УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ МНОГОСЛОЙНЫХ АРМИРОВАННЫХ ИЗДЕЛИЙ ИЗ КОМПОЗИЦИОННОГО МАТЕРИАЛА

Полезная модель относится к устройствам для получения изделий из полимерного материала и может быть использована при изготовлении многослойных армированных изделий сложной формы и объема, таких, например, как лопатка вентилятора, крыло самолета, а также объемные пространственные изделия общего назначения и пр.
Широко известно изготовление слоистых изделий из полимерных материалов способом прессования с помощью пресс-форм, которые по техническим причинам далеко не всегда позволяют получать изделия сложной конфигурации, имеющие внутренние полости, переменные сечения, сложный рельеф поверхности и т.п.
Для того, чтобы изготовить многослойные изделия сложной конфигурации из полимерных, в том числе композиционных армированных материалов, вначале из этих материалов с помощью пресс-форм получают многослойные заготовки, форма которых максимально приближена к форме готового изделия. Так, например, известно устройство для получения многослойной армированной композиционной заготовки, из которой можно изготовить рабочую лопатку вентилятора авиационного двигателя (RU 2419541, публ. 27.05.2011) [1]. Данное устройство содержит две полуформы с рабочими поверхностями, имитирующими или моделирующими внешнюю форму сложного готового изделия. Полуформы имеют геометрические параметры, преимущественно аэродинамически профилированного внутреннего объема. Рабочие поверхности полуформ служат для получения многослойной заготовки путем последовательной выкладки в них монослоев. Каждый монослой раскроен по собственной расчетной форме и выполнен из композиционного материала, содержащего сухую ткань или ленту из стеклянных, органических, углеродных, борных, керамических волокон или препрега. По меньшей мере один из слоев композиционного материала может иметь армирующую составляющую.
Конструкция устройства направлена, в том числе на прецизионно точное расположение слоев в многослойной заготовке, поэтому она фиксирует положение каждого слоя и обеспечивает идентичность выкладки слоев во всех изделиях, в том числе при их промышленном производстве.
Для этого на рабочих поверхностях полуформ выполнены уступы под вкладываемый слой, начиная от уступа под внутренний слой и заканчивая уступом под наружный слой. Высота уступа равна толщине вкладываемого в него монослоя. В некоторых случаях высота уступа может быть равной высоте нескольких монослоев или высоте монослоя другой ткани или ленты, предусмотренной в конструкции лопатки. Целесообразно, чтобы уступы под вкладываемый слой были выполнены фрезерованием.
Каждый из уступов расположен в предназначенном ему месте и имеет геометрическую форму и высоту, идентичную форме и высоте вкладываемого в него слоя. На ограничивающей слой поверхности устройства наносятся риски, по которым должны быть направлены основа ленты или ткани, предусмотренные в конструкции лопатки, а также направление армирующего элемента.
Кроме того, каждая полуформа устройства имеет одинаково расположенные сквозные отверстия. Эти отверстия предназначены для того, чтобы предоставить, при необходимости, возможность прошить выложенные монослои ткани или ленты. Такая необходимость возникает чаще всего для изделий с большим числом (более 100) монослоев или для высоконагруженных изделий, для которых необходимо повысить характеристики межслоевой прочности. По крайней мере, прошивка является одной из технологических операций, обеспечивающих высокую точность выложенного материала в заготовке.
При получении многослойной заготовки предварительно раскроенные с помощью шаблонов слои ленты или ткани последовательно укладывают на отдельные составные части устройства. Монослои, собранные на первой составной части устройства, снимаются и устанавливаются в матрицу пресс-формы. Монослои, собранные на второй составной части устройства, снимаются и устанавливаются сверху установленного в матрице пакета слоев, и закрываются пуансоном пресс-формы. Из полученной в данном устройстве заготовки многослойной композитной армированной заготовки известными способами изготавливают многослойное композитное армированное изделие.
