Способ изготовления крупногабаритных конструкций из стекло- и углепластика методом вакуумно-нагнетательной пропитки
Владельцы патента RU 2552446:
РОССИЙСКАЯ ФЕДЕРАЦИЯ, ОТ ИМЕНИ КОТОРОЙ ВЫСТУПАЕТ МИНИСТЕРСТВО ПРОМЫШЛЕННОСТИ И ТОРГОВЛИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ (МИНПРОМТОРГ РОССИИ) (RU)
Группа изобретений относится к способу и устройству для изготовления композитных конструкций комбинированным методом формования. Устройство для пропитки армирующих материалов связующим материалом содержит подающую установку для подачи связующего материала, а также содержит по меньшей мере один распределительный коллектор. Установка для подачи содержит регулятор расхода связующего материала и выполнена с возможностью подачи связующего материала под давлением через линию подачи в по меньшей мере один распределительный коллектор. Последний выполнен с возможностью подачи связующего материала по меньшей мере через одну подводящую трубку к армирующим материалам. По меньшей мере один распределительный коллектор содержит первый датчик давления связующего материала, соединенный с регулятором расхода с обеспечением передачи на него управляющего сигнала. Регулятор расхода выполнен с возможностью регулирования расхода связующего материала на основании управляющего сигнала. Также предложен способ изготовления крупногабаритных конструкций с помощью устройства для пропитки армирующих материалов по изобретению. Технический результат, достигаемый при использовании способа и установки по изобретениям, заключается в том, чтобы изготовить крупногабаритные конструкции любых размеров за меньшее время изготовления и с минимальным браком. 2 н. и 10 з.п. ф-лы, 2 ил.
Область техники
Настоящее изобретение в целом относится к технологии изготовления полимерных конструкций, а именно к способам изготовления композитных конструкций комбинированным методом формования.
Уровень техники
В настоящее время для изготовления конструкций различного размера широко применяется метод вакуумной инфузии, согласно которому для ввода связующего материала в виде смолы в ламинат на основе стекло- и углеволокнистых материалов используется вакуумное давление. Как правило, данный метод состоит в том, что армирующий материал в сухом виде выкладывают в оснастку и создают в этом месте вакуум, после чего подают связующий материал в виде смолы.
Однако в большинстве случаев устройства, используемые в методе вакуумной инфузии, имеют сложную конструкцию и большие размеры. Частично эта проблема решена с помощью способа изготовления, в котором использовано устройство, раскрытое в документе WO 9823516. Данное устройство предназначено для изготовления конструкций из волокнистых композитов методом вакуумной инфузии, и оно содержит полость для формования, в которой создается отрицательное давление. Смола поступает в эту полость по нескольким внутренним подводящим каналам, имеющим клапанные механизмы, которые обеспечивают прерывистую подачу смолы. Однако размер композитных конструкций, изготавливаемых этим устройством, ограничен, а время изготовления конструкций может быть велико вследствие длительной пропитки заготовок смолой. Кроме того, возможен ввод лишней смолы.
Некоторые из этих проблем решены в способе, осуществляемом посредством устройства для изготовления композитных конструкций, известного из документа US 2003025232. Корпус указанного устройства образует над армирующим материалом герметичную полость, в которой создается отрицательное давление. Для предотвращения подачи к армирующему материалу лишней смолы в месте подачи смолы предусмотрен накапливающий слой и задерживающий слой. Однако такая система защиты может быть ненадежной вследствие быстрого износа материалов слоев и отсутствия возможности отслеживания расхода подаваемой смолы, что создает большую вероятность отбраковывания получаемых конструкций при поступлении лишней смолы. Указанное устройство также может характеризоваться большим временем изготовления и не позволяет изготавливать конструкции большого размера.
РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Задачей настоящего изобретения является разработка устройства для способа изготовления крупногабаритных конструкций из композитных материалов, обеспечивающего изготовление конструкций любого размера, предпочтительно крупногабаритных конструкций, за меньшее время изготовления и с минимальным риском отбраковывания.
