RU2817450C1 - Способ изготовления заготовки рукояти для хоккейной клюшки из полимерно-композиционных материалов - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к области технологии изготовления конструкции, используемой в качестве заготовки рукояти для формования хоккейной клюшки из полимерно-композиционного материала на основе препрегов с эпоксидным связующим. Предложенный способ изготовления заготовки рукояти для клюшки из полимерного композиционного материала по препреговой технологии позволяет получать хоккейные клюшки с низкими вариациями показателей физико-механических свойств изделий из различных партий с пониженной пористостью и с возможностью регулирования жесткости и модуля упругости. 5 з.п. ф-лы, 1 табл.

Description

Изобретение относится к области технологии изготовления конструкции, используемой в качестве заготовки рукояти для формования хоккейной клюшки из полимерно-композиционного материала (ПКМ) на основе препрегов с эпоксидным связующим.

Хоккейная клюшка, традиционно выполнена из рукояти и крюка (лезвия) соединенных в одно целое изделие. Рукоять клюшки представляет собой многослойный удлиненный линейный корпус, имеющий прямоугольное поперечное сечение и противоположные линейные наружные поверхности. Рукоять должна быть удобна для удержания в руке или руках игрока. Нижний конец рукояти, выполнен таким образом, чтобы он мог соединяться с пяточной частью крюка хоккейной клюшки. Функция рукояти призвана во время удара передавать энергию воздействия кисти запястья игрока сквозь всю рукоять клюшки до самого крюка, вкладывая всю энергию в мощность броска. Изгиб рукояти нагружает потенциальной энергией клюшку, подобно взведенной пружине. На этапе высвобождения вся энергия, которая накопилась в клюшке в результате изгиба, резко передается шайбе в виде кинетической энергии. Усилие с каким игрок прогибает клюшку зависит от жесткости рукояти клюшки. Известно, что рукоять хоккейной клюшки во время игры может временно изогнуться на величину угла до 30-45 градусов под воздействием кисти запястья игрока перед ударом, а скорость движения «выпущенной» шайбы достигает величины 160-200 км/ч.

Известны монолитные технологии изготовления хоккейной клюшки из ПКМ, когда клюшка формируется сразу целым единым изделием. Кроме монолитной технологии существует технология раздельного формования крюка и рукояти, с последующим соединением в единую конструкцию различными способами.

Из уровня техники известен способ изготовления трубчатой рукояти для хоккейной клюшки из ПКМ, представляющий собой ее получение путем продольной намотки сухого стекловолокна на проволочную оправку, которую затем извлекают, а стекловолоконную заготовку пропитывают эпоксидной композицией и отверждают при повышенной температуре и давлении. Эпоксидная композиция, не только выполняет роль связующего армирующих волокон, но и образует внешнюю поверхность рукояти. Для придания эффекта сужения и регулирования диаметра различных участков готовой рукояти используемая технологическая оправка состоит из трех соединенных секций с разными диаметрами. При сборке клюшки под углом к более толстому и прочному концу рукояти крепится крюк. (US 3489412 A, опубл. 13.01.1970 г, МПК А63В 59/14; МПК А63В 59/12).

Кроме низкой производительности данного способа, следует отметить его главный недостаток: не высокие прочностные характеристики формируемой композитной рукояти из-за остаточных напряжений, вызванных воздействием на внутреннюю и внешнюю стороны изделия в стадии отверждения эпоксидного связующего, разнонаправленных осевых сил и крутящих моментов, возникающих в процессе схода стекловолоконной заготовки рукояти с формообразующей оправки. Кроме того, формирование изделия намоткой только продольных слоев стеклонаполнителя не обеспечивает его высокой прочности на растяжение-сжатие и продольного изгиба.

Известен другой способ изготовления композитной полой рукояти для хоккейной клюшки методом пултрузии: полосы сухого стекловолокна протягивают через нагретое полиэфирное связующее, в результате сформированная композитная рукоять отрезается на заданной длине, в то время как процесс пултрузии продолжается, так что рукояти могут изготавливаться непрерывно и отрезаться одна за другой. В данном методе используется полиэфирное связующее состава: полиэфирная смола, мономер стирола, белый пигментный краситель, разделительный агент, каолиновая глина марки ASP400, катализатор бензоилпероксид марки BFF-70. Для получения конечной конструкции клюшки используется крюк, на конце которого имеется специальный шип, а у основания заготовки полой рукояти имеется выступ (паз), равный толщине шипа рукояти, благодаря чему происходит гладкое соединение главных компонентов изделия. Для упрочнения этого соединения используется эпоксидный клей.

