RU2574261C1 - Device and method of manufacturing of multi-layer products out of polymer composite materials mainly in form of bodies of rotation - Google Patents
Device and method of manufacturing of multi-layer products out of polymer composite materials mainly in form of bodies of rotation Download PDFInfo
- Publication number
- RU2574261C1 RU2574261C1 RU2014133138/05A RU2014133138A RU2574261C1 RU 2574261 C1 RU2574261 C1 RU 2574261C1 RU 2014133138/05 A RU2014133138/05 A RU 2014133138/05A RU 2014133138 A RU2014133138 A RU 2014133138A RU 2574261 C1 RU2574261 C1 RU 2574261C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- heating
- sealed
- product
- tight
- lid
- Prior art date
Links
- 239000002131 composite material Substances 0.000 title claims abstract description 31
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 title claims abstract description 19
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 title claims abstract description 17
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 claims abstract description 57
- 238000001816 cooling Methods 0.000 claims abstract description 23
- 238000000034 method Methods 0.000 claims abstract description 19
- 230000000737 periodic Effects 0.000 claims abstract 2
- 239000002826 coolant Substances 0.000 claims description 33
- 238000000465 moulding Methods 0.000 claims description 15
- 239000000969 carrier Substances 0.000 claims description 7
- 229920001971 elastomer Polymers 0.000 claims description 6
- 239000005060 rubber Substances 0.000 claims description 6
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 claims description 4
- 240000008528 Hevea brasiliensis Species 0.000 claims description 3
- 229920001194 natural rubber Polymers 0.000 claims description 3
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 4
- 238000011177 media preparation Methods 0.000 abstract description 2
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract description 2
- 239000000463 material Substances 0.000 description 25
- 239000011230 binding agent Substances 0.000 description 14
- 230000001276 controlling effect Effects 0.000 description 6
- 238000009827 uniform distribution Methods 0.000 description 6
- 230000004907 flux Effects 0.000 description 5
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 description 5
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 4
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 4
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 4
- 210000003660 Reticulum Anatomy 0.000 description 3
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 3
- 230000000875 corresponding Effects 0.000 description 3
- 239000012530 fluid Substances 0.000 description 3
- 238000005755 formation reaction Methods 0.000 description 3
- 230000005484 gravity Effects 0.000 description 3
- 238000002788 crimping Methods 0.000 description 2
- 238000009413 insulation Methods 0.000 description 2
- 238000010525 oxidative degradation reaction Methods 0.000 description 2
- 238000003860 storage Methods 0.000 description 2
- 238000004642 transportation engineering Methods 0.000 description 2
- 238000005406 washing Methods 0.000 description 2
- 210000004544 DC2 Anatomy 0.000 description 1
- 238000009833 condensation Methods 0.000 description 1
- 230000005494 condensation Effects 0.000 description 1
- 230000021615 conjugation Effects 0.000 description 1
- 239000012611 container material Substances 0.000 description 1
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 1
- 239000003292 glue Substances 0.000 description 1
- 230000002530 ischemic preconditioning Effects 0.000 description 1
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 1
- 230000001264 neutralization Effects 0.000 description 1
- QVGXLLKOCUKJST-OUBTZVSYSA-N oxygen-17 Chemical compound [17O] QVGXLLKOCUKJST-OUBTZVSYSA-N 0.000 description 1
- 238000006116 polymerization reaction Methods 0.000 description 1
- 239000011148 porous material Substances 0.000 description 1
- 238000005086 pumping Methods 0.000 description 1
- 238000010926 purge Methods 0.000 description 1
- 230000001105 regulatory Effects 0.000 description 1
- 239000011347 resin Substances 0.000 description 1
- 229920005989 resin Polymers 0.000 description 1
- 238000007789 sealing Methods 0.000 description 1
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 1
- 238000003892 spreading Methods 0.000 description 1
- 239000007858 starting material Substances 0.000 description 1
- 230000035882 stress Effects 0.000 description 1
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
Images
Abstract
Description
Изобретение относится к области получения многослойных крупногабаритных изделий, из полимерных композиционных материалов (ПКМ) преимущественно в виде тел вращения, отверждающихся при температурах выше температуры окружающей среды.The invention relates to the field of producing multilayer large-sized products, from polymer composite materials (PCM) mainly in the form of bodies of revolution, cured at temperatures above ambient temperature.
Особо важным условием получения изделий из композиционных материалов высокого качества с минимальным уровнем остаточных напряжений является равномерность температуры изделия при проведении режима тепловой обработки в процессе формования конструкций и равномерность распределения полимера в материале.A particularly important condition for obtaining products from high quality composite materials with a minimum level of residual stresses is the uniformity of the temperature of the product during the heat treatment during the formation of structures and the uniform distribution of the polymer in the material.
