RU2779268C1 - Method for carrying out contactless laying out of products made of polymer composite materials and a universal module for carrying out the method - Google Patents
Method for carrying out contactless laying out of products made of polymer composite materials and a universal module for carrying out the method Download PDFInfo
- Publication number
- RU2779268C1 RU2779268C1 RU2021127979A RU2021127979A RU2779268C1 RU 2779268 C1 RU2779268 C1 RU 2779268C1 RU 2021127979 A RU2021127979 A RU 2021127979A RU 2021127979 A RU2021127979 A RU 2021127979A RU 2779268 C1 RU2779268 C1 RU 2779268C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- universal module
- impregnated
- mandrel
- laying out
- coil
- Prior art date
Links
- 239000002131 composite material Substances 0.000 title claims abstract description 52
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 title claims abstract description 35
- 239000000463 material Substances 0.000 claims abstract description 98
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims abstract description 24
- 229920005596 polymer binder Polymers 0.000 claims abstract description 21
- 239000002491 polymer binding agent Substances 0.000 claims abstract description 21
- 238000000034 method Methods 0.000 claims abstract description 12
- 229920002456 HOTAIR Polymers 0.000 claims abstract description 10
- 239000011230 binding agent Substances 0.000 claims description 36
- 238000007493 shaping process Methods 0.000 claims description 27
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 claims description 12
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 claims description 8
- 230000001105 regulatory Effects 0.000 claims description 4
- 238000001816 cooling Methods 0.000 claims description 3
- 238000005096 rolling process Methods 0.000 abstract description 7
- 230000001681 protective Effects 0.000 abstract description 3
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract description 3
- 238000010276 construction Methods 0.000 abstract description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 2
- 239000000047 product Substances 0.000 description 52
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 22
- 239000000835 fiber Substances 0.000 description 9
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 6
- 238000003825 pressing Methods 0.000 description 6
- 238000007789 sealing Methods 0.000 description 6
- 238000004804 winding Methods 0.000 description 5
- 210000004544 DC2 Anatomy 0.000 description 4
- 230000002530 ischemic preconditioning Effects 0.000 description 4
- 230000003014 reinforcing Effects 0.000 description 4
- 238000009434 installation Methods 0.000 description 3
- 238000004805 robotic Methods 0.000 description 3
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 2
- 239000000945 filler Substances 0.000 description 2
- 239000012467 final product Substances 0.000 description 2
- 238000005755 formation reaction Methods 0.000 description 2
- 238000005470 impregnation Methods 0.000 description 2
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 description 2
- 239000011265 semifinished product Substances 0.000 description 2
- 239000000853 adhesive Substances 0.000 description 1
- 230000001070 adhesive Effects 0.000 description 1
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 1
- 230000000181 anti-adherence Effects 0.000 description 1
- 238000007664 blowing Methods 0.000 description 1
- 239000003795 chemical substances by application Substances 0.000 description 1
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 description 1
- 230000001276 controlling effect Effects 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 239000011152 fibreglass Substances 0.000 description 1
- 238000000465 moulding Methods 0.000 description 1
- 238000010525 oxidative degradation reaction Methods 0.000 description 1
- 239000004848 polyfunctional curative Substances 0.000 description 1
- 238000003303 reheating Methods 0.000 description 1
- 239000011347 resin Substances 0.000 description 1
- 229920005989 resin Polymers 0.000 description 1
- 238000000926 separation method Methods 0.000 description 1
- 229920001169 thermoplastic Polymers 0.000 description 1
- 239000004416 thermosoftening plastic Substances 0.000 description 1
- 238000009966 trimming Methods 0.000 description 1
Images
Abstract
Description
Группа изобретений относится к способу и устройству для подготовки и подачи ленты с предварительно пропитанным полимерным связующим материалом на формообразующую оправку методом выкладки и может быть использовано в технологических процессах и установках для получения широкого спектра многослойных композитных изделий сложного профиля для машиностроительной, авиационной, судостроительной, нефтегазовой и строительной промышленности.SUBSTANCE: group of inventions relates to a method and device for preparing and supplying a tape with a pre-impregnated polymeric binder material onto a forming mandrel by laying out and can be used in technological processes and installations for obtaining a wide range of multilayer composite products of a complex profile for machine-building, aviation, shipbuilding, oil and gas and construction industry.
В современном производстве наметился спрос на замещение классических природных материалов на полимерные композиционные. Преимущество использования таких материалов заключается в снижении веса конструкции, повышении прочности, надежности, ресурса, других эксплуатационных качеств.In modern production, there has been a demand for the replacement of classical natural materials with polymer composite ones. The advantage of using such materials is to reduce the weight of the structure, increase strength, reliability, resource, and other operational qualities.
В общем случае технология изготовления композитных изделий, армированных непрерывными волокнами, состоит в следующем:In general, the technology for manufacturing composite products reinforced with continuous fibers is as follows:
1) изготовление формообразующей оправки, определяющей форму изделия;1) production of a shaping mandrel that determines the shape of the product;
2) нанесение на оправку антиадгезионного состава для того, чтобы после отверждения изделие не приклеилось к оправке;2) applying an anti-adhesive compound to the mandrel so that after curing the product does not stick to the mandrel;
3) приготовление полимерного связующего (совмещение основы, отвердителя и других модифицирующих компонентов) и пропитка им волокнистого наполнителя либо использование предварительно пропитанных армирующих материалов (препрегов);3) preparation of a polymer binder (combining the base, hardener and other modifying components) and impregnation of the fibrous filler with it or the use of pre-impregnated reinforcing materials (prepregs);
4) послойная укладка и прикатка армирующего наполнителя на оправку;4) layer-by-layer laying and rolling of the reinforcing filler onto the mandrel;
5) отверждение многослойной конструкции;5) curing of the multilayer structure;
6) снятие изделия с оправки после отверждения, обрезка припуска, контроль и т. д.6) removal of the product from the mandrel after curing, trimming the allowance, control, etc.
