ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ КОМПЛЕКС ДЛЯ НЕПРЕРЫВНОГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ ДЛИННОМЕРНЫХ СЛОЖНОАРМИРОВАННЫХ ИЗДЕЛИЙ ИЗ ПОЛИМЕРНЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

Название	ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ КОМПЛЕКС ДЛЯ НЕПРЕРЫВНОГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ ДЛИННОМЕРНЫХ СЛОЖНОАРМИРОВАННЫХ ИЗДЕЛИЙ ИЗ ПОЛИМЕРНЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ
Разработчик (Авторы)	Григорьев Сергей Николаевич, Красновский Александр Николаевич
Вид объекта патентного права	Полезная модель
Регистрационный номер	108338
Дата регистрации	12.04.2011
Правообладатель	Российская Федерация, от имени которой выступает Министерство промышленности и торговли Российской Федерации
Область применения (класс МПК)	B29C 70/30 (2006.01) B29C 63/04 (2006.01)

Описание изобретения

Полезная модель относится к технологическим комплексам для изготовления армированных изделий из полимерных композиционных материалов (ПКМ) методами протягивания и намотки, и может быть использована для получения длинномерных изделий круглого сплошного и кольцевого сечения в машиностроительной, авиационной, судостроительной, нефтегазовой и строительной промышленности.

Наиболее близким решением из уровня техники по технической сути является 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, В29С 39/00, Е04С 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 из уровня техники устройства, следует отнести его невысокие технологические возможности. Технологическая линия предназначена для получения оребренной арматуры из ПКМ, и не позволяет получать сложноармированные изделия из полимерных композиционных материалов с многонаправленной структурой армирующих волокон, сплошные стержни круглого сечения и трубы. Технологическая линия имеет избыточную конструктивную сложность: содержит формовочный узел, состоящий из двух отдельных матриц с разными каналами и два устройства спиральной намотки. Оба устройства спиральной намотки укладывают волокна композиционного материала в поперечном направлении с шагом оребрения арматуры, в результате чего, волокна наружного слоя не имеют механического сцепления между собой, а получаемые изделия имеют невысокие механические свойства.

Технической задачей, на решение которой направлена заявленная полезная модель, является создание конструктива технологического комплекса, который обеспечивал бы получение изделий широкой номенклатуры, в частности, длинномерных сложноармированных изделий из полимерных композиционных материалов, в том числе гибридных, преимущественно круглого сплошного и кольцевого сечения с высокими прочностными характеристиками.

Для достижения технического результата 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, согласно полезной модели, дополнительно содержит тянущее средство и вертлюг, при этом 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.

Готовое изделие имеет многонаправленную армированную структуру, при этом внутренний слой изделия состоит из одноосно-ориентированных волокон, а наружный слой из спирально-ориентированных волокон. Намотку наружных слоев изделия по спирально-перекрестной схеме осуществляет вертлюг, совершающий вращательное и возвратно-поступательное движение относительно прямолинейно движущейся заготовки. Намотку наружных слоев изделия по спирально-винтовой схеме осуществляет вертлюг, совершающий вращательное движение относительно прямолинейно движущейся заготовки.

Полезная модель поясняется графическими материалами, где:

- на фиг.1 - схема технологической линии;

- на фиг.2 - устройство намотки (укрупнено).

Технологический комплекс для непрерывного изготовления длинномерных сложноармированных изделий из полимерных композиционных материалов включает систему 1 подачи волокна (шпулярник), систему 2 пропитки волокон, преформовочное устройство 3, формующие матрицы 4 (фильеры), тянущее устройство 5, устройство 6 намотки наружного слоя, вертлюг 7, термокамеру 8, тянущее средство 9, отрезное устройство 10.

Технологический комплекс для непрерывного изготовления длинномерных сложноармированных изделий из полимерных композиционных материалов работает следующим образом.

Армирующий материал в виде волокон, лент или жгутов сматывается с бобин шпулярника 1 и пропускается через систему 2 пропитки волокон (пропиточную ванну), где он 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 волокна и незатвердевший полимер пропускаются через систему 4 формующих матриц, в которой отжимается избыток связующего, материал сжимается в поперечном направлении и приобретает форму изделия.

Система 4 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 формирующих матриц 4 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 формирующих матриц 4 контролируется термопарами для получения необходимого распределения температуры по ее длине. Тепло от стенок матриц 4 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 4.