Известна термопечь периодического действия (патент РФ № 2255280, МПК F27B 3/08, F27D 9/00, 15.06.2004), содержащая корпус с наружной теплоизоляцией, нагреватели, рабочую камеру, ограниченную циркуляционным экраном, вентилятор, трубы, по которым перемещаются теплоносители, датчик температуры в рабочей камере, регулирующие клапаны, изменяющие расход теплоносителей в трубах. Трубы через распределитель сначала подключены к газовому теплоносителю, а затем - к жидкостному теплоносителю. Недостатком термопечи является разомкнутость системы охлаждения, что предполагает большие непроизводительные потери теплоносителей, отсутствие возможности использования в качестве теплоносителя воздушно-жидкостной смеси, которая является более эффективной, по сравнению с воздушной. Кроме того, в связи с дискретностью трубчатых магистралей, по которым перемещается теплоноситель, охлаждение теплоизоляции будет проходить неравномерно, что также приведет к неравномерности температур в тепловом потоке, перемещающемся внутри печи, особенно для крупногабаритных агрегатов. Указанная система охлаждения не может быть универсальной и применимой для эффективного охлаждения больших термопечей в связи со сложностью, металлоемкостью и затратами при изготовлении и эксплуатации системы.Known thermal batch furnace (RF patent No. 2255280, IPC F27B 3/08, F27D 9/00, 06/15/2004), comprising a housing with external thermal insulation, heaters, a working chamber limited by a circulation screen, a fan, pipes through which coolants move, temperature sensor in the working chamber, control valves that change the flow of coolant in the pipes. The pipes through the distributor are first connected to the gas coolant, and then to the liquid coolant. The disadvantage of a thermal furnace is the openness of the cooling system, which implies large unproductive losses of heat carriers, the inability to use an air-liquid mixture as a heat carrier, which is more efficient than air. In addition, due to the discreteness of the tubular lines along which the coolant moves, the cooling of the insulation will be uneven, which will also lead to uneven temperatures in the heat flow moving inside the furnace, especially for large units. The specified cooling system cannot be universal and applicable for the effective cooling of large thermal furnaces due to the complexity, metal consumption and costs in the manufacture and operation of the system.
Известно устройство формования матричных композитных материалов под воздействием давления и тепла (Патент US 4828472 (А), В29С 33/02, В29С 35/02, В29С 70/44, 16.12.1983 г.), взятое за прототип. Устройство содержит печь (автоклав), технологическую плиту, на которую устанавливается сборка изготавливаемой трехслойной панели с сотовым заполнителем, состоящая из внешних (верхней и нижней) обшивок, сотового заполнителя и пленочного клея, уложенного между сотовым заполнителем и обшивками; вакуумного мешка, прижима, шланга вакуумного насоса, множества нагревательных элементов, расположенных на поверхности для обеспечения равномерного нагрева, блока регулирования температуры для управления нагревательными элементами, блока наддува для регулирования разности давления вдоль вакуумного мешка, обеспечивающего тем самым опрессовку материала, блока регулирования давления для управления блоком наддува, температурных датчиков для измерения температуры в заданных зонах на конструкциях и выдачи электрических сигналов, представляющих температуры в разных зонах, датчиков давления для измерения давления внутри автоклава и вакуумного мешка и выдачи электрических сигналов, представляющих измеренные значения давления, регулятора для управления блоками регулирования температуры и давления для обеспечения нагрева и опрессовки конструкции в соответствии с заданными параметрами в условиях получения регулятором электрических сигналов в указанных блоках, а также для управления блоком регулирования температуры с целью выравнивания температуры в различных зонах материала на этапах нагрева и охлаждения.A device for molding matrix composite materials under the influence of pressure and heat (Patent US 4828472 (A), В29С 33/02, В29С 35/02, В29С 70/44, 12/16/1983), taken as a prototype. The device comprises a furnace (autoclave), a technological plate, on which the assembly of the manufactured three-layer panel with honeycomb core is installed, consisting of external (upper and lower) claddings, honeycomb core and film glue laid between the honeycomb core and claddings; a vacuum bag, a clamp, a vacuum pump hose, a plurality of heating elements located on the surface to ensure uniform heating, a temperature control unit for controlling the heating elements, a pressurization unit for controlling a pressure difference along the vacuum bag, thereby crimping the material, a pressure control unit for controlling unit of pressurization, temperature sensors for measuring temperature in predetermined areas on structures and issuing electrical signals temperature in different zones, pressure sensors for measuring pressure inside the autoclave and the vacuum bag and issuing electrical signals representing the measured pressure values, a controller for controlling temperature and pressure control units to ensure heating and crimping of the structure in accordance with the specified parameters in the conditions of receiving the electric regulator signals in the indicated blocks, as well as for controlling the temperature control unit in order to equalize the temperature in different zones Container material on heating and cooling stages.