Увеличение потребности в изделиях из композиционных материалов требует значительного снижения трудоемкости процесса изготовления и сокращения времени производственного цикла при сохранении высокого качества изделий.Increasing demand for products made of composite materials requires a significant reduction in the complexity of the manufacturing process and a reduction in the production cycle time while maintaining high quality products.
Проведенный анализ современного уровня техники показал довольно широкий спектр оборудования и технологии для изготовления многослойных изделий из композитных материалов.The analysis of the state of the art showed a fairly wide range of equipment and technologies for the manufacture of multilayer products from composite materials.
Известен способ изготовления композитного изделия (патент RU 2053124, МПК B29C 53/72, заявка 4895698/05 от 24.06.1991) заключающийся в намотке предварительно нагретых волокнистых полуфабрикатов на оправку под механическим напряжением с последующим повторным нагревом и приложением механического усилия в месте укладки волокон на оправку. Недостатком известного устройства является двукратный нагрев термопластичного материала, что может привести к негативным изменениям механических и других свойств заготовки в результате термоокислительной деструкции. Кроме того используемый жесткий ролик имеет технологические ограничения которые не позволят осуществлять выкладку материала на оправку имеющую сложные формы и изгибы что существенно ограничивает его массовое использование. Еще одним существенным недостатком известного способа изготовления композитного изделия является использование сложного и громоздкого технологического оборудования для его реализации. Известный способ применим для создания заготовок и композитных изделий простых форм и профилей.A known method for manufacturing a composite product (patent RU 2053124, IPC B29C 53/72, application 4895698/05 dated 06/24/1991) consists in winding preheated fibrous semi-finished products on a mandrel under mechanical stress, followed by reheating and applying mechanical force at the place where the fibers are laid on mandrel. The disadvantage of the known device is the double heating of the thermoplastic material, which can lead to negative changes in the mechanical and other properties of the workpiece as a result of thermo-oxidative degradation. In addition, the rigid roller used has technological limitations that will not allow laying out the material on a mandrel that has complex shapes and bends, which significantly limits its mass use. Another significant disadvantage of the known method of manufacturing a composite product is the use of complex and cumbersome technological equipment for its implementation. The known method is applicable to create blanks and composite products of simple shapes and profiles.
Известен способ изготовления заготовок и изделии армированных стекловолокном (патент DE 2421619 A1, МПК B29C 53/66, B29C 53/84, заявка DE 19742421619 19740504 от 04.05.1974) заключающийся в намотке предварительно пропитанных волокон на оправку с последующим их ультрафиолетовым облучением. Достоинством известного способа является возможность реализации более сложных требуемых форм заготовок и изделии. Недостатком известного устройства является необходимость использования пропитки и использования определенного армирующего материала. Кроме того данная технология требует использование направленного ультрафиолетового излучения определенной интенсивности для создания требуемых прочностных характеристик изделия. К недостаткам также следует отнести сложную конструкцию устройства и технологию, требующую контроля выполнения каждой из технологических операции.A known method of manufacturing blanks and products reinforced with fiberglass (patent DE 2421619 A1, IPC B29C 53/66, B29C 53/84, application DE 19742421619 19740504 dated 05/04/1974) consists in winding pre-impregnated fibers on a mandrel with their subsequent ultraviolet irradiation. The advantage of the known method is the possibility of implementing more complex required forms of workpieces and products. The disadvantage of the known device is the need to use impregnation and the use of a certain reinforcing material. In addition, this technology requires the use of directed ultraviolet radiation of a certain intensity to create the required strength characteristics of the product. The disadvantages also include the complex design of the device and the technology that requires monitoring the implementation of each of the technological operations.
Известен способ и устройство для нанесения волокна и изготовления деталей из композитного материала (патент US 20100252183 A1, МПК B29C 53/50, заявка US 20090434253 20090501 от 02.04.2009) который содержит головку для нанесения волокна и подвижную систему для перемещения указанной головки для нанесения волокна. Головка для нанесения волокна содержит уплотняющий ролик, предназначенный для прикатки (создания механического усилия в месте укладки) волокна на оправку. Такое устройство позволяет осуществлять поворот головки вокруг сложной криволинейной поверхности таким образом, что уплотняющий ролик остается в контакте с наносимым материалом, по меньшей мере, одной линией контакта. Достоинством известного способа и устройства, которое содержит подвижную систему, является возможность перемещения головки для нанесения волокна относительно оправки, что позволяет изготавливать изделия большого размера и более сложной конструкции, чем ранее рассмотренные аналоги. К недостаткам известного способа и устройства следует отнести использование жесткого уплотняющего ролика, который не позволит осуществить выкладку материала на профили оправки имеющей малые радиусы изгибов, выступы и поднутрения. Кроме того в известном способе и конструкции головки при прикатке уплотняющего ролика возможно прилипание материала к поверхности ролика и снижение качества получаемого изделия. Для предотвращения прилипания к уплотняющему ролику материала его необходимо прикатывать через технологическую подложку, которая после прикатки согласно технологии должна быть удалена. При этом последующее удаление подложки от материала после прикатки уплотняющим роликом может приводить к отклеиванию материала от оправки. Еще одним недостатком известного устройства является необходимость использования подвижной системы для перемещения указанной головки, которая, как правило, имеет сложную кинематику и должна создавать достаточные усилия во время прикатки уплотняющего ролика по материалу, наносимому на оправку.A known method and device for applying fibers and manufacturing parts from a composite material (patent US 20100252183 A1, IPC B29C 53/50, application US 20090434253 20090501 dated 04/02/2009) which contains a head for applying fibers and a movable system for moving the specified head for applying fibers . The head for applying the fiber contains a sealing roller designed for rolling (creating a mechanical force at the place of laying) the fiber onto the mandrel. Such a device allows the head to be rotated around a complex curved surface in such a way that the sealing roller remains in contact with the applied material, at least one line of contact. The advantage of the known method and device, which contains a movable system, is the ability to move the fiber deposition head relative to the mandrel, which makes it possible to manufacture products of a large size and more complex design than the previously considered analogues. The disadvantages of the known method and device include the use of a rigid sealing roller, which will not allow the material to be laid out on the profiles of the mandrel having small bend radii, protrusions and undercuts. In addition, in the known method and design of the head, when rolling in the sealing roller, the material may stick to the surface of the roller and reduce the quality of the resulting product. To prevent the material from sticking to the compacting roller, it must be rolled through the technological substrate, which must be removed after rolling according to the technology. In this case, the subsequent removal of the substrate from the material after rolling with a sealing roller can lead to the material peeling off the mandrel. Another disadvantage of the known device is the need to use a movable system to move the specified head, which, as a rule, has complex kinematics and must create sufficient forces during the rolling of the sealing roller over the material applied to the mandrel.
