RU112664U1

RU112664U1 - TECHNOLOGICAL COMPLEX FOR PRODUCTION OF COMPLEXLY REINFORCED ARTICLES FROM POLYMERIC COMPOSITE MATERIALS

Info

Publication number: RU112664U1
Application number: RU2011131659/05U
Authority: RU
Inventors: Сергей Николаевич Григорьев; Александр Николаевич Красновский; Алексей Равкатович Хазиев
Priority date: 2011-07-28
Filing date: 2011-07-28
Publication date: 2012-01-20

Abstract

Технологический комплекс для изготовления сложноармированных изделий из полимерных композиционных материалов, программно организованный из пространственно расположенных и взаимосвязанных соответственно друг с другом системы подачи волокна, системы пропитки волокон с пропиточной ванной, преформовочного устройства, системы формующих матриц, устройства намотки наружного слоя, термокамеры, отрезного устройства и двух тянущих устройств, отличающийся тем, что он дополнительно содержит систему направляющих и отжимающих роликов, расположенную между системой пропитки волокон и преформовочным устройством, а система подачи волокон выполнена с возможностью вращения в горизонтальной плоскости относительно системы пропитки волокон с обеспечением скручивания волокон внутри пропиточной ванны в среде полимерной композиции, при этом упомянутые ролики выполнены с направляющими пазами. A technological complex for the manufacture of complexly reinforced products from polymer composite materials, programmatically organized from spatially located and interconnected, respectively with each other, fiber supply systems, fiber impregnation systems with an impregnating bath, a preforming device, a system of forming dies, an outer layer winding device, a heat chamber, a cutting device, etc. two pulling devices, characterized in that it additionally contains a system of guide and squeezing rollers located between the fiber impregnation system and the preforming device, and the fiber feeding system is designed to rotate in the horizontal plane relative to the fiber impregnation system to ensure that the fibers are twisted inside the impregnating bath in the medium polymer composition, while the said rollers are made with guide grooves.

Description

Полезная модель относится к технологическим комплексам для изготовления армированных изделий из полимерных композиционных материалов методами протягивания и намотки, и может быть использована для получения длинномерных изделий круглого сплошного сечения для машиностроительной, авиационной, судостроительной, нефтегазовой и строительной промышленности.The utility model relates to technological complexes for the manufacture of reinforced products from polymer composite materials by pulling and winding methods, and can be used to obtain long products of circular solid cross section for the engineering, aviation, shipbuilding, oil and gas and construction industries.

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.The closest solution from the prior art in technical essence is a production line for manufacturing composite reinforcement comprising creel with roving bobbins, leveling device, annealing chamber, impregnating bath with a tension device, squeezing device, molding unit, spiral winding device, polymerization chambers, pulling device , cutting and reeling units. The molding unit is made of two parts. The first part is a matrix with a slotted channel, the thickness of which is less than the diameter of the reinforcement (d) and is equal to (0.7-0.1) d, and the width is (2-10) d. The second part is installed in front of the spiral winding zone and is a matrix with a round channel, the diameter of which is (1.2-1.5) d. The technological line is equipped with two spiral winding devices placed in series, as well as devices to prevent twisting of fibers and the distribution of the polymer binder along the length of the reinforcement (RF Patent No. 2384408, В29С 39/00, Е04С 5/07, 2008). The technical result achieved by the device consists in increasing the productivity of the technological line and the possibility of producing composite reinforcement with enhanced consumer properties.

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. 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.The disadvantages of the known prior art devices include its low technological capabilities. The production line is designed to produce ribbed reinforcement from PCM, and does not allow to obtain complex reinforced products from polymer composite materials with a multidirectional structure of reinforcing fibers. The production line has excessive structural complexity: it contains a molding unit consisting of two separate matrices with different channels and two spiral winding devices. Both spiral winding devices stack the fibers of the composite material in the transverse direction with a fin pitch of reinforcement, as a result, the fibers of the outer layer do not have mechanical adhesion to each other, and the resulting products have low mechanical properties.

Техническая задача состоит в обеспечении получения изделий с многонаправленной структурой армирующих волокон.The technical problem is to provide products with a multidirectional structure of reinforcing fibers.