Несмотря на повышенную производительность данной технологии, имеются основные недостатки и ограничения изготовления заготовки рукояти хоккейной клюшки с использованием процесса пултрузии, которые заключаются в том, что ориентацию армирующих волокон и поперечное сечение нельзя изменить по длине конструкции, что исключает возможность легкого регулирования жесткости и прочности создаваемой рукояти. Для обеспечения более высокой жесткости создаваемой полой рукояти, при протягивании через нагретое связующее, в полосы стекловолоконного наполнителя вдавливаются арамидные или углеродные армирующие компоненты, что является весьма трудоемкой технологической операцией. Кроме того, использование полиэфирного связующего, потенциально опасного для здоровья человека по причине наличия стирола (токсичного канцерогенного вещества) в его составе, повышает количество токсичных выбросов, чем ухудшает условия труда при формировании клюшек из ПКМ и требует принятия особых мер безопасности при организации подобного производства. (СА 1069147 А, опубл. 25.04.1978 г, МПК А63В 59/14; А63В 59/12).

В настоящее время, во многих отраслях современное производство элементов конструкций из ПКМ в значительной мере ориентируется на препреговую технологию при изготовлении композитных изделий. Наиболее близким техническим решением и принятым за прототип является способ изготовления заготовки рукояти клюшки для хоккейной клюшки из углеродного композитного материала по препреговой технологии, представленный в патенте RU 2635137 С2, опубл. 03.10.2017 г, МПК В29С 70/46; В29С 55/30; В29С 70/84; В29С 65/42.

Способ включает раскрой углепрепрега на элементы конструкции клюшки в виде рукояти и крюка. Далее осуществляют отдельное формирование технологического пакета препрега заготовки рукояти путем послойной укладки нарезанных углепрепрегов на повторяющую внутреннюю полость создаваемого изделия неподвижную оснастку с чередованием листов препрега с расположением в них волокон под углами 0°, 30°, 45° и 90° и отдельное формирование технологического пакета препрега заготовки крюка путем послойной укладки нарезанных углепрепрегов на синтактическую пену, также в соответствии с указанным чередованием раскроенных листов препрега с разными углами укладки в них волокнистого материала. Затем осуществляют соединение заготовок рукояти и крюка в заготовку будущей клюшки, удаляя из рукояти оправку, при этом в освободившуюся полость в заготовке рукояти размещают нейлоновый пакет. Заготовку клюшки помещают в пресс-форму и производят ее полимеризацию посредством прямого прессования путем нагрева пресс-формы на полуавтоматическом прессе для термофиксации при температуре 150±5°С в течение 30±10 минут и подачи для формирования в изделии внутренней полости в нейлоновый пакет давления 10-К2 атм с последующим охлаждением до температуры 70±5°С в течение 10±2 минуты сформованных клюшек, которую далее извлекают и подвергают доработке и внешней отделке.

К недостаткам этого способа изготовления заготовки рукояти для создания хоккейной клюшки следует отнести:

не стабильные прочностные характеристики создаваемой композитной рукояти со значительной вариацией показателей ее физико-механических свойств, ввиду отсутствия надежного и плотного скрепления собранного пакета препрега заготовки рукояти, что приводит к образованию воздушных полостей между слоями препрега, не обеспечивает прочную фиксацию размещенных слоев выкроек из препрега, в результате чего возможно их смещения относительно друг друга при последующих технологических операциях, что может стать причиной формирования пористой конструкции с не равномерным утолщением, наслоением или замятием препреговых слоев;

- повышенная длительность технологического процесса формования клюшки для хоккея, ввиду включения в ее конструкцию заготовки рукояти и крюка из углепрепрега на основе термореактивного связующего, характеризующего продолжительным температурно-временным режимом формования (выдержка 0,5 час при температуре (150±5)°С), а также необходимостью охлаждения изделия до низкой температуры (70±5°С в течение 10±2 мин.) перед его извлечением из пресс-формы. При извлечении отформованного изделия из пресс-формы при более высокой температуре по сравнению с его температурой стеклования, как правило, происходит его термическое деформирование;

