Способ изготовления изделий из волоконных материалов
METHOD FOR MANUFACTURE OF PRODUCTS FROM FIBROUS MATERIALS

Заявленное изобретение относится к способам производства изделий сложной формы из волоконных материалов, смоченных специальным не отверждённым полимерным составом для придания жесткости и определённого цвета. Сочетание полимерного материала и смачиваемой им специальным составом нити, при отверждении, придает последней жесткость и может быть сформирована с помощью специальных оснасток.
Известен способ изготовления изделия из вяжущего материала с волокнистым облицовочным покрытием см. патент РФ №2493011, от 20.03.2011. Способ включает нанесение вяжущего раствора на первый волокнистый мат, содержащий полимерные или минеральные волокна и водоотталкивающее покрытие, которое располагают в контакте с вяжущим раствором на, по меньшей мере, одной из поверхностей мата, отверждение вяжущего раствора и его закрепление на водоотталкивающем покрытии мата посредством замоноличивания мата в раствор с получением изделия из вяжущего материала с волокнистым облицовочным покрытием, при этом в раствор замоноличивают менее 50% толщины мата. Недостатком данного способа является невозможность получения изделий сложных форм.
Задачей заявленного изобретения является способ формования волоконной нити в двумерные и трехмерные ажурные изделия многоцелевого назначения.
Технический результат – упрощение изготовления и повышение точности изделий сложной формы.
Технический результат достигается тем, что способ изготовления изделий из волоконных материалов, заключается:
- в создании 3D изображения оснастки для изготовления изделий из волоконных материалов, включающей съёмные штыри, для удерживающих петель нитей волоконных материалов,
- в изготовлении оснастки с использованием станка с ЧПУ по 3D изображению оснастки,
- в защите оснастки пленками, пленкообразующими разделительными составами или иными средствами, предотвращающими адгезию волоконных материалов к оснастке,
- в подаче одной или нескольких нитей волокон в емкость с жидким, затвердевающим при определенных условиях составом, выполненным прозрачным или окрашенным,
- в пропитывании одной или нескольких нитей волокон, указанным выше, затвердевающим при определенных условиях составом,
- в укладке пропитанной одной или нескольких нитей волокон по криволинейной траектории на предварительно подготовленную оснастку, для создания основного тела,
- в отверждении (полимеризации) уложенных на оснастке нитей волокон при комнатной температуре, с использованием конвекционной сушки или с помощью ИК-  или УФ-излучений,
- в снятии при необходимости съёмных штырей и получении готового изделия.
При этом оснастка изготавливается из вспененных материалов, которые при необходимости можно растворять внутри готового изделия без нарушения целостности самого конечного изделия с применением растворителей на органической  или неорганической основе, или с применением любых других средств, растворяющих вспененную основу и не вредящих изделию.
В качестве нити волокон используют одну или несколько нитей, выбранных из нитей неорганического происхождения, выбранные из следующих семейств: кристаллические волокна, кремнеземные волокна, базальтовые волокна, углеродные волокна; или выбранных из нитей растительного происхождения, выбранные из следующих семейств: льняные волокна, волокна конопли, хлопчатобумажные волокна, волокна морских водорослей, кокосовое волокно, пальмовое волокно, волокна ротанга, банановые волокна; или выбранных из нитей животного происхождения, выбранные из следующих семейств: шерстяные волокна, шелковые волокна.
Затвердевающий при определенных условиях состав выполнен на основе материалов: имеющих эпоксидную или полиэфирную основу, отверждаемый полимер или фенольное связующее, или термопластов – полиэтилена, или полиэтилентерефталата.
Предлагаемое решение описывает способ изготовления изделий, с изменяющейся трехмерной структурой одной неразделённой детали посредством использования в оснастке материалов достаточной жесткости для образования криволинейной поверхности, способной удерживать форму при натяжении волоконной нити, например, вспененных материалов, предварительно обработанных ручным или машинным способом, совмещенных с основанием с закреплёнными в нём обводными штырями, извлекаемыми или не извлекаемыми в конечном этапе цикла, в зависимости от сложности изделия и оснастки.