Наиболее близким по технической сущности является способ изготовления многослойных изделий из полимерных композиционных материалов и станок для осуществления способа (патент RU 2697334 С1, МПК B29C 53/36, B29C 53/56, B29C 53/62, B29C 53/84, заявка 2018122630 от 21.06.2018) который включает установку на станок формообразующей оправки с последующей намоткой на нее заданного количества слоев полимерного композиционного материла. В процессе намотки к наматываемому материалу в зоне его контакта с формообразующей оправкой прикладывают усилие прижима, осуществляемое горячей воздушной струей, направленное к формообразующей оправке. Станок оснащен компрессором, нагревателем и как минимум одной воздушной форсункой, закрепленной на каретке с возможностью вертикального настроечного перемещения и соединенной воздухопроводом с выходом компрессора. Достоинством известного способа и устройства является повышение качества выкладки и формовки изделий из полимерных композиционных материалов за счет применения бесконтактного средства, замещающего ролик, и позволяющего обойти практически все перечисленные недостатки присущие ранее рассмотренным способам и устройствам. А именно известные способ и устройство позволяют изготавливать изделия любых габаритных размеров и форм, устраняют проблему прилипания материала к ролику, так как известный способ подразумевает бесконтактную выкладку. Кроме того предложенный способ и станок отличаются простотой как технологического так и конструктивного характера и позволяют расширить функциональные и эксплуатационные возможности технологии и конструкции по изготовлению изделий из полимерных композиционных материалов. К недостаткам известного способа и устройства следует отнести то, что материал наносится на оправку с предварительным натяжением, что для определенных форм оправок (с углублениями и иными формами) требует большего усилия прижима (давления), которое должно создаваться горячей воздушной струей исходящей из форсунки. В противном случае возможно образование воздушных пустот и дефекта в изделии с ухудшением его заявленных эксплуатационных характеристик. Кроме всего при использовании узких лент, из-за небольшой площади обдува, не создается достаточная парусность, и предварительно пропитанный полимерный связующий материал не укладывается плотно. При использовании широких лент и недостаточного усилия прижима горячей воздушной струей может возникнуть краевой эффект - материал укладывается хорошо, только посередине ленты, а по краям остаются воздушные пустоты.The closest in technical essence is a method for manufacturing multilayer products from polymer composite materials and a machine for implementing the method (patent RU 2697334 C1, IPC B29C 53/36, B29C 53/56, B29C 53/62, B29C 53/84, application 2018122630 dated 21.06 .2018), which includes the installation of a forming mandrel on the machine, followed by winding a specified number of layers of polymer composite material on it. In the process of winding, a clamping force is applied to the wound material in the zone of its contact with the forming mandrel, which is carried out by a hot air jet, directed to the forming mandrel. The machine is equipped with a compressor, a heater and at least one air nozzle mounted on a carriage with the possibility of vertical adjustment movement and connected by an air duct to the compressor outlet. The advantage of the known method and device is to improve the quality of the layout and molding of products from polymer composite materials through the use of a non-contact agent that replaces the roller, and allows you to bypass almost all of the listed disadvantages inherent in the previously considered methods and devices. Namely, the known method and device make it possible to manufacture products of any overall dimensions and shapes, eliminate the problem of material sticking to the roller, since the known method involves non-contact laying out. In addition, the proposed method and machine are simple both technologically and structurally and allow expanding the functional and operational capabilities of the technology and design for the manufacture of products from polymer composite materials. The disadvantages of the known method and device include the fact that the material is applied to the mandrel with pre-tension, which for certain forms of mandrels (with recesses and other shapes) requires a greater clamping force (pressure), which must be created by a hot air jet coming from the nozzle. Otherwise, the formation of air voids and a defect in the product with a deterioration in its declared performance characteristics is possible. In addition, when using narrow belts, due to the small airflow area, sufficient windage is not created, and the pre-impregnated polymer binder material does not fit tightly. When using wide belts and insufficient pressing force with a hot air jet, an edge effect may occur - the material fits well, only in the middle of the belt, and air voids remain at the edges.
Задачей предлагаемого изобретения является совершенствование технологии и способа осуществления бесконтактной выкладки изделий из полимерных композитных материалов и создание универсального модуля для реализации предложенного способа. Универсальный модуль для реализации предложенного способа может быть использован как при модернизации существующих станков, так и при разработке и создании новых. Предлагаемое изобретение позволит расширить функциональные возможности способа и устройства, повысить степень автоматизации, повысить производительность (сократить время технологического цикла), а также существенно улучшить качество выкладки и качество полученного многослойного изделия из полимерных композиционных материалов. Кроме всего предлагаемое изобретение позволит расширить номенклатуру изготавливаемых изделий, а также снизить их себестоимость.The objective of the invention is to improve the technology and method for the implementation of non-contact laying out of products from polymer composite materials and the creation of a universal module for implementing the proposed method. The universal module for implementing the proposed method can be used both in the modernization of existing machines and in the development and creation of new ones. The present invention will expand the functionality of the method and device, increase the degree of automation, increase productivity (reduce the time of the technological cycle), as well as significantly improve the quality of the layout and the quality of the resulting multilayer product from polymer composite materials. In addition, the proposed invention will expand the range of manufactured products, as well as reduce their cost.