Для решения вышеуказанной задачи предложено устройство для пропитки армирующих материалов связующим материалом, содержащее подающую установку для подачи связующего материала, отличающееся тем, что оно содержит по меньшей мере один распределительный коллектор. Подающая установка содержит регулятор расхода связующего материала и выполнена с возможностью подачи связующего материала под давлением через линию подачи в указанный по меньшей мере один распределительный коллектор, который, в свою очередь, выполнен с возможностью подачи связующего материала по меньшей мере через одну подводящую трубку к армирующим материалам. Указанный по меньшей мере один распределительный коллектор содержит первый датчик давления связующего материала, соединенный с регулятором расхода с обеспечением передачи на него управляющего сигнала. Регулятор расхода выполнен с возможностью регулирования расхода связующего материала на основании указанного управляющего сигнала.
Такое устройство для пропитки армирующих материалов связующим материалом имеет компактную конструкцию и небольшое количество компонентов. Отличительной особенностью настоящего изобретения является то, что устройство для пропитки армирующих материалов содержит по меньшей мере один распределительный коллектор, содержащий датчик давления связующего материала. Это позволяет изготавливать крупногабаритные конструкции и осуществлять при этом контроль подачи связующего материала. Другой отличительной особенностью является возможность подачи связующего материала подающей установкой под давлением с переменной скоростью, что обеспечивает оптимальный режим изготовления, включающий меньшее время изготовления и защиту от подачи лишнего связующего материала.
Таким образом, технический результат предложенного изобретения состоит в оптимизации режима подачи смолы со снижением ее потребления при изготовлении конструкций и уменьшением времени их изготовления. Дополнительный технический результат состоит в увеличении размеров конструкций, которые можно изготовить. Согласно одному из вариантов устройство дополнительно содержит управляющий блок, соединенный с регулятором расхода с обеспечением передачи на него управляющего сигнала. При этом по меньшей мере один распределительный коллектор дополнительно содержит второй датчик давления связующего материала, соединенный с управляющим блоком с обеспечением передачи на него управляющего сигнала. Регулятор расхода выполнен с возможностью регулирования расхода связующего материала дополнительно на основании управляющего сигнала от управляющего блока.
Предпочтительно первый датчик давления по меньшей мере одного распределительного коллектора соединен с регулятором расхода через линию задержки.
Предпочтительно регулятор расхода выполнен с возможностью отключения подачи связующего материала при получении получении управляющего сигнала, соответствующего заранее заданному минимальному давлению связующего материала, с первого датчика давления и/или с управляющего блока.
Согласно еще одному варианту реализации настоящего изобретения регулятор расхода выполнен с возможностью отключения подачи связующего материала при получении управляющего сигнала, соответствующего превышению заданной скорости изменения давления связующего материала, с первого датчика давления и/или с управляющего блока.
Согласно другому аспекту изобретения предложен способ изготовления крупногабаритных конструкций с помощью устройства для пропитки армирующих материалов. Согласно данному способу укладывают армирующие материалы, накрывают их вакуумной пленкой, создают под пленкой вакуум, герметично вводят через вакуумную пленку по меньшей мере одну подводящую трубку по меньшей мере одного распределительного коллектора указанного устройства и соединяют ее по меньшей мере с одним участком на поверхности армирующих материалов, подают связующий материал по меньшей мере через одну подводящую трубку по меньшей мере на один участок поверхности армирующих материалов и прекращают подачу связующего материала при достижении заданного условия.
Такой способ изготовления обеспечивает возможность изготовления крупногабаритных конструкций из композитных материалов за меньшее время и предусматривает защиту от подачи лишнего связующего материала.
Предпочтительно заданным условием на этапе прекращения подачи связующего материала является получением регулятором расхода управляющего сигнала, соответствующего заранее заданному минимальному давлению связующего материала, с первого датчика давления и/или с управляющего блока.
