Уплотняющий механизм для автоматизированной выкладки ленты из углеродного волокна

Полезная модель относится к области автоматизированной выкладки полимерных композиционных материалов.
Процесс производства волокнистых композитов требуют нанесения последовательных слоев волокнистого армирующего материала на изделие в процессе укладки. Матричный материал обычно предварительно наносится на волокнистый армирующий материал (предварительно пропитанный или «препрег») перед укладкой компонента. Уплотнение и уменьшение объема волокнистых структур производят уплотняющими механизмами. Чаще всего уплотняющий механизм выполняют в виде цилиндрических роликов.
Уплотняющий механизм для автоматизированной выкладки ленты из углеродного волокна предназначен для: уплотнения материала при выкладке лент шириной от 0,1 мм до 6,35 мм из полимерных композитных материалов, по криволинейной траектории без образования волн, скручивания и разрывов ленты; для автоматической выкладки ленты препрега (чаще всего на основе термопластичного материала) на формообразующую оснастку в виде нескольких узких лент; для изготовления деталей криволинейной геометрии в аэрокосмической и других отраслях промышленности.
Известно оборудование для укладки композиционного материала (патент US2020215766(A1), Composite material lay-up equipment, опубликован 09.07.2020). Оборудование включает опорную головку, режущий механизм, переносимый опорной головкой, для разрезания множества отдельных отрезков удлиненного волокна армирующего материала.
Недостатком данного технического решения является невозможность выкладки ленты из углеродного волокна по криволинейной траектории с определенным радиусом без скручивания, образования волн и разрывов.
Известно устройство, в котором головка для уплотнения/прессования углеродного волокна выполнена в виде сегментного уплотняющего валика. Устройство содержит систему перемещения головки для уплотнения (патент US2014083620(A1), Fiber application head including a segmented compaction roller, опубликован 27.03.2014). Устройство оснащено уплотняющим валиком, прижимающим волокнистую ленту к поверхности, который содержит несколько независимых сегментов, установленных рядом друг с другом на осевом стержне, причем каждый сегмент выполнен с возможностью независимого перемещения, перпендикулярно осевому стержню, и упруго прижат к уплотняемой поверхности. Каждый сегмент имеет трубчатую центральную часть, установленную на осевом стержне, и трубчатую периферийную часть, имеющую цилиндрическую внешнюю поверхность, и одну или несколько изогнутых пружинных пластин.
К недостаткам этого устройства относится склонность к скоплению смолы между сегментами, в результате чего оказывается трудно обеспечить ровную поверхность уплотнения и невозможность выкладки ленты углеволокна по криволинейной траектории с небольшим радиусом.
Известно роликовое устройство для использования в автоматизированном процессе выкладки углеродного волокна (патент CN110065244B, Roller device for use in an automated fiber placement process, опубликован 20.09.2022). Устройство состоит из спиральной пружины, представляющей собой гибкий вал, а на валу пружины установлена крышка ролика. Механизм натяжения проходит вдоль центральной оси пружинного вала и имеет возможность регулирования степени изгиба пружинного вала.
Основным недостатком данного технического решения является невозможность криволинейной выкладки углеродного волокна, а только прямолинейная выкладка на плоскую поверхность.
Известна машина для укладки волокна с узлом прижима для нее и способ укладки и уплотнения жгутов волокна (патент US4869774, Fibre laying machine, presser assembly therefor, and method of laying and compacting fibre tows, опубликован 26.09.1989). На машине установлена головка для укладки жгутов волокон, имеющая сегментированный прижимной узел, приспосабливающийся к отклонениям контура на поверхности укладки.
Основным недостатком является невозможность криволинейной выкладки углеродного волокна, а только прямолинейная выкладка на плоскую поверхность.
Известен ролик для автоматизированной укладки волокна (патент US2022126531, AUTOMATED FIBER PLACEMENT ROLLER, опубликован 28.04.2022), принятый за прототип. Ролик для автоматизированной укладки волокна выполнен в форме полого цилиндра и включает в себя гибкий металлический ободок, расположенный вокруг центральной оси и имеющий внутреннюю сторону и внешнюю сторону. Центральная ось расположена ближе к внутренней стороне, чем к внешней стороне, и внутренняя сторона образует множество канавок, обеспечивающих упругую деформацию металлического элемента обода в ответ на силу, приложенную к внешней стороне. Ролик также включает элемент ступицы, расположенный концентрично гибкому ободу на центральной оси. Элемент ступицы образует отверстие для приема вала автоматической машины для укладки волокна. Ролик дополнительно включает в себя множество изогнутых соединительных элементов, проходящих между элементом ступицы и гибким элементом обода. Каждый из изогнутых соединительных элементов упруго деформируется, чтобы компенсировать деформацию гибкого элемента обода.
