СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ КЛЮШКИ ИЗ ПОЛИМЕРНЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ
METHOD FOR PRODUCING STICK FROM COMPOSITE POLYMERS

Изобретение относится к способу изготовления полых профильных изделий из полимерных композиционных материалов и может найти применение в различных отраслях промышленности, в частности при изготовлении хоккейной клюшки, строительных каркасов.
Известен способ производства труб из ПКМ пултрузией с вертикальной вытяжкой и устройство для его реализации (патент США №3374132, НКИ 156-171, 1968), в соответствии с которым волокнистая основа, расположенная на оправке, пропитывается на нем связующим. Способ предусматривает спиральную обмотку с разным шагом и углом наклона в четырех различных плоскостях сечения по высоте с последующим наложением однонаправленных нитей на поверхности сечения. Весь пакет закрывается по поверхности лентой, подаваемой вдоль оси протяжки, и после дополнительного пропитывающего устройства поступает в формующую фильеру.
Протяжка осуществляется с помощью тянущего устройства, установленного после фильеры, вертикально вниз. Нагрев фильеры осуществляется путем подачи горячей жидкости в каждую половину фильеры.
К недостаткам этого способа и устройства следует отнести их относительную высокую стоимость, необходимость постройки специальных зданий, высокие капитальные затраты при монтаже установки, а также сложность в обслуживании.
Известен способ изготовления профильных изделий из полимерных композиционных материалов, описанный в патенте РФ №2133670, кл. В29С 53/56, заявл. 30.09.1996 г., опубл. 27.07.1999 г.
Ниже приведена формула известного способа. Он заключается в следующем.
1. Известный способ изготовления профильных изделий из полимерных композиционных материалов включает в себя съем армирующего материала со шпулярника, пропитку его в ванне со связующим, отжим, формирование пакета и его отверждение в обогреваемой формующей фильере, отличается тем, что перед входом в обогреваемую формующую фильеру сформированный пакет пропитанного связующим армирующего материала оплетают в непрерывном режиме с введением в зону переплетения пропитанного связующим армирующего материала с нулевым углом наклона.
2. Способ по п. 1, отличается тем, что формирование пакета осуществляют многостадийно с последовательным нанесением слоев армирующего материала, при этом оплеточные слои второго и каждого последующего слоя армирующего материала накладывают на частично отвержденную поверхность заготовки, полученной на предыдущей стадии.
3. Способ по п. 1, отличается тем, что при формовании полых изделий на начальной стадии формования пакета внутрь него вводят неподвижный дорн.
4. Способ по п. 1, отличается тем, что при формовании полых изделий на начальной стадии внутрь пакета вводят предварительно отформованную трубу, при этом непрерывность процесса осуществляют путем подачи в зону плетения очередной идентичной трубы, соединенной с предыдущей встык.
5. Способ по пп. 1-4, отличается тем, что оплетенный армирующим материалом пакет пропитывают в обогреваемом роликовом пропиточном устройстве при температуре не ниже 30°С.
6. Способ по п. 4, отличается тем, что вводимая внутрь пакета труба формуется в одно время с остальными операциями, располагается соосно с остальной линией и находится в начале линии формирования.
Известный способ непригоден для изготовления профильных многогранных изделий с минимально возможной разнотолщинностью стенок из-за использования при его осуществлении дорна, который консольно, не жестко установлен в формующей фильере.
К недостаткам этого способа следует отнести также невозможность его применения для изготовления тонкостенных профильных изделий типа трубы хоккейной клюшки, работающих в сложнонапряженных условиях, когда должно выполняться условие соответствия веса изделия и прочности его на изгиб и кручение. Это обусловлено тем, что способ предполагает обязательное выполнение первого армирующего слоя именно однонаправленным. Кроме того, такой порядок нанесения армирующих слоев по известному способу предполагает нарушение целостности структуры армирования (растрескивание) при снятии изделия с дорна, т.к. процесс полимеризации к этому моменту еще не закончен. Таким образом, изготавливаемые способом по прототипу изделия имеют ограничения по диапазону применения и низкие эксплуатационные свойства, а сам способ имеет ограниченные эксплуатационные возможности.