Согласно еще одному варианту реализации настоящего изобретения заданным условием на этапе прекращения подачи связующего материала является получение регулятором расхода управляющего сигнала, соответствующего превышению заданной скорости изменения давления связующего материала, с первого датчика давления и/или с управляющего блока.
В качестве альтернативы заданным условием на этапе прекращения подачи связующего материала может являться факт вздутия вакуумной пленки.
Согласно еще одному варианту реализации настоящего изобретения по меньшей мере один распределительный коллектор установлен выше указанного по меньшей мере одного участка поверхности армирующих материалов.
Согласно еще одному варианту реализации настоящего изобретения по меньшей мере один распределительный коллектор установлен на одном уровне с указанным по меньшей мере одним участком поверхности армирующих материалов.
Согласно еще одному варианту реализации настоящего изобретения по меньшей мере один раз последовательно повторяют этапы подачи связующего материала и прекращения его подачи после полимеризации связующего материала, поданного на предыдущем этапе подачи связующего материала.
Другие аспекты, преимущества и особенности настоящего изобретения могут быть понятны из описания предпочтительных вариантов реализации и сопроводительных чертежей.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
На фиг.1 представлен схематичный вид устройства для пропитки армирующих материалов связующим материалом согласно первому варианту реализации настоящего изобретения.
На фиг.2 представлен схематичный вид устройства для пропитки армирующих материалов связующим материалом согласно второму варианту реализации настоящего изобретения.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ РЕАЛИЗАЦИИ
Предлагаемое устройство для пропитки армирующих материалов связующим материалом может быть использовано для изготовления конструкций из композитных материалов любого размера, включая крупногабаритные конструкции из стекло- и углепластика. В данном устройстве предусмотрена подача связующего материала под давлением с переменной скоростью, а также контроль подачи связующего материала, благодаря чему изготовление конструкций можно осуществить за меньшее время с меньшей вероятностью отбраковывания изделия.
На фиг.1 показан схематичный вид устройства для пропитки армирующих материалов связующим материалом согласно первому варианту реализации настоящего изобретения. Согласно этому варианту устройство 10 для пропитки армирующих материалов содержит подающую установку 1 для подачи связующего материала, например смолы, имеющую регулятор 8 расхода связующего материала, и распределительный коллектор 2. При работе устройства 10 смола подается от установки 1 в коллектор 2 по линии подачи и далее от коллектора 2 по одной или более подводящим трубкам - к армирующим материалам. В частности, каждая из подводящих трубок может быть закреплена в так называемой точке входа на поверхности армирующих материалов с целью введения смолы в армирующий материал. Перед введением смолы согласно данной технологии армирующие материалы накрывают вакуумной пленкой для создания под ней вакуума. Точки входа представляют собой небольшие участки, например 1 см2, на поверхности армирующих материалов, выбираемые для подачи связующего материала в армирующие материалы через подводящие трубки, герметично введенные в отверстия в вакуумной пленке, сформированные рядом с соответствующими участками. Для мониторинга подачи смолы в распределительном коллекторе 2 имеется датчик 3 давления связующего материала, соединенный с установкой 1. Вместо датчика 3 давления может быть установлен любой другой датчик, который может измерять в коллекторе 2 по меньшей мере один параметр, относящийся к потоку смолы. В этом случае датчик 3 соединен с регулятором 8 расхода установки 1 и направляет на него управляющие сигналы, на основе которых регулятор 8 расхода осуществляет регулирование расхода связующего материала, например посредством изменения скорости подачи связующего материала. Датчик 3 может передавать управляющие сигнала на регулятор 8 расхода постоянно, в определенном временном режиме, например через равные промежутки времени, или по запросу от регулятора 8 расхода. Таким образом, в данном варианте реализации установка 1 может подавать связующий материал в виде смолы под давлением и с переменной скоростью.
В других вариантах реализации распределительных коллекторов может быть больше одного, что может быть предпочтительным при изготовлении крупногабаритных конструкций. В этом случае распределительные коллекторы устанавливают вблизи соответствующих различных частей изготавливаемых конструкций. При такой конфигурации каждый распределительный коллектор содержит датчик давления связующего материала, соединенный с подающей установкой для передачи на нее управляющих сигналов.