Вспененные материалы для повышения жесткости и прочности оснастки могут быть обработаны армирующим составом из семейства напыляемых или наносимых вручную полиуретанов, полимочевин, гибридных и иных систем армирующего назначения, а также с применением препрегов (полуфабрикатов композиционного материала, состоящего из волокнистого армирующего наполнителя и нанесённого с одной или двух сторон связующего).
Вспененные материалы для формирования неразъемного цельного конечного изделия могут быть растворены внутри тела изделия без нарушения целостности самого конечного изделия с применением растворителей на органической  и неорганической основе, а также любых других средств, известных специалистам, растворяющих вспененную основу и не вредящих изделию.
Таким образом, геометрия оснастки может позволить изготовить плавные, целостные и устойчивые формы, известные квалифицированным специалистам из ударопрочных материалов с различными свойствами.
Метод позволяет изготавливать изделия как с предварительно подготовленным каркасом (например, из металла, дерева, композитных, пластиковых и иных материалов), так и без него, в этом случае в виде жестких опор выступает жесткий кант составных деталей или криволинейный каркас целостного изделия.
Технология изготовления изделий по описанной оснастке складывается из нескольких этапов. Производится направление волокна, по одной или нескольким прядям, к емкости с предварительно смешанным, но пока еще не затвердевшим отверждающим составом, прозрачным или окрашенным. Далее производится процесс смачивания и укладка нити. Укладка производится специальными фильерами или вручную. Далее нить укладывается по криволинейной траектории на предварительно подготовленную оснастку, таким образом, чтобы создать основное тело, а также неразделимый каркасный кант. Допускается изготовление отдельных элементов отдельной детали, допускаются перекрестия и наложения нити как одинакового, так и разного цвета.
После окончания плетения производится отверждение (полимеризация) смолы при комнатной температуре, с использованием конвекционной сушки или с помощью ИК-  или УФ-излучений.
К волоконной нити относятся волокна:
1. неорганического происхождения, выбранные из следующих семейств: кристаллические волокна, кремнеземные волокна, базальтовые волокна, углеродные волокна;
2. растительного происхождения, выбранные из следующих семейств: льняные волокна, волокна конопли, хлопчатобумажные волокна, волокна морских водорослей, кокосовое волокно, пальмовое волокно, волокна ротанга, банановые волокна;
3. животного происхождения, выбранные из следующих семейств: шерстяные волокна, шелковые волокна.
К отверждающему эту нить веществу или связующему относятся материалы, имеющие эпоксидную, полиэфирную основу, отверждаемый полимер (или другой реактопласт, например фенольное связующее), а также на основе термопластов – полиэтилена или полиэтилентерефталат (ПЭТФ).
Связующее может также содержать добавки, такие как кобальт или перекиси для улучшения отверждения смолы. Допускается использование добавок, известных специалистам, например, антипиренов, улучшающих качество и прочие характеристики связующего и конечного изделия.
На фиг.1-3 показаны различные оснастки для изготовления изделий.
На фиг.1 показана оснастка для изготовления полусферы – вспененный материал,
На фиг. 2 – показана оснастка для изготовления полусферы – выполненная комбинированным методом,
На фигурах обозначены следующие элементы:
1 – основание, в данном случае формируемое вспененного материала (например, пенопласта), предварительно обработанного на станке с ЧПУ (числовым программным управлением);
2 – ограничитель каркасного канта, для плотной укладки смоченного волокна и образования полимерного каркаса;
3 – штыри, для создания петель и удерживающего каркаса для волоконной нити;
4 – металлический кант для продления срока службы оснастки;
5 – рёбра реперных точек криволинейной поверхности.
Необходимо отметить, что составляющий элемент 4, позволяет продлить срок службы оснастки за счёт увеличения поверхностной жесткости канта основания оснастки (туда вставляются штыри), образуя направляющее отверстие – оно удерживает штырь от отклонений относительно наибольшей по площади плоскости, а так же отклонений от мнимых линий проведённых от точек, например центра окружности, к периметру. Стальной кант, позволяет защитить более мягкое по структуре тело оснастки от человеческих ошибок (не попадания штыря в отверстие), кроме прочего это позволяет использовать автоматизированные устройства установки штырей. Фиксация штыря от осевого смещения, выполняется за счёт известного эффекта трения разнородных материалов (основание, штырь).
