Процесс намотки. Методы и схемы намотки

Наибольшее распространение получили два основных вида намот­ки: полюсная и спиральная, каждая из которых дает свою характерную схему расположения волокна. При полюсной (плоскостной) намотке оп­равка остается неподвижной, в то время как подающее волокно устрой­ство рычажного типа вращается относительно продольной оси под за­данным углом наклона. После каждого его оборота оправка перемеща­ется вперед на расстояние, соответствующее одной ширине полосы волокон. Такая схема называется однослойной полюсной намоткой (рис. 10). Полосы волокна укладываются впритык одна за другой, го­товый слой состоит из двух сложений, направленных в противополож­ные стороны относительно угла намотки.

 

Рис. 10. Однослойная полюсная намотка

 

При спиральной намотке оправка непрерывно вращается, в то вре­мя как каретка, подающая волокно, перемещается возвратно поступа­тельно. Скорость перемещения каретки и частота вращения оправки подбираются такими, чтобы обеспечить заданный угол намотки. При этом обычно спиральная намотка получается многовитковой. После первого прохода намотки полосы волокна не примыкают друг к другу. Для получения повторяющегося рисунка требуется несколько витков. Такая схема намотки показана на рисунке 11.

Находят применение и другие методы намотки.

Окружная намотка. Окружные или круговые слои наматывают под углом, близким к 90°, причем за один оборот подающее устройство про­двигается на ширину полосы. Считается, что слой состоит из одного сложения. Окруженные слои можно наносить для дополнительного уси­ления или увеличения жесткости отдельных, наиболее важных мест цилиндра.

Продольная намотка. Этот термин относится к намотке под малы­ми углами, которая может быть плоскостной или спиральной. При получении закрытых сосудов высокого давления минимальный угол опреде­ляется величиной полюсных отверстий с обоих концов.

 

Рис. 11. Схема спирально винтовой намотки:

1 - оправка; 2 - наматываемая лента; 3 - катушка с лентой

 

Комбинированная - продольно-кольцевая намотка. Продольные слои усиливают окружными (рис. 12). При формовании сосудов высо­кого давления окружные слои обычно наносят снаружи. Равновесие между армирующими материалами в окружном и продольном направ­лениях достигается спиральной намоткой двух или нескольких слоев.

 

Рис. 12. Продольно-кольцевая схема намотки конического изделия:

1 - привод вращения; 2 - оправка; 3 - поперечная арматура; 4 - продольная

арматура; 5 - натяжитель продольной арматуры; 6 - каретка продольного

перемещения раскладчика поперечной арматуры

 

Спирально-перекрёстная схема. При этом методе лента арми­рующего материала заданной ширины В укладывается на оправку с по­дачей S, превышающей ширину ленты в целое число раз (рис. 13).

 

Рис. 13. Спирально-перекрёстная схема намотки

 

За прямой и обратный ход раскладывающего устройства (полный проход) формируется один спирально-перекрестный виток, закрываю­щий часть поверхности оправки. При следующем проходе расклады­вающего устройства лента укладывается встык к ранее намотанной. Процесс ведут до тех пор, пока не будет закрыта вся поверхность оп­равки и, таким образом, сформирован полный двойной спиральный слой. Для получения заданной толщины стенки формируемого изделия проводят намотку нескольких таких слоев.

Возможны и другие схемы укладки армирующих наполнителей.

Станки для намотки

Различают станки для полюсной и спиральной намотки. Станки обоих типов имеют также приспособления для окружной намотки, что увеличивает их универсальность. При работе на машинах для полюс­ной намотки оправка обычно находится в вертикальном положении. Ос­новным преимуществом машин для полюсной намотки является про­стота регулировки отдельных механизмов. С другой стороны, в боль­шинстве случаев использование таких станков ограничено составом применяемых препрегов, так как системы с «мокрой» намоткой трудно монтировать.

В станках со спиральной намоткой имеется два основных переме­щающих механизма: вращающаяся оправка и траверса подающего уст­ройства. Кроме того, имеются поперечный суппорт, перпендикулярный оси оправки, и механизм движения нитепроводника, через который подается волокно. Управление может быть механическим или числовым программным. Механическое управление обычно основано на исполь­зовании системы с индивидуальным приводом, в которой вращение и поперечная подача управляются зубчатыми передачами, шарнирными цепями или ходовыми винтами. Движения в станке для намотки с ЧПУ осуществляются гидравлическими сервоприводами, причем каждая ось координат имеет свой собственный гидромотор.

