RU115717U1

RU115717U1 - TECHNOLOGICAL COMPLEX FOR PRODUCTION OF COMPLEXLY REINFORCED ARTICLES FROM POLYMERIC COMPOSITE MATERIALS

Info

Publication number: RU115717U1
Application number: RU2011149080/05U
Authority: RU
Inventors: Сергей Николаевич Григорьев; Александр Николаевич Красновский; Алексей Равкатович Хазиев
Priority date: 2011-12-02
Filing date: 2011-12-02
Publication date: 2012-05-10

Abstract

Технологический комплекс для изготовления сложноармированных изделий из полимерных композиционных материалов, программно организованный 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, отличающийся тем, что он дополнительно содержит формирующую матрицу в виде кольца с коническим отверстием и плетельный узел, расположенные между преформовочным устройством и системой формующих матриц, при этом устройство плетения наружного слоя выполнено с возможностью вращения относительно продольной оси изделия с обеспечением возможности переплетения волокон на наружной поверхности изделия. A technological complex for the manufacture of complexly reinforced products from polymer composite materials, programmatically organized from spatially located and interconnected with each other, a fiber supply system, a fiber impregnation system with an impregnating bath, a preforming device, a system of forming dies, a heat chamber, a pulling and cutting device, characterized by that it additionally contains a forming matrix in the form of a ring with a tapered hole and a braiding unit located between the preforming device and the system of forming dies, while the device for braiding the outer layer is made with the possibility of rotation about the longitudinal axis of the product with the possibility of interweaving the fibers on the outer surface of the product.

Description

Полезная модель относится к технологическим комплексам для непрерывного изготовления армированных изделий из полимерных композиционных материалов методом протягивания, 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 continuous production of reinforced products from polymer composite materials by pulling, and can be used to obtain long products of circular solid section for the engineering, aviation, shipbuilding, oil and gas and construction industries.

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, В29С 39/00, Е04С 5/07, 2008 г.).The technological line for the manufacture of composite reinforcement is known from the prior art, comprising a creel with roving bobbins, a leveling device, annealing chamber, an impregnating bath with a tensioning device, a squeezing device, a molding unit, a spiral winding device, polymerization chambers, a 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).

Достигаемый устройством технический результат заключается в повышении производительности технологической линии и возможности выпуска композитной арматуры с повышенными потребительскими свойствами.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 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.The disadvantages of the known device 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.

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, В29С 70/30, В29С 63/04, 2011 г.).The closest solution from the prior art in technical essence is a technological complex for the continuous production of long lengthy complex-reinforced products from polymer composite materials, organized from spatially located and interconnected systems, respectively: fiber supply system, fiber impregnation system, preforming device, forming dies, devices winding the outer layer, heat chamber, cutting device and pulling device, which additionally contains t nuschee means and swivel. The pulling means is located between the heat chamber and the cutting device, and the swivel is installed inside the winding device of the outer layer, with the possibility of using the specified program to wind the outer layers on the workpiece according to a spiral-helical and / or cross-helical reinforcement scheme. (RF patent No. 108338, В29С 70/30, В29С 63/04, 2011).

Достигаемый устройством технический результат заключается в обеспечении изготовления длинномерных сложноармированных изделий из полимерных композиционных материалов с высокими прочностными характеристиками.The technical result achieved by the device is to ensure the manufacture of long lengthy hard-reinforced products from polymer composite materials with high strength characteristics.

К недостаткам известного из уровня техники устройства, следует отнести его низкую производительность, обусловленную тем, что сначала формуется и отверждается внутренний слой изделия, а затем на него наматывается наружный слой, с последующим отверждением всего изделия. Комплекс позволяет получать изделия с высокими прочностными характеристиками, однако прочность таких изделий не является постоянной по всему объему, прочность места контакта слоев определяется прочностью связующего.The disadvantages of the device known from the prior art include its low productivity, due to the fact that the inner layer of the product is first molded and cured, and then the outer layer is wound on it, followed by curing of the entire product. The complex allows to obtain products with high strength characteristics, however, the strength of such products is not constant throughout the volume, the strength of the contact point of the layers is determined by the strength of the binder.

Техническая задача состоит в увеличении производительности изготовления длинномерных сложноармированных изделий и обеспечении возможности изготовления высокопрочных изделий из полимерных композиционных материалов.The technical problem is to increase the productivity of manufacturing long complex reinforced products and providing the possibility of manufacturing high-strength products from polymer composite materials.

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, термокамеры, тянущего и отрезного устройства, согласно полезной модели, дополнительно содержит формирующую матрицу в виде кольца с коническим отверстием и плетельный узел, расположенные между преформовочным устройством и системой формующих матриц, при этом устройство плетения наружного слоя выполнено с возможностью вращения относительно продольной оси изделия с обеспечением возможности переплетения волокон на наружной поверхности изделия.To achieve a technical result, a technological complex for manufacturing complexly reinforced products from polymer composite materials, programmatically organized from spatially arranged and interconnected, respectively, fiber supply systems, fiber impregnation systems with an impregnating bath, a preforming device, a system of forming dies, a heat chamber, a pulling and cutting the device, according to the utility model, further comprises a forming matrix in the form of a ring with a conical hole and braiding assembly disposed between the device and the system preformovochnym forming matrices, the apparatus weaving outer layer is rotatable about the longitudinal axis of the article to enable the interlacing of the fibers on the outer surface of the article.