Несмотря на достоинства описанного устройства в части обеспечения контроля свойств связующего в процессе отверждения материала, что является очень важным на этапе изготовления первого тестового образца, описанное устройство обладает и недостатками. Так, для обеспечения равномерности температуры изделия, величина генерируемой нагревателями тепловой энергии должна подводиться к изделию в строго дозированном количестве с учетом анизотропии теплофизических свойств слоистых композитов и, особенно, в случае множества слоев, уложенных под различными углами. Причем свойства материала изменяются по мере приближения температуры к температурному интервалу, когда материал связующего из вязко-текучего переходит в твердое состояние. Причем, теплопроводность большинства композитов существенно снижается и, следовательно, для нагрева внутренних слоев будет требоваться больше тепла, чем вырабатывается нагревателями, в результате чего произойдет перегрев отвержденных наружных слоев и потеря качества материала. Данная проблема является общей для всех матричных композитов и применение дополнительных нагревателей в описанном устройстве также не решает проблему. Вместе с тем, известно, что для каждого композита на основе полимерной матрицы всегда определено значение предельно допустимого отклонения температуры от номинального значения при проведении режимов формования материалов, находясь в границах которого всегда можно получить качественный материал. Как правило, допустимое отклонение для большинства материалов находится в интервале 5÷10°С. В устройстве, описанном в изобретении, не указывается величина существенной разницы температур формуемого изделия, на какое значение уменьшается данная разница за счет применения дополнительных нагревателей и каково предельно допустимое отклонение температуры от номинального значения. В случае, когда величина разницы температур меньше интервала допустимых отклонений температуры от номинала, создание и применение систем дополнительного нагрева становится нецелесообразным и неэффективным. Система дополнительного нагрева, описанная в изобретении, не является универсальной. Для различных изделий необходимы индивидуальные нагревательные элементы, точно соответствующие размерами конфигурации изделия, для обеспечения плотного контакта и хорошей теплопередачи. Также потребуется соблюдать точный баланс теплоты, подводимой в смежных зонах с дополнительными нагревательными элементами и на границах зон с нагревателями, что значительно усложнит схему в целом и сделает ее практически малопригодной для крупногабаритных конструкций со сложной пространственной конфигурацией.Despite the advantages of the described device in terms of ensuring control of the properties of the binder during the curing of the material, which is very important at the stage of manufacturing the first test sample, the described device also has disadvantages. So, to ensure uniform temperature of the product, the amount of thermal energy generated by the heaters must be supplied to the product in a strictly dosed amount, taking into account the anisotropy of the thermophysical properties of the layered composites and, especially, in the case of many layers laid at different angles. Moreover, the properties of the material change as the temperature approaches the temperature range, when the binder material from a viscous-fluid passes into a solid state. Moreover, the thermal conductivity of most composites is significantly reduced and, therefore, more heat will be required for heating the inner layers than is generated by heaters, as a result of which the cured outer layers will overheat and the quality of the material will lose. This problem is common to all matrix composites and the use of additional heaters in the described device also does not solve the problem. At the same time, it is known that for each composite based on a polymer matrix, the value of the maximum permissible deviation of temperature from the nominal value is always determined during the molding modes of materials, being within the boundaries of which you can always get high-quality material. As a rule, the permissible deviation for most materials is in the range of 5 ÷ 10 ° C. In the device described in the invention, the magnitude of the significant temperature difference of the molded product is not indicated, by what value this difference is reduced due to the use of additional heaters and what is the maximum permissible temperature deviation from the nominal value. In the case when the temperature difference is less than the interval of permissible temperature deviations from the nominal, the creation and use of additional heating systems becomes inappropriate and ineffective. The additional heating system described in the invention is not universal. For various products, individual heating elements are required that exactly match the dimensions of the product configuration to ensure tight contact and good heat transfer. It will also be necessary to observe the exact balance of heat supplied in adjacent zones with additional heating elements and at the boundaries of zones with heaters, which will significantly complicate the scheme as a whole and make it practically unsuitable for large-sized structures with a complex spatial configuration.
Известен способ отверждения деталей из полимерных композиционных материалов (Патент РФ №2252141, кл. В29С 43/20, 04.06.2004 г.), включающий сборку на формообразующей поверхности многослойных конструкций, нагрев с дополнительным прогревом определенных зон многослойной конструкции для обеспечения равномерного нагрева детали при вакуумно-автоклавном формовании сложных авиационных деталей с использованием дополнительных нагревателей с датчиками температуры, устанавливаемыми на внешней поверхности формы; выдержку при температуре отверждения и охлаждения.A known method of curing parts from polymer composite materials (RF Patent No. 2252141, class B29C 43/20, 04/04/2004), comprising assembling on the forming surface of multilayer structures, heating with additional heating of certain areas of the multilayer structure to ensure uniform heating of the part when vacuum-autoclave molding of complex aviation parts using additional heaters with temperature sensors installed on the outer surface of the mold; exposure at the temperature of curing and cooling.
Известен способ формования матричных композитных материалов под воздействием давления и тепла, описанный в патенте (Патент US 4828472 (А), В29С 33/02, В29С 35/02, В29С 70/44, 16.12.1983 г.), взятый за прототип. В данном патенте описан способ формования и отверждения композитных конструкций с отверждающимся связующим веществом, под воздействием давления и тепла, включающий сборку многослойных изделий на формообразующем элементе, укладку технологического пакета с гермочехлом, вакуумирование, нагрев с увеличением прогрева определенных зон многослойных изделий с одновременным регулированием давления в автоклаве для обеспечения равномерного нагрева детали при вакуумно-автоклавном формовании сложных деталей с датчиками температур, устанавливаемых на поверхность формы, измерение температур во всех зонах элементов конструкции, взаимодействующих с многослойным изделием, периодическое сравнение измеряемых температур с требуемыми значениями, выдержку при температуре отверждения и охлаждение.A known method of molding matrix composite materials under the influence of pressure and heat is described in the patent (Patent US 4828472 (A), В29С 33/02, В29С 35/02, В29С 70/44, 12/16/1983), taken as a prototype. This patent describes a method of molding and curing composite structures with a curable binder under the influence of pressure and heat, including assembling multilayer products on a forming element, laying a process bag with a pressure jacket, evacuating, heating with increasing heating of certain areas of multilayer products with simultaneous pressure control in an autoclave to ensure uniform heating of the part during vacuum-autoclave molding of complex parts with temperature sensors, installed applied to the mold surface, measuring temperatures in all areas of structural elements interacting with a multilayer product, periodically comparing the measured temperatures with the required values, holding at the curing temperature and cooling.
