УЧЕБНО-ДЕМОНСТРАЦИОННЫЙ КОМПЛЕКС

Область техники, к которой относится полезная модель
Полезная модель относится к учебной демонстрационной технике в области технологий производства изделий из композиционных материалов.
Уровень техники
Из уровня техники известно решение, представляющее собой комплекс оборудования близкого назначения «Набор Юного композитчика», созданный для создания для облегчения работы учащихся по технологиям композитов специального профессионального образования и центров молодежного инновационного творчества. Это набор столов, тумб, ручного и электроинструмента и оборудования для обучения изготовлению деталей из полимерных композиционных материалов. Предполагается использование стандартных расходных материалов (вакуумные пленки, герметизирующие жгуты, и т.д.).
Решение по патенту 171834 «Оснастка для получения конструкций из полимерных материалов вакуумной инфузией». Полезная модель относится к области изготовления изделий из полимерных сухих композитов путем формования полуфабриката, полученного методом направленной вакуумной инфузии на оснастке при температуре окружающей среды, в частности к производству крупногабаритных изделий и изделий сложной пространственной конфигурации, а именно к конструкциям оснасток для инфузии и формования композита. Полезной моделью явилась оснастка для получения конструкций из полимерных композиционных материалов методом вакуумной инфузии , содержащая рабочую поверхность, выполненную в виде перфорированного закрывающего листа с размещенными на нем планками наружных вакуумных каналов и закрепленного на опорном элементе с образованием сетки внутренних вакуумных каналов и каналов отвода воздуха к штуцерам системы вакуумирования. При этом оснастка не подразумевает использования в учебно-демонстрационных целях.
Ближайшим к заявляемой полезной модели является решение по патенту 130113 «Мобильный учебный демонстрационный комплекс». Мобильный учебный и демонстрационный комплекс, содержащий транспортное средство и оборудование для обеспечения процесса обучения, в качестве транспортного средства использован железнодорожный вагон, в котором в качестве оборудования для процесса обучения размещен тренажер машиниста тягового подвижного состава, при этом указанный тренажер размещен со смещением по отношению к центральной продольной оси вагона с возможностью образования прохода и размещения зрительской аудитории, отличающийся тем, что в салоне вагона установлен дисплей для просмотра на нем изображения поездной ситуации, графического изображения работы пневматических и электрических схем тягового подвижного состава, характеристик продольной динамики поезда, распределение давления в тормозной магистрали и в тормозных цилиндрах, а также сил на автосцепках по длине поезда, макет кабины тягового подвижного состава снабжен звуковыми колонками акустической системы, а в состав рабочего места машиниста входит дополнительная ЖК-панель, на которой отображается поездная обстановка, соответствующая виду из бокового окна кабины машиниста. Назначение использования данных полезных моделей совпадают, но области их применения абсолютно различны.
Настоящая полезная модель направлена на решение проблем уровня техники в области композиционных материалов.
Раскрытие полезной модели
Техническим результатом заявленной полезной модели является оптимизация образовательного процесса.
Технический результат достигается за счет использования специализированного комплекса, смонтированного в единый блок, удобный для транспортировки, быстрой пусконаладки и демонстрации всего процесса в одной зоне помещения, позволяющего проводить как числовые, так и физические эксперименты в обучающих целях.