Полное отверждение композита происходит при непрерывном движении материала в матрице 4. Выходная зона матрицы 4 является зоной охлаждения. На выходе из матрицы 4 получается армированный профиль, конфигурация которого повторяет форму матрицы 4. В предложенном комплексе профиль заготовки может иметь два вида сечения: профиль сплошного круглого сечения и профиль кольцевого сечения (труба). Для изготовления труб используются фильеры с установленной внутри цилиндрической оправкой. В обоих случаях полученная заготовка состоит из одноосно-ориентированных волокон упрочнителя и связующего, и имеет целью создание внутреннего слоя изделия. При этом свойства полученной заготовки существенно анизотропны. Прочность и жесткость при растяжении и сжатии одноосно-ориентированного композиционного материала в продольном направлении значительно выше, чем в поперечном.

Отвержденная до температуры стеклования матричного полимера заготовка вытягивается из матрицы 4 тянущим устройством 5, которое выполнено на основе ременных фрикционных передач, и подается в устройство 6 намотки наружного слоя.

В заявленном технологическом комплексе, полученная протягиванием и отвержденная заготовка из композиционного материала является оправкой, на которую наматывается наружный слой композита. Для обеспечения необходимой устойчивости в процессе намотки оправка опирается на опоры устройства 6 намотки. Устройство 6 намотки представляет собой рамную конструкцию портального типа. Внутри устройства 6 намотки установлен вертлюг 7. По периметру вертлюга установлены шпули с препрегами (волокна, ленты или жгуты).

Вертлюг 7 в процессе намотки может совершать два программно-управляемых и согласованных с перемещением заготовки движения: вращаться вокруг оси заготовки и перемещаться вдоль оси заготовки. При вращении и возвратно-поступательном перемещении вертлюга 7 реализуется схема спирально-перекрестной намотки наружного слоя волокон на поверхность заготовки. В том случае, когда вертлюг 7 совершает только вращательное движение, волокна на заготовку выкладываются по схеме спирально-винтовой намотки. Схема намотки, количество слоев и проходов, шаг намотки и другие технологические параметры задаются программно в зависимости от свойств исходных материалов и требуемых свойств изделия.

После намотки изделие поступает в термокамеру 8, в которой происходит его нагрев, окончательное отверждение и охлаждение. Из термокамеры отвержденное изделие подается вторым тянущим устройством 9 в отрезное устройство 10, в котором алмазным кругом разрезается на элементы заданной длины.

В заявленном технологическом комплексе намотка наружного слоя изделия осуществляется в непрерывном режиме в процессе его прямолинейного перемещения в направлении протягивания. Скорости протягивания и намотки для разных исходных материалов взаимно согласуются по управляющей программе с целью получения изделий с заданными характеристиками. Производительность изготовления изделий определяется в основном временем отверждения композита, которое зависит от типа связующего и размеров изделия. Поскольку операции протягивания и намотки совмещены во времени, то комплекс имеет более высокую производительность по сравнению с аналогами при всех прочих равных условиях.

Технологический комплекс позволяет получать сложноармированные изделия из композиционных материалов с многонаправленной армированной структурой. Известно, что одноосно- и двухосно-армированные материалы имеют сравнительно невысокие механические свойства, в основном, из-за низкого сопротивления межслойному сдвигу. Изделия, полученные с помощью технологического комплекса, имеют внутренний слой с одноосной ориентацией волокон и наружный слой со спирально-перекрестной или спирально-винтовой ориентацией волокон. Изделия с такой схемой армирования будут иметь одновременно высокую прочность на сжатие, растяжение, кручение и изгиб.

Технологический комплекс позволяет получать изделия из гибридных композиционных материалов, с различными связующими и упрочняющими волокнами.

Таким образом, заявленная совокупность существенных признаков, отраженная в независимом пункте формулы полезной модели, обеспечивает получение заявленного технического результата - получение длинномерных сложноармированных изделий из полимерных композиционных материалов, в том числе гибридных, преимущественно круглого сплошного и кольцевого сечения с высокими прочностными характеристиками.

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 - получение длинномерных сложноармированных изделий из полимерных композиционных материалов, в том числе гибридных, преимущественно круглого сплошного и кольцевого сечения с высокими прочностными характеристиками.

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 сложноармированных изделий из полимерных композиционных материалов и может быть использован для получения длинномерных изделий круглого сплошного и кольцевого 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.

Формула полезной модели

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, отличающийся тем, что он дополнительно содержит тянущее средство и вертлюг, при этом 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.

Изобретение "ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ КОМПЛЕКС ДЛЯ НЕПРЕРЫВНОГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ ДЛИННОМЕРНЫХ СЛОЖНОАРМИРОВАННЫХ ИЗДЕЛИЙ ИЗ ПОЛИМЕРНЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ" (Григорьев Сергей Николаевич, Красновский Александр Николаевич) отмечено юбилейной наградой (25 лет Российской Академии Естествознания)
Медаль Альфреда Нобеля

Оформление наградных документов и заказ каталога