Недостатками обоих способов являются использование сложных систем дополнительных нагревателей, контроля и управления совместной работой системы нагрева автоклава и системы дополнительных нагревателей, а также процесс омывания теплоносителем поверхности изделия с технологическим пакетом и оснасткой происходит неравномерно с образованием теневой зоны с тыльной стороны изделия по отношению к набегающему потоку. В процессе формования происходит выделение летучих продуктов, входящих в состав связующих, используемых при изготовлении большинства композиционных материалов, поэтому под герметичным мешком возможны образования пустот и раковин как на поверхности материала, так и в его структуре, поскольку после достижения определенной степени вакуумирования, вакуумный насос отключается и летучие продукты остаются под гермочехлом. А также в качестве теплоносителя для основного нагрева и охлаждения все же используется газообразный теплоноситель, т.е. применяется достаточно инерционный способ для регулирования теплопередачи. Принудительное охлаждение нагревателей практически нереализуемо в данном устройстве. Применение нагревательных элементов с использованием жидкого теплоносителя является более предпочтительным, однако связано с большими затратами на создание, эксплуатацию и техническое обслуживание таких систем.The disadvantages of both methods are the use of complex systems of additional heaters, monitoring and controlling the joint operation of the autoclave heating system and the system of additional heaters, as well as the process of washing the product’s surface with the process fluid and equipment with a coolant non-uniformly with the formation of a shadow zone on the back of the product with respect to the incoming flow . During the molding process, volatile products that are part of the binders used in the manufacture of most composite materials are released, therefore, voids and shells can form under the airtight bag both on the surface of the material and in its structure, since after a certain degree of evacuation, the vacuum pump is turned off and volatile products remain under a pressure jacket. And also, as the heat carrier for the main heating and cooling, a gaseous heat carrier is still used, i.e. a sufficiently inertial method is used to regulate heat transfer. Forced cooling of heaters is practically not feasible in this device. The use of heating elements using a liquid coolant is more preferable, but is associated with high costs for the creation, operation and maintenance of such systems.
Помимо равномерности температуры при формовании композиционных материалов для получения высокого качества необходимо соблюсти, по крайней мере, еще два условия - обеспечить равномерность распределения прилагаемого к изделию давления формования и равномерно распределенное определенное содержание смолы в материале. При этом гораздо более эффективной может быть замкнутая система охлаждения с размещением относительно небольшого теплообменника на пути движения теплоносителя перед вентилятором.In addition to the uniformity of temperature in the molding of composite materials to obtain high quality, at least two other conditions must be met - to ensure uniform distribution of the molding pressure applied to the product and a uniformly distributed certain resin content in the material. At the same time, a closed cooling system with a relatively small heat exchanger in the path of the coolant in front of the fan can be much more efficient.
Таким образом, задача изобретения заключается в создании такого устройства и способа изготовления многослойных изделий из полимерных композиционных материалов, которое обеспечивало бы равномерное распределение температур, градиент которых не превышает предельно допустимого отклонения от номинального значения температуры, а также наиболее равномерного распределения связующего по всему объему материала при проведении режимов формования изделий из полимерных композиционных материалов преимущественно в виде тел вращения, в снижении уровня дефективности изделий из полимерных композиционных материалов, в проведении процессов тепловой обработки с минимальными затратами энергоресурсов, в обеспечении безопасности производственных процессов. Также для равномерного нагрева и отверждения крупногабаритных, толстостенных и разнотолщинных изделий предлагается процесс ступенчатого нагрева с промежуточным термостатированием на каждом этапе для выравнивания температуры в разных точках изделия и такого же охлаждения.Thus, the objective of the invention is to create such a device and method for manufacturing multilayer products from polymer composite materials, which would ensure a uniform distribution of temperatures, the gradient of which does not exceed the maximum permissible deviation from the nominal temperature, as well as the most uniform distribution of the binder throughout the volume of the material at conducting modes of molding products from polymer composite materials mainly in the form of bodies of revolution, in reducing level of defectiveness of polymeric composite materials, in conducting the heat treatment process with minimal costs of energy, in the security of industrial processes. Also, for uniform heating and curing of large-sized, thick-walled and multi-thickness products, a stepwise heating process with intermediate temperature control at each stage is proposed to equalize the temperature at different points of the product and the same cooling.
Технический результат изобретения заключается в сокращении длительности цикла термообработки, в повышении коэффициента эффективного использования тепловой энергии, вырабатываемой системой нагрева оборудования, в снижении трудоемкости изготовления изделий, в повышении качества изделий и безопасности производства, в снижении себестоимости выпускаемой продукции.The technical result of the invention is to reduce the duration of the heat treatment cycle, to increase the coefficient of efficient use of thermal energy generated by the heating system of the equipment, to reduce the complexity of manufacturing products, to improve the quality of products and production safety, to reduce the cost of production.
