УСТАНОВКА ДЛЯ ПРИГОТОВЛЕНИЯ И ПОДАЧИ ТЕРМОРЕАКТИВНОГО СВЯЗУЮЩЕГО
PLANT FOR PREPARING AND FEEDING A THERMOSETTING BINDER

Изобретение относится к области машиностроения, а именно, к оборудованию для приготовления и подачи связующего на основе термореактивной смолы, используемого при изготовлении изделий из полимерных композиционных материалов, и может быть применено в аэрокосмической, автомобильной, судостроительной и других областях техники.
Изделия из полимерных композиционных материалов с использованием термореактивного связующего могут быть изготовлены как методом вакуумной инфузии, так и с помощью технологии инжекции термореактивного связующего в закрытую форму.
При этом процесс приготовления термореактивного связующего при изготовлении полимерных композиционных материалов методом вакуумной инфузии заключается в смешивании термореактивной смолы (компонента А) и отвердителя (компонента В) в определенной пропорции и их дегазации. В настоящее время существует несколько способов реализации данного технологического процесса.
Способ I. Смешение определенных навесок смолы и отвердителя в реакторе-смесителе и их дегазация при перемешивании.
Способ II. Непрерывное смешение предварительно отвакуумированных компонентов связующего в смесителе и его подача в вакуумный пакет.
К недостаткам процесса приготовления термореактивного связующего для изготовления полимерных композиционных материалов методом вакуумной инфузии первым способом стоит отнести периодичность приготовления термореактивного связующего небольшими партиями, что приводит к проблемам при изготовлении больших деталей, а также невозможность работы со связующим с коротким «временем жизни». К недостаткам второго способа относятся необходимость предварительного вакуумирования отдельно смолы и отвердителя, возможность попадания воздуха в связующее и взаимодействия отвердителя с углекислым газом из воздуха.
Известна установка для приготовления и подачи термореактивного связующего, содержащая расходную емкость компонента А, расходную емкость компонента В, смеситель и дегазатор (GB 2460050, В29С 70/00, 18.11.2009). Данная установка принята в качестве прототипа предлагаемого изобретения.
Технической проблемой указанной установки для приготовления и подачи термореактивного связующего является периодичность его приготовления небольшими партиями, что приводит к проблемам при изготовлении больших композиционных деталей, а также невозможность работы со связующими с коротким «временем жизни».
Технический результат при осуществлении изобретения достигается посредством установки для приготовления и подачи термореактивного связующего, содержащей
- линию дозирования компонента А, которая имеет перекачивающий насос, расходную емкость компонента А и шестеренный насос,
- линию дозирования компонента В, которая имеет перекачивающий насос, расходную емкость компонента В и шестеренный насос,
- первый вакуумный насос, соединенный с расходной емкостью компонента А и расходной емкостью компонента В,
- статический смеситель, выполненный с возможностью его подсоединения к линиям дозирования компонентов А и В,
- дегазатор, выполненный с возможностью его подсоединения к выходу статического смесителя,
- емкость термореактивного связующего,
- дополнительный перекачивающий насос, выполненный с возможностью подсоединения к выходу дегазатора и соединенный с емкостью термореактивного связующего, и
- второй вакуумный насос, соединенный с дегазатором и емкостью термореактивного связующего,
при этом расходная емкость компонента А, дегазатор и емкость термореактивного связующего выполнены с соответствующими нагревательными рубашками, а шестеренный насос линии дозирования компонента А, шестеренный насос линии дозирования компонента В, статический смеситель, дополнительный перекачивающий насос и дополнительный шестеренный насос размещены в термостате.
Указанная установка снабжена дополнительным шестеренным насосом, размещенным в термостате и выполненным с возможностью подсоединения к выходу дегазатора.
Все элементы конструкции установки для приготовления и подачи термореактивного связующего размещены на раме, выполненной с возможностью её перемещения.
Расходная емкость компонента А снабжена соответствующими сигнализаторами уровня компонента А.
Расходная емкость компонента В снабжена соответствующими сигнализаторами уровня компонента В.
Емкость термореактивного связующего снабжена непрерывным датчиком уровня термореактивного связующего и соответствующими сигнализаторами уровня термореактивного связующего.
Установка снабжена электрическим шкафом с программируемым логическим контроллером, панелью оператора и сенсорным экраном.
По сравнению с прототипом предложенная установка для приготовления и подачи термореактивного связующего обеспечивает следующие преимущества:
- непрерывность процесса дозирования, смешивания компонентов термореактивного связующего и его непрерывная дегазация;
- возможность использования смолы с коротким «временем жизни» (гелирования);
- высокая точность смешивания за счет использования шестеренных насосов, выполняющих роль дозаторов, и расходомеров;
- подогрев элементов установки позволяет использовать высоковязкие компоненты термореактивного связующего;
- автоматическое поддержание заданного уровня термореактивного связующего в емкости термореактивного связующего позволяет уменьшить количество неизрасходованного термореактивного связующего;
- универсальность установки для приготовления и подачи термореактивного связующего за счет возможности ее использования при изготовлении изделий из полимерных композиционных материалов как в режиме инжекции смолы в закрытую форму, так и в режиме вакуумной инфузии;
- мобильность установки, т.е. возможность перемещения установки к месту изготовления изделий из полимерных композиционных материалов методом вакуумной инфузии или посредством технологии инжекции термореактивного связующего в закрытую форму.
Вышеизложенные особенности и преимущества изобретения будут понятны из последующего описания предпочтительного примера его осуществления со ссылками на прилагаемую схему установки для приготовления и подачи термореактивного связующего, на которой конструктивные элементы обозначены следующими позициями:
1 - линия дозирования компонента А;
2 - перекачивающий насос линии дозирования компонента А;
3 - расходная емкость компонента А;
4 - нагревательная рубашка расходной емкости компонента А;
5, 6 - сигнализаторы уровня компонента А;
7 - шестеренный насос линии дозирования компонента А;
8 - датчик давления линии дозирования компонента А;
9 - расходомер компонента А;
10, 11, 12 - трехходовые краны;
13 - линия дозирования компонента В;
14 - перекачивающий насос линии дозирования компонента В;
15 - расходная емкость компонента В;
16, 17 - сигнализаторы уровня компонента В;
18 - шестеренный насос линии дозирования компонента В;
19 - датчик давления линии дозирования компонента В;
20 - расходомер компонента В;
21 - трехходовой кран;
22 - первый вакуумный насос;
23 - статический смеситель;
24, 25, 26 - быстроразъемные соединения;
27 - дегазатор;
28 - нагревательная рубашка дегазатора;
29, 30, 31 - сигнализаторы уровня термореактивного связующего в дегазаторе;
32 - дополнительный перекачивающий насос;
33, 34, 35 - быстроразъемные соединения;
36 - емкость термореактивного связующего;
37 - нагревательная рубашка емкости термореактивного связующего;
38 - непрерывный датчик уровня термореактивного связующего;
39, 40 - сигнализаторы уровня термореактивного связующего;
41 - кран-зажим;
42 - второй вакуумный насос;
43 - дополнительный шестеренный насос;
44 - дополнительный датчик давления;
45 - 51 - электромагнитные клапаны;
52 - емкость с компонентом А;
53 - емкость с компонентом В.
Установка для приготовления и подачи термореактивного связующего содержит линию 1 дозирования компонента А, где компонент А - это термореактивная смола. Указанная линия 1 дозирования компонента А содержит соединенные соответствующим трубопроводом перекачивающий насос 2, расходную емкость 3 компонента А и шестеренный насос 7.
Расходная емкость 3 компонента А выполнена из нержавеющей стали и имеет нагревательную рубашку 4. Расходная емкость 3 компонента А снабжена соответствующими сигнализаторами уровня 5 и 6 компонента А, предназначенными для контроля уровня компонента А в расходной емкости 3 компонента А.
Дозирование компонента А линии 1 дозирования осуществляется посредством шестеренного насоса 7 в соответствии с показаниями расходомера 9.
Для мониторинга давления в трубопроводе линии 1 дозирования компонента А применяется датчик давления 8.
Для переключения потоков линии 1 дозирования компонента А предназначены трехходовые краны 10, 11 и 12. Один из указанных трехходовых кранов 10 вмонтирован в линию 1 дозирования компонента А перед расходомером 9. Второй трехходовой кран 11 и третий трехходовой кран 12 вмонтированы в указанную линию 1 за расходомером 9. При этом третий трехходовой кран 12 соединен соответствующим трубопроводом с расходной емкостью 3 компонента А, образуя контур циркуляции компонента А: «расходная емкость 3 - шестеренный насос 7 - датчик давления 8 - расходомер 9 - расходная емкость 3».
Установка для приготовления и подачи термореактивного связующего также содержит линию 13 дозирования компонента В, где компонент В - это отвердитель. Указанная линия 13 дозирования компонента В содержит соединенные соответствующим трубопроводом перекачивающий насос 14, расходную емкость 15 компонента В и шестеренный насос 18.
Расходная емкость 15 компонента В выполнена из нержавеющей стали и снабжена соответствующими сигнализаторами уровня 16 и 17 компонента В, предназначенными для контроля в расходной емкости 15 уровня компонента В.
Дозирование компонента В линии 13 дозирования осуществляется шестеренным насосом 18 по показаниям расходомера 20.
Для мониторинга давления в трубопроводах указанной линии 13 дозирования компонента В применяется датчик давления 19.
В линию 13 дозирования компонента В за расходомером 20 вмонтирован трехходовой кран 21, который соединен соответствующим трубопроводом с расходной емкостью 15 компонента В, образуя контур циркуляции компонента В: «расходная емкость 15 - шестеренный насос 18 - датчик давления 19 - расходомер 20 - расходная емкость 15».
Расходная емкость 3 компонента А и расходная емкость 15 компонента В подсоединены к первому вакуумному насосу 22. Компоненты А и В могут поступать в расходные емкости 3 и 15 как с помощью создания разрежения в указанных расходных емкостях 3 и 15 посредством вакуумного насоса 22, так и с помощью перекачивающих насосов 2 и 14. Электромагнитные клапаны 45 - 48 необходимы для индивидуального регулирования уровня компонентов А и В в расходных емкостях 3 и 15, а также устранения вакуума.
За линией 3 дозирования компонента А и линией 15 дозирования компонента В расположен статический смеситель 23. При этом вход статического смесителя 23 выполнен с возможностью подсоединения через быстроразъемное соединение 24 к линии 3 дозирования компонента А, а через быстроразъемное соединение 25 к линии 13 дозирования компонента В. Действие статического смесителя 23 основано на многократном рассечении потока перемешиваемых компонентов А и В на отдельные ручьи при их прохождении через винтообразные смесительные элементы, а также на перемешивании ручьев внутри указанных элементов и между ними.
За статическим смесителем 23 размещен дегазатор 27, вход которого выполнен с возможностью подсоединения через быстроразъемное соединение 26 к выходу статического смесителя 23. Дегазатор 27 выполнен из нержавеющей стали, имеет нагревательную рубашку 28 и снабжен соответствующими сигнализаторами уровня 29, 30 и 31, предназначенными для контроля уровня термореактивного связующего в дегазаторе 27.
Выход дегазатора 27 выполнен с возможностью подсоединения через быстроразъемные соединения 33 и 34 к дополнительному перекачивающему насосу 32, который соединен с емкостью термореактивного связующего 36.
Указанная емкость 36 выполнена из нержавеющей стали, имеет нагревательную рубашку 37, а также непрерывный датчик уровня 38 и соответствующие сигнализаторы уровня 39 и 40, предназначенные для контроля уровня термореактивного связующего в емкости термореактивного связующего 36. На выходе емкости термореактивного связующего 36 расположен кран-зажим 41.
Дегазатор 27 и емкость термореактивного связующего 36 соединены со вторым вакуумным насосом 42, с помощью которого создается разрежение в дегазаторе 27 и производится предварительное вакуумирование емкости термореактивного связующего 36. Электромагнитные клапаны 49, 50 и 51 необходимы для вакуумирования емкости термореактивного связующего 36, а также сброса вакуума.
Для мониторинга давления в трубопроводах предназначены дополнительный шестеренный насос 43 и расположенный за ним дополнительный датчик давления 44. При этом дополнительный шестеренный насос 43 выполнен с возможностью подсоединения к выходу дегазатора 27 через быстроразъемное соединение 35, позволяющее оперативно переключать магистрали установки с режима вакуумной инфузии на режим инжекции смолы в закрытую форму и обратно.
Шестеренный насос 7 линии 1 дозирования компонента А и шестеренный насос 18 линии 13 дозирования компонента В, датчики давления 8, 19 и 44, расходомеры 9 и 20, статический смеситель 23, дополнительный перекачивающий насос 32 и дополнительный шестеренный насос 43 размещены в термостате (на схеме не показан), предназначенном для поддержания определенной температуры находящегося в нем оборудования и трубопроводов, компонентов А и В, а также получаемого термореактивного связующего.
Установка для непрерывного приготовления и подачи термореактивного связующего содержит электрический шкаф с программируемым логическим контроллером, панелью оператора и сенсорным экраном (на схеме не показаны). Процесс непрерывного приготовления и подачи термореактивного связующего автоматизирован - все элементы конструкции установки для непрерывного приготовления и подачи термореактивного связующего управляются с панели оператора. При этом оператор может осуществлять:
- регулирование расхода и пропорций смешивания компонентов А и В с высокой точностью;
- контроль давления с датчиков давления 8 и 19 для компонентов А и В;
- контроль и автоматическое поддержание уровня компонентов А и В в расходных емкостях 4 и 15, термореактивного связующего в дегазаторе 27 и емкости термореактивного связующего 36;
- контроль суммарного объема подачи термореактивного связующего;
- контроль вакуума в дегазаторе 27;
- индивидуальное регулирование температуры расходной емкости 4 компонента А, дегазатора 27, емкости термореактивного связующего 36 и термостата;
- рециркуляцию компонентов А и В в контуре циркуляции «расходная емкость - шестеренный насос - расходная емкость»;
- регулирование давления инжекции с помощью дополнительного датчика давления 44 в режиме инжекции в закрытую форму;
- оповещение об аварийных ситуациях;
- аварийное выключение установки.
Все элементы конструкции установки для приготовления и подачи термореактивного связующего (поз. 1-51) размещены на раме (на схеме не показана), при этом термостат вмонтирован в раму. В нижней части рамы установлены колеса (на схеме не показаны), посредством которых возможно осуществлять перемещение указанной установки для приготовления и подачи термореактивного связующего в зону изготовления изделий из полимерных композиционных материалов.
Установка для непрерывного приготовления и подачи термореактивного связующего работает следующим образом.
При изготовлении изделия из полимерных композиционных материалов посредством метода вакуумной инфузии используют двухкомпонентное связующее. Установку для непрерывного приготовления и подачи термореактивного связующего размещают в месте изготовления указанного изделия. Возможность перемещения указанной установки значительно упрощает изготовление композиционных деталей больших размеров, осуществляя приготовление термореактивного связующего непосредственно в месте их изготовления. Емкость 52 с компонентом А - термореактивной смолой и емкость 53 с компонентом В - отвердителем подсоединяют трубопроводом к расходным емкостям 3 и 15 соответственно. Трехходовые краны 10 и 11 переключают таким образом, чтобы поток компонента А проходил через шестеренный насос 7, расходомер 9 и далее через трехходовой кран 12. Линию 1 дозирования компонента А посредством быстроразъемного соединения 24 и линию 13 дозирования компонента В посредством быстроразъемного соединения 25 подсоединяют к входу статического смесителя 23. При этом выход статического смесителя 23 посредством быстроразъемного соединения 26 соединяют с входом дегазатора 27. Выход дегазатора 27 через быстроразъемные соединения 33 и 34 соединяют с дополнительным перекачивающим насосом 32. Расположенный за емкостью термореактивного связующего 36 кран-зажим 41 подсоединяют к собранному вакуумному пакету с заготовкой из армирующего материала (например, из углеродной ткани или ленты) для подачи в него непрерывно приготавливаемого термореактивного связующего и пропитки указанной заготовки посредством метода вакуумной инфузии.
Компонент А - термореактивная смола из емкости 52 с компонентом А подается с помощью перекачивающего насоса 2 или за счет вакуумного насоса 22 в линию 1 дозирования компонента А: в расходную емкость 3 компонента А, далее по показаниям расходомера 9 компонент А дозируется посредством шестеренного насоса 7 и циркулирует по контуру циркуляции «расходная емкость 3 - шестеренный насос 7 - датчик давления 8 - расходомер 9 - расходная емкость 3».
Компонент В - отвердитель с помощью перекачивающего насоса 14 или за счет вакуумного насоса 22 из емкости 53 с компонентом В подается в линию 13 дозирования компонента В: в расходную емкость 15 компонента В, далее по показаниям расходомера 20 компонент В дозируется посредством шестеренного насоса 18 и циркулирует по контуру циркуляции «расходная емкость 15 - шестеренный насос 18 - датчик давления 19 - расходомер 20 - расходная емкость 15».
После достижения постоянных необходимых потоков компонентов А и В в линиях дозирования 1 и 13 быстродействующие трехходовые краны 12 и 21 одновременно переключают потоки компонентов А и В с контуров их циркуляции на статический смеситель 23, при этом указанные компоненты А и В подаются в статический смеситель 23 и смешиваются. Полученная смесь поступает в дегазатор 27, где посредством второго вакуумного насоса 42 создается вакуум, и происходит удаление газов, содержащихся в термореактивном связующем. Далее с помощью дополнительного перекачивающего насоса 32 термореактивное связующее поступает в предварительно отвакуумированную емкость термореактивного связующего 36. После достижения необходимого уровня термореактивного связующего в указанной емкости 36 кран-зажим 41 открывается, и непрерывно приготавливаемое термореактивное связующее подается в собранный вакуумный пакет (на рисунке не показан) для пропитки армирующего материала посредством метода вакуумной инфузии. По данным непрерывного датчика уровня 38 поддерживается заданный уровень термореактивного связующего в емкости 36 посредством регулирования потоков компонентов А и В с помощью шестеренных насосов 6 и 18 и расходомеров 9 и 20 линиях дозирования 1 и 13 компонентов А и В.
Процесс непрерывного приготовления и подачи термореактивного связующего автоматизирован и управляется с панели оператора электрического шкафа с программируемым логическим контроллером, при этом все данные процесса отображаются на сенсорном экране (на схеме не показаны).
Данная установка является универсальной и может быть использована для непрерывного приготовления и подачи термореактивного связующего при изготовлении изделий из полимерных композиционных материалов в режиме инжекции смолы в закрытую форму. При этом используется однокомпонентное термореактивное связующее.
Для этого установку для непрерывного приготовления и подачи термореактивного связующего перемещают к месту изготовления указанного изделия.
Емкость 52 с однокомпонентным связующим подсоединяют трубопроводом к расходной емкости 3. Трехходовые краны 10 и 11 переключают таким образом, чтобы поток однокомпонентного связующего проходил через шестеренный насос 7 и далее через трехходовой кран 12, минуя расходомер 9. Быстроразъемное соединение 24 соединяют с быстроразъемным соединением 26, таким образом линию 1 дозирования компонента А подсоединяют напрямую к входу дегазатора 27. В этом случае линия 13 дозирования компонента В не используется. Быстроразъемное соединение 33 соединяют с быстроразъемным соединением 35 таким образом, чтобы выход дегазатора 27 был присоединен к дополнительному шестеренному насосу 43, за которым расположен дополнительный датчик давления 44.
Однокомпонентное связующее с помощью перекачивающего насоса 2 из емкости 52 подается в линию 1 дозирования компонента А: в расходную емкость 3 компонента А, далее дозируется посредством шестеренного насоса 7 в дегазатор 27, где посредством вакуумного насоса 42 создается вакуум и происходит удаление газов, содержащихся в связующем. После дегазации связующее с помощью дополнительного шестеренного насоса 43 поступает в закрытую форму устройства изготовления изделий из полимерных композиционных материалов в режиме инжекции смолы.
Процесс непрерывного приготовления и подачи связующего автоматизирован и управляется с панели оператора электрического шкафа с программируемым логическим контроллером, при этом все данные процесса отображаются на сенсорном экране.
Таким образом, предложенная заявителем установка позволяет обеспечить непрерывность процесса приготовления и подачи термореактивного связующего, возможность использования связующего с коротким «временем жизни», при этом автоматическое поддержание заданного уровня связующего в емкости позволяет уменьшить его неизрасходованное количество, а также улучшить качество конечного продукта, поскольку поток непрерывно контролируется и любое отклонение от номинального расхода или соотношение смеси сразу обнаруживается. Установка для приготовления и подачи термореактивного связующего является универсальной, обеспечивает возможность ее использования при изготовлении изделий из полимерных композиционных материалов как в режиме инжекции смолы в закрытую форму, так и в режиме вакуумной инфузии.
Описанные выше примеры осуществления настоящего изобретения следует во всех аспектах рассматривать лишь как иллюстративные и не обуславливающие никаких ограничений. Следовательно, могут быть использованы другие примеры осуществления настоящего изобретения и примеры внедрения, которые не выходят за пределы описанных здесь существенных признаков.