- повышенная жесткость конструкции рукояти хоккейной клюшки на основе угленаполнителя и высокий модуль упругости, приводящие к понижению способности поглощать удар, что снижает ее устойчивость к микротрещинам, резким ударам, уменьшает сопротивление к сколам, в результате чего начинается расслоение материала и клюшка начинает крошится, что снижает ее надежность и долговечность;

- отсутствии возможности регулирования жесткости и эластичности рукояти хоккейной клюшки для обеспечения разнообразных технических характеристик изделия.

Перечисленные недостатки существенно ограничивают применение способа, предложенного в рассмотренном изобретении, и препятствуют получению требуемого технического результата.

Техническая проблема, на решение которой направлено настоящее изобретение заключается в создании технологии изготовления рукояти для хоккейной клюшки с повышенной воспроизводимостью прочностных свойств при серийном производстве, а также с возможностью создания различных видов хоккейных клюшек для разнообразных стилей игры, в том числе для начинающих хоккеистов и с профессиональными навыками используя единую технологию.

Технический результат, достигаемый при использовании настоящего изобретения, заключается в получении рукояти для хоккейной клюшки, с низкими вариациями показателей физико-механических свойств изделий из различных партий, путем понижения пористости и регулирование жесткости и модуля упругости.

Техническая проблема решается, а технический результат достигается за счет того, что предложен способ изготовления заготовки рукояти для клюшки из полимерного композиционного материала по препреговой технологии. Способ включает стадии, на которых: а) раскраивают заготовки стекло препрега и углепрепрега на основе эпоксидного связующего и волокнистых стеклонаполнителя и угленаполнителя; б) выкладывают послойно заготовки из стеклопрепрега и углепрепрега в оснастку с формированием пакета препрега. Соотношение стеклопрепрега 25 об.% - 75 об.% и углепрепрега 75 об.% - 25 об.%. Осуществляют уплотнение каждого слоя препрега и скрепление каждого слоя препрега посредством преформовки и вакуумирования. В качестве эпоксидного связующего используют эпоксиаминную композицию следующего состава, масс. %:

жидкая дифункциональная эпоксидная смола на
основе бисфенола А	23,8-30,2
твердая дифункциональная эпоксидная смола на
основе бисфенола А	11,0-14,0
дифункциональная эпоксидная смола на основе
бисфенола F	16,0-20,0
термопласт	4,5-10,0
каучук-содержащий компонент	11,7-21,0
латентный отвердитель - дициандиамид	2,1-5,0
отвердитель - 4,4'-диаминодифенилсульфон	3,5-7,6
ускоритель - несимметрично дизамещенная мочевина	2,5-3,5
модификатор - акриловый блок-сополимер	5,0-7,5
технологическая добавка на основе смеси
олигомерных веществ и агентов	0,1-1,0

Одновременное включение в состав пакета препрега заготовки рукояти хоккейной клюшки высокомодульных углепрепрегов в количестве 25-75 об.%. и низкомодульных стеклопрепрегов в количестве 75-25 об.% дает возможность легко регулировать соотношение жесткостных и упругих характеристик создаваемой конструкции, которые определяются модулем упругости при сжатии материала и зависят от объемного соотношения низкомодульного и высокомодульного армирующего волокна. Возможность варьирования этой технической характеристики изделия дает возможность создания различных видов хоккейных клюшек для разнообразных стилей игры, в том числе для начинающих хоккеистов и с профессиональными навыками. Игрок для себя может сделать выбор хоккейной клюшки с оптимальной комбинацией жесткости и гибкости рукояти.

Применение в качестве эпоксидного связующего эпоксиаминной композиции вышеуказанного состава, способного отверждаться по коротким энергоэффективным режимам, в дальнейшем способствует снижению длительности технологического процесса формования клюшки для хоккея. Кроме того, использование углепрепрегов и стеклопрепрегов с указанным связующим, которое также обеспечивает температуру стеклования готового композитного изделия выше температуры технологического процесса отверждения, дает возможность исключить из дальнейшего технологического процесса стадию охлаждения до низких температур отформованной детали перед ее извлечением из пресса, без термической деформации что обеспечивает получение изделий с низкими вариациями показателей физико-механических свойств из различных партий.