Для достижения технического результата в устройстве для изготовления многослойного изделия из полимерных композиционных материалов преимущественно в виде тела вращения, включающем систему подготовки теплоносителя, систему вакуумирования, систему нагрева, систему управления с термодатчиками, герметичный сосуд, термоизолированный от окружающей среды, с герметично закрывающейся крышкой, внутри которого закреплены тонкостенный циркуляционный экран, подставка для размещения формуемого изделия с формообразующим элементом, технологическим пакетом и герметичным чехлом, вентилятор с электроприводом с регулируемым числом оборотов, теплообменник, герметичный сосуд расположен вертикально, нагревательные элементы, вентилятор размещены в основании герметичного сосуда, при этом подставка выполнена решетчатой и закреплена параллельно основанию герметичного сосуда, крышка закреплена с противоположной стороны основания герметичного сосуда, вдоль боковых стенок которого внутри установлен прикрепленный к дну герметичного сосуда, образуя межстенную полость, циркуляционный экран с центральным отверстием, соосно которому установлен вентилятор, а герметичный чехол оснащен трубками соединения с вакуумной системой. При этом герметичный чехол может быть выполнен из резины на основе натурального каучука.To achieve a technical result in a device for manufacturing a multilayer product from polymer composite materials, mainly in the form of a body of revolution, including a heat carrier preparation system, a vacuum system, a heating system, a control system with temperature sensors, a sealed vessel, thermally insulated from the environment, with a hermetically sealed lid, inside which is fixed thin-walled circulation screen, stand for placement of the molded product with a forming element, technological bag and a sealed cover, an electric fan with an adjustable speed, a heat exchanger, a sealed vessel is located vertically, heating elements, a fan are located at the base of the sealed vessel, while the stand is lattice and fixed parallel to the base of the sealed vessel, the cover is fixed on the opposite side of the sealed base vessels, along the side walls of which inside is mounted attached to the bottom of the sealed vessel, forming an interstitial cavity, circulating screen with a central hole, which is coaxially installed a fan and a sealed pouch equipped with tubing connections to a vacuum system. In this case, the sealed cover can be made of rubber based on natural rubber.
Для достижения технического результата в способе изготовления многослойного изделия из полимерных композиционных материалов преимущественно в виде тела вращения, включающем сборку многослойного изделия на формообразующем элементе, укладку технологического пакета, закрепление герметичного эластичного чехла, помещение в герметичный сосуд, термоизолированный от окружающей среды, с герметично закрывающейся крышкой, вакуумирование объема под чехлом, нагрев камеры всего герметичного сосуда, выдержку и охлаждение по заданной программе с периодическим контролем температуры изделия и сравнения с требуемыми значениями в процессе формования вакуумирование производят непосредственно после укладки технологического пакета и эластичного гермочехла и поддерживают внутри герметичного чехла, а также производят изменение давления в течение процесса формования, при этом управление нагревом, выдержкой и охлаждением производят ориентированно направленным из межстенной полости, ламинарным потоком теплоносителя, отраженного от крышки равномерно со всех сторон изделия.To achieve a technical result in a method for manufacturing a multilayer product from polymer composite materials, mainly in the form of a body of revolution, including assembling a multilayer product on a forming element, laying a technological package, securing a sealed elastic cover, placing it in a sealed vessel, thermally insulated from the environment, with a hermetically sealed lid , evacuation of the volume under the cover, heating the chamber of the entire sealed vessel, holding and cooling according to a given program periodically monitoring the temperature of the product and comparing it with the required values during molding, evacuation is carried out immediately after laying the technological package and the elastic thermocover and is supported inside the sealed cover, and the pressure is changed during the molding process, while the heating, holding and cooling are controlled in an oriented direction from the interstitial cavity, by a laminar flow of coolant reflected from the lid evenly from all sides of the product.
Также для равномерного нагрева и отверждения крупногабаритных, толстостенных и разнотолщинных изделий предлагается процесс ступенчатого нагрева с промежуточным термостатированием на каждом этапе для выравнивания температуры в разных точках изделия и такого же охлаждения.Also, for uniform heating and curing of large-sized, thick-walled and multi-thickness products, a stepwise heating process with intermediate temperature control at each stage is proposed to equalize the temperature at different points of the product and the same cooling.
Необходимо отметить, что при вертикальном расположении изделия в горизонтальном устройстве (фиг. 1), а также иное движение теплоносителя не позволяет достичь равномерности температур на изделии, т.к. температура с фронтальной стороны изделия TA, по отношению к набегающему тепловому потоку будет выше температуры изделия с тыльной стороны TB на величину ΔΤ, существенно превышающую предельно допустимое отклонение значения температуры δ при термообработке композиционных материалов и достигающее в отдельных случаях величины более 20°С, что является недопустимым для получения изделий высокого качества.It should be noted that with a vertical arrangement of the product in a horizontal device (Fig. 1), as well as other movement of the coolant, it is not possible to achieve uniform temperature on the product, because the temperature on the front side of the product T A , with respect to the incident heat flux, will be higher than the temperature of the product on the back side T B by Δ существенно, significantly exceeding the maximum permissible deviation of the temperature value δ during heat treatment of composite materials and reaching in some cases more than 20 ° C, which is unacceptable for high quality products.