Описанные преимущества достигаются тем, что в предложенном способе и универсальном модуле для реализации предложенного способа дополнительно предусмотрены технологические операции подготовки и механизированной принудительной подачи ленты с предварительно пропитанным полимерным связующим материалом на формообразующую оправку с последующим воздействием на материал горячим воздухом из форсунки. При этом защитная подложка с предварительно пропитанного армирующего материала (препрега) снимается непосредственно в самом универсальном модуле перед принудительной подачей материала на формообразующую оправку.The described advantages are achieved by the fact that in the proposed method and the universal module for implementing the proposed method, technological operations are additionally provided for preparing and mechanized forced supply of a tape with a pre-impregnated polymeric binder material to a shaping mandrel, followed by exposing the material to hot air from a nozzle. In this case, the protective substrate from the pre-impregnated reinforcing material (prepreg) is removed directly in the universal module itself before the forced supply of material to the forming mandrel.
Для достижения указанного технического результата используется следующая совокупность существенных признаков: способ осуществления бесконтактной выкладки изделий из полимерных композитных материалов (как и в прототипе включающий послойную выкладку заданного количества слоев ленты с предварительно пропитанным полимерным связующим материалом на формообразующую оправку, причем в процессе послойной выкладке к материалу в зоне его контакта с формообразующей оправкой прикладывают усилие прижима, осуществляемое давлением истекающей из форсунки воздушной струи, направленной на материал в месте его соприкосновения с оправкой, направленное к формообразующей оправке, причем в процессе послойной выкладки материала на оправку производят его нагрев в зоне пятна контакта с формообразующей оправкой, который осуществляют за счет нагрева воздушной струи, после формирования изделия проводят отверждение его композиционных слоев, которое ведут при регламентированной температуре отверждения, которую поддерживают воздействием на материал нагретой воздушной струи поступающей из форсунки) в отличие от прототипа, осуществляется выкладка изделия из полимерных композитных материалов из универсального модуля, причем перед непосредственным нанесением ленты с предварительно пропитанным полимерным связующим материалом на формообразующую оправку с нее автоматизировано внутри универсального модуля механизированным способом снимают технологическую подложку, а выкладку ленты с предварительно пропитанным полимерным связующим материалом на формообразующую оправку производят из универсального модуля принудительной подачей материала на поверхность формообразующей оправки механизированным способом.To achieve this technical result, the following set of essential features is used: a method for non-contact laying out of products made of polymer composite materials (as in the prototype, including layer-by-layer laying out of a given number of layers of tape with a pre-impregnated polymer binder material on a forming mandrel, moreover, in the process of layer-by-layer laying out to the material in in the zone of its contact with the forming mandrel, a pressing force is applied, carried out by the pressure of the air jet flowing from the nozzle, directed at the material at the place of its contact with the mandrel, directed towards the forming mandrel, and in the process of layer-by-layer laying out of the material on the mandrel, it is heated in the area of the contact spot with the forming mandrel. mandrel, which is carried out by heating the air jet, after the formation of the product, its composite layers are cured, which is carried out at a regulated curing temperature, which is maintained the material is exposed to the heated air jet coming from the nozzle) , in contrast to the prototype, the product is laid out of polymer composite materials from the universal module, and before directly applying the tape with the pre-impregnated polymeric binder material to the shaping mandrel, it is automatically removed inside the universal module in a mechanized way technological substrate, and laying out the tape with pre-impregnated polymeric binder material on the forming mandrel is carried out from the universal module by forced supply of material to the surface of the forming mandrel in a mechanized way.
Кроме того, способ осуществления бесконтактной выкладки изделий из полимерных композитных материалов по послойной выкладке ленты с предварительно пропитанным полимерным связующим материалом на формообразующую оправку может производиться при перемещении формообразующей оправки относительно неподвижного универсального модуля.In addition, the method for non-contact laying out of products from polymer composite materials by layer-by-layer laying out of a tape with a pre-impregnated polymeric binder material on a shaping mandrel can be carried out when the shaping mandrel is moved relative to the fixed universal module.
Кроме того, способ осуществления бесконтактной выкладки изделий из полимерных композитных материалов по послойной выкладке ленты с предварительно пропитанным полимерным связующим материалом на формообразующую оправку может производиться при перемещении универсального модуля относительно неподвижной формообразующей оправки.In addition, the method for implementing non-contact laying out of products from polymer composite materials by layer-by-layer laying out of a tape with pre-impregnated polymeric binder material on a shaping mandrel can be carried out when the universal module is moved relative to the fixed shaping mandrel.