Основным недостатком является невозможность криволинейной выкладки углеродного волокна, а только прямолинейная выкладка на плоскую поверхность.
Задачей, на решение которой направлена заявляемая полезная модель, является возможность осуществления криволинейной выкладки углеволокна.
Уплотняющий механизм для автоматизированной выкладки ленты из углеродного волокна, выполненный в виде тела вращения, оказывающего давление на армирующий материал, согласно полезной модели, содержит уплотнительный и вспомогательный шарики, установленные в фиксирующем кольце цилиндрического корпуса вдоль их общей оси, причем вспомогательный шарик контактирует с прижимной площадкой для передачи давления через пружину, шток и призму от регулировочного винта к уплотнительному шарику, при этом призма и регулировочный винт расположены в ортогональном отверстии корпуса.
Техническим результатом, обеспечиваемым приведенной совокупностью признаков, является возможность осуществления криволинейной выкладки углеволокна за счет малого пятна контакта между уплотнительным шариком и оснасткой, что в конечном счете позволит повысить качество изделия с углеродной структурой.
Сущность полезной модели поясняется чертежами: на фиг. 1 изображен вид в разрезе уплотняющего механизма, на фиг. 2 изометрическая проекция.
Уплотняющий механизм для выкладки углеволокна содержит цилиндрический корпус 1, с фиксирующим кольцом 2, соосно посаженным на резьбу в центральное отверстие корпуса. В отверстии фиксирующего кольца 2 установлены уплотняющий 3 и вспомогательный 4 шарики, которые имеют возможность вращения, преодолевая силу трения качения. Два шарика используются для того, чтобы уменьшить пятно контакта между шариками и тем самым уменьшить силу трения качения между ними, что в свою очередь приведёт к меньшему износу уплотняющего шарика 3 во время работы. Вспомогательный шарик 4 контактирует с прижимной опорой 5, через которую на шарики 3, 4 передается давление с заданным усилием через цилиндрическую пружину 6, шток 7, призму 8 от регулировочного винта 9, образующих механизм передачи давления. Призма 8 и регулировочный винт 9 размещены в отверстии, выполненном в корпусе 1 ортогонально осевому отверстию. Для присоединения к оборудованию для выкладки уплотняющий механизм снабжен переходным фланцем 11, имеющим паз, и стыковочным фланцем 10 с ответным выступом.
Шарики изготовлены из упругого полимерного материала - полиуретана.
Уплотняющий механизм для автоматизированной выкладки ленты из углеродного волокна работает следующим образом.
Уплотняющий механизм, заранее закрепленный на оборудование для автоматизированной выкладки углеродного волокна, размещают на поверхности оснастки. Уплотняющий механизм, совершает движения по заданной криволинейной траектории определенного радиуса с помощью оборудования для автоматизированной выкладки углеродного волокна. Уплотняющий шарик 3 и вспомогательный шарик 4, преодолевая силу трения качения, вращаются. Вращение шариков по криволинейной траектории возможно за счет пятна контакта малой площади между ними и оснасткой. Данный факт позволяет выкладывать углеродное волокно по криволинейной траектории различного радиуса. Шарики в процессе движения оказывают на материал прижимное действие, тем самым уплотняя его к поверхности выкладки. Величина уплотнения зависит от жесткости пружины, поэтому перед началом работы требуется регулировка жесткости пружины, чтобы увеличить силу прижима на уплотняющем механизме. Для этого регулировочный винт 9 подкручивают с помощью инструмента вручную. При регулировке положения штока относительно прижимной площадки, используется принцип работы клина. Регулировочный винт 9, упирающийся в призму 8, оказывает толкающее воздействие на призму, что позволяет оказывать скользящее воздействие на шток 7, изменяя расстояние по центральной оси корпуса между штоком и прижимной опорой 5 вспомогательного шарика, что в свою очередь позволяет менять жесткость пружины. Так система регулировки усилия прижима уплотняющего механизма воздействует на шарики, которые в свою очередь начинают оказывать большее или меньшее усилие на уплотняемый материал.
В результате использования предлагаемого уплотняющего устройства для выкладки углеродного волокна осуществляется возможность выкладки ленты углеволокна по криволинейной схеме, что повышает качество изготавливаемых из углеродного волокна деталей.