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 - плетельный узел с формирующей матрицей (укрупненно).- figure 2 - wicker knot with a forming matrix (enlarged).

Технологический комплекс для изготовления сложноармированных изделий из полимерных композиционных материалов включает систему 1 подачи волокна (шпулярник), систему 2 пропитки волокон с пропиточной ванной, преформовочное устройство 3, плетельный узел 4, формирующую матрицу 5 в виде кольца с коническим отверстием, систему 6 формующих матриц, термокамеру 7, тянущее устройство 8, отрезное устройство 9. 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 complexly reinforced products from polymer composite materials includes a fiber supply system 1 (creel), a fiber impregnation system 2 with an impregnating bath, a preforming device 3, a braiding unit 4, a forming matrix 5 in the form of a ring with a conical hole, a system of 6 forming matrices, a heat chamber 7, a pulling device 8, a cutting device 9. These systems and devices are arranged and interconnected in such a way that they form a closed cycle for the production of poly ernyh 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.

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.The polymer-impregnated fibers are passed through a preforming device 3, which gives the fiber-polymer bundle the desired shape and aligns the fibers. The preforming device comprises a preforming matrix in which the impregnated fibers gradually approach the shape of the profile.

После прохождения преформовочного устройства 3 незатвердевшая волоконная заготовка пропускается через плетельный узел 4 и формирующую матрицу 5. Плетельный узел 4 имеет возможность вращения относительно оси изделия. Формирующая матрица 5 установлена неподвижно. Плетельный узел содержит 24 катушки с волокнами, которые совершают согласованные вращательные движения по часовой и против часовой стрелки, результатом которых является образование наружного плетеного слоя на поверхности изделия. Сухие армирующие волокна сматываются с катушек плетельного узла, пропускаются через коническое отверстие формирующей матрицы, в процессе переплетения обжимают волоконную заготовку и образуют на ее поверхности плетеный наружный слой. Схема переплетения, количество волокон, шаг плетения и другие технологические параметры задаются программно в зависимости от свойств исходных материалов и требуемых свойств изделия. Далее заготовка, сформированная из центрального слоя, имеющего одноосную ориентацию, и наружного плетеного слоя, поступает в систему 6 формующих матриц.After passing through the preforming device 3, the uncured fiber preform is passed through the braiding unit 4 and the forming matrix 5. The braiding unit 4 has the possibility of rotation about the axis of the product. The forming matrix 5 is fixedly mounted. The braiding unit contains 24 coils with fibers, which make coordinated rotational movements clockwise and counterclockwise, the result of which is the formation of an outer braided layer on the surface of the product. Dry reinforcing fibers are wound from the coils of the braiding unit, passed through the conical hole of the forming matrix, in the process of weaving, they compress the fiber preform and form a braided outer layer on its surface. The weaving pattern, the number of fibers, the weaving step and other technological parameters are set programmatically depending on the properties of the starting materials and the required properties of the product. Next, the preform formed from the central layer having a uniaxial orientation and the outer braided layer enters the system 6 forming matrices.

Система 6 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 6 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 происходит при непрерывном движении материала в матрице 6. Выходная зона матрицы является зоной охлаждения. При перемещении изделия через сужающееся отверстие формующих матриц, наружный плетеный слой вдавливается в центральный одноосный слой, что создает между слоями более прочное сцепление. На выходе из матрицы получается армированный профиль, конфигурация которого повторяет форму отверстия матрицы.The system of 6 forming matrices along its length has several temperature zones with adjustable heating and cooling temperatures. The inlet zone of the die is cooled by water to prevent premature coagulation of the polymer at the inlet. Forming matrices are heated using an alternating high-frequency electric field (microwave magnetron), which allows for almost instantaneous heating of the material to a given temperature in any volume. The use of high-frequency heating can significantly increase the performance of the pulling process and the whole process. The temperature of the forming matrices 6 is controlled by thermocouples to obtain the necessary temperature distribution along its length. Heat from the walls of the matrices initiates an exothermic reaction in the polymer, leading to the transformation of the binder material into a gel. As a result of the exothermic heat release reaction, the temperature inside the polymer may be higher than the temperature of the matrix walls. Complete curing of the composite occurs with continuous movement of the material in the matrix 6. The output zone of the matrix is a cooling zone. When moving the product through the narrowing hole of the forming matrices, the outer braided layer is pressed into the central uniaxial layer, which creates a stronger bond between the layers. At the exit from the matrix, a reinforced profile is obtained, the configuration of which follows the shape of the hole of the matrix.

