профиль из композиционного материала с сердцевиной и устройство для его изготовления

Формула изобретения

1. Профиль из композиционного материала с сердцевиной, включающий раздельно образованную оболочку из волокнистого материала, в которой помещен раздельно поданный материал сердцевины и соединяющая их смола, сформованные и отвержденные при протяжке сборки через формующий канал матрицы, отличающийся тем, что материал оболочки выполнен по меньшей мере из одного слоя ткани, которую по форме постепенно изменяют в соответствии с формой изготавливаемого изделия, а материал сердцевины помещен в эту оболочку посредством потока воздуха с обеспечением по меньшей мере частичной его диффузии через ткань оболочки до формующей матрицы.

2. Профиль по п.1, отличающийся тем, что материалы, образующие сердцевину, содержат измельченное вещество.

3. Профиль по п. 2, отличающийся тем, что измельченное вещество имеет одинаковый размер частиц.

4. Устройство для изготовления профиля из композиционного материала с сердцевиной, соединенной посредством смолы с оболочкой, содержащее средство подачи материала оболочки, направляющие средства, средства раздельной подачи материала сердцевины и связующей смолы, формующие обогреваемые матрицы, определяющие форму поперечного сечения профиля при протяжке, средства отбора готового профиля, отличающееся тем, что направляющие средства для направления по меньшей мере одного слоя оболочки из ткани выполнены в виде профилированного элемента с постепенно изменяющейся от входа к выходу наружной формой и внутренним каналом, имеющим сечение, подобное сечению изделия, но большего размера, а средство подачи материала сердцевины в канал профилированного элемента выполнено в виде воздуходувки для вдувания частиц этого материала с помощью воздушного потока.

5. Устройство по п.4, отличающееся тем, что направляющее средство установлено с зазором относительно формующей матрицы.

6. Устройство по п.4, отличающееся тем, что оно снабжено установленной перед формующей матрицей дополнительной матрицей, имеющей сечение, подобное сечению изделий, но большего размера, для обеспечения предварительного формования профиля в формующем канале.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к поточно изготавливаемым, заполненным наполнителем профилям, полученным процессом изготовления одноосноориентированного композиционного материала, и устройству для изготовления таких профилей.

Известно, что процесс изготовления одноосноориентированного композиционного материала представляет собой эффективный способ непрерывного изготовления профилей постоянного поперечного сечения. Известные профили в основном изготавливаются из связанных смолой пучков стекловолокна, но в тех случаях, когда требуется дополнительная прочность, некоторые или все пучки стекловолокна могут быть заменены пучками угольных или арамидных волокон. Обычно пучки свиваются с конических шпуль /или с бобин/, установленных на раме, и по отдельности по направляющим подаются к входу места формовки, при этом пучки занимают площадь поперечного сечения формующей матрицы. Связующая смола впрыскивается в матрицу для увлажнения пучков, которые затем перемещаются через отверждающую матрицу, где смола затвердевает для создания жесткого, связанного смолой профиля. Большая часть профилей имеет стандартную форму поперечного сечения, например форму L, V, T, O. Также изготавливаются профили с полым поперечным сечением, причем посредством дополнительного процесса они заполняются пеной из полиуретана и полиизоцианурата, вводимой впрыскиванием. В сложных профилях из волокнистого пластика трудно добиться точного заполнения наполнителя, а усадка сердцевины из пены при проведении процесса создает трудности в отношении сцепления, что приводит к большому проценту брака.

Известен профиль из композиционного материала с сердцевиной, включающий раздельно образованную оболочку из волокнистого материала, в которой помещены раздельно поданный материал сердцевины и соединяющая их смола, сформованные и отвержденные при протяжке сборки через формующий канал матрицы.

Известно также устройство для изготовления профиля из композиционного