Накальная намотка — это технология изготовления , в основном используемая для изготовления открытых (цилиндров) или конструкций с закрытым концом (сосудов под давлением или резервуаров). Этот процесс включает намотку нитей под натяжением на вращающуюся оправку . Оправка вращается вокруг шпинделя (ось 1 или X: шпиндель), в то время как подающая проушина на каретке (ось 2 или Y: горизонтально) перемещается горизонтально в соответствии с осью вращающейся оправки, укладывая волокна под нужным рисунком или под нужным углом. к оси вращения. Наиболее распространенными являются стеклянные или углеродные нити , которые пропитываются смолой при прохождении через ванну при намотке на оправку. Как только оправка будет полностью покрыта до желаемой толщины, смола затвердевает. В зависимости от системы смолы и характеристик ее отверждения оправку часто автоклавируют , нагревают в печи или вращают под лучистыми нагревателями до тех пор, пока деталь не затвердеет. После затвердевания смолы оправку удаляют или извлекают, оставляя готовое изделие полым. Для некоторых продуктов, таких как газовые баллоны, «оправка» является постоянной частью готового продукта, образующей вкладыш для предотвращения утечки газа или барьер для защиты композита от жидкости, подлежащей хранению.
Намотка накаливания хорошо подходит для автоматизации, и существует множество применений, таких как трубы и небольшие сосуды под давлением, которые наматываются и отверждаются без какого-либо вмешательства человека. Контролируемыми переменными для намотки являются тип волокна, содержание смолы, угол намотки, жгут или полоса пропускания и толщина пучка волокон. Угол намотки волокна влияет на свойства конечного продукта. «Обруч» с большим углом обеспечит прочность по окружности, тогда как узоры с меньшим углом (полярные или спиральные) обеспечат большую прочность на продольный / осевой разрыв.
Продукция, производимая в настоящее время с использованием этой технологии, варьируется от труб , валов клюшек для гольфа , корпусов мембран обратного осмоса , весел , велосипедных вилок, велосипедных ободов, опор электропередач и передач, сосудов под давлением , корпусов ракет , фюзеляжей самолетов , фонарных столбов и лонжеронов яхт .
Простейшие намоточные машины имеют две оси движения: вращение оправки и перемещение каретки (обычно горизонтальное). Двухосные станки лучше всего подходят только для изготовления труб. Для сосудов под давлением, таких как контейнеры со сжиженным нефтяным газом или сжатым природным газом (например), обычно имеется четырехосная намоточная машина. Четырехосный станок дополнительно имеет радиальную ось (поперечной подачи), перпендикулярную перемещению каретки, и вращающуюся головку для выдачи волокна, установленную на оси поперечной подачи. Вращение раздаточной головки можно использовать для предотвращения скручивания ленты волокна и, следовательно, изменения ее ширины во время намотки.
Машины с более чем четырьмя осями могут использоваться для сложных задач, шестиосные намоточные машины обычно имеют 3 линейные и 3 оси вращения. Станки с более чем двумя осями движения имеют компьютерное управление/ ЧПУ , однако в наши дни новые двухосные станки в основном имеют числовое управление. Машины для намотки накаливания с компьютерным управлением требуют использования программного обеспечения для создания схем намотки и траекторий машины. Такое программное обеспечение обычно может быть предоставлено производителями машин для намотки или с использованием независимых продуктов, таких как Cadfil [1] или Cadwind, [2] обзор методы программирования для станков с ЧПУ можно найти в [3] . Пример такого процесса намотки можно найти повсюду в Интернете.
Процесс накальной намотки;
Процессы намотки накаливания могут быть непрерывными или прерывистыми.
Процессы непрерывной намотки используются для непрерывного производства труб низкого давления от малого до очень большого диаметра на оправке, образованной из бесконечной ленты (широко известный как процесс Дростхольма). Трубы, изготовленные с помощью этого процесса, в основном используются в сетях передачи/распределения сред (вода, канализация, сточные воды). Машины непрерывной намотки нити обычно представляют собой двухосные машины, способные укладывать волокно, стеклоткань, вуаль в виде непрерывных обручей. Эти машины обычно оснащены несколькими двигателями-измельчителями (чтобы обеспечить разнонаправленное размещение волокон на детали) и бункерами для песка (чтобы сбрасывать песок на деталь и придавать структурно усиленную сердцевину).
Процесс прерывистой намотки используется для изготовления деталей высокого давления, труб, сосудов под давлением и сложных компонентов. Многоосный станок используется для настройки угла укладки ленты из стекловолокна.