Настоящая полезная модель представляет собой устройство, представляющее собой учебно-демонстрационный стенд для изготовления демонстрационных изделий из полимерного композиционного материала методами вакуумной инфузии или вакуумного прессования изделий из полимерного композиционного материала. На Фиг. 1 представлен общий вид устройства, на Фиг. 2 представлен вид устройства сбоку. Стенд состоит из стола (1), выполненного из износоустойчивого материала с возможностью обеспечить антиадгезионные мероприятия по отношению к используемому связующему, выполняющий роль формообразующей оснастки композиционного изделия; многоразовой мембраны (2), выполненной из полупрозрачной силиконовой резины с высокой степенью удлинения, закрепленной на жесткой рамке с прижимами (3), выполняющей функцию вакуумного мешка; емкости предварительной дегазации и подачи (4), предназначенной для подготовки связующего к процессам вакуумной инфузии или ручной пропитки; нагревательной системы с системой управления (5) расположенной в столе под мембраной, предназначенной для поддержания заданного температурного режима технологической оснастки и расположенного на ней полуфабриката композиционного изделия в процессе проведения технологического процесса; вакуумного насоса (6), предназначенного для откачки воздуха и излишков связующего из закрытого объема технологической оснастки; вакуумной ловушки (7), предназначенной для защиты насоса от попадания в него излишков связующего, возникающих в вакуумной магистрали в ходе проведения технологического процесса; рамы с колесными опорами (8), предназначенной для монтажа и транспортировки установленного оборудования. На столе расположены вакумметр (9), кран сброса вакуума (10), регулятор управления нагревом стола (11), кнопки включения нагрева (12). Существует возможность установки фильтра, предназначенного для снижения концентрации вредных веществ в воздухе, а также в столе есть электронное устройство с возможностью загрузки в него сопутствующего программного обеспечения для осуществления изготовления демонстрационных изделий. Все элементы стенда находятся в конструктивной связи и являются единым блоком, при этом компоновка позволяет осуществлять визуальный контроль процесса пропитки с помощью прямого наблюдения или установленных систем видеонаблюдения.
Осуществление полезной модели
Учебно-демонстрационный комплекс, представляющий собой устройство для проведения демонстрационных численных и физических экспериментов процесса вакуумной инфузии или вакуумного прессования изделий из полимерного композиционного материала, включающий в себя учебно-демонстрационный стенд для проведения процессов изготовления демонстрационных изделий из полимерного композиционного материала методами вакуумной инфузии или вакуумного прессования, с многоразовым вакуумным мешком, а также, включающий сопутствующее программное обеспечение для численного моделирования технологических процессов.
Стенд учебно-демонстрационного комплекса предназначен для проведения физических экспериментов с возможностью изменения отдельных технологических показателей и визуального наблюдения за возникающих при этом изменениях в ходе протекания технологических процессов. Стенд обеспечивает оптимизацию образовательного процесса за счет применения максимально адаптированного оборудования, закрепленного в единый мобильный блок и удобного для визуального наблюдения, применения единой системы электропитания, максимальной оптимизации времени проведения отдельных этапов техпроцесса и сокращения переходных этапов между ними.
Разрабатываемый стенд и его компоненты обладают следующими техническими характеристиками:
1. Габариты (Д×Ш×В) стенда в транспортном положении составляют не более 2000×1500×1800 мм.
2. Масса стенда в сборе составляет не более 300 кг.
3. Габариты рабочей зоны стола составляют не менее 600×300 мм.
4. Материал стола обеспечивает не менее 500 циклов использования при соблюдении рекомендаций по нанесению антиадгезионного покрытия и выполнению мероприятий по очистке после проведения технологического процесса.
5. Мембрана предусматривает установку на рабочую зону стола дополнительной формообразующей оснастки высотой не менее 50 мм.
6. Материал мембраны имеет удлинение до разрыва не менее 500%, длительную термостойкость с сохранением механической прочности на уровне 75% от нормальной при температуре до 120°С.
7. Установленные прижимы на рамке мембраны обеспечивают надежное вакуумирование замкнутой рабочей зоны.
8. Система дозировки и смешивания имеет рабочий объем не менее 1 л, обеспечивает точность дозировки компонентов связующего не менее ±5 г/кг.
9. Объем камеры дегазации составляет не менее 5 л.
10. Камера дегазации снабжена смотровым окном с возможностью установки внутренней подсветки, обеспечивающим удобство визуального наблюдения за процессом предварительной дегазации связующего.
11. Производительность вакуумного насоса составляет не менее 4 л/с.
12. Стенд снабжен необходимым количеством вакуумметров с возможностью визуального контроля уровня вакуума в процессе эксплуатации.
13. Нагревательная система стенда обеспечивает местный нагрев стола до заданной температуры в диапазоне от температуры окружающей среды до 100°С.
14. Нагревательная система снабжена системой автоматического управления, обеспечивающей поддержание заданного теплового режима стола с точностью поддержания температуры ±2°С.
15. Электрическая мощность нагревательной системы составляет от 1 до 5 кВт.
16. Компоновка стенда обеспечивает визуальный контроль процесса пропитки с помощью прямого наблюдения или установленных систем видеонаблюдения.
17. При необходимости стенд предусматривает установку дополнительного местного освещения.
18. Установленные колесные опоры имеют запас по грузоподъемности не менее 2-кратного.
19. Установленные колесные опоры имеют тормоз-фиксатор.
20. Стенд адаптирован для перевозки по ровному полу на установленных колесных опорах, для перевозки на дальние расстояния с помощью автомобилей грузоподъемностью до 800 кг, для подъема с помощью крана-манипулятора.
21. Установленное оборудование, визуальный контроль которого не важен для процесса обучения, закрыто быстросъемными панелями, обеспечивающими его защиту от бытовых загрязнений.
22. Электрооборудование, смонтированное на стенде, подключается к внешней сети электропитания через общий разъем электропитания.
23. Стенд включается в бытовую электросеть переменного тока напряжением 220 В.
24. Стенд снабжен устройством защиты от поражения электрическим током и короткого замыкания.
25. Металлические части стенда выполнены из материалов, не подверженных коррозии, либо защищены от нее с помощью нанесения гальванического или лакокрасочного покрытия.
26. Покраска частей стенда произведена в единой эстетически оправданной цветовой гамме, за исключением покупных элементов конструкции.
27. Стенд эксплуатируется в закрытых помещениях при температуре от 18°С до 28°С. При эксплуатации на открытых площадках обеспечиваются мероприятия по оперативной защите стенда от воздействия атмосферных осадков.
Программное обеспечение (ПО) учебно-демонстрационного комплекса предназначено для числового моделирования процесса пропитки армирующего наполнителя базовыми связующими. Для задания входных технологических параметров применяемых материалов ПО снабжено базой данных свойств материалов, которая содержит необходимые свойства наиболее часто употребляемых материалов (различных типов связующих и армирующих наполнителей). Характеристики материалов из базы данных верифицированы в ходе практической реализации учебно-демонстрационного комплекса при проведении натурных экспериментов на стенде, численных экспериментов в среде разрабатываемого ПО, сравнении результатов и коррекции алгоритмов и инженерных констант, определяющих ход численного моделирования.
ПО позволяет:
моделировать процесс пропитки армирующего материала связующим;
визуализировать процесс пропитки армирующего материала связующим посредством изображения фронта протекания;
указывать точки входа и выхода связующего;
находить возможные проблемные области пропитки, в которых возможно образование пузырей, полостей, непропитанных зон;
иметь возможность учитывать изменение внешних факторов, таких, как температура, влажность, изменение атмосферного давления и т.д.
Характеристики Базы данных, включенной в состав разрабатываемого ПО:
База данных технологических характеристик охватывает наиболее часто применяемые компоненты композитных материалов, такие как ткани различной толщины и различного типа плетения на основе углеродного, базальтового и стекловолокна, а также связующие для процессов вакуумной инфузии;
характер информации, содержащейся в базе данных, позволяет проводить достоверные расчеты пропитки для входящих в нее материалов без дополнительного ввода их технологических характеристик;
средства работы с информацией базы данных, реализованные в ПО, позволяют коррекцию имеющейся в ней информации и добавление новой.
ПО позволяет моделировать один технологический процесс в течение 30 минут с предъявлением результата моделирования при средней скорости работы оператора.
Данный учебно-демонстрационный комплекс используется школьниками старших классов с базовыми знаниями владения компьютером и технологиями изготовления изделий из полимерных композиционных материалов. В связи с этим интерфейс и логика работы ПО упрощены для лучшего освоения целевой аудитории.
Стенд может использоваться при выполнении конкретных заданий в процессе обучения школьниками. При этом школьник получает задание, задает параметры и температуру, необходимую при работе с материалом, и затем выполняет процессы в соответствии с заданием, что позволяет изучить их в наиболее оптимальном виде, используя один стенд.