Помимо того, что необходимость применения пресс-форм снижает производительность процесса получения изделий и повышает их стоимость, особенно в условиях единичного и мелкосерийного производства, изготовление многослойной заготовки с помощью данного специального устройства сложной конструкции, обеспечивающего прецизионно точное расположение слоев в заготовке, является причиной для поиска более совершенных устройств, позволяющих непрерывно получать готовые многослойные изделия сложной конфигурации из полимерных, в том числе композиционных армированных материалов.
Такие устройства известны при изготовлении такого рода изделий из порошковых материалов. Так известно устройство для изготовления сложнофасонных трехмерных изделий из порошковых материалов (RU 2025218, публ. 30.12.1994) [2].
Устройство содержит вращающуюся горизонтальную подложку, установленную с возможностью вертикального перемещения, установленное над подложкой средство послойной подачи материала на подложку, выполненное в виде бункера с выходным донным отверстием, и источник концентрированного потока энергии, предназначенный для отверждения и спекания подаваемого на подложку слоя композиционного материала.
Подложку приводят во вращение, одновременно с помощью средства послойной подачи порошкового материала, наносят на подложку слой порошка, который подвергают избирательному спеканию под действием потока энергии с помощью источника концентрированного потока энергии, в частности лазера. Слой подаваемого на подложку порошка формируется в виде кольца, ширина которого зависит от размеров входного отверстия средства послойной подачи порошкового материала. Избирательное спекание осуществляется за счет запрограммированного перемещения потока энергии, что обеспечивает получаемому изделию заданную конфигурацию. Нанесение материала на подложку происходит непрерывно в течение всего технологического цикла изготовления изделия. Непрерывно идет и процесс спекания. При этом по мере подачи и спекания материала, т.е. по мере увеличения высоты получаемого изделия, подложку перемещают вниз, обеспечивая таким объем получаемого изделия заданной конфигурации. В результате данное устройство обеспечивает совмещение во времени операций подачи и спекания материала в процессе изготовления изделия и позволяет без использования пресс-форм непрерывно получать многослойные армированные изделия сложной формы и объема из порошковых материалов.
Задача настоящей полезной модели заключается в разработке конструкции устройства, позволяющего без использования пресс-форм непрерывно получать готовые многослойные армированные изделия сложной формы и объема из композиционного полимерного материала.
Для этого предложено устройство, которое, как и прототип, содержит горизонтальную подложку, установленную с возможностью вертикального перемещения, установленное над подложкой средство послойной подачи материала, формирующее слой заданной конфигурации, соответствующий форме получаемого изделия. Устройство отличается тем, что в качестве средства послойной подачи материала устройство содержит средство послойной подачи гибкой армирующей нити, покрытой отверждаемым органическим связующим, оснащенное устройством для направления нити по заданной траектории посредством исполнительного механизма, при этом устройство содержит средство для отверждения связующего, а также ролик для уплотнения нанесенного слоя нити.
В отличие от прототипа, в котором изготавливаемое изделие получает подачей на подложку порошка из бункера с выходным донным отверстием, при этом каждый слой подаваемого на подложку материала формируется в виде кольца, ширина которого зависит от размеров входного отверстия бункера, а заданную конфигурацию получаемого изделия получают путем избирательного спекания порошкового материала за счет запрограммированного перемещения потока энергии, в заявленном устройстве изделие получают подачей гибкой нити из армирующего материала, покрытой органическим связующим, которое в процессе изготовления изделия отверждают, чем надежно фиксируют нить в требуемом положении, одновременно обеспечивая прочность изготавливаемого изделия. На повышение прочности конечного изделия направлено и использование уплотненного роликом слоя нити, т.к. уплотнение роликом устраняет полости в нанесенном слое и уплотняет получаемый композиционный слой. При этом форму изделия получают посредством исполнительного механизма направляющего устройства, обеспечивающего нити заданную траекторию движения. По мере слоевой подачи нити и полимеризации связующего, т.е. по мере увеличения высоты получаемого изделия, подложку перемещают вниз, обеспечивая таким объем получаемого изделия заданной конфигурации.