Для достижения технического результата технологический комплекс для изготовления сложноармированных изделий из полимерных композиционных материалов, программно организованный из пространственно расположенных и взаимосвязанных соответственно друг с другом, системы подачи волокна, системы пропитки волокон с пропиточной ванной, преформовочного устройства, системы формующих матриц, устройства намотки наружного слоя, термокамеры, отрезного устройства и двух тянущих устройств, согласно полезной модели, дополнительно содержит систему направляющих и отжимающих роликов, расположенную между системой пропитки волокон и преформовочным устройством, при этом ролики выполнены с направляющими пазами, а система подачи волокон выполнена с возможностью вращения в горизонтальной плоскости относительно системы пропитки волокон с обеспечением скручивания волокон внутри пропиточной ванны в среде полимерной композиции.To achieve a technical result, a technological complex for manufacturing complexly reinforced products from polymer composite materials, programmatically organized from spatially located and interconnected, respectively, with a fiber feed system, a fiber impregnation system with an impregnating bath, a preforming device, a molding matrix system, an outer layer winding device, a heat chamber, a cutting device and two pulling devices, according to a utility model, further comprises a system guide and squeeze rollers located between the fiber impregnation system and the preforming device, the rollers being made with guide grooves and the fiber supply system rotatable in a horizontal plane relative to the fiber impregnation system, ensuring twisting of the fibers inside the impregnation bath in a polymer composition environment.

Предлагаемое техническое решение поясняется графическими материалами, где:The proposed technical solution is illustrated by graphic materials, where:

- на фиг.1 схематически изображен технологический комплекс для изготовления сложноармированных изделий из полимерных композиционных материалов;- figure 1 schematically depicts a technological complex for the manufacture of complex reinforced products from polymer composite materials;

- на фиг.2 - схема скручивания волокон (укрупненно).- figure 2 is a diagram of the twisting of the fibers (enlarged).

Технологический комплекс для изготовления сложноармированных изделий из полимерных композиционных материалов включает систему 1 подачи волокна (шпулярник), систему 2 пропитки волокон с пропиточной ванной, систему 3 направляющих и отжимающих роликов с направляющими пазами 4, преформовочное устройство 5, системы 6 формующих матриц, тянущее устройство 7, устройство 8 намотки наружного слоя, вертлюг 9, термокамеру 10, тянущее устройство 11, отрезное устройство 12. Указанные системы и устройства расположены и взаимосвязаны между собой таким образом, что образуют замкнутый цикл производства изделий из полимерных композиционных материалов.The technological complex for the manufacture of complex-reinforced products from polymer composite materials includes a fiber feed system 1 (creel), a fiber impregnation system 2 with an impregnating bath, a system of 3 guide and squeeze rollers with guide grooves 4, a preforming device 5, a system of 6 forming dies, a pulling device 7 , device 8 for winding the outer layer, swivel 9, heat chamber 10, pulling device 11, cutting device 12. These systems and devices are located and interconnected in such a way m, which form a closed cycle for the production of products from polymer composite materials.

Технологический комплекс для изготовления сложноармированных изделий из полимерных композиционных материалов работает следующим образом.The technological complex for the manufacture of complex reinforced products from polymer composite materials works as follows.

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.The reinforcing material in the form of fibers is wound from the bobbins of the fiber supply system 1 and passed through an impregnation system 2 with an impregnation bath, in which it is impregnated with a polymer composition (matrix). As the polymer composition, polyesters, vinyl esters, epoxy and other resins are used in a mixture with a hardener. Reinforcing materials are glass or carbon fiber.

Шпулярник содержит до 12-ти сменных бобин, установленных по его периметру с возможностью принудительного вращения уходящим с бобины волокном. Система 1 подачи волокон выполнена с возможностью вращения в горизонтальной плоскости относительно системы 2 пропитки волокон с обеспечением скручивания волокон внутри пропиточной ванны. Волокна могут скручиваться в жгут с различной скоростью в двух различных окружных направлениях. Соотношение скорости вращения шпулярника и скорости протягивания заготовки через фильеру позволяет регулировать плотность центрального слоя. Изменение толщины волокон и количества бобин, участвующих в процессе, позволяет регулировать толщину (диаметр) центрального слоя.The creel contains up to 12 interchangeable reels installed along its perimeter with the possibility of forced rotation of the fiber leaving the reel. The fiber supply system 1 is rotatable in a horizontal plane with respect to the fiber impregnation system 2, while twisting the fibers inside the impregnation bath. The fibers can be twisted into a bundle at different speeds in two different circumferential directions. The ratio of the speed of rotation of the creel and the speed of drawing the workpiece through the die allows you to adjust the density of the Central layer. Changing the thickness of the fibers and the number of bobbins involved in the process allows you to adjust the thickness (diameter) of the Central layer.