Для получения изделий сложной формы применяются специально разрабатываемые станки, Так, например, на рис. 14 изображен станок для намотки сфер.

 

Рис. 14. Машина для намотки сфер:

1 - перемещение (шаг) веретена; 2, 3 - направления вращений;

 

Для производства труб большого диаметра применяют установки, в которых оправка совершает только поступательное движение, а катуш­ки с лентами или ровницей, пропитанной связующим, вращаются вокруг неё. Схема такой установки приведена на рис. 15.

 

Рис. 15. Схема производства труб большого диаметра:

1 - дорн; 2 - катушки с лентой или ровницей; 3 - неподвижное кольцо;

4 - вращающееся кольцо; 5 - основание

Плетение

Плетёные материалы (система двух нитей) позволяют повысить прочность и жесткость изделий при межслоевом сдвиге в 2-2,5 раза. Однако недостатком этого метода является искривление арматуры, что с ростом толщины изделия способствует ухудшению свойств в направ­лении основы. Более толстостенные изделия могут быть получены, ес­ли армирующий каркас создается системой трех нитей.

В последнее время предложен ряд способов трехмерного армиро­вания, основанных на технологии пространственного плетения. Про­странственное плетение - это технология получения трехмерноармированных структур непрерывным переплетением волокон. Во время про­цесса плетения все носители волокна движутся одновременно. В этом заключается коренное отличие плетения от ткачества, где нити основы держит неподвижная рамка, а одиночное волокно продергивается под­вижным челноком. В механизмах пространственного плетения (рис. 16) используют множество носителей армирующего волокнистого материала.

 

Рис. 16. Устройства пространственного плетения:

а - плетение в цилиндрической системе координат;

б - плетение в декартовой системе координат

 

Переплетение нитей или жгутов происходит во время движения по направляющим базовой плиты. Расположение направляющих соответ­ствует плетению либо в декартовой, либо в цилиндрической системах координат. Используя устройство для плетения в цилиндрической сис­теме координат, можно производить плетёные изделия в виде длин­номерных цилиндров при достаточно большом диаметре. На основе пространственного плетеного каркаса возможно создание квазиизотройного материала, в котором отсутствуют плоскости расслоения. Од­нако такие устройства очень сложны в изготовлении, обслуживании и применении.

Примером использования простой технологии плетения в автома­тизированном производстве изделий с пространственным армирующим каркасом является способ, применённый фирмой «Morton Thiokol» для изготовления теплостойких труб.

Плетение каркаса производится на оправке из углеродного войло­ка, соответствующей внутреннему диаметру изделия. Перпендикулярно оси оправки по ее поверхности расставлены стержни из углеродных во­локон, равномерно распределенные по требуемой части поверхности оправки. Подготовленная оправка оплетается слоями углеродных жгу­тов. Каждый слой содержит жгуты трех направлений (3D текстура), пе­реплетенные между собой: оплеточные жгуты (левые и правые) и осе­вые жгуты. Плетеный слой имеет ячеистую структуру. При этом каждая ячейка образуется в результате переплетения жгутов правого и левого направлений, а осевые жгуты расположены по диагоналям ячеек. Процесс заканчивается после нанесения требуемого количества сло­ев, после чего следуют операции по термообработке и механическая обработка изделия (рис. 17).

 

Рис. 17. Плетение по оправке:

а - узел плетения; б - оправка из углеродного

войлока со стержнями

 

Применяемые в производстве блочных изделий плетельные маши­ны представляет собой специальное оборудование, созданное на базе стандартной плетельной машины, используемой в производстве опле­таемых изделий: кабелей, шлангов высокого давления и т.п. Плетель­ная машина в модернизированном варианте содержит три группы носи­телей волокнистого армирующего материала. Одна группа - группа неподвижных носителей - предназначена для осевой арматуры. Две ос­тальные группы несут оплетающую арматуру. Подвижные носители с оплеточной арматурой перемещаются по круговым волнообразным траекториям, причем одна группа перемещается по часовой стрелке, а другая - против.