Универсальный модуль для осуществления бесконтактной выкладки изделий из полимерных композитных материалов, который состоит из каркаса, направляющего ролика, электронагревателя с входным штуцером и воздушной форсунки в отличие от прототипа, дополнительно содержит: две катушки, первая катушка предназначена для размещения на ней ленты с предварительно пропитанным полимерным связующим материалом и защищенным сверху технологической подложкой, вторая катушка, приводимая во вращение через первую механическую передачу от электродвигателя механизма подачи предназначена для снятия и наматывания на себя технологической подложки с предварительно пропитанного полимерным связующим материала; механизм принудительной подачи предварительно пропитанного полимерным связующим материала, который состоит из двух подающих роликов приводимых во вращение от электродвигателя механизма подачи; вентиляторы охлаждения элементов универсального модуля; вторую механическую передачу и термодатчик, причем ось вращения второй катушки размещена вверху в середине каркаса универсального модуля, ось вращения первой катушки закреплена ниже с одной стороны относительно оси вращения второй катушки, под которой ниже оси вращения первой катушки расположены оси вращения подающих роликов, а с другой стороны относительно оси вращения второй катушки ниже оси вращения подающих роликов расположена ось вращения направляющего ролика таким образом, что предварительно пропитанный полимерным связующим материал с технологической подложкой разматывается с первой катушки и технологическая подложка отделяется и наматывается на вторую катушку, а предварительно пропитанный полимерный связующий материал проходит между подающими роликами на направляющий ролик, который приводится во вращение через вторую механическую передачу от электродвигателя механизма подачи, воздушная форсунка непосредственно закреплена на выходной части электронагревателя, который расположен под подающими, направляющим роликами и первой и второй катушками таким образом, что горячий воздух, который выходит из воздушной форсунки направлен на предварительно пропитанный полимерный связующий материал, свисающий с направляющего ролика, при этом первая и вторая катушки, подающие ролики, вращающиеся в разных направлениях, и направляющий ролик вращаются, согласованно осуществляя подачу предварительно пропитанного полимерным связующим материала под воздушную форсунку на выходе универсального модуля для бесконтактной выкладки предварительно пропитанного полимерным связующим материала на формообразующую оправку, на форсунке универсального модуля установлен термодатчик, под электронагревателем на каркасе расположены вентиляторы, нагнетаемый воздух с которых отводит избыточное тепло от электронагревателя и обдувает элементы универсального модуля расположенные выше электронагревателя.A universal module for non-contact laying out of products made of polymer composite materials, which consists of a frame, a guide roller, an electric heater with an inlet fitting and an air nozzle , unlike the prototype, additionally contains: two coils, the first coil is designed to accommodate a tape with a pre-impregnated polymer binding material and protected from above by a technological substrate, the second coil, driven through the first mechanical transmission from the electric motor of the feed mechanism, is designed to remove and wind the technological substrate from the pre-impregnated polymeric binder material; a mechanism for forced feeding of a pre-impregnated polymeric binder material, which consists of two feed rollers driven by the feed mechanism electric motor; fans for cooling the elements of the universal module; a second mechanical transmission and a temperature sensor, wherein the axis of rotation of the second coil is located at the top in the middle of the frame of the universal module, the axis of rotation of the first coil is fixed lower on one side relative to the axis of rotation of the second coil, under which, below the axis of rotation of the first coil, the axes of rotation of the feed rollers are located, and on the other side relative to the axis of rotation of the second coil, below the axis of rotation of the feed rollers, the axis of rotation of the guide roller is located in such a way that the pre-impregnated polymer binder material with the technological substrate is unwound from the first coil and the technological substrate is separated and wound on the second coil, and the pre-impregnated polymer binder material passes between feed rollers on the guide roller, which is driven through the second mechanical transmission from the electric motor of the feed mechanism, the air nozzle is directly fixed on the outlet part of the electric heater, which is located on the feed rollers, guide rollers and the first and second spools so that the hot air that exits the air nozzle is directed to the pre-impregnated resin bonding material hanging from the guide roller, while the first and second spools, feed rollers, rotate in different directions, and the guide roller rotate, consistently supplying the pre-impregnated polymer binder material under the air nozzle at the output of the universal module for contactless laying out the pre-impregnated polymer binder material on the shaping mandrel, a temperature sensor is installed on the nozzle of the universal module, fans are located on the frame under the electric heater, the blown air from which removes excess heat from the electric heater and blows over the elements of the universal module located above the electric heater.
Сущность изобретения заключается в том, что защитная подложка с препрега снимается перед воздействием на материал горячим воздухом из форсунки. При этом универсальный модуль оснащается отдельным приводом принудительной подачи связующего материала на формообразующую оправку, что в совокупности позволит расширить функциональные возможности способа и устройства, повысить степень автоматизации, сократить время технологического цикла, а также повысить качество выкладки и качество полученного многослойного изделия из полимерных композиционных материалов.The essence of the invention lies in the fact that the protective substrate is removed from the prepreg before the material is exposed to hot air from the nozzle. At the same time, the universal module is equipped with a separate drive for forced supply of the binder material to the forming mandrel, which together will expand the functionality of the method and device, increase the degree of automation, reduce the time of the technological cycle, as well as improve the quality of laying out and the quality of the resulting multilayer product made of polymer composite materials.
Сопоставление предлагаемого изобретения и прототипа показало, что поставленные задачи - сокращение времени технологического цикла, повышение качества выкладки с повышением качества конечного изделия - решается в результате новой совокупности признаков, что доказывает соответствие группы изобретений критерию патентоспособности «новизна».Comparison of the proposed invention and the prototype showed that the tasks set - reducing the time of the technological cycle, improving the quality of the layout with improving the quality of the final product - is solved as a result of a new set of features, which proves that the group of inventions meets the patentability criterion "novelty".
Сущность заявленной группы изобретений поясняется чертежами, где:The essence of the claimed group of inventions is illustrated by drawings, where:
на Фиг.1 - представлены общие виды и разрез конструкции универсального модуля;figure 1 - presents general views and a section of the design of the universal module;
на Фиг.2 - представлена внутренняя конструкция универсального модуля и схема процесса бесконтактной выкладки изделий из полимерных композитных материалов;figure 2 - shows the internal design of the universal module and the diagram of the process of non-contact laying out products from polymer composite materials;
на Фиг.3 - представлен вариант конструкции универсального модуля для осуществления бесконтактной выкладки изделий из полимерных композитных материалов.figure 3 - shows a design variant of the universal module for non-contact display of products made of polymer composite materials.