Также техническая проблема решается, а технический результат достигается за счет частных вариантов исполнения.

Предпочтительно, стеклопрепреги и углепрепреги являются препрегами на основе жгутовых и тканых волокнистых материалов, что позволяет снизить модуль упругости изделия до оптимального показателя и повысить его эластичность.

Предпочтительно, пакет препрега изготавливают методом ручной выкладки с преформовкой каждого выложенного слоя препрега, что позволяет равномерно, без складок осуществить выкладку слоев, а, следовательно, получать изделия с низкими вариациями показателей физико-механических свойств из различных партий.

Предпочтительно, уплотнение слоев выполняют с помощью прикаточных роликов и вакуумирования пакета препрега после выкладки каждого слоя, которое осуществляется посредством технологической оснастки вакуумного стола, что позволяет повысить прочность соединения выкроек препрегов в созданном пакете препрега и дает возможность получать рукояти для клюшек с однородной полимерной структурой и пониженной пористостью, а, следовательно, снизить коэффициент вариации показателей прочности.

Предпочтительно, препреги содержат эпоксиаминное связующее в количестве 30,0-50,0 масс. % и армирующий волокнистый наполнитель в количестве 50,0-70,0 масс. %. Именно такое соотношение позволяет регулировать модуль упругости и жесткость используемых комбинаций углепрепрегов и стеклопрепрегов, а, следовательно, позволяет регулировать требуемые свойства для рукояти клюшек.

Изготовление заготовки рукояти для хоккейной клюшки из полимерно-композиционных материалов, согласно настоящему изобретению, осуществляют следующим образом:

из листов стеклопрепрега и углепрепрега, пропитанных эпоксидным связующим нарезают заготовки в соответствии с заданной конструкцией будущего изделия, причем препреги содержат эпоксиаминное связующее в количестве 30,0-50,0 масс. % и армирующий волокнистый наполнитель в количестве 50,0-70,0 масс. %. Затем, подготовленные заготовки методом ручной выкладки выкладывают послойно в соответствии со схемой выкладки, исключая складки, обеспечивая плотное прилегание первого слоя препрега к рабочей поверхности технологической оснастки, повторяющую внутреннюю полость создаваемого изделия, а последующих слоев, друг к другу. Для регулирования соотношения жесткостных и упругих характеристик материала слои углепрепрега и стеклопрепрега выкладывают в различных соотношениях. Так при необходимости получения рукояти с большой жесткостью, выкладывают большее количество слоев углепрепрега (до 75 об.%). В случае необходимости получить рукоять с меньшей жесткостью, выкладывают большее количество стеклопрепрега (до 75 об.%). При поочередном добавлении каждого слоя препрега осуществляют скрепление слоев пакета препрега путем преформовки препрега и промежуточное вакуумирование при помощи технологической оснастки вакуумного стола. Такое скрепление позволяет повысить прочность соединения выкроек препрегов в созданном пакете препрега, что дает возможность получать заготовки рукоятей для клюшек с однородной полимерной структурой и пониженной пористостью, а, следовательно, снизить коэффициент вариации показателей прочности. Примеры осуществления предложенного способа Пример 1. Заготовки, нарезанные в соответствии с заданной конструкцией будущего изделия из стеклопрепрега (на основе стеклоровинга марки Т30 SE 1200 17-600 C-F) и углепрепрега (на основе углеродного жгута марки T700S-12K-50C) на эпоксиаминном связующем, выкладывают послойно методом ручной выкладки и прикаточного фторопластового ролика друг на друга на оснастку с частичным поворотом относительно друг друга в соответствии со схемой выкладки. При поочередном добавлении каждого слоя препрега (5 слоев на основе стеклопрепрега и 15 слоев углепрепрега) осуществляли скрепление гибридного пакета путем преформовки препрега и промежуточного вакуумирования при помощи технологической оснастки вакуумного стола.

Для оценки качества клюшки и достижения технического результата, были также изготовлены хоккейные клюшки с использованием заготовок рукояти клюшки, полученных предложенным способом.