Устройство изготовления многослойных изделий из полимерных композиционных материалов преимущественно в виде тел вращения, схематично показанное на фиг. 2, включает герметичный сосуд 1, термоизолированный от окружающей среды, с герметично закрывающейся крышкой 2. Вдоль боковых стенок герметичного сосуда 1 внутри установлен прикрепленный к дну циркуляционный экран 3 с центральным отверстием, образующий с герметичным сосудом 1 межстенную полость для создания направленного теплоносителя. Параллельно основанию закреплена решетчатая подставка 4 для размещения формуемого изделия 5 с формообразующим элементом 6, технологическим пакетом 7 и герметичным чехлом 8. Вентилятор 9 с электроприводом 10 с регулируемым числом оборотов закреплен соосно под отверстием циркуляционного экрана 3. Устройство также снабжено системой охлаждения с теплообменником и испарителями 11, системой подготовки, хранения и транспортировки теплоносителя 12, системой вакуумирования и конденсирования летучих продуктов 13, системой нагрева 14, системой управления 15, термодатчиками 16, датчиками давления и содержания кислорода 21 и системами безопасности 17; 19; 20 и системой продувки сосуда атмосферным воздухом 21. Герметичный чехол 8 снабжен трубками 22 вакуумной системы.A device for manufacturing multilayer products from polymer composite materials mainly in the form of bodies of revolution, shown schematically in FIG. 2 includes a sealed vessel 1, thermally insulated from the environment, with a hermetically sealed
Формообразующий элемент 6 с формуемым изделием 5, технологическим пакетом 7, с установленным герметичным чехлом 8 с вмонтированными термодатчиками 16 и трубками 22 вакуумной системы через открытую крышку 2 помещается внутрь устройства на решетчатую подставку 4. Термодатчики 16 и трубки 22 вакуумной системы подключаются к соответствующим разъемам 23, вмонтированным в корпус устройства. Крышка 2 герметично закрывается. С помощью программируемой системы управления включается система вакуумирования и система нагрева. Внутрь корпуса подается теплоноситель - нейтральный газ, вырабатываемый системой подготовки, хранения и транспортировки теплоносителя 12. Давление газа может регулироваться. Внутри корпуса устройства с помощью вентилятора 9 через межстенную полость прогоняется теплоноситель, создавая направленное движение. При этом теплоноситель, соприкасаясь с нагревательными элементами 18 системы нагрева 14, нагревается и далее перемещается через межстенную полость вертикально вверх, далее поток теплоносителя в верхней части герметичного сосуда 1 отражается от внутренней поверхности крышки 2 и меняет направление на противоположное таким образом, что образуется ламинарный поток теплоносителя, направленный вертикально вниз, так, что вектор скорости потока параллелен оси устройства.The forming
Поток теплоносителя омывает герметичный чехол 8, проходит через решетчатую подставку, трубчатый теплообменник и снова попадает на лопасти вентилятора 9, нагревательные элементы и далее в межстенную полость. Процесс длится непрерывно в течение заданного времени. Регулировкой скорости вращения вентилятора, электрической мощностью, подводимой к нагревательным элементам, вида (воздух, жидкость или воздушно-водяная смесь) и расхода теплоносителя в теплообменнике системы охлаждения, а также изменением давления посредством наддува или откачки теплоносителя достигается регулировка температуры теплоносителя внутри устройства. В режиме нагрева температура в потоке теплоносителя больше температуры формуемого изделия, поэтому при омывании потоком теплоносителя идет теплопередача от нагретого теплоносителя к формуемому изделию 5 с технологическим пакетом 7. В режиме выдержки устанавливается тепловое равновесие между формуемым изделием 5 с технологическим пакетом 7 и теплоносителем. Для охлаждения в трубке теплообменника системы охлаждения подается постоянно циркулирующий теплоноситель, температура которого заведомо ниже температуры теплового потока в устройстве. В результате теплообмена между теплоносителем системы нагрева на стенках теплообменника и тепловым потоком температура теплоносителя снижается. В режиме охлаждения, при омывании потоком изделия с технологическим пакетом, происходит обратный процесс отдачи тепла от изделия к среде теплоносителя, т.к. температура формуемого изделия выше температуры теплоносителя.The coolant flow is washed by an
В качестве герметичного чехла в описанном выше процессе, термообработки крупногабаритных композитных конструкций применяются оболочки, близкие по форме к поверхности формуемого изделия, которые нередко изготавливаются из резины - высокоэластичного легкодеформируемого материала, способного равномерно наилучшим образом облегать изделия и передавать внешнее давление на материал, а также обеспечивать надежную герметизацию при вакуумировании. В качестве исходного материала для оболочек используются, во многих случаях, резиновые смеси на основе натурального каучука, поскольку только такие смеси в сыром виде обладают необходимым комплексом технологических свойств, позволяющих сформовать крупногабаритные чехлы. Вместе с тем известно, что данные резины подвержены термоокислительной деструкции, приводящей к разрушению структуры материала и разгерметизации чехлов. Особенно интенсивно этот процесс происходит при эксплуатации в сжатой воздушной среде при повышенных температурах. Разгерметизация чехлов в процессе отверждения материалов создает условия для воспламенения летучих продуктов, входящих в состав связующих, используемых в композитах, а также для протекания процесса термоокислительной деструкции самих композиционных материалов и, особенно в процессе формования крупногабаритных толстостенных изделий, в состав которых входят связующие, отверждающиеся с экзотермическим эффектом, что создает условия для возгорания и прогаров изделий. Неравномерное обтекание, а, равно как и неподвижность теплоносителя, наличие теневых зон внутри устройства, приводящие к значительным градиентам температур на поверхности резинового чехла, еще более усугубляют данные негативные процессы.As a sealed cover in the process described above, heat treatment of large-sized composite structures, shells are used that are close in shape to the surface of the molded product, which are often made of rubber - a highly elastic easily deformable material that is able to uniformly fit the products in the best way and transfer external pressure to the material, as well as provide reliable sealing during evacuation. In many cases, natural rubber based rubber mixtures are used as the starting material for the shells, since only such mixtures in raw form have the necessary set of technological properties that make it possible to form large-sized covers. However, it is known that these rubbers are subject to thermal oxidative degradation, leading to destruction of the material structure and depressurization of the covers. This process is especially intense during operation in a compressed air at elevated temperatures. The depressurization of the covers during the curing of the materials creates conditions for igniting the volatile products that make up the binders used in the composites, as well as for the process of thermo-oxidative degradation of the composite materials themselves and, especially during the formation of large-sized thick-walled products, which include binders that cure with exothermic effect, which creates conditions for ignition and burnout of products. Uneven flow around, as well as the immobility of the coolant, the presence of shadow zones inside the device, leading to significant temperature gradients on the surface of the rubber cover, further aggravate these negative processes.