На рис. 18 показана плетельная машина с устройством попереч­ной намотки армирующих материалов, а на рис. 19 - основной узел машины, носитель плетущего материала - веретено.

 

Рис. 18. Плетельная машина с устройством поперечной намотки

 

Рис. 19. Внешний вид веретена

 

Несомненным достоинством данного способа является достигну­тый уровень автоматизации. Однако плетение по оправке с предвари­тельно расставленными стержнями имеет и ряд недостатков. Поверх­ность, образованная жгутами, сходящими с плетельной машины, может пересекаться стержнями, вследствие чего возможны взаимные повреждения армирующих элементов. Причем, наиболее невыгодно с этой точки зрения сочетание параметров процесса, направленное на дости­жение большой степени наполнения. Это накладывает ограничения на возможные пределы изменения параметров армирования (углы арми­рования, шаг радиальных стержней и т.п.), ужесточает требования по стабильности кинематики процесса, и заданную шагом расстановки стержней структуру армирования невозможно изменить в последующих слоях.

Пултрузия

Метод пултрузии волокнистых полимерных композиционных мате­риалов впервые разработан в 1948 г. применительно к стеклопластикам на основе отверждающихся связующих. Однако интенсивное развитие получил, начиная в 1960-х годов, когда повышенный спрос на профиль­ные изделия из полимерных композиционных материалов потребовал применения новых скоростных процессов их производства. В настоящее время с использованием этого процесса возможно получение изделий достаточно сложной формы (рис. 20).

 

Рис. 20. Некоторые виды изделий, полученные методом пултрузии

 

На рис. 21 показана принципиальная схема процесса пултрузии, основными стадиями которого являются:

- размотка волокнистого наполнителя со шпулярника;

- пропитка армирующих волокон полимерным связующим;

- формование заготовки в предварительных фильерах;

- окончательное формование профиля и фиксирование его формы в результате отверждения полимерной матрицы в обогреваемой фор­мующей фильере;

- протягивание и порезка профиля на части требуемой длины;

- дополнительная термообработка изделий (в случае необходимо­сти).

Армирующий волокнистый наполнитель протягивается с заданной скоростью со шпулярника через ванну с полимерным связующим и зону предварительного формования, где пучку волокон придается форма требуемого профиля с предварительным уплотнением и одновремен­ным удалением избытка связующего. Затем материал поступает в ме­таллическую фильеру, нагретую до температуры, обеспечивающей за­данную скорость и глубину процесса отверждения связующего. Здесь происходит окончательное формование профиля и фиксируется его форма, после чего длинномерное изделие подается тянущим механиз­мом в отрезное устройство. Полученные таким образом профили точно соответствуют требуемому размеру сечения и не нуждаются в даль­нейшей механической обработке.

 

Рис. 21. Схема процесса пултрузии

 

Существует несколько типов пултрузионных установок, отличаю­щихся:

- периодичностью или непрерывностью протягивания;

- горизонтальным или вертикальным расположением установки;

- типом тянущего механизма;

- особенностями зоны формования отверждения (наличием обмот­чика и лентоукладчика, типом формующей фильеры, методом ее нагревания);

- методом пропитки волокнистой арматуры.

Большинство установок для пултрузии являются горизонтальными. Вертикальные аппараты разработаны для производства профилей сплошного сечения с полой сердцевиной.

Шпулярник предназначен для размещения шпулей с волокном и представляет собой металлическую раму с горизонтальными осями. Для размещения крупногабаритных бобин, например, со стекловолок­ном, применяются шпулярники полочного типа. В этом случае размотка происходит изнутри бобин. Внешний вид такого шпулярника показан на рис. 22.

 

Рис. 22. Шпулярник полочного типа с системой

предварительного натяжения продольной арматуры

 

Пропитка волокнистого наполнителя обычно осуществляется про­тягиванием пучка волокон через ванну с полимерным связующим, имеющую систему прижимных и отжимных валиков. Для подогрева свя­зующего с целью снижения его вязкости и улучшения смачивания воло­кон ванна снабжается подогревателями. Внешний вид пропиточно-отжимного устройства показан на рис. 23.