После формующих матриц изделие поступает в термокамеру 7, в которой происходит его нагрев, окончательное отверждение и охлаждение. Из термокамеры отвержденное изделие подается тянущим устройством 8 на основе ременных фрикционных передач в отрезное устройство 9, в котором алмазным кругом разрезается на элементы заданной длины.After the forming matrices, the product enters the heat chamber 7, in which it is heated, final cured and cooled. From the heat chamber, the cured product is fed by a pulling device 8 based on belt friction gears to a cutting device 9, in which a diamond wheel is cut into elements of a given length.

В заявленном технологическом комплексе формирование центрального и наружного слоев изделия осуществляется в непрерывном режиме в процессе его прямолинейного перемещения в направлении протягивания. Скорости протягивания и плетения 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 плетения совмещены во времени, то комплекс имеет более высокую производительность по сравнению с аналогами при всех прочих равных условиях.In the claimed technological complex, the formation of the central and outer layers of the product is carried out in a continuous mode in the process of its rectilinear movement in the direction of pulling. The speeds of drawing and weaving 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 weaving are combined in time, the complex has a higher productivity compared to peers, all other things being equal.

Технологический комплекс позволяет получать высокопрочные сложноармированные изделия из композиционных материалов с многонаправленной армированной структурой. Известно, что композиционные материалы имеют сравнительно низкое сопротивление межслойным сдвиговым деформациям. Разрушение композита, чаще всего, происходит в месте контакта его слоев. Изделия, полученные с помощью технологического комплекса, имеют внутренний слой с одноосной ориентацией волокон и наружный переплетенный слой, который частично вдавлен во внутренний слой. Изделия с такой структурой и схемой армирования будут иметь одновременно высокую прочность на сжатие, растяжение, кручение и изгиб.The technological complex allows to obtain high-strength complex-reinforced products from composite materials with a multidirectional reinforced structure. Composite materials are known to have a relatively low resistance to interlayer shear. The destruction of the composite most often occurs at the contact point of its layers. Products obtained using the technological complex have an inner layer with a uniaxial orientation of the fibers and an outer interlaced layer, which is partially pressed into the inner layer. Products with such a structure and reinforcement scheme will have simultaneously high compressive, tensile, torsional and bending strengths.

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

Таким образом, заявленная совокупность существенных признаков, отраженная в независимом пункте формулы полезной модели, обеспечивает получение заявленного технического результата - увеличение производительности комплекса и получение высокопрочных длинномерных сложноармированных изделий из полимерных композиционных материалов, в том числе гибридных, преимущественно круглого сплошного сечения.Thus, the claimed combination of essential features, reflected in the independent claim of the utility model formula, provides for obtaining the claimed technical result - an increase in complex productivity and obtaining high-strength long-length complex-reinforced products from polymer composite materials, including hybrid ones, mainly of circular solid section.

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 комплекса и получение высокопрочных длинномерных сложноармированных изделий из полимерных композиционных материалов, в том числе гибридных, преимущественно круглого сплошного сечения.The analysis of the claimed utility model for compliance with the conditions of patentability showed that the characteristics indicated in the formula are essential and interconnected with the formation of a stable aggregate of the necessary attributes unknown at the priority date from the prior art sufficient to obtain the desired technical result — an increase in the complex’s productivity and obtaining high-strength long-length complex-reinforced products from polymer composite materials, including hybrid ones, mainly ruglogo solid section.

Таким образом, вышеизложенные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании заявленного технического решения следующей совокупности условий:Thus, the above information indicates the fulfillment of the following set of conditions when using the claimed technical solution:

- 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 сечения в машиностроительной, авиационной, судостроительной, нефтегазовой и строительной промышленности.- an object embodying the claimed technical solution, when implemented, is intended for the continuous manufacture of complexly reinforced products from polymer composite materials and can be used to obtain long products of circular solid cross section in the engineering, aviation, shipbuilding, oil and gas and construction industries.

- 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;- for the claimed object in the form described in the independent clause of the utility model formula, the possibility of its implementation using the means and methods known from the prior art on the priority date as described in the application materials is confirmed;

- объект, воплощающий заявленное техническое решение, при его осуществлении способен обеспечить достижение усматриваемого заявителем технического результата.- the object embodying the claimed technical solution, when implemented, is able to ensure the achievement of the technical result perceived by the applicant.

Следовательно, заявленный объект соответствуют требованиям условиям патентоспособности «новизна» и «промышленная применимость» по действующему законодательству.Therefore, the claimed subject matter meets the requirements of patentability “novelty” and “industrial applicability” under applicable law.

Claims

A technological complex for manufacturing complexly reinforced products from polymer composite materials, programmatically organized from spatially located and interconnected with each other, fiber supply systems, fiber impregnation systems from an impregnating bath, a preforming device, a system of forming dies, a heat chamber, a pulling and cutting device, characterized in that it additionally contains a forming matrix in the form of a ring with a conical hole and a wicker assembly located between the preform troystvom system and a matrix, wherein the weaving device for the outer layer is rotatable about the longitudinal axis of the article to enable the interlacing of the fibers on the outer surface of the article.