Вращательное движение шпулярника по заданной программе обеспечивает мокрое скручивание волокон внутреннего слоя заготовки внутри пропиточной ванны. В процессе мокрого скручивания из волокон отжимается воздух, находящийся в их порах, за счет чего обеспечивается формирование внутреннего волокнистого слоя с более плотной структурой. Более высокая плотность скрученной заготовки достигается не только силами, возникающими при протягивании ее через фильеру, но также силами, действующими при скручивании со стороны шпулярника. На шпулярник могут устанавливаться бобины с различными упрочняющими волокнами, что позволит сформировать скрученный центральный слой изделия из гибридных композиционных материалов.The rotational movement of the creel for a given program provides wet twisting of the fibers of the inner layer of the workpiece inside the impregnating bath. In the process of wet twisting, the air located in their pores is squeezed out of the fibers, which ensures the formation of an inner fibrous layer with a denser structure. A higher density of the twisted workpiece is achieved not only by the forces arising when pulling it through the die, but also by the forces acting when twisting from the side of the creel. Bobbins with various reinforcing fibers can be installed on the creel, which will allow the formation of a twisted central layer of the product from hybrid composite materials.

Пропитанная полимером скрученная заготовка проходит через систему 3 направляющих и отжимающих роликов. Направляющие пазы 4 роликов дополнительно профилируют заготовку, отжимают связующее и изменяют вертикальное направление движения заготовки на горизонтальное. После этого заготовка попадает в преформовочное устройство 5, которое придает волоконно-полимерному пучку требуемую форму. Преформовочное устройство (на чертеже не показано) может содержать, например, матрицу предварительного формования, в которой пропитанные волокна постепенно приближаются к форме профиля. После прохождения преформовочного устройства 5 волокна и незатвердевший полимер пропускаются через систему 6 формующих матриц, в которой отжимается избыток связующего, материал сжимается в поперечном направлении и приобретает форму изделия.The twisted workpiece impregnated with polymer passes through a system of 3 guide and squeeze rollers. The guide grooves of the 4 rollers additionally profile the workpiece, wring out the binder and change the vertical direction of movement of the workpiece to horizontal. After that, the workpiece enters the preforming device 5, which gives the fiber-polymer bundle the desired shape. A preforming device (not shown in the drawing) may contain, for example, a pre-molding matrix in which the impregnated fibers gradually approach the shape of the profile. After passing through the preforming device 5, the fibers and the uncured polymer are passed through a system of molding dies 6 in which the excess binder is squeezed out, the material is compressed in the transverse direction and takes the form of the product.

Полученная заготовка состоит из скрученных в жгут 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 скрученного композиционного материала в продольном направлении значительно выше, чем в поперечном.The resulting billet consists of hardener and binder fibers twisted into a bundle, and aims to create an inner layer of the product. Moreover, the properties of the obtained preform are substantially anisotropic. Strength and stiffness in tension and compression of twisted composite material in the longitudinal direction is much higher than in the transverse.

Отвержденная до температуры стеклования матричного полимера заготовка вытягивается из матрицы 6 тянущим устройством 7, которое может быть выполнено на основе ременных фрикционных передач, и подается в устройство 8 намотки наружного слоя.Cured to the glass transition temperature of the matrix polymer, the preform is drawn from the matrix 6 by a pulling device 7, which can be made on the basis of belt friction gears, and fed into the winding device 8 of the outer layer.

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 8 намотки. Устройство намотки представляет собой рамную конструкцию портального типа. Внутри устройства 8 намотки установлен вертлюг 9. По периметру вертлюга могут быть установлены шпули с препрегами (волокна, ленты или жгуты).In the claimed technological complex, obtained by drawing and cured blank of composite material is a mandrel on which the outer layer of the composite is wound. To ensure the necessary stability during the winding, the mandrel is based on the supports of the winding device 8. The winding device is a gantry frame construction. A swivel 9 is installed inside the winding device 8. Spools with prepregs (fibers, tapes or bundles) can be installed around the swivel perimeter.