Основными условиями получения качественного композиционного материала с полимерной матрицей являются равномерная, строго нормированная передача тепла материалу для инициирования и прохождения химических реакций полимеризации одновременно во всем объеме материала для равномерного отверждения, а также приложение равномерно распределенной по поверхности формуемого материала определенной силы давления для уплотнения материала и придания требуемой формы, соответствующей форме изготавливаемого изделия.The main conditions for obtaining a high-quality composite material with a polymer matrix are uniform, strictly standardized heat transfer to the material to initiate and undergo chemical polymerization reactions simultaneously in the entire volume of the material for uniform curing, as well as the application of a certain pressure uniformly distributed over the surface of the formed material to compact the material and impart the required shape corresponding to the shape of the manufactured product.
Равномерность давления осуществляется двумя способами. В случае, когда требуется небольшое усилие для уплотнения материала - удельной величиной менее 0,1 МПа, достаточно провести вакуумирование полости под герметичным чехлом и тогда за счет разницы между внешним атмосферным давлением газообразной среды в устройстве (фиг. 2) и остаточным давлением под герметичным чехлом создается равномерно распределенное давление на поверхности герметичного чехла и передача соответствующего давления на формуемый материал. Изменяя степень разрежения под герметичным чехлом, можно регулировать давление в пределах от 0 до 0,1 МПа. При необходимости создания давления, равного или превышающего величину 0,1 МПа, включается система подготовки теплоносителя 12, которая дополнительно сжимает газ до требуемого давления и подает в сосуд 1 (фиг. 2), где он также равномерно воздействует на формуемый материал.The uniformity of pressure is carried out in two ways. In the case when a small force is required to seal the material - with a specific value of less than 0.1 MPa, it is enough to vacuum the cavity under a sealed cover and then due to the difference between the external atmospheric pressure of the gaseous medium in the device (Fig. 2) and the residual pressure under the sealed cover uniformly distributed pressure is created on the surface of the sealed cover and the corresponding pressure is transferred to the material being formed. By changing the degree of rarefaction under a sealed cover, you can adjust the pressure in the range from 0 to 0.1 MPa. If it is necessary to create a pressure equal to or greater than 0.1 MPa, the heating medium preparation system 12 is turned on, which additionally compresses the gas to the required pressure and delivers it to the vessel 1 (Fig. 2), where it also acts uniformly on the material being formed.
Множество крупногабаритных изделий из полимерных композитов выпускаются в виде тел вращения - усеченного конуса, цилиндра, сферы или сопряжения поверхностей, например, усеченного конуса и сферы, цилиндра, усеченного конуса и сферы, и т.п. Равномерность температуры при тепловой обработке таких поверхностей во многом достигается за счет малого градиента температуры в тепловом потоке теплоносителя, равномерностью воздействия потока на изделие. В данном способе эффект достигается за счет определенной взаимной ориентации вектора скорости теплового потока и обрабатываемого изделия, например, для изделий, имеющих форму усеченного конуса, усеченного конуса и сферы, и др. подобных, вектор скорости теплового потока направлен параллельно оси изделия. Принципиально важным условием является то, что во всех случаях изделие располагается таким образом, что ось симметрии параллельна вектору силы тяжести. Такое расположение формуемых изделий из композитов в виде тел вращения в процессе нагрева и технологической выдержки (термостатирования) обеспечивает не только равномерность температурного поля, но также оптимальные условия для растекания и равномерного распределения связующего на этапе процесса, когда связующее при нагреве и достижении определенной температуры находится в вязкотекучем состоянии. Решающее значение для наилучшего распределения связующего в объеме материала имеет одновременность перехода в вязкотекучее состояние во всех точках изделия, что может быть достигнуто только равномерностью температуры при нагреве и термостатировании. Тогда текучее связующее, под действием не только давления формования, но и силы тяжести, может перемещаться из зон с избыточным содержанием в зоны, где имеются пустоты, или концентрация ниже, по сравнению с соседними зонами, тем самым обеспечивается равномерность распределения, что является непременным условием качества материала и изделия в целом. Действие силы тяжести также создает направленное течение связующего к нижнему краю вертикально установленного изделия, обеспечивая заполнение при течении пустот и пор, а также способствует вытеканию имеющегося всегда некоторого излишка связующего, в нижней зоне, где специально создаются свободные полости для сбора связующего.Many large-sized products made of polymer composites are produced in the form of bodies of revolution — a truncated cone, cylinder, sphere or conjugation of surfaces, for example, a truncated cone and sphere, a cylinder, a truncated cone and sphere, etc. The uniformity of temperature during the heat treatment of such surfaces is largely achieved due to the small temperature gradient in the heat flow of the coolant, the uniform effect of the flow on the product. In this method, the effect is achieved due to a certain mutual orientation of the heat flux velocity vector and the workpiece, for example, for products having the shape of a truncated cone, a truncated cone and a sphere, etc., the heat flux velocity vector is parallel to the axis of the product. A fundamentally important condition is that in all cases the product is positioned so that the axis of symmetry is parallel to the gravity vector. Such an arrangement of molded articles made of composites in the form of bodies of revolution during heating and technological exposure (thermostating) provides not only uniformity of the temperature field, but also optimal conditions for the spreading and uniform distribution of the binder at the process stage, when the binder is heated and reaches a certain temperature viscous flow state. Of decisive importance for the best distribution of the binder in the bulk of the material is the simultaneous transition to a viscous flow state at all points of the product, which can only be achieved by uniformity of temperature during heating and temperature control. Then, a fluid binder, under the influence of not only molding pressure, but also gravity, can move from areas with excess content to areas where there are voids, or the concentration is lower compared to neighboring zones, thereby ensuring uniform distribution, which is an indispensable condition the quality of the material and the product as a whole. The action of gravity also creates a directed flow of the binder to the lower edge of the vertically installed product, ensuring filling during the flow of voids and pores, and also facilitates the flow of always some excess binder in the lower zone, where free cavities are specially created to collect the binder.