 

Рис. 23. Пропиточноотжимное устройство

 

Для улучшения процесса пропитки разработан ряд методов инжекционного введения связующего, принципиальная схема такого процесса приведена на рис. 24.

 

Рис. 24. Инжекционный метод введения

связующего в процессе пултрузии

 

Формующая фильера представляет собой разъемную металличе­скую форму, рабочие поверхности которой отполированы и хромирова­ны. Длина фильеры зависит от размера протягиваемого профиля, типа связующего, скорости процесса и обычно варьируется в пределах 300-1500 мм. Рабочий канал должен быть правильной геометрической фор­мы с параллельными стенками и закругленными краями для предот­вращения излома волокон. Нагрев фильеры чаще всего осуществляет­ся с помощью плоских электронагревателей. Однако с целью повыше­ния производительности все большее применение находит высокочас­тотный индукционный нагрев, который позволяет увеличить скорость пултрузии. Наиболее важными параметрами любой системы нагрева фильеры является равномерность распределения температурного поля и возможность контроля температуры на всех этапах формования. Внешний вид фильеры для получения круглых стержневых изделий или труб показан на рис. 25.

 

Рис. 25. Фильера для формования изделий

круглого поперечного сечения

 

Устройства протягивания развились из простейшей прямой тяги, осуществляемой тросом или цепью, наматываемой на барабан. В на­стоящее время применяются два принципиально различных типа протя­гивающих устройства. В устройстве типа гусеничных траков использу­ются две постоянно вращающиеся в противоположных направлениях гусеничные ленты, между которыми находится отвержденный профиль. Существенным недостатком такого механизма является то, что для профилей требуется довольно большое количество зажимных подушек специальной формы. В более удобном возвратно-поступательном уст­ройстве в зажимной системе используется только две пары подушек, соответствующих каждому виду профиля. При этом одна подушка при­жимается к другой посредством гидравлического или механического привода, а профиль находится между ними.

В электротехнической промышленности пултрузионные установки используются, в основном, для изготовления круглых стеклопластиковых стержней электротехнического назначения диаметром от 10 до 50 мм. Наиболее известная российская установка типа «4-УПС-12» со­стоит из двух стендов для бобин, камеры сушки жгута, пропиточного, формующего, режущего и приемного устройства, камеры полимериза­ции и имеет скорость протягивания 0,3-0,6 м/мин при длине формующей фильеры, равной 2,4 м.

Наибольшее развитие пултрузия получила в США, где функциони­руют более 150 производственных линий для пултрузии. Ведущими в этой области являются фирмы «Goldsworthy Engineering» и «Pultrusion Technology». Они выпускают стандартные установки, позволяющие по­лучать профили с площадью поперечного сечения до 150 см². Первая из фирм разработала одну из самых крупногабаритных установок для изготовления профильных панелей из гибридных материалов размером сечения 457x914 мм с усилием протягивания до 10 т. Установка обору­дована высокочастотным индукционным нагревом для отверждения ма­териала профилей.

В качестве примера на рис. 26 приведена схема пултрузионной установки для получения длинномерных профилей разработанной фирмой «Faserplastik».

Схема работы установки следующая. Нити со шпулярника 1 по­ступают через распределительную решетку 2, разделительные валики 3 и направляющие 4, обеспечивающие параллельную укладку волокон, в пропиточную ванну 6.

Для улучшения качества пропитки волокнистого наполнителя по­лимерным связующим производится подсушка инфракрасным источни­ком, расположенным над пучком волокна перед входом в пропиточную ванну. Расстояние между поверхностью пучка и источником регулирует­ся таким образом, чтобы конвективный поток тепла, переносимый на­полнителем, обеспечивал стабильный прогрев связующего в пропиточ­ной ванне до требуемой температуры.