Способ осуществления бесконтактной выкладки изделий из полимерных композитных материалов включающий послойную выкладку заданного количества слоев ленты с предварительно пропитанным полимерным связующим материалом на формообразующую оправку, при котором в процессе послойной выкладке к материалу в зоне его контакта с формообразующей оправкой прикладывают усилие прижима. Усилие прижима осуществляют давлением истекающей из форсунки воздушной струи, направленной на материал в месте его соприкосновения с оправкой и направленное к формообразующей оправке. В процессе послойной выкладке материала на оправку производят его нагрев в зоне пятна контакта с формообразующей оправкой, который осуществляют за счет нагрева воздушной струи. После формирования изделия проводят отверждение его композиционных слоев, которое ведут при регламентированной температуре отверждения, которую поддерживают воздействием на материал нагретой воздушной струи поступающей из форсунки. Выкладку изделия из полимерных композитных материалов осуществляют из универсального модуля. Перед непосредственным нанесением ленты с предварительно пропитанным полимерным связующим материалом на формообразующую оправку с нее автоматизировано внутри универсального модуля механизированным способом снимают технологическую подложку. Выкладку ленты с предварительно пропитанным полимерным связующим материалом на формообразующую оправку производят из универсального модуля принудительной подачей материала на поверхность формообразующей оправки механизированным способом.SUBSTANCE: method for non-contact laying out of products from polymer composite materials includes layer-by-layer laying out of a given number of layers of tape with a pre-impregnated polymeric binder material on a forming mandrel, in which during layer-by-layer laying out, a pressing force is applied to the material in the zone of its contact with the forming mandrel. The clamping force is carried out by the pressure of the air jet flowing from the nozzle, directed at the material at the place of its contact with the mandrel and directed towards the shaping mandrel. In the process of layer-by-layer laying out of the material on the mandrel, it is heated in the zone of the contact spot with the forming mandrel, which is carried out by heating the air jet. After the product is formed, its composite layers are cured, which is carried out at a regulated curing temperature, which is maintained by exposing the material to a heated air jet coming from the nozzle. The layout of the product from polymer composite materials is carried out from a universal module. Prior to the direct application of the tape with the pre-impregnated polymeric binder material on the shaping mandrel, the technological substrate is automatically removed from it inside the universal module in a mechanized way. Laying out the tape with pre-impregnated polymeric binder material on the forming mandrel is carried out from the universal module by forced supply of material to the surface of the forming mandrel in a mechanized way.
Способ осуществления бесконтактной выкладки изделий из полимерных композитных материалов осуществляемый таким образом, что послойная выкладка ленты с предварительно пропитанным полимерным связующим материалом на формообразующую оправку производится при перемещении формообразующей оправки относительно неподвижного универсального модуля.A method for non-contact laying out of products from polymer composite materials in such a way that the layer-by-layer laying out of a tape with pre-impregnated polymeric binder material on a shaping mandrel is carried out when the shaping mandrel is moved relative to a fixed universal module.
Способ осуществления бесконтактной выкладки изделий из полимерных композитных материалов осуществляемый таким образом, что послойная выкладка ленты с предварительно пропитанным полимерным связующим материалом на формообразующую оправку производится при перемещении универсального модуля относительно неподвижной формообразующей оправки.A method for non-contact laying out of articles made of polymer composite materials in such a way that the layer-by-layer laying out of a tape with a pre-impregnated polymeric binder material on a forming mandrel is carried out when the universal module is moved relative to the fixed forming mandrel.
Универсальный модуль для осуществления бесконтактной выкладки изделий из полимерных композитных материалов, конструкция которого представлена на Фиг.1 и Фиг.2 содержит каркас 1, направляющий ролик 2, электронагреватель 3 с входным штуцером 4 и воздушную форсунку 5. Универсальный модуль содержит две катушки 6 и 7. Первая катушка 6 предназначена для размещения на ней ленты с предварительно пропитанным полимерным связующим материалом 8 и защищенным сверху технологической подложкой 9. Вторая катушка 7, приводимая во вращение через первую механическую передачу 10 от электродвигателя 11 механизма подачи предназначена для снятия и наматывания на себя технологической подложки 9 с предварительно пропитанного полимерного связующего материала 8. Механизм принудительной подачи предварительно пропитанного полимерного связующего материала 8 состоит из двух подающих роликов 12, 13 приводимых во вращение от электродвигателя 11 механизма подачи. Универсальный модуль для осуществления бесконтактной выкладки изделий из полимерных композитных материалов содержит вентиляторы 14, 15 охлаждения элементов универсального модуля, вторую механическую передачу 16 и термодатчик 17. Ось вращения второй катушки 7 размещена вверху в середине каркаса 1 универсального модуля. Ось вращения первой катушки 6 закреплена ниже с одной стороны относительно оси вращения второй катушки 7. Под второй катушкой 7 ниже оси вращения первой катушки 6 расположены оси вращения подающих роликов 12, 13. С другой стороны относительно оси вращения второй катушки 7 ниже оси вращения подающих роликов 12, 13 расположена ось вращения направляющего ролика 2. Взаимное расположение подвижных элементов универсального модуля выполнено таким образом, что предварительно пропитанный полимерный связующий материал 8 с технологической подложкой 9 разматывается с первой катушки 6 и технологическая подложка 9 отделяется и наматывается на вторую катушку 7. При этом предварительно пропитанный полимерный связующий материал 8 проходит между подающими роликами 12, 13 на направляющий ролик 2. Направляющий ролик 2 приводится во вращение через вторую механическую передачу 16 от электродвигателя 11 механизма подачи. Воздушная форсунка 5 непосредственно закреплена на выходной части электронагревателя 3. Электронагреватель 3 расположен под подающими 12, 13, направляющим 2 роликами и первой 6 и второй 7 катушками таким образом, что горячий воздух 18, который выходит из воздушной форсунки 5, направлен на предварительно пропитанный полимерный связующий материал 8, свисающий с направляющего ролика 2. Первая 6 и вторая 7 катушки, подающие ролики 12, 13, вращающиеся в разных направлениях, и направляющий ролик 2 вращаются, согласованно осуществляя подачу предварительно пропитанного полимерного связующего материала 8 под воздушную форсунку 5 на выходе универсального модуля для бесконтактной выкладки предварительно пропитанного полимерного связующего материала 8 на формообразующую оправку 19. На форсунке 5 универсального модуля установлен термодатчик 17. Под электронагревателем 3 на каркасе 1 расположены вентиляторы 14, 15, нагнетаемый воздух 20 с которых отводит избыточное тепло от электронагревателя 3 и обдувает элементы 7, 6, 12, 13 универсального модуля расположенные выше электронагревателя 3.A universal module for non-contact laying out of products made of polymer composite materials, the design of which is shown in Fig.1 and Fig.2, contains a
