Намотка нитей — это технология изготовления , которая в основном используется для изготовления открытых (цилиндры) или закрытых концевых конструкций (сосуды или резервуары под давлением). 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: горизонтальная) перемещается горизонтально в соответствии с осью вращающейся оправки, укладывая волокна в желаемом узоре или под углом к оси вращения. Наиболее распространенные нити — стеклянные или углеродные , и они пропитываются смолой, проходя через ванну по мере намотки на оправку. После того, как оправка полностью покрыта до желаемой толщины, смола отверждается. В зависимости от системы смолы и ее характеристик отверждения, оправку часто автоклавируют или нагревают в печи или вращают под лучистыми нагревателями до тех пор, пока деталь не затвердеет. После того, как смола затвердеет, оправку удаляют или извлекают, оставляя полое конечное изделие. Для некоторых изделий, таких как газовые баллоны, «оправка» является постоянной частью готового изделия, образуя оболочку для предотвращения утечки газа или выполняющую функцию барьера для защиты композита от хранимой жидкости.
Намотка нити 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 ширина полосы пропускания и толщина пучка волокон. Угол, под которым наматывается волокно, влияет на свойства конечного продукта. Высокоугловой «обруч» обеспечит окружную прочность, в то время как модели с меньшим углом (полярные или спиральные) обеспечат большую продольную / осевую прочность на растяжение.
Продукция, которая в настоящее время производится с использованием этой технологии, включает трубы , рукоятки клюшек для гольфа , корпуса мембран обратного осмоса , весла , велосипедные вилки, велосипедные обода, опоры линий электропередач, сосуды под давлением , корпуса ракет , фюзеляжи самолетов , фонарные столбы и рангоут яхт .
Простейшие намоточные машины имеют две оси движения: вращение оправки и перемещение каретки (обычно горизонтальное). Двухосные машины лучше всего подходят для производства только труб. Для сосудов под давлением, таких как баллоны для сжиженного нефтяного или сжатого природного газа (например), обычно используют четырехосную намоточную машину. Четырехосная машина дополнительно имеет радиальную (поперечную) ось, перпендикулярную перемещению каретки, и вращающуюся головку размотки волокна, установленную на оси поперечной подачи. Вращение головки размотки может использоваться для остановки скручивания ленты волокна и, таким образом, изменения ширины во время намотки.
Машины с более чем четырьмя осями могут использоваться для сложных приложений, шестиосевые намоточные машины обычно имеют 3 линейные и 3 вращающиеся оси. Машины с более чем 2 осями движения имеют компьютерное/ ЧПУ управление, однако в наши дни новые двухосевые машины в основном имеют числовое управление. Машины для намотки нити с компьютерным управлением требуют использования программного обеспечения для генерации схем намотки и траекторий машины, такое программное обеспечение обычно может быть предоставлено производителями машин для намотки нити или с использованием независимых продуктов, таких как: - Cadfil [1] - TaniqWind Pro, [2] - Cadwind, [3]
Теоретические основы технологии намотки нити можно найти в книге [4] .
Около 2005-2007 годов две пионерские компании, MF Tech (Франция) и TANIQ (Нидерланды), начали использовать промышленных роботов для намотки нити. Стандартный промышленный робот имеет 6 степеней свободы (dofs), представляя собой доступную и надежную альтернативу с расширенными возможностями движения. Быстро были разработаны инновационные концепции намотки, в которых робот удерживает вращающуюся оправку, а также выполняет дополнительные шаги автоматизации для обработки оправок. Роботы для намотки нити рассматривались в программном обеспечении так, как если бы они были станками с ЧПУ, пока голландская компания TANIQ не разработала специальный роботизированный постпроцессор, использующий максимальные возможности движения робота.
После того, как были разработаны роботизированные системы для намотки нити, они были адаптированы для размещения термопластичных лент. Для этого требуется другое программное обеспечение для размещения траектории и специальные головки для размещения ленты.
Процесс намотки нити;
Процессы намотки нити могут быть как непрерывными, так и прерывистыми.
Процессы непрерывной намотки используются для производства труб низкого давления, малого и очень большого диаметра непрерывно на оправке, сформированной из бесконечной ленты (обычно известный как процесс Дростхольма). Трубы, изготовленные с помощью этого процесса, в основном используются для сетей передачи/распределения сред (вода, канализация, сточные воды). Машины для непрерывной намотки нитей обычно представляют собой 2-осевые машины, способные укладывать волокна, стекловолоконную ткань, вуаль в непрерывном кольцевом узоре. Эти машины обычно оснащены несколькими двигателями-измельчителями (для обеспечения многонаправленного размещения волокон на детали) и бункерами для песка (для сброса песка на деталь и создания структурно усиленного сердечника)
Процесс прерывистой намотки используется для производства деталей высокого давления, труб, сосудов высокого давления и сложных компонентов. Многоосевые машины используются для настройки угла намотки стекловолоконной ленты.