Оснастку можно изготавливать различными способами.
1) Способ производства оснастки для рельефных изделий, изготовленной только на станке с ЧПУ, в виде полусферической детали, образующей впоследствии сферу или иное изделие, подходящее по конструкции. Оснастка представлена на фиг.1.
Описание процесса создания оснастки:
– создание 3d модели изделия;
– оптимизация под производственные мощности с предварительным конструкторским расчётом надёжности и жесткости, а также для более естественных соединений элементов конструкции – ориентир на природные или естественные формы, или на задумку дизайнера (разработчика);
– подготовка комплектующих оснастки – инженерная работа, обработка форм на станках с ЧПУ, ручная доводка и сборка;
– защита оснастки пленками, пленкообразующими разделительными составами или иными средствами, предотвращающими адгезию волокна к оснастке;
– установка съемных штырей 3.
И далее осуществляется: производство плетения – нанесения нити на оснастку описанным выше способом;
– сушка (полимеризация);
– демонтаж изделия с оснастки. Для упрощения процесса съема гвоздей/штырей применяется специальное пневматическое оборудование;
– зачистка изделия от острых кромок для комфортной эксплуатации, а также другие способы обработки изделия (например, покраска, лакирование, металлизация). Однако можно рассмотреть любой другой способ обработки, известный специалистам,
- запуск оснастки в повторный цикл.
2) Способ производства оснастки для рельефных изделий, изготовленной комбинированным способом, в виде полусферической детали, образующей впоследствии изделие, с криволинейной геометрией. Оснастка представлена на фиг.2.
Описание процесса создания оснастки комбинированным способом:
– создание 3d модели изделия;
– оптимизация под производственные мощности с предварительным конструкторским расчётом надёжности и жесткости, а также для более естественных соединений элементов конструкции – ориентир на природные или естественные формы, или на задумку дизайнера (разработчика);
– подготовка комплектующих оснастки – инженерная работа, обработка форм на станках с ЧПУ, ручная доводка и сборка основы 1, нанесение на основу 1 листового материала в виде ребер 5 с получением каркаса сложной формы, частично или полностью повторяющего геометрию изготавливаемой оснастки, далее применяется вспенивающийся клеящий состав (к примеру, монтажная пена) или специально подготовленная смесь из полимера с целью заполнения толщи каркаса до образующей поверхности, затем, при необходимости, доводится вручную или машинным способом до необходимой детализации;
– защита оснастки пленками, пленкообразующими разделительными составами или иными средствами, предотвращающими адгезию волокна к оснастке;
После подготовки оснастки её применяют таким же образом, как и предыдущим описанным способом 1).
3) Способ производства оснастки для деталей имеющих плоские поверхности, см. фиг.3, образующих сборное изделие или самостоятельные детали интерьера.
Для упрощения понимания приведена оснастка секции куба (состоит из шести деталей), см. фиг.3
Изготовление такой оснастки осуществляется аналогично изготовления оснастки для рельефных изделий 1).
Полезность заявляемого способа обусловлена тем, что изделия, полученные с помощью данного способа:
– получаются более реалистичными, близкими к тому, что встречается в живой природе или максимально похожим на задумку дизайнера (разработчика);
– могут использоваться как с каркасами, так и без специальных каркасов и состоять только из полимеризованной волоконной нити разной конструкции;
– состоят из оптимального количества составных деталей с учетом требования заказчика;
– по своей геометрии, по сути, ограничены воображением человека;
– могут быть выполнены как ручным, так и машинным методом;
– адаптируются для удобного хранения и перевозки;
– выполняются с высоким процентом повторяемости;
– могут быть взаимозаменяемыми, как следствие позволяют снизить стоимость конечного изделия для покупателя.
С получаемой оснасткой, возможно использовать любое волокно, известное специалистам, оснастка получается лёгкая, материалы применяются достаточно недорогие, обеспечивается возможность масштабирования готового изделия на этапе подготовки информационной модели оснастки, обеспечивается минимальная себестоимость при высоком качестве.