферами, особенно в условиях касательных напряжений. Сущность полезной модели поясняется чертежом, где: На фиг. 1 - схематически изображена предлагаемая оснастка (оправка) На фиг. 2 - схематически изображена оснастка-прототип Пример. В качестве примера предлагаемой оснастки приводится оправка для изготовления криволинейной трубки из композитного материала методом намотки, однако предлагаемая полезная модель может быть использована для изготовления и другой оснастки например, вставок и стержней при изготовлении композитов в пресс-формах, вакуумном формовании и т.д. т.е в технологических процессах, где извлечение оснастки из изделия затруднено вследствии его сложной геометрической форма(наличие полостей). Предлагаемая оснастка (оправка) 1 состоит из полых микросфер 2 соединенных между собой водорастворимой связкой 3. Часть полых микросфер 4 не менее 8% по объему, выполнена с перфорированными стенками 5 в которых расположена связка в виде выступов 6 которые частично заходят во внутреннюю полость микросферы. Частичное заполнение внутренней полости микросфер достигается тем,, что при смешивании исходных компонентов используется как можно меньше воды(чтобы упростить и удешевить последующую сушку) при этом получают достаточно вязкую суспензию которая с одной стороны приняла бы заданную форму с другой- проникла бы во внутреннюю полость микросфер только частично. В качестве микросфер целесообразно использовать алюмо-силикатные микросферы, выделенные из золо-шлаковой смеси электростанций, работающих на каменном угле. Диапазон размеров частиц таких микросфер лежит в пределах 3-300 микрон, а толщина стенки составляет 10% от диаметра. Поэтому размер перфорированных отверстий составляет от нескольких микрон до десятков микрон. Выполнение перфорации в микросферах может осуществляться известными методами, например обработкой поверхности микросфер плавиковой кислотой при которой происходит частичное растворение стенки микросфер с образование в ней сквозных отверстий (См. патент РФ №2190890 от 25.10.2000 и патент РФ №2262383 от 20.10.2005). Наличие выступов увеличивает сцепление связки с микросферами особенно при возникновении касательных напряжений (стрелка К), что имеет место при формовке композитного изделия, и что существенно повышает прочность оснастки.
Для проведения испытаний и получения сравнительных характеристик были изготовлены оснастки (оправки длина 15 см и диаметр 5 см) по предлагаемому решению и прототипу, проведены испытания, результаты которых представлены в таблице. Первоначально смешивались исходные компоненты - керамические микросферы, выделенные из золо-шлаковой смеси Троицкой ГРЭС, водорастворимая связка и вода. Полученная смесь заливалась в форму внутренняя полость которой повторяла внешнюю форму изготавливаемой оснастки(оправки), после предварительного твердения оснастка извлекалась из формы и высушивалась В качестве водорастворимой связки были использованы поливинилпирролидон и силикат натрия. Предлагаемая и известные оснастки изготавливались по одной технологии, различие состояло в виде используемых микросфер(перфорированные и непорфорированные)
Как видно из таблицы по основным параметрам (предел прочности на сжатие и изгиб)) предлагаемая оснастка(примеры 1.2.3.) превосходит известную (прототип), при сохранении других характеристиках (плотности). Оснастка по примеру 4 практически не имеет преимуществ по прочности в сравнению с прототипом, что обусловлено незначительным содержанием перфорированных микросфер (менее 8%)