УСТРОЙСТВО УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ПРОПИТКИ ВОЛОКНИСТЫХ МАТЕРИАЛОВ
DEVICE FOR ULTRASONIC SOAKING OF FIBROUS MATERIALS

Изобретение относится к устройствам ультразвуковой пропитки волокнистых материалов различными полимерными связующими и может быть использовано в производстве изделий из волокнистых композиционных материалов (стеклопластиков, органопластиков, углепластиков) для машиностроительной, авиационной, судостроительной, нефтегазовой и строительной промышленности.
Из уровня техники известно устройство ультразвуковой пропитки наполнителя связующим, включающее ванну со связующим, прижимные ролики для перемещения наполнителя вдоль дна ванны, ультразвуковую колебательную систему, состоящую из преобразователя электрических колебаний в ультразвуковые, концентратора механических колебаний и рабочего инструмента, погруженного в ванну со связующим. Армирующий волокнистый наполнитель, состоящий из множества непрерывных волокон, формируется в пучок и с помощью прижимных роликов поступает и протягивается через ванну со связующим до выходного устройства, обеспечивающего удаление излишков связующего. В процессе нахождения наполнителя в связующем осуществляется его ультразвуковая обработка между эластичным материалом и рабочим инструментом электромеханического преобразователя. Эластичный материал осуществляет прижим наполнителя к излучающей поверхности рабочего инструмента и обеспечивает движение наполнителя вдоль излучающей поверхности. Достигаемый устройством технический результат заключается в увеличении скорости взаимодействия между наполнителем и связующим и обеспечении улучшения пропитки наполнителя по сравнению с традиционными устройствами пропитки (Патент US №4689244 А, 1998 г.).
Недостатком известного устройства является ограниченный объем связующего, которое обрабатывается ультразвуковыми колебаниями высокой интенсивности. Не обрабатываются области связующего вне зоны контакта с наполнителем. Зона устройства под излучающей поверхностью рабочего инструмента, где могла бы осуществляться обработка связующего (дегазация и модификация), перекрыта эластичным материалом, что снижает эффективность и качество пропитки.
Наиболее близким техническим решением к предлагаемому изобретению является устройство ультразвуковой пропитки наполнителя связующим, включающее ванну со связующим, прижимные ролики для перемещения наполнителя вдоль дна ванны, ультразвуковую колебательную систему, состоящую из преобразователя электрических колебаний в ультразвуковые, концентратора механических колебаний и рабочего инструмента, размещенную над поверхностью ванны со связующим таким образом, что рабочий инструмент погружается в связующее. Рабочий инструмент колебательной системы выполнен в виде пластины со скругленными краями, имеющей криволинейную излучающую рабочую поверхность с поперечным размером, установленным из условия обеспечения однослойного размещения наполнителя по ширине инструмента в процессе пропитки, и с продольным размером, выбранным из условия обеспечения требуемой степени пропитки при заданной скорости протягивания наполнителя через ванну со связующим. Ультразвуковая колебательная система размещена над ванной со связующим с возможностью расположения акустической оси колебательной системы под углом к поверхности связующего в ванне, часть рабочего инструмента расположена над поверхностью связующего. Прижимные ролики установлены с возможностью обеспечения механического контакта наполнителя с излучающей поверхностью ультразвуковой колебательной системы в процессе протягивания наполнителя вдоль поверхности рабочего инструмента. Нижняя стенка ванны в месте расположения над ней рабочего инструмента колебательной системы выполнена под углом к поверхности связующего в ванне и перпендикулярна акустической оси колебательной системы. Расстояние от поверхности рабочего инструмента до дна равно половине длины волны ультразвуковых колебаний в связующем на рабочей частоте колебательной системы. Устройство повышает эффективность ультразвукового воздействия при проведении процесса пропитки наполнителя связующим, качество изделий из композиционных материалов и увеличивает производительность процесса пропитки наполнителя (Патент РФ №2224649, В29В 15/10, C08J 7/18, В05С 3/12, 2003 г.).
Недостатком известного устройства является недостаточная эффективность процесса пропитки, обусловленная кратковременным контактом наполнителя с излучающей поверхностью рабочего инструмента. Наполнитель обрабатывается ультразвуком локально в то время, когда он контактирует с излучающей поверхностью рабочего инструмента, установленного на выходе наполнителя из связующего. Все остальное время перемещения наполнителя через связующее в пропиточной ванне он пропитывается за счет капиллярного эффекта достаточно вязким связующим, которое не подвергается воздействию ультразвука.
Техническим результатом заявленного изобретения является повышение эффективности процесса пропитки за счет обеспечения возможности дополнительной обработки обрабатываемого материала за один проход.