Известен способ изготовления клюшки, представленный в патенте РФ №2345889, кл. В29С 53/56, заявл. 04.07.2007 г., опубл. 10.02.2009 г. и выбранный в качестве прототипа.
Известный способ изготовления клюшки из полимерных композиционных материалов включает формирование пакета путем непрерывной послойной укладки армирующего волокнистого материала, пропитанного связующим, с чередованием поперечных и продольных слоев, пропускание пакета через формующую фильеру, полимеризацию и отличается тем, что перед формированием пакета осуществляют укладку внутренней пленки и первого поперечного слоя на непрерывно движущиеся оправки, раскладку каждого продольного слоя ведут посредством пластины с фильерными отверстиями, размещенными с обеспечением образования граней на изделии в зависимости от конфигурации его поперечного сечения, при пропускании пакета через формующую фильеру к нему прикладывают усилие подпрессовки, при этом материал изделия подвергают полимеризации в один прием после укладки верхнего слоя.
Таким образом, можно подытожить следующее. Пакет формируют путем непрерывной послойной укладки на непрерывно движущиеся оправки чередующихся по расположению в них продольных и поперечных слоев волокон, заготовку формуют в процессе раскладки слоев с помощью фильеры с обеспечением образования граней на изделии в зависимости от конфигурации его поперечного сечения, прикладывая к ней усилие подпрессовки и подвергая изделие полимеризации в один прием.
При этом формирование пакета осуществляют многостадийно, исходя из необходимой толщины изделия.
Кроме того, после пропускания через формующую фильеру осуществляют обмотку пакета лентой.
При этом перед полимеризацией осуществляют укладку наружной пленки.
Недостатком известного способа является некоторая сложность технологии, обусловленная тем, что при формовании заготовки из пакета каждый продольный слой необходимо раскладывать с помощью пластины с фильерными отверстиями, которые должны быть размещены так, чтобы обеспечивать образование граней на изделии в зависимости от конфигурации его поперечного сечения.
Задачей является упрощение способа при обеспечении высокого качества получаемых изделий.
Поставленная задача решается тем, что в способе изготовления клюшки из углеродных композиционных материалов, заключающемся в том, что формируют пакет путем послойной укладки пропитанного связующим армирующего волокнистого материала с чередованием слоев с разным углом расположения в них волокон, далее формуют из пакета заготовку на оправке с помощью формующего устройства с укладкой в заготовку внутренней пленки и затем производят полимеризацию этой заготовки с применением усилия подпрессовки, согласно изобретению для изготовления клюшки в качестве исходного углеродного композиционного материала используют листы препрега, которые вначале раскраивают на элементы хоккейной клюшки в виде рукоятей и крюков, далее осуществляют отдельно формирование пакета для рукоятей путем послойной укладки нарезанных заготовок на повторяющую внутреннюю полость изделия неподвижную оправку с чередованием листов с расположением в них волокон под углами 0°, 30°, 45° и 90° и отдельно формирование пакета для крюков путем послойной укладки на пену заготовок крюков также с чередованием листов препрега с указанными углами укладки в них волокнистого материала, затем соединяют заготовки крюков и рукоятей в заготовки клюшек, удаляя из рукоятей оправки, при этом в освободившуюся полость в заготовке рукояти размещают нейлоновый пакет, помещают заготовки клюшек в пресс-формы и производят их полимеризацию посредством прямого прессования путем нагрева пресс-формы на полуавтоматическом прессе для термофиксации при температуре 150±5°С в течение 30±10 минут и подачи для формирования в изделии внутренней полости в нейлоновый пакет давления 10-12 атм с последующим охлаждением до температуры 70±5°С в течение 10±2 минуты сформованных клюшек, которые далее извлекают и подвергают их внешней отделке.