Прямые ровинги из стекловолокна погружают в ванну со смолой, где они покрываются смоляной системой. Каждая нить ровинга из стекловолокна покрыта проклеивающим составом, который обеспечивает вторичное соединение между прядью стекловолокна и смолой. Размер может быть совместим с одной системой смол (например, совместим с полиэфиром или эпоксидной смолой) или совместим с несколькими системами (совместим с полиэстером + эпоксидной смолой + полиуретаном). Совместимость проклейки имеет решающее значение для обеспечения связи между смолой и волокном, за исключением систем полиуретановых смол, где смола одинаково хорошо связывается как непосредственно со стеклом, так и с проклейкой. Обычные системы пропитки смолой представляют собой конструкцию «W Dip Bath» или «Doctoring Roll», однако в последнее время были достигнуты значительные успехи в пропиточной ванне, позволяющей сократить отходы, максимизировать эффективность пропитки смолой и улучшить свойства композитной матрицы. [5] Это приводит к гораздо лучшему контролю пропитки и соотношения смолы и стекла по сравнению с обычными ваннами.
Затем пропитанные жгуты буквально наматываются на оправку (стержень пресс-формы) по контролируемой схеме, чтобы придать форму детали. После намотки смолу отверждают, обычно с использованием тепла. Сердцевину формы можно удалить или оставить как неотъемлемый компонент детали (Rosato, DV). Этот процесс в основном используется для полых компонентов, обычно круглого или овального сечения, таких как трубы и резервуары. Сосуды под давлением, трубы и приводные валы изготовлены с использованием накальной намотки. Его комбинируют с другими методами нанесения волокон, такими как ручная укладка, пултрузия и плетение. Уплотнение происходит за счет натяжения волокон, а содержание смолы в первую очередь измеряется. Волокна могут быть пропитаны смолой перед намоткой (мокрая намотка), предварительно пропитаны (сухая намотка) или после пропитки. Преимущества мокрой намотки заключаются в использовании самых дешевых материалов с длительным сроком хранения и низкой вязкостью. Предварительно пропитанные системы позволяют производить детали с более стабильным содержанием смолы и зачастую их можно наматывать быстрее.
Натяжение волокон является важнейшим элементом в построении композитных конструкций. Если натяжение пряди слишком слабое, структура композитного ламината будет иметь более низкую механическую прочность и эксплуатационные характеристики. Если натяжение слишком велико, пряди могут растрескиваться или образовывать пушок. [ необходимы разъяснения ] Из-за чрезмерного натяжения соотношение смолы и стекла в ламинате также может выйти за пределы допустимых пределов, в результате чего ламинаты становятся непригодными для применений, связанных с транспортировкой сред и жидкостей. [ нужны разъяснения ]
Натяжители из стекловолокна [ необходимы пояснения ] могут создавать сухое или влажное натяжение в зависимости от их местоположения до или после пропитки прядей стекловолокна.
Стекловолокно является наиболее часто используемым для намотки волокна, также используются углеродные и арамидные волокна. Большинство высокопрочных критически важных аэрокосмических конструкций производятся с использованием эпоксидных или полиуретановых смол, причем для большинства других применений используются либо эпоксидные, полиуретановые, либо более дешевые полиэфирные смолы. Возможность использовать непрерывное армирование без каких-либо разрывов и соединений является несомненным преимуществом, как и получаемая высокая объемная доля волокна, примерно от 60% до 80%. Гладкой будет только внутренняя поверхность структуры, навитой из нити, если на внешней поверхности не будет выполнена вторичная операция. Перед снятием оправки деталь обычно отверждается при высокой температуре. Отделочные операции, такие как механическая обработка или шлифовка, обычно не требуются (Furness, J., Azom.com). [ нужна цитата ]
Сотрудники, занятые в производстве стекловолокна с использованием систем полиэфирных и винилэфирных смол, подвергаются множеству опасностей – высокому содержанию стирола . [6] Поскольку контроль и ограничения выбросов стирола ужесточаются, промышленность медленно смещается в сторону систем смол, таких как полиуретаны , которые не содержат летучих растворителей. [ нужна цитата ]
Бисфенол А (BPA) является ключевым компонентом систем эпоксидных смол . Предполагается, что BPA нарушает работу эндокринной системы , и во многих странах его запрещено использовать в таких продуктах, как детские бутылочки. Поскольку в исследованиях на животных BPA является токсикантом для репродуктивной системы, развития и системного характера и обладает слабым эстрогенным действием, возникают вопросы о его потенциальном воздействии, особенно на здоровье детей и окружающую среду. Агентство по охране окружающей среды США намерено инициировать анализ альтернатив BPA в материалах на основе BPA, облицовывающих водопроводные и канализационные трубы, поскольку это применение может иметь потенциал воздействия на человека и окружающую среду. [7] BPA из композитных изделий на основе эпоксидной смолы, таких как трубы, может выщелачиваться в жидкую среду (воду) при воздействии повышенной температуры и является причиной беспокойства. [ нужна цитата ]