Данный технический результат достигается посредством того, что у устройства ультразвуковой пропитки волокнистых материалов, включающем ванну со связующим средством, прижимные ролики для перемещения обрабатываемого волокнистого материала, ультразвуковую колебательную систему, состоящую из преобразователя электрических колебаний в ультразвуковые, концентратора механических колебаний и рабочего инструмента, установленного в ванне и выполненного в виде пластины со скругленными краями, представляющей собой криволинейную излучающую рабочую поверхность, согласно изобретению рабочий инструмент установлен в герметичном стакане ортогонально к обрабатываемой поверхности обрабатываемого волокнистого материала, а прижимные ролики установлены с обеспечением возможности дополнительной обработки обрабатываемого материала за один проход.
Сущность заявленного изобретения поясняется графическими материалами, где на фиг.1 схематично изображено устройство ультразвуковой пропитки волокнистых материалов.
Устройство ультразвуковой пропитки волокнистых материалов включает пропиточную ванну 1, систему прижимных роликов 2, герметичный стакан 3, концентратор 4 механических колебаний ультразвуковой колебательной системы с рабочим инструментом 5.
Устройство ультразвуковой пропитки волокнистых материалов работает следующим образом.
Армирующий наполнитель (стекловолоконный ровинг) подается в пропиточную ванну 1 со связующим через систему прижимных роликов 2. В пропиточной ванне по нормали к направлению подачи ровинга в герметичном стакане 3 горизонтально установлен концентратор 4 механических колебаний ультразвуковой колебательной системы. Рабочий инструмент 5 концентратора 4 имеет форму пластины с эллиптической излучающей поверхностью. Ширина пластины выбирается из условия однослойного размещения наполнителя при его прохождении через пропиточную ванну. Продольный размер пластины определяется требуемой степенью пропитки при заданной скорости протяжки ровинга. Система прижимных роликов 2 и концентратор 4 установлены таким образом, чтобы обеспечить в процессе движения ровинга механический контакт между ровингом и излучающей поверхностью рабочего инструмента 5. При этом ровинг огибает поверхность рабочего инструмента 5 с небольшим натяжением. Концентратор 4 механических колебаний полностью погружен в связующее и расположен в пропиточной ванне 1 на входе наполнителя в связующее. Ультразвуковые колебания рабочего инструмента 5 обеспечивают дегазацию и пропитку наполнителя и модификацию связующего, при этом вязкость модифицированного связующего многократно снижается, что существенно улучшает качество пропитки.
В известном устройстве (Патент РФ №2224649) наполнитель обрабатывается ультразвуком локально, и только в то время, когда он контактирует с излучающей поверхностью рабочего инструмента, установленного на выходе наполнителя из связующего. Все остальное время перемещения наполнителя через связующее в пропиточной ванне он пропитывается за счет капиллярного эффекта связующим, которое не подвергается воздействию ультразвука, и поэтому имеет высокую вязкость. В рассматриваемом устройстве ровинг находится в поле действия ультразвуковой волны практически все время, пока он находится в связующем. В процессе движения ровинг огибает нижний прижимной ролик, установленный над основанием пропиточной ванны и повторно попадает под действие ультразвуковой волны, отраженной от задней стенки ванны. Диаметр нижнего ролика и расстояние до задней стенки ванны для получения резонансного эффекта увеличения амплитуды ультразвуковых колебаний выбирается кратным половине длины ультразвуковой волны. Поскольку наполнитель в процессе движения в пропиточной ванне все время находится в поле действия ультразвуковых колебаний и в модифицированном связующем, имеющим низкую вязкость, эффективность его пропитки существенно повышается.
Таким образом, заявленное устройство ультразвуковой пропитки обеспечивает высокую эффективность процесса пропитки волокнистых материалов за счет повторного прохождения наполнителя через область резонансных ультразвуковых колебаний в модифицированном связующем.
Анализ заявленной полезной модели на соответствие условиям патентоспособности показал, что указанные в формуле признаки являются существенными и взаимосвязаны между собой с образованием устойчивой совокупности неизвестной на дату приоритета из уровня техники необходимых признаков, достаточной для получения требуемого технического результата - обеспечение высокой эффективности процесса пропитки волокнистых материалов за счет повторного прохождения наполнителя через область резонансных ультразвуковых колебаний в модифицированном связующем.
Таким образом, вышеизложенные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании заявленного технического решения следующей совокупности условий:
- объект, воплощающий заявленное техническое решение, при его осуществлении предназначен для ультразвуковой пропитки волокнистых материалов различными полимерными связующими и может быт использован в производстве изделий из волокнистых композиционных материалов (стеклопластиков, органопластиков, углепластиков) для машиностроительной, авиационной, судостроительной, нефтегазовой и строительной промышленности
- для заявленного объекта в том виде, как он охарактеризован в независимом пункте формулы полезной модели, подтверждена возможность его осуществления с помощью вышеописанных в материалах заявки известных из уровня техники на дату приоритета средств и методов;
- объект, воплощающий заявленное техническое решение, при его осуществлении способен обеспечить достижение усматриваемого заявителем технического результата.
Следовательно, заявленный объект соответствует требованиям условий патентоспособности «новизна», «изобретательский уровень» и «промышленная применимость» по действующему законодательству.