 

Рис. 26. Схема пултрузионной установки фирмы «Faserplastik»:

1 - шпулярник; 2 - распределительная решетка; 3 - разделительные валики; 4 - направляющие отверстия;

5 - инфракрасная лампа; 6 - пропиточная ван­на; 7 - предварительные фильеры; 8 - катушки с армирующими лентами;

9 - направляющее устройство; 10 - формующая фильера с оправкой; 11 - терморегулятор;

12-пульт управления; 13 - гусеничная тяга; 14 - отрезное устройство; 15 - готовый профиль

 

После ванны пропитанный пучок волокон поступает в систему предварительных фильер 7 и направляющих устройств 9, где происхо­дит дальнейшая пропитка наполнителя и удаление излишков связующе­го и пузырьков воздуха, выравнивание отдельных волокон, формирова­ние сечения изготавливаемого профиля и равномерное распределение волокон по сечению. Далее пучок волокон с небольшим избытком свя­зующего поступает в обогреваемую фильеру, где происходит оконча­тельное удаление избытка связующего и воздуха, выравнивание и формирование сечения профильного изделия, отверждение связующего. Фильера представляет собой металлическую разъемную форму длиной 450 мм, имеющую рабочие каналы требуемого сечения. Установка пред­назначена для получения только однонаправленных изделий.

Более качественные изделия получают в фильерах-термокамерах, имеющих значительную длину - до 2 метров. При использовании свя­зующих с низким содержанием летучих продуктов можно получить из­делия со стабильными геометрическими размерами. Однако такой спо­соб не нашел широкого применения, т.к. фильеры-термокамеры дороги в изготовлении и сложны в эксплуатации. Кроме того, использование связующих, содержащих растворители, приводит к получению порис­тых и непрочных изделий ввиду невозможности удаления паров раство­рителя из замкнутого объема термокамер в процессе термообработки.

Для повышения прочности при сдвиге и сопротивления кручению при изготовлении трубчатых или стержневых элементов совмещают метод пултрузии с процессом обмотки нитью (рис. 27), для чего тре­буется сложное специальное оборудование.

 

Рис. 27. Схема пултрузионно-намоточного процесса

 

Известны также способы формования изделий из композитов, на­пример, силовой опрессовкой, когда размеры поперечного сечения и степень наполнения его волокнистой арматурой определяются усилием формования. Наиболее распространен способ, при котором армирующий наполнитель раскладывается на адгезионную ленту, ширина кото­рой соответствует периметру поперечного сечения изделия. Лента при­водится в движение специальным протягивающим устройством и по мере перемещения загибается, образуя оболочку, охватывающую ар­мирующий материал. Формование производится либо формующей фильерой (рис. 28), либо ленточным прессом с постепенно нарас­тающим усилием обжатия (рис. 29), что обеспечивает удаление из структуры воздушных и газовых включений. Такой способ применяется, в основном, для изготовления изделий с большой площадью попереч­ного сечения, причем использование антиадгезионной пленки позволя­ет улучшить условия движения изделия в фильере.

 

Рис. 28. Устройство для формования стержневых изделий:

1 - корпус; 2 - антиадгезионная лента; 3 - тянущие ролики

 

Рис. 29. Способ формования стержневых изделий из композитов ленточным прессом:

1 - волокнистый материал; 2 - ванна со связующим; 3 - бобина антиадгезион­ной ленты;

4 - приформовывающие ролики; 5 - ленточный пресс; 6 - термокамера; 7 - протягивающие ролики;

8 - отрезное устройство

 

Одним из методов силового формования является способ изготов­ления изделий, при котором формование осуществляется обмоткой во­локнистым материалом на стадии термообработки. При этом уплотне­ние, достигнутое в фильерах, фиксируется натяжением нитей вспомога­тельной арматуры. Наибольшее наполнение может быть достигнуто при протягивании изделий через каскад дискретных коротких фильер с плавно изменяющимся диаметром формующего отверстия и индивиду­альным обогревом. Принципиальная схема процесса приведена на рис. 30. Такой способ нашел применение при изготовлении высоко­прочных стеклопластиковых стержней, используемых для армирования стеклопластбетонных и электроизолирующих конструкций взамен ме­таллической арматуры, а также пластиковых стержней с декоративным узором.

 

Рис. 30. Изготовление стержневых изделий из КМ

методом силовой опрессовки обмоткой:

1 - обматывающая арматура; 2 - волокнистый материал;

3 - ванночка со связующим; 4, 5 - обмотчики;

6 - механизм протягивания; 7 - оправка