Вертлюг 9 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 реализуется схема спирально-перекрестной намотки наружного слоя волокон на поверхность заготовки. В том случае, когда вертлюг 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.Swivel 9 during the winding process can make two program-controlled and coordinated with the movement of the workpiece movement: rotate around the axis of the workpiece and move along the axis of the workpiece. During rotation and reciprocating movement of the swivel, a spiral-cross winding scheme of the outer layer of fibers on the surface of the workpiece is implemented. In the case when the swivel performs only rotational motion, the fibers on the workpiece are laid out according to a spiral-helical winding scheme. The winding pattern, the number of layers and passes, the winding pitch and other technological parameters are set programmatically depending on the properties of the starting materials and the required properties of the product.

После намотки изделие поступает в термокамеру 10, в которой происходит его нагрев, окончательное отверждение и охлаждение. Из термокамеры отвержденное изделие подается вторым тянущим устройством 11 в отрезное устройство 12, в котором алмазным кругом разрезается на элементы заданной длины.After winding, the product enters the heat chamber 10, in which it is heated, final cured and cooled. From the heat chamber, the cured product is fed by the second pulling device 11 to the cutting device 12, in which a diamond wheel is cut into elements of a given length.

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.In the claimed technological complex, the winding of the outer layer of the product is carried out continuously in the process of its rectilinear movement in the direction of pulling. The pulling and winding speeds for different starting materials are mutually agreed according to the control program in order to obtain products with desired characteristics. Productivity of production of products is determined mainly by the cure time of the composite, which depends on the type of binder and the size of the product. Since the operations of pulling and winding are combined in time, the complex has a higher productivity compared to peers, all other things being equal.

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 со скрученными в жгут волокнами 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.The technological complex allows to obtain difficult-reinforced products from composite materials with a multidirectional reinforced structure. It is known that uniaxial and biaxial reinforced materials have relatively low mechanical properties, mainly due to the low resistance to interlayer shear. Products obtained using the technological complex have an inner layer with fibers twisted into a bundle and an outer layer with a spiral-cross or spiral-helical orientation of the fibers. Products with such a reinforcement scheme will have simultaneously high compressive, tensile, torsional and bending strengths.

Готовое изделие, полученное на предлагаемом техническом решении, имеет многонаправленную армированную структуру, при этом внутренний слой изделия состоит из скрученных волокон, а наружный слой из спирально-ориентированных волокон. При вращательном движении вертлюга реализуется спирально-винтовая схема армирования наружного слоя. При вращательном и возвратно-поступательном движении вертлюга реализуется спирально-перекрестная схема армирования. Внутренний слой изделия формируется из скрученных мокрым способом волокон за счет вращательного движения системы подачи волокна.The finished product obtained on the proposed technical solution has a multidirectional reinforced structure, while the inner layer of the product consists of twisted fibers, and the outer layer of spiral-oriented fibers. During the rotational movement of the swivel, a spiral-helical scheme for reinforcing the outer layer is realized. When the swivel is rotational and reciprocating, a spiral-cross reinforcement pattern is implemented. The inner layer of the product is formed from wet twisted fibers due to the rotational movement of the fiber supply system.

Технологический комплекс позволяет получать изделия из гибридных композиционных материалов, с различными связующими и упрочняющими волокнами.The technological complex allows to obtain products from hybrid composite materials, with various binders and reinforcing fibers.

Claims

A technological complex for manufacturing complexly reinforced products from polymer composite materials, programmatically organized from spatially arranged and interconnected, respectively, fiber supply systems, a fiber impregnation system with an impregnating bath, a preforming device, a forming matrix system, an outer layer winding device, a heat chamber, a cutting device and two pulling devices, characterized in that it further comprises a system of guide and squeeze rollers, fluoropyridinium between the system and impregnating the fibers preformovochnym device and the fiber feeding system rotatable in a horizontal plane relative to the impregnation of the fibers with the system software twisting fibers within the impregnating bath in the polymer composition medium, wherein said rollers are formed with guide grooves.