Сборку конструкции будущей хоккейной клюшки, осуществляют путем соединения многослойного пакета препрега заготовки рукояти и крюка, удаляя из рукояти оправку. В освободившуюся полость, после извлечения заготовки рукояти помещают нейлоновый пакет.Заготовку рукояти клюшки и крюк помещают в изложницу пресс-формы смазанной антиадгезивом, осуществляют подъем температуры со скоростью 1,5°С/мин до 120°С и производят формование посредством прямого термопрессования при давлении 8÷10 атм и температуре 120±5°С в течении 15±5 мин и подачи для формирования в изделии внутренней полости в нейлоновый пакет давления 10÷12 атм. Готовую хоккейную клюшку извлекли, подвергли доработке и внешней отделке. Созданная клюшка включала полую рукоять с прямоугольным сечением постоянного диаметра по всей длине изделия.

Пример 2. Способ аналогичен примеру 1, но в составе пакета препрега заготовки рукояти использованы 10 слоев на основе стеклопрепрега (на основе стеклоровинга марки Т30 SE 1200 17-600 C-F) и 10 слоев углепрепрега (на основе углеродного жгута марки T700S-12K-50C), а формование хоккейной клюшки осуществляли по режиму: Т=120±5°С в течении 20±5 мин.

Пример 3. Способ аналогичен примеру 1, но в составе пакета препрега заготовки рукояти использованы 15 слоев на основе стеклопрепрега (на основе стекловолокна ВМП) и 5 слоев углепрепрега (на основе углеродного жгута марки T700S-12K-50C), а формование осуществляли по режиму: Т=120±5°С в течении 30±5 мин.

Результаты экспериментальных данных представлены в таблице 1.

Таким образом, предложен способ изготовления заготовки рукояти для клюшки из ПКМ по препреговой технологии. Технический результат, достигаемый при использовании настоящего изобретения, заключается в получении рукояти для хоккейной клюшки, с низкими вариациями показателей физико-механических свойств изделий из различных партий, путем понижения пористости и возможность регулирования жесткости и модуля упругости.

Claims (10)

1. Способ изготовления заготовки рукояти для хоккейной клюшки из полимерного композиционного материала по препреговой технологии, включающий стадии, на которых:

а) раскраивают заготовки стеклопрепрега и углепрепрега на основе эпоксидного связующего и стеклонаполнителя и угленаполнителя;

б) выкладывают послойно заготовки из стеклопрепрега и углепрепрега в оснастку с формированием пакета препрега с соотношением стеклопрепрега 25-75 об. % и углепрепрега 75–25 об. %, с уплотнением каждого слоя и скреплением каждого слоя посредством преформовки и вакуумирования;

причем в качестве эпоксидного связующего используют эпоксиаминную композицию следующего состава, масс. %:

жидкая дифункциональная эпоксидная смола на основе бисфенола А 23,8 – 30,2 твердая дифункциональная эпоксидная смола на основе бисфенола А 11,0 – 14,0 дифункциональная эпоксидная смола на основе бисфенола F 16,0 – 20,0 термопласт 4,5 – 10,0 каучук-содержащий компонент 11,7 – 21,0 латентный отвердитель - дициандиамид 2,1 – 5,0 отвердитель - 4,4'-диаминодифенилсульфон 3,5 – 7,6 ускоритель - несимметрично дизамещенная мочевина 2,5 – 3,5 модификатор - акриловый блок-сополимер 5,0 – 7,5 технологическая добавка на основе смеси олигомерных веществ и агентов 0,1 – 1,0

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что стеклопрепреги и углепрепреги являются препрегами на основе жгутовых и тканых волокнистых материалов.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что уплотнение слоёв препрега осуществляют с помощью прикаточных роликов.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что пакет препрега изготавливают методом ручной выкладки с преформовкой.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что преформовывание пакета препрега после выкладки каждого слоя осуществляется посредством технологической оснастки вакуумного стола.

6. Способ по п.1, отличающийся тем, что препреги содержат компоненты при следующем соотношении: эпоксиаминное связующее - 30,0-50,0 масс. %, волокнистый армирующий наполнитель - 50,0-70,0 масс. %.