УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ АРМИРОВАННЫХ ИЗДЕЛИЙ ИЗ ПОЛИМЕРНЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

Полезная модель относится к устройствам для непрерывного изготовления армированных изделий из полимерных композиционных материалов методом пултрузии, и может быть использована для получения крупногабаритных длинномерных изделий круглого сплошного сечения для машиностроительной, авиационной, судостроительной, нефтегазовой и строительной промышленности.
Из уровня техники известна технологическая линия для изготовления композитной арматуры, содержащая шпулярник с бобинами ровингов, выравнивающее устройство, камеру отжига, пропиточную ванну с натяжным устройством, отжимное устройство, формовочный узел, устройство спиральной намотки, полимеризационные камеры, тянущее устройство, узлы резки и сматывания. Формовочный узел выполнен из двух частей. Первая часть представляет собой матрицу со щелевым каналом, толщина которого меньше диаметра арматуры (d) и равна (0,7-0,1)d, а ширина равна (2-10)d. Вторая часть установлена перед зоной спиральной намотки и представляет собой матрицу с круглым каналом, диаметр которого равен (1,2-1,5)d. Технологическая линия снабжена двумя устройствами спиральной намотки, размещенными последовательно, а также устройствами для предотвращения скрутки волокон и распределения полимерного связующего по длине арматуры (Патент РФ №2384408, B29C 39/00, E04C 5/07, 2008 г.).
Достигаемый устройством технический результат заключается в повышении производительности технологической линии и возможности выпуска композитной арматуры с повышенными потребительскими свойствами.
К недостаткам известного устройства, следует отнести его невысокие технологические возможности. Технологическая линия предназначена для получения оребренной арматуры из ПКМ, и не позволяет получать крупногабаритные армированные изделия из полимерных композиционных материалов.
Наиболее близким решением из уровня техники по технической сути является технологический комплекс для непрерывного изготовления длинномерных сложноармированных изделий из полимерных композиционных материалов, организованный из пространственно расположенных и взаимосвязанных соответственно друг с другом систем: системы подачи волокна, системы пропитки волокон, преформовочного устройства, формующих матриц, устройства намотки наружного слоя, термокамеры, отрезного устройства и тянущего устройства, который дополнительно содержит тянущее средство и вертлюг. Тянущее средство расположено между термокамерой и отрезным устройством, а вертлюг установлен внутри устройства намотки наружного слоя, с возможностью посредством заданной программы осуществлять намотку наружных слоев на заготовку по спирально-винтовой и/или перекрестно-винтовой схеме армирования. (Патент РФ №108338, B29C 70/30, B29C 63/04, 2011 г.).
Достигаемый устройством технический результат заключается в обеспечении изготовления длинномерных сложноармированных изделий из полимерных композиционных материалов с высокими прочностными характеристиками.
К недостаткам известного из уровня техники устройства, следует отнести его низкую производительность, обусловленную раздельным формированием и отверждением слоев изделия. Технологический комплекс предназначен для получения сложноармированных изделий, и не позволяет получать крупногабаритные изделия из полимерных композиционных материалов.
Техническим результатом заявленной полезной модели является - обеспечение возможности изготовления крупногабаритных изделий из полимерных композиционных материалов.
Для достижения технического результата устройство для изготовления армированных изделий из полимерных композиционных материалов, программно организованное из пространственно расположенных и взаимосвязанных друг с другом, системы подачи волокна, системы пропитки волокон с пропиточной ванной, преформовочного устройства, системы формующих матриц, термокамеры, тянущего и отрезного устройства, согласно полезной модели, содержит тянущее устройство, выполненное в виде системы замкнутых зубчатых ременных передач с расположенными внутри ложементами, которые установлены таким образом, что их рабочие поверхности формируют поверхность идентичную контуру изделия, при этом выходная зона формирующей матрицы, расположенной непосредственно перед тянущим устройством выполнена конусной.
Целесообразно ложементы выполнять из фторопласта. Предлагаемое техническое решение поясняется графическими материалами, где:
- на фиг.1 схематически изображено устройство для изготовления армированных изделий из полимерных композиционных материалов;
- на фиг.2 - тянущее устройство (укрупненно);
- на фиг.3 - тянущее устройство (сечение А-А);
- на фиг.4 - тянущее устройство (сечение Б-Б).
Устройство для изготовления армированных изделий из полимерных композиционных материалов включает систему 1 подачи волокна (шпулярник), систему 2 пропитки волокон с пропиточной ванной, преформовочное устройство 3, систему 4 формующих матриц с выходной конической зоной 5, тянущее устройство 6 с системой 7 замкнутых зубчатых ременных передач и расположенными внутри ложементами 8, термокамеру 9 и отрезное устройство 10. Указанные системы и устройства расположены и взаимосвязаны между собой таким образом, что образуют замкнутый цикл производства изделий из полимерных композиционных материалов.
Устройство для изготовления армированных изделий из полимерных композиционных материалов работает следующим образом.
Армирующий материал в виде волокон сматывается с бобин системы 1 подачи волокон и пропускается через систему 2 пропитки с пропиточной ванной, в которой пропитывается полимерной композицией (матрицей). В качестве полимерной композиции используются полиэфиры, виниловые эфиры, эпоксидные и другие смолы в смеси с отвердителем. Армирующими материалами являются стеклянное или углеродное волокно.
Пропитанные полимером волокна пропускаются через преформовочное устройство 3, которое придает волоконно-полимерному пучку требуемую форму и выравнивает волокна. Преформовочное устройство содержит матрицу предварительного формования, в которой пропитанные волокна постепенно приближаются к форме профиля.
После прохождения преформовочного устройства 3 волоконная заготовка поступает в систему 4 формующих матриц (фильеру). Система формующих матриц на своем протяжении имеет несколько температурных зон с регулируемой температурой нагрева и охлаждения. Входная зона фильеры охлаждается водой, чтобы не допустить преждевременной коагуляции полимера на входе. Нагревание формующих матриц осуществляется с помощью переменного электрического поля высокой частоты (магнетрон СВЧ), что позволяет осуществлять практически мгновенный нагрев материала до заданной температуры в любом объеме. Использование высокочастотного нагрева позволяет существенно увеличить производительность протягивания и всего процесса в целом. Температура формующих матриц 4 контролируется термопарами для получения необходимого распределения температуры по ее длине. Тепло от стенок матриц инициирует экзотермическую реакцию в полимере, приводящую к превращению материала связующего в гель. В результате экзотермической реакции выделения теплоты температура внутри полимера может быть выше температуры стенок матрицы. Полное отверждение композита осуществляется при непрерывном движении материала в канале формующих матриц, при этом выходная зона матрицы является зоной охлаждения.
При изготовлении изделий диаметром более 30 мм процесс полимеризации связующего не успевает завершиться полностью по всему объему изделия при его нахождении в фильере. Объем незатвердевшей внутренней зоны возрастает с увеличением диаметра изделия, и зависит также от длины фильеры и скорости пултрузии. Необходимость получения на выходе из фильеры полностью отвержденного изделия приводит к неоправданному увеличению длины фильеры и снижению производительности процесса. До полного завершения процесса полимеризации изделие должно находиться внутри фильеры. В противном случае на поверхности изделия возможно образование сквозных трещин, через которые вытекает незатвердевшее связующее.
В заявленном устройстве выходная зона 5 последней матрицы выполнена конусной, и заканчивается в месте контакта изделия с тянущим устройством 6. Тянущее устройство 6, представляет собой систему 7 замкнутых зубчатых ременных передач, которые вращаются зубчатыми шкивами. Рабочие поверхности зубчатых ремней 7 формируют замкнутый контур изделия. Внутри тянущего устройства расположены ложементы 8, которые служат опорными элементами зубчатых ремней. Для снижения силы трения между ремнями 7 и ложементами 8, последние изготовлены из фторопласта. На выходе из конусной зоны 5 последней матрицы незатвердевшее по всему объему изделие захватывается рабочими поверхностями зубчатых ремней 7 и далее перемещается внутри тянущего устройства. При этом процесс полимеризации связующего внутренней зоны изделия продолжается внутри тянущего устройства до полного отверждения изделия на выходе из тянущего устройства. Рабочие поверхности зубчатых ремней 7 формируют замкнутый контур изделия на всем протяжении контакта изделия с ремнями. Поскольку ремни опираются на ложементы 8, то исключается возможность нарушения сплошности и образования трещин на поверхности крупногабаритных изделий.
Полученный на выходе из тянущего устройства армированный профиль поступает в термокамеру 9, в которой происходит его нагрев, окончательное отверждение и охлаждение. Из термокамеры отвержденное изделие подается в отрезное устройство 10, в котором алмазным кругом разрезается на элементы заданной длины.
Заявленная конструкция устройства исключает возможность образования трещин на поверхности крупногабаритных изделий при выходе изделий из отверстия фильеры, и тем самым, позволяет изготавливать пултрузией крупногабаритные профили. Возможность продолжения процесса полимеризации изделия внутри тянущего устройства позволяет увеличить производительность устройства при изготовлении крупногабаритных длинномерных армированных изделий из полимерных композиционных материалов.
Таким образом, заявленная совокупность существенных признаков, отраженная в независимом пункте формулы полезной модели, обеспечивает получение заявленного технического результата - обеспечение возможности получения крупногабаритных длинномерных армированных изделий из полимерных композиционных материалов, преимущественно круглого сплошного сечения.
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 - увеличение производительности устройства и получение крупногабаритных длинномерных армированных изделий из полимерных композиционных материалов, преимущественно круглого сплошного сечения.
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 непрерывного изготовления армированных изделий из полимерных композиционных материалов и может быть использован для получения крупногабаритных длинномерных изделий круглого сплошного сечения в 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 соответствуют требованиям условиям патентоспособности «новизна» и «промышленная применимость» по действующему законодательству.