Заявленный способ осуществляют с использованием универсального модуля, конструкция которого раскрыта выше, следующим образом. Универсальный модуль (Фиг.2) осуществляет принудительную подачу предварительно пропитанного полимерного связующего материала 8 на поверхность формообразующей оправки 19 механизированным способом. В процессе послойной выкладки предварительно пропитанного полимерного связующего материала 8 в зоне его контакта с формообразующей оправкой 19 прикладывают усилие прижима. Усилие прижима осуществляют давлением истекающей из форсунки 5 воздушной струи 18, направленной на предварительно пропитанный полимерный связующий материал 8 в месте его соприкосновения с оправкой 19 и направленное к формообразующей оправке 19. В процессе послойной выкладки предварительно пропитанного полимерного связующего материала 8 на оправку 19 производят его нагрев в зоне пятна контакта с формообразующей оправкой 19, который осуществляют за счет нагрева воздушной струи 18 в электронагревателе 3. Предложенный способ предполагает перед непосредственным нанесением ленты с предварительно пропитанным полимерным связующим материалом 8 на формообразующую оправку 19 автоматизированный съем технологической подложки 9 с предварительно пропитанного полимерного связующего материала 8 внутри универсального модуля механизированным способом. После формирования изделия останавливают электродвигатель 11, а предварительно пропитанный полимерный связующий материал 8 исходящий из универсального модуля обрезают. И далее проводят отверждение его композиционных слоев, которое ведут при регламентированной температуре отверждения, которую поддерживают воздействием на материал нагретой воздушной струей 18 поступающей из форсунки 5. Требуемая температура при выкладке, а также отверждении материала поддерживается управлением нагрева электронагревателя 3 по информации, получаемой с термодатчика 17.The claimed method is carried out using a universal module, the design of which is disclosed above, as follows. The universal module (Figure 2) performs the forced supply of pre-impregnated
Следует отметить, что предложенный способ осуществления бесконтактной выкладки изделий из полимерных композитных материалов может быть реализован при перемещении формообразующей оправки 19 относительно неподвижного универсального модуля, когда формообразующая оправка 19 вращается вокруг своей оси, а универсальный модуль остаётся неподвижным. Такой способ позволит наиболее просто и эффективно осуществить модернизацию и внедрение предложенного универсального модуля в существующий парк простейших станков и устройств для изготовления изделии из композитных материалов. При этом значительно расшириться возможность такого оборудования и улучшаться его эксплуатационные характеристики.It should be noted that the proposed method for non-contact laying out of products made of polymer composite materials can be implemented by moving the shaping
Кроме всего предложенный способ осуществления бесконтактной выкладки изделий из полимерных композитных материалов также может быть реализован при перемещении универсального модуля относительно неподвижной формообразующей оправки 19 с применением роботизированного манипулятора. При этом такой роботизированный комплекс бесконтактной выкладки сможет осуществлять изготовление высококачественных заготовок и изделий любых форм и сложности.In addition, the proposed method for non-contact laying out of products made of polymer composite materials can also be implemented by moving the universal module relative to the fixed shaping
Эффективность предложенного способа должна быть обеспечена согласованным и своевременным регулированием технологических режимов по подготовке и подаче предварительно пропитанного полимерного связующего материала 8, давлению и температуре направленной воздушной струи 18 исходящей из сопла форсунки 5. Причем такое регулирование должно осуществляться независимо, но согласованно посредством управляющей программы и аппаратных средств системы управления универсального модуля и всей установки или роботизированного комплекса.The effectiveness of the proposed method should be ensured by consistent and timely regulation of technological regimes for the preparation and supply of pre-impregnated
Работа универсального модуля по бесконтактной выкладке изделий из полимерных композитных материалов происходит следующим образом. Работа универсального модуля подразумевает использование в качестве связующего элемента конечного изделия предварительно пропитанного материала - полуфабриката в роли которого выступает предварительно пропитанный полимерный связующий материал 8 с технологической подложкой 9 который должен быть изначально намотан на первой катушке 6 (Фиг.1, Фиг.2). Предварительно пропитанный полимерный связующий материал 8 с технологической подложкой 9 разматывается с катушки 6 в достаточном количестве, чтобы осуществить отделение технологической подложки 9 от предварительно пропитанного полимерного связующего материала 8 и их заправки. При этом отдельно осуществляется заправка технологической подложки 9 на вторую катушку 7, а предварительно пропитанного полимерного связующего материала 8 между подающими роликами 12, 13 и на направляющий ролик 2 на выход из универсального модуля. После чего универсальный модуль готов к работе. К универсальному модулю должен быть подведен шланг от компрессора, который подсоединяется к входному штуцеру 4 электронагревателя 3 универсального модуля, а также кабель с электрическими проводами управления электродвигателем 11, электронагревателем 3 и вентиляторами 14, 15 и проводами от термодатчика 17 (шланг и кабель не показаны на Фиг.1 - Фиг.2). При необходимости выкладки предварительно пропитанного полимерного связующего материала 8 из системы управления (не показана на Фиг.1 - Фиг.2) подается команда на включение нагревательного элемента электронагревателя 3, включение вентиляторов 14, 15, электродвигателя 11, а также должна быть выполнена подача воздуха через подходящую к универсальному модулю трубку, подсоединенную к штуцеру 4. Эффективность выкладки предварительно пропитанного полимерного связующего материала 8 и качества изготовления монолитного изделия или заготовки обеспечивается независимым согласованным регулированием: нагрева нагревательного элемента электронагревателя 3; давления воздуха исходящего из форсунки 5; скорости вращения электродвигателя 11, которая определяет скорость подачи предварительно пропитанного полимерного связующего материала 8 на формообразующую оправку 19. Температура нагретой воздушной струи 18 поступающей из форсунки 5 может регулироваться средствами нагрева нагревательного элемента электронагревателя 3 по информации с термодатчика 17 информация, с которого поступает в систему управления (не показана на Фиг.1 - Фиг.2). После формирования изделия электродвигатель 11 останавливают, а подачу нагретой воздушной струи 18 поступающей из форсунки 5 на предварительно пропитанный полимерный связующий материал 8 намотанный на формообразующей оправке 19 не прекращают. При этом производят перемещение универсального модуля относительно оправки 19, либо оправки 19 относительно универсального модуля осуществляя обдув изделия горячей воздушной струей 18 и осуществляя отверждение композиционных слоев изделия.The operation of the universal module for non-contact laying of products made of polymer composite materials is as follows. The operation of the universal module involves the use of a pre-impregnated material as a connecting element of the final product - a semi-finished product, which is a pre-impregnated
На Фиг.3 представлен вариант конструкции универсального модуля для осуществления бесконтактной выкладки изделий из полимерных композитных материалов.Figure 3 shows a variant of the design of a universal module for non-contact display of products made of polymer composite materials.