На фиг.2 показан схематичный вид устройства для пропитки армирующих материалов связующим материалом согласно второму варианту реализации настоящего изобретения. Устройство 20 для пропитки армирующих материалов включает подающую установку 11 для подачи связующего материала, содержащую регулятор 18 расхода связующего материала, и распределительный коллектор 12. При изготовлении крупногабаритных конструкций установка 11 может быть расположена на расстоянии от коллектора 12, которое составляет до 50 м. Аналогично устройству 10, в устройстве 20 смола подается от установки 11 в коллектор 12 по линии подачи и от коллектора 12 к армирующим материалам по одной или более подводящим трубкам, закрепленным на поверхности армирующих материалов. В распределительном коллекторе 12 имеется первый датчик 13 давления и второй датчик 14 давления. Вместо датчиков 13, 14 давления могут использоваться датчики других типов, позволяющие производить мониторинг по меньшей мере одного параметра потока смолы. Первый датчик 13 соединен с регулятором 18 расхода и может передавать на него управляющие сигналы. Указанное соединение реализовано через кабель, содержащий известную линию задержки, обеспечивающую задержку примерно 3 сек в распространении управляющего сигнала от датчика 13 на установку 11. Второй датчик 14 соединен со управляющим блоком 15, установленным в непосредственной близости от коллектора 12 и в свою очередь соединенным с регулятором 18 расхода установке 11. При изготовлении крупногабаритных конструкций предпочтительным является обеспечение передачи сигнала от одного из датчиков, в данном случае датчика 14, на регулятор не напрямую, а посредством управляющего блока 15. Таким образом датчик 14 может передавать управляющие сигналы на управляющий блок 15, который может передавать на регулятор 18 расхода управляющие сигналы на основе полученных от датчика 14 сигналов. Кроме того, блок 15 может принимать управляющие сигналы от регулятора 18 расхода.
При работе устройства 20 согласно данному варианту реализации датчик 13 выполняет измерение давления (например, 0,3 бар) в некоторый момент времени (например, 12 ч 00 мин 00 сек) и передает на регулятор 18 расхода управляющий сигнал, который поступает на регулятор 18 расхода через 3 сек (в 12 ч 00 мин 03 сек) вследствие прохождения управляющего сигнала по линии задержки. По получении этого управляющего сигнала регулятор 18 расхода отправляет запрос на управляющий блок 15 о величине давления в коллекторе 12 в момент времени 12 ч 00 мин 03 сек. Блок 15 отправляет запрос на датчик 14 и получает от него управляющий сигнал, содержащий информацию о величине давления в коллекторе 12 в момент времени 12 ч 00 мин 03 сек (например, 0,24 бар). Далее блок 15 передает сигнал на регулятор 18 расхода, который производит сравнение показаний датчиков 13 и 14 и при необходимости корректирует поток смолы, чтобы избежать вздутия вакуумной пленки.
Кроме того, наличие датчиков 13 и 14 повышает надежность системы, так как при выходе из строя одного из датчиков 13, 14 или соответствующей линии передачи сигнала регулятор 18 расхода может регулировать расход смолы на основании только управляющих сигналов от датчика 13 или только управляющих сигналов от управляющего блока 15.
Аналогично устройству 10 может использоваться более одного распределительного коллектора и при этом каждый из них содержит два датчика.
В данном варианте реализации регулятор 18 расхода может регулировать расход связующего материала, например посредством изменения скорости подачи связующего материала, на основании управляющих сигналов от датчика 13 напрямую и от датчика 14 через управляющий блок 15. При такой конфигурации устройства обеспечивается безопасность подачи смолы при выходе из строя одного из датчиков или разрыве соединения с одним из датчиков.