Claims (3)
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2574261C1 true RU2574261C1 (en) | 2016-02-10 |
Family
ID=
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU215268U1 (en) * | 2022-08-11 | 2022-12-06 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский государственный технологический университет "СТАНКИН" (ФГБОУ ВО "МГТУ "СТАНКИН") | Device for molding products from polymer composite materials |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4828472A (en) * | 1983-12-16 | 1989-05-09 | Kawasaki Jukogyo Kabushiki Kaisha | Apparatus for molding and solidifying a resinous composite structure |
| RU2255280C1 (en) * | 2004-06-15 | 2005-06-27 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Ульяновский государственный технический университет" | Batch-operated thermal furnace |
| RU2480334C1 (en) * | 2012-02-07 | 2013-04-27 | Закрытое Акционерное Общество "Аэрокомпозит" | Method of making articles from fibrous polymer composite by surface infusion and device to this end |
| RU2517508C1 (en) * | 2012-12-18 | 2014-05-27 | Открытое акционерное общество Научно-производственное объединение "Искра" | Mould for making reinforced rubber articles |
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4828472A (en) * | 1983-12-16 | 1989-05-09 | Kawasaki Jukogyo Kabushiki Kaisha | Apparatus for molding and solidifying a resinous composite structure |
| RU2255280C1 (en) * | 2004-06-15 | 2005-06-27 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Ульяновский государственный технический университет" | Batch-operated thermal furnace |
| RU2480334C1 (en) * | 2012-02-07 | 2013-04-27 | Закрытое Акционерное Общество "Аэрокомпозит" | Method of making articles from fibrous polymer composite by surface infusion and device to this end |
| RU2517508C1 (en) * | 2012-12-18 | 2014-05-27 | Открытое акционерное общество Научно-производственное объединение "Искра" | Mould for making reinforced rubber articles |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU215268U1 (en) * | 2022-08-11 | 2022-12-06 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский государственный технологический университет "СТАНКИН" (ФГБОУ ВО "МГТУ "СТАНКИН") | Device for molding products from polymer composite materials |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JP5108029B2 (en) | Method and apparatus for curing thermosetting materials | |
| CN101655310B (en) | Protective atmosphere vacuum sintering furnace with high temperature of 1800 DEG C | |
| CN105965915A (en) | Device for molding of composite material and method therefor | |
| US10124550B2 (en) | Device and method for vulcanizing tires | |
| CN107044662B (en) | Heating oven | |
| WO2007053016A2 (en) | Surface and method for the manufacture of photovolataic cells using a diffusion process | |
| WO2000054949A2 (en) | Heated tooling apparatus and method for processing composite and plastic material | |
| CN109494176A (en) | Device and method for processing semiconductor devices | |
| WO2020069060A1 (en) | Thermally regulated window cassette for additive manufacturing apparatus | |
| RU2574261C1 (en) | Device and method of manufacturing of multi-layer products out of polymer composite materials mainly in form of bodies of rotation | |
| TWM538875U (en) | Carbon-fiber product forming device | |
| CN104690986B (en) | Hybrid microwave heating and pressurizing device | |
| CN110933937B (en) | Combined device and method for smoothing the surface of plastic products | |
| TWI763167B (en) | Thermoforming device | |
| US10195803B2 (en) | Device for preheating at least one mold | |
| US8840394B2 (en) | Injection molding apparatus having a plate heater and having a cooling passage or an insulation space | |
| CN214746841U (en) | A oven for cubic material is dried | |
| CN110933936B (en) | Apparatus and method for solvent vapor smoothing of surfaces of plastic articles | |
| EP2182881A2 (en) | Microwave sintering furnace and method for sintering artificial tooth using the same | |
| KR101033828B1 (en) | Manufacturing method of product and heat-treating apparatus for the same | |
| JP6918347B2 (en) | Heat treatment method and heat treatment equipment | |
| TWI547447B (en) | Device for forming glass product | |
| CN106609354A (en) | Temperature controllable base table of semiconductor coating equipment | |
| TW202030073A (en) | Temperature rising and lowering device for stacked carbon fiber shaping mold for enhancing production efficiency of carbon fiber shaping | |
| RU122607U1 (en) | STAND FOR FORMING SAMPLES FROM POLYMERIC COMPOSITE MATERIALS BY QUIKSTEP TECHNOLOGY |