Предложенный способ и конструкция универсального модуля могут быть использованы при изготовлении многофункциональных выкладочных головок, обеспечивающих подачу, нагрев и прижим препрегового материала при изготовлении плоскостных и сложнопрофильных композитных конструкций, а также разработке и изготовлении специализированных многокоординатных намоточных станков с ЧПУ для мелкосерийного и серийного производства изделий из полимерных композиционных материалов. Таким образом, универсальный модуль, предназначенный для установки на оборудование по изготовлению изделий из композитных материалов позволяет расширить функциональные возможности оборудования.The proposed method and the design of the universal module can be used in the manufacture of multifunctional laying heads that provide feeding, heating and pressing of the prepreg material in the manufacture of planar and complex profile composite structures, as well as the development and manufacture of specialized multi-axis CNC winding machines for small-scale and serial production of polymer products. composite materials. Thus, a universal module designed for installation on equipment for the manufacture of products from composite materials allows you to expand the functionality of the equipment.
Изобретение было создано в ООО «Смарт Прогресс Инжиниринг» и апробировано на опытном образце. Полученные результаты позволяют сделать вывод о соответствии изобретения критерию «промышленная применимость».The invention was created at Smart Progress Engineering LLC and tested on a prototype. The results obtained allow us to conclude that the invention meets the criterion of "industrial applicability".
Claims (4)
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2779268C1 true RU2779268C1 (en) | 2022-09-05 |
Family
ID=
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE2421619A1 (en) * | 1974-05-04 | 1975-11-13 | Stiebel Eltron Gmbh & Co Kg | Glass fibre reinforced wound pressure container - made by progressive ultraviolet hardening from inside outwards during winding |
| US4990213A (en) * | 1988-11-29 | 1991-02-05 | Northrop Corporation | Automated tape laminator head for thermoplastic matrix composite material |
| RU2072303C1 (en) * | 1991-07-08 | 1997-01-27 | Савеловское машиностроительное акционерное общество "САВМА" | Method of producing articles from band material |
| RU2011144378A (en) * | 2009-04-02 | 2013-05-10 | Кориоли Композит | METHOD AND MACHINE FOR APPLYING FIBROUS TAPE ON CONVEX SURFACES AND / OR SURFACES WITH EDGES |
| RU2697334C1 (en) * | 2018-06-21 | 2019-08-13 | Рустам Маратович Субханкулов | Method of making multilayer articles from polymer composite materials and machine for realizing the method |
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE2421619A1 (en) * | 1974-05-04 | 1975-11-13 | Stiebel Eltron Gmbh & Co Kg | Glass fibre reinforced wound pressure container - made by progressive ultraviolet hardening from inside outwards during winding |
| US4990213A (en) * | 1988-11-29 | 1991-02-05 | Northrop Corporation | Automated tape laminator head for thermoplastic matrix composite material |
| RU2072303C1 (en) * | 1991-07-08 | 1997-01-27 | Савеловское машиностроительное акционерное общество "САВМА" | Method of producing articles from band material |
| RU2011144378A (en) * | 2009-04-02 | 2013-05-10 | Кориоли Композит | METHOD AND MACHINE FOR APPLYING FIBROUS TAPE ON CONVEX SURFACES AND / OR SURFACES WITH EDGES |
| RU2697334C1 (en) * | 2018-06-21 | 2019-08-13 | Рустам Маратович Субханкулов | Method of making multilayer articles from polymer composite materials and machine for realizing the method |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US10525641B2 (en) | Composite structures, forming apparatuses and related systems and methods | |
| RU2534245C2 (en) | Method and device for making billets from synthetic material reinforced by fibre | |
| US8678809B2 (en) | Apparatus for producing reinforcing fiber molding | |
| US6073670A (en) | Multiple fiber placement head arrangement for placing fibers into channels of a mold | |
| EP0953433B1 (en) | Method and apparatus for producing fiber reinforced structures | |
| CA2792790C (en) | Method and apparatus for producing composite fillers | |
| JP6147352B2 (en) | Method and apparatus for producing preforms for the production of rotor blades | |
| JP5806930B2 (en) | How to produce a composite structure that conforms to the contour | |
| KR20180093811A (en) | Method of making thermoplastic composite structures and prepreg tape used therein | |
| KR101422129B1 (en) | high speed laminated molding appartus using rotating mold | |
| JP5663581B2 (en) | Automated drape forming device | |
| JP2011502831A (en) | Fabric composite element production apparatus and production method | |
| JP2004504186A (en) | Method and apparatus for producing shell type fiber reinforced plastic parts | |
| CN102615837A (en) | Improvement related to the composite layup | |
| JP2013505155A5 (en) | ||
| WO2020086561A1 (en) | System for additive manufacturing | |
| EP1292522B1 (en) | Method of placing fibers into channels of a mold and fiber placement head for accomplishing same | |
| JP2000144567A (en) | Contact coating of especially preliminarily immersed fiber yarn for producing complicated structure comprising ion-polymerized composite material and device therefor | |
| JP2017500230A (en) | Impregnation tool and method for continuously impregnating a reinforced fiber material with a plastic material | |
| CN111137433A (en) | Composite structure consisting of a wound tubular braid | |
| CN110861321B (en) | Shaping of shaped elongated composite structures | |
| RU2779268C1 (en) | Method for carrying out contactless laying out of products made of polymer composite materials and a universal module for carrying out the method | |
| CN107530986B (en) | Method for producing fiber-reinforced annular body and device for producing fiber-reinforced annular body | |
| CN104768724A (en) | Depositing device for the controlled deposition of reinforcing fibre bundles | |
| KR101957732B1 (en) | Apparatus for manufacturing preform using frp tape |