Прямые стекловолоконные ровинги погружаются в ванну со смолой, где они покрываются смоляной системой. Каждая прядь в стекловолоконном ровинге покрыта замасливающей химией, которая обеспечивает вторичное связывание между стекловолоконной прядью и смолой. Замасливание может быть совместимым с одной смоляной системой (например, совместимым с полиэфиром или эпоксидной смолой) или совместимым с несколькими системами (совместимым с полиэфиром + эпоксидной смолой + полиуретаном). Совместимость замасливания имеет решающее значение для обеспечения связи между смолой и волокном, за исключением случаев систем полиуретановых смол, где смола связывается непосредственно со стеклом, а также замасливателем одинаково хорошо. Обычные системы пропитки смолой представляют собой конструкцию «W Dip Bath» или «Doctoring Roll», однако в последнее время были достигнуты значительные успехи в пропиточной ванне для сокращения отходов, максимизации эффективности пропитки смолой и улучшения свойств композитной матрицы. [6] Это приводит к гораздо более высокому контролю пропитки и соотношения смолы к стеклу по сравнению с обычными ваннами.
Затем пропитанные жгуты буквально наматываются на оправку (сердечник формы) по контролируемой схеме для формирования формы детали. После намотки смола отверждается, как правило, с использованием тепла. сердечник формы может быть удален или может быть оставлен как неотъемлемый компонент детали (Rosato, DV). Этот процесс в основном используется для полых, как правило, круглых или овальных секционных компонентов, таких как трубы и резервуары. Сосуды под давлением, трубы и приводные валы были изготовлены с использованием намотки нитей. Он был объединен с другими методами нанесения волокон, такими как ручная укладка, пултрузия и плетение. Уплотнение происходит за счет натяжения волокон, а содержание смолы в первую очередь дозируется. Волокна могут быть пропитаны смолой перед намоткой (мокрая намотка), предварительно пропитаны (сухая намотка) или пропитаны после. Мокрая намотка имеет преимущества использования самых дешевых материалов с длительным сроком хранения и низкой вязкостью. Предварительно пропитанные системы производят детали с более постоянным содержанием смолы и часто могут быть намотаны быстрее.
Натяжение волокон является критическим элементом в строительстве композитных структур. Если натяжение на пряди слишком низкое, структура композитного ламината будет иметь более низкую механическую прочность и производительность. Если натяжение слишком высокое, пряди могут испытывать истирание стоек или скопления пуха. [ необходимо уточнение ] Из-за чрезмерного натяжения соотношение смолы и стекла в ламинате может также увеличиться до уровня, превышающего приемлемые пределы, что приведет к получению ламинатов, непригодных для применения в транспортировке сред и жидкостей. [ необходимо уточнение ]
Стекловолоконные натяжители [ требуется разъяснение ] могут обеспечивать сухое или влажное натяжение в зависимости от своего расположения, до или после пропитки стекловолоконных прядей.
Стекловолокно является наиболее часто используемым для намотки нитей волокном, также используются углеродные и арамидные волокна. Большинство высокопрочных критических аэрокосмических конструкций производятся с использованием эпоксидных или полиуретановых смол, при этом для большинства других применений указываются либо эпоксидные, полиуретановые, либо более дешевые полиэфирные смолы. Возможность использования непрерывного армирования без каких-либо разрывов или соединений является несомненным преимуществом, как и высокая объемная доля волокна, которая может быть получена, около 60% - 80%. Только внутренняя поверхность намотанной нити структуры будет гладкой, если только не будет выполнена вторичная операция на внешней поверхности. Компонент обычно отверждается при высокой температуре перед удалением оправки. Отделочные операции, такие как механическая обработка или шлифовка, обычно не требуются (Furness, J., Azom.com). [ необходима цитата ]
Сотрудники, занятые в процессах производства стекловолокна с использованием систем полиэфирных и винилэфирных смол, подвергаются воздействию множества опасностей – высокого уровня стирола . [7] Поскольку контроль и ограничения выбросов стирола ужесточаются, отрасль медленно переходит на системы смол, такие как полиуретаны , которые не содержат летучих растворителей. [ требуется ссылка ]
Бисфенол А (БФА) является ключевым компонентом систем эпоксидной смолы . БФА является предполагаемым эндокринным разрушителем и запрещен во многих странах для использования в таких продуктах, как детские бутылочки. Поскольку БФА является репродуктивным, развивающим и системным токсичным веществом в исследованиях на животных и является слабо эстрогенным, существуют вопросы о его потенциальном воздействии, особенно на здоровье детей и окружающую среду. Агентство по охране окружающей среды США намерено инициировать альтернативные анализы для БФА в материалах на основе БФА, используемых для облицовки водопроводных и сточных труб, поскольку это применение может иметь потенциал воздействия на человека и окружающую среду. [8] БФА из композитных изделий на основе эпоксидной смолы, таких как трубы, может вымываться в жидкую среду (воду) при воздействии повышенной температуры и является причиной беспокойства. [ необходима цитата ]