Кроме того, возможен вариант, когда второй датчик 14 имеет большую чувствительность измерений по сравнению с первым датчиком 13 для возможности проверки регулятором 18 расхода условий подачи смолы в некоторых случаях. Как правило, достижение некоторого минимального давления смолы означает поступление достаточного количества смолы в армирующие материалы, поэтому установка 11 может отключать подачу смолы при получении соответствующих управляющих сигналов от датчика 13 и/или с блока 15. Также может быть предусмотрено прекращение подачи смолы установкой 11 при получении управляющих сигналов, соответствующих превышению заданной скорости изменения давления смолы, от датчика 13 и/или с блока 15, что может означать выход из строя компонентов устройства или необходимость корректировки режима подачи смолы. Еще одним критическим событием является вздутие вакуумной пленки, покрывающей армирующие материалы, при котором необходимо произвести отключение подачи смолы.
При изготовлении крупногабаритных конструкций в несколько этапов возможны различные варианты размещения распределительного коллектора 12 относительно армирующих материалов. Например, коллектор 12 может быть установлен выше одной или более точек входа подводящих трубок в армирующие материалы или на одном уровне с ними.
Далее рассмотрен способ изготовления крупногабаритных конструкций.
В предлагаемом способе может быть использовано устройство для пропитки армирующих материалов согласно любому из возможных вариантов согласно настоящему изобретению, которые были описаны и которые не были описаны, но могут быть понятны для специалиста на основе раскрытия настоящего изобретения.
При изготовлении конструкций согласно этому способу сначала укладывают армирующие материалы в конфигурации, соответствующей изготавливаемым конструкциям. Далее, армирующие материалы накрывают вакуумной пленкой для последующего создания под пленкой вакуума любым способом, известным для специалиста в данной области техники. Далее подводящие трубки от распределительного коллектора устройства для пропитки армирующих материалов герметично соединяют по меньшей мере с одним участком, например с точками входа на поверхности армирующих материалов с использованием известных средств сохранения герметичности, например с помощью герметизирующих жгутов, аналогичных жгутам для формирования вакуумного герметичного мешка. Наконец, осуществляют подачу смолы под давлением по подводящим трубкам к участкам на поверхности армирующих материалов до достижения некоторого условия, после чего прекращают подачу смолы. Таким условием может быть регистрация заранее заданного минимального давления смолы или резкого изменения давления смолы датчиком или датчиками, которые передают соответствующие управляющие сигналы на регулятор расхода. Кроме того, таким условием может быть факт вздутия вакуумной пленки, который, например, может быть зарегистрирован оператором устройства для пропитки армирующих материалов. В зависимости от параметров изготавливаемой детали взаимное расположение одного или более распределительных коллекторов и участков на поверхности армирующих материалов, с которыми соединены подводящие трубки, может быть различным: распределительные коллекторы могут быть расположены выше указанных участков или на одном уровне с ними.
Таким образом, предлагаемый способ представляет собой вакуумно-нагнетательный способ пропитки армирующих материалов, который позволяет добиться ряда преимуществ в виде возможности изготовления крупногабаритных конструкций за меньшее время и с меньшей вероятностью брака.
При изготовлении некоторых крупногабаритных конструкций с большой высотой, например корпусов судов или других вертикальных изделий, может быть весьма полезным последовательное повторение этапов подачи смолы и прекращения его подачи после отверждения (полимеризации) смолы, поданной на предыдущем этапе подачи. Например, может быть использован двухэтапный способ, на первом этапе которого во время подачи смолы один или несколько распределительных коллекторов устройства для пропитки армирующих материалов установлены выше точек входа на поверхности основы, а на втором этапе после полимеризации смолы, поданной на первом этапе, во время подачи смолы один или несколько распределительных коллектора устройства для пропитки армирующих материалов установлены на одном уровне с точками входа на поверхности армирующих материалов. При необходимости количество подобных этапов может быть увеличено.
Настоящее изобретение описано посредством вариантов реализации, но оно не ограничено этими вариантами и покрывает все модификации и альтернативы, входящие в объем и сущность изобретения. Для специалистов в данной области техники очевидно, что раскрытые варианты реализации носят лишь иллюстративный характер и могут быть различным образом видоизменены, причем такие видоизменения не должны считаться отклонением от объема и сущности настоящего изобретения. Каждый вариант реализации, полученный из комбинации технических средств, раскрытых в различных вариантах реализации, также должен считаться включенным в объем изобретения, определяемый приводимой далее формулой изобретения.
1. Устройство для пропитки армирующих материалов связующим материалом, содержащее подающую установку для подачи связующего материала,
отличающееся тем, что оно содержит по меньшей мере один распределительный коллектор,
причем подающая установка содержит регулятор расхода связующего материала и выполнена с возможностью подачи связующего материала под давлением через линию подачи в указанный по меньшей мере один распределительный коллектор, который, в свою очередь, выполнен с возможностью подачи связующего материала по меньшей мере через одну подводящую трубку к армирующим материалам,
указанный по меньшей мере один распределительный коллектор содержит первый датчик давления связующего материала, соединенный с регулятором расхода с обеспечением передачи на него управляющего сигнала, а
регулятор расхода выполнен с возможностью регулирования расхода связующего материала на основании указанного управляющего сигнала.
2. Устройство по п.1, дополнительно содержащее управляющий блок, соединенный с регулятором расхода с обеспечением передачи на него управляющего сигнала,
причем по меньшей мере один распределительный коллектор дополнительно содержит второй датчик давления связующего материала, соединенный с управляющим блоком с обеспечением передачи на него управляющего сигнала,
а регулятор расхода выполнен с возможностью регулирования расхода связующего материала дополнительно на основании управляющего сигнала от управляющего блока.
3. Устройство по п.1 или 2, в котором первый датчик давления по меньшей мере одного распределительного коллектора соединен с регулятором расхода через линию задержки.
4. Устройство по п.1 или 2, в котором регулятор расхода выполнен с возможностью отключения подачи связующего материала при получении управляющего сигнала, соответствующего заранее заданному минимальному давлению связующего материала, с первого датчика давления и/или с управляющего блока.
5. Устройство по п.1 или 2, в котором регулятор расхода выполнен с возможностью отключения подачи связующего материала при получении управляющего сигнала, соответствующего превышению заданной скорости изменения давления связующего материала, с первого датчика давления и/или с управляющего блока.
6. Способ изготовления крупногабаритных конструкций с помощью устройства для пропитки армирующих материалов по любому из пп.1-5, согласно которому
укладывают армирующие материалы,
накрывают армирующие материалы вакуумной пленкой и создают под пленкой вакуум,
герметично вводят через вакуумную пленку по меньшей мере одну подводящую трубку по меньшей мере одного распределительного коллектора указанного устройства и соединяют ее по меньшей мере с одним участком поверхности армирующих материалов,
подают связующий материал по меньшей мере через одну подводящую трубку по меньшей мере на один участок поверхности армирующих материалов и
прекращают подачу связующего материала при достижении заданного условия.
7. Способ по п.6, в котором заданным условием на этапе прекращения подачи связующего материала является получение регулятором расхода управляющего сигнала, соответствующего заранее заданному минимальному давлению связующего материала, с первого датчика давления и/или с управляющего блока.
8. Способ по п.6, в котором заданным условием на этапе прекращения подачи связующего материала является получение регулятором расхода управляющего сигнала, соответствующего превышению заданной скорости изменения давления связующего материала, с первого датчика давления и/или с управляющего блока.
9. Способ по п.6, в котором заданным условием на этапе прекращения подачи связующего материала является факт вздутия вакуумной пленки.
10. Способ по п.6, в котором по меньшей мере один распределительный коллектор установлен выше указанного по меньшей мере одного участка поверхности армирующих материалов.
11. Способ по п.6, в котором по меньшей мере один распределительный коллектор установлен на одном уровне с указанным по меньшей мере одним участком поверхности армирующих материалов.
12. Способ по п.6, согласно которому по меньшей мере один раз последовательно повторяют этапы подачи связующего материала и прекращения его подачи после полимеризации связующего материала, поданного на предыдущем этапе подачи связующего материала.