Использование для изготовления клюшек в качестве исходного материала листов препрега с предварительным разрезанием их на заготовки элементов клюшек в виде рукоятей и крюков в совокупности с последующим формированием отдельно пакета для рукоятей путем послойной укладки нарезанных заготовок на повторяющую внутреннюю полость изделия неподвижную оправку с чередованием листов с расположением в них волокон под углами 0°, 30°, 45° и 90° и отдельно пакета для крюков путем послойной укладки на пену заготовок крюков также с чередованием листов препрега с указанными углами укладки в них волокнистого материала, соединением заготовок крюков и рукоятей в заготовки клюшек и полимеризацией заготовок клюшек методом прямого прессования при указанных выше параметрах позволяет более просто и четко задать форму будущей клюшки и дает возможность получить ее высокое качество за счет использования укладки в пакет слоев с большим различием углов расположения в них волокон, обеспечивая такие физико-механические свойства как прочность и изгибаемость.
Технический результат - более простая технология изготовления хоккейных клюшек за счет использования листов препрега и их предварительного раскроя на элементы клюшек при обеспечении их высокого качества за счет формирования отдельных пакетов для рукоятей и крюков, выложенных соответственно на неподвижную оправку и пену с чередованием листов с разным расположением в них волокнистого материала, соединения заготовок элементов в клюшки и полимеризации клюшек при указанных параметрах, повышающих в совокупности их прочность и изгибаемость.
Заявляемый способ обладает новизной в сравнении с прототипом, отличаясь от него такими существенными признаками, как использование для изготовления клюшки в качестве исходного углеродного композиционного материала листов препрега, которые вначале раскраивают на элементы хоккейной клюшки в виде рукоятей и крюков, выполнение формирования отдельно пакета для рукоятей путем послойной укладки нарезанных заготовок на повторяющую внутреннюю полость изделия неподвижную оправку с чередованием листов с расположением в них волокон под углами 0°, 30°, 45° и 90° и отдельно - пакета для крюков путем послойной укладки на пену заготовок крюков также с чередованием листов препрега с указанными углами укладки в них волокнистого материала, соединение заготовок крюков и рукоятей в заготовки клюшек с удалением из рукоятей оправок, размещение при этом в освободившейся полости в заготовках рукояти нейлонового пакета, размещение заготовок клюшек в пресс-формы и осуществление их полимеризации посредством прямого прессования путем нагрева пресс-формы на полуавтоматическом прессе для термофиксации при температуре 150±5°С в течение 30±10 минут и подачи для формирования в изделии внутренней полости в нейлоновый пакет давления 10-12 атм с последующим охлаждением до температуры 70±5°С в течение 10±2 минуты сформованных клюшек, извлечение их из пресс-форм и выполнение внешней отделки клюшек, обеспечивающими в совокупности достижение заданного результата.
Заявителю неизвестны технические решения, обладающие указанными выше отличительными признаками, которые обеспечивали бы в совокупности достижение указанного результата, поэтому он считает, что заявляемый способ соответствует критерию «изобретательский уровень».
Заявляемый способ может найти широкое применение в производстве такого спортивного инвентаря, как хоккейные клюшки, а потому соответствует критерию «промышленная применимость».
Заявляемый способ заключается в следующем.
Берут листы препрега, изготовленные из пропитанного связующим углеродного волокна, и раскраивают их на заготовки элементов клюшки в виде рукоятей и крючков. Далее осуществляют отдельно формирование пакета для рукоятей путем послойной укладки нарезанных заготовок на повторяющую внутреннюю полость изделия неподвижную оправку с чередованием листов с расположением в них волокон под углами 0°, 30°, 45° и 90° и отдельно формирование пакета для крюков путем послойной укладки на пену заготовок крюков также с указанным чередованием листов препрега с разными углами укладки в них волокнистого материала. Затем соединяют крюки и рукояти в клюшки, удаляя из рукоятей оправки, при этом в освободившуюся полость в заготовке рукояти помещают нейлоновый пакет. Помещают заготовки клюшек в пресс-формы и производят их полимеризацию посредством прямого прессования путем нагрева пресс-форм на полуавтоматическом прессе для термофиксации при температуре 150±5°С в течение 30±10 минут и подачи для формирования в изделии внутренней полости в нейлоновый пакет давления 10-12 атм с последующим охлаждением до температуры 70±5°С в течение 10±2 минуты сформованных клюшек. Затем извлекают сформованные клюшки из пресс-форм и подвергают их внешней отделке.
На практике изготовление клюшки осуществляется нижеописанным образом и включает в себя следующие этапы.
1. Раскрой препрега на заготовки
Берут стандартные листы препрега и разрезают на необходимые заготовки при помощи гильотины, представляющей собой огромный косой нож, движущийся между вертикальными направляющими и при помощи штамповочного пресса, основанный на деформации листов препрега с помощью механического воздействия по заданным шаблонам (штамповочные ножи). Полученные заготовки подвергают контролю путем взвешивания на весах.
2. Формирование заготовки хоккейной клюшки
Формируют заготовки хоккейной клюшки из полученных предварительно нарезанных заготовок из препрега для элементов хоккейной клюшки в виде крюков и рукоятей путем послойной выкладки порядка 11 слоев нарезанных заготовок препрега для рукояти на неподвижную оправку, повторяющую внутреннюю полость изделия и послойной выкладки порядка 16 слоев нарезанных заготовок на пену для крюков. При этом при послойной выкладке слоев заготовок чередуют листы препрега с разным углом расположения в них волокнистого материала (углы составляют 0°, 30°, 45°, 90°), что обеспечивает в дальнейшем большие прочность и изгибаемость клюшки.
Затем осуществляют соединение рукоятей с крюками с образование заготовок клюшек. При этом из рукоятей удаляют оправки и в образовавшуюся полость вводят нейлоновый пакет.
3. Полимеризация заготовок клюшки
Для окончательного формования изделия в виде хоккейной клюшки производят полимеризацию заготовок клюшек посредством метода прямого прессования путем нагрева заготовок в пресс-формах на полуавтоматическом прессе для термофиксации при температуре Т=150±5°С в течение 30±10 минут с подачей давления Р=10-12 атм в нейлоновый пакет для образования в ней внутренней полости и с последующим охлаждением сформованной клюшки при температуре Т=70±5°С в течение 10±2 минуты.
4. Внешняя отделка хоккейной клюшки
Она включает в себя многократную механическую обработку в виде шлифования, обезжиривания, шпатлевки, грунтовки, сушки и покрытие лаком хоккейной клюшки.
Вначале производят вручную шлифование клюшки с использованием абразивной бумаги Р100, затем подвергают изделие шпатлевке и сушке в сушильной камере при температуре Т=75±5°С в течение 15 минут. Затем снова выполняют шлифование вручную с использованием абразивной бумаги Р120. Далее изделие подвергают обезжириванию растворителем, грунтовке и сушке при температуре Т=75±5°С в течение 2-3 часов. Выполняют следующее шлифование с использованием абразивной бумаги Р180, повторное шпатлевание и шлифование при необходимости, обезжиривание, грунтовку и сушку при температуре 75±5°С в течение 2-3 часов. Затем снова производят шлифование с использованием абразивной бумаги Р240, грунтовку, сушку при температуре Т=75±5°С 2-3 часа. Далее клюшку шлифуют с использованием абразивной бумаги Р320, обезжиривают, лакируют и снова сушат при температуре 60±5°С в течение 10 минут. Наносят на изделие наклейку, выдерживают при температуре 28±2°С в течение 3-4 часов. Затем производят шлифование с использованием абразивной бумаги Р600, обезжиривают, лакируют, сушат при температуре 75±5°С в течение 2 часов, снова выполняют шлифование с использованием абразивной бумаги Р800, обезжиривание, лакировку, сушку при температуре 75±5°С в течение 2 часов, лакировку и сушку при температуре 75±5°С в течение 2 часов.
5. Тестирование и упаковка
Проводят контрольные испытания готовой клюшки на изгиб и прочность с использованием лабораторного оборудования (тестирующие установки), затем в рукоять устанавливают заглушку. Далее на изделие наносят штрихкод и упаковывают в полиэтиленовый пакет.
В сравнении с прототипом заявляемый способ изготовления клюшки является более простым и позволяет получить клюшку высокого качества.