Новый технический результат, достигаемый заявленной полезной моделью, заключается в получении готового прочного многослойного армированного изделия сложной формы и объема из композиционного полимерного материала.
Полезная модель иллюстрируется рисунками, где на фиг. 1 изображено заявленное устройство, в котором армирующая нить покрывается отверждающим связующим, подаваемым на подложку и каждый предшествующий слой нити; на фиг. 2 - устройство, в котором армирующая нить покрывается отверждающим связующим, подаваемым в направляющее устройство.
Устройство для получения многослойных армированных изделий из композиционного материала содержит горизонтальную подложку в виде монтажного стола 1, установленного с возможностью вертикального перемещения. Над столом установлено средство послойной подачи гибкой армирующей нити 2, в качестве которой может быть использована прочная нить из натурального или искусственного волокна, стеклонить, углеродная или арамидная нить или нить из любого другого материала, например, тонкая проволока из пластичного металла. Средство послойной подачи содержит катушку 3, на которую намотана нить 2, покрытая отверждаемым связующим, но может быть выполнено иным образом. При этом средство послойной подачи оснащено устройством 4 для направления нити по заданной траектории (направляющее устройство) посредством исполнительного механизма 5. Заявленное устройство содержит ролик 6 для уплотнения нанесенного слоя нити, а также средство для отверждения связующего 7, которым покрыта нить 2.
Органическое связующее, которым покрыта нить 2, отверждают в процессе изготовления изделия, при этом для обеспечения надежности фиксации нити в требуемом положении и повышения прочности изготавливаемого изделия необходимо, чтобы органическое связующее обладало определенной вязкостью, которую можно регулировать введением наполнителя, например аэросила или мелкодисперсного кварца. В качестве средства для отверждения связующего можно использовать источник света, тепла, ультрафиолетового излучения и другие источники концентрированного потока энергии. В этом случае средство для отверждения связующего 7 может быть расположено на одной платформе с исполнительным механизмом, направляющем нить по заданной траектории. В качестве средства для отверждения связующего может использоваться также компаунд, содержащий отверждаемую смолу холодного отверждения, полимеризация которой происходит при комнатной температуре.
При необходимости возможно использование сочетания разных по структуре нитей, например стеклянной и углеродной, или натуральной + стеклянной + углеродной и т.д. Кроме того, можно предусмотреть установку чоппера (не показан), предназначенного для резки армирующей нити, например при резком изменении направления движения направляющего устройства 4, или при нанесении параллельных, перпендикулярных или пересекающихся слоев нити 2 на поверхность стола 1, а также при завершении работы по формированию изделия и т.п.
Для отверждения смолы холодного отверждения, находящейся в компаунде, устройство содержит также емкость для связующего 8 и насос 9 для его подачи в зону направляющего устройства (фиг. 2).
Гибкую нить 2, покрытую органическим связующим, с катушки 3 через направляющее устройство 4 подают на стол 1, к которому ее прижимают роликом 6, что устраняет полости и уплотняет композитный слой. Связующее, покрывающее нить, отверждают направленным на нее химическим, тепловым или ультрафиолетовым воздействием, задавая траекторию движения нити исполнительным механизмом направляющего устройства. Команду на исполнительный механизм направляющего устройства 2 выдает компьютер. После нанесения одного слоя нити 2, стол 1 опускают вниз на расстояние, равное толщине нанесенного слоя, и процесс повторяется до формирования готового изделия полного, заданного компьютером, профиля. Таким образом, заявленное устройство позволяет без использования пресс-форм непрерывно получать прочные готовые многослойные армированные изделия сложной формы и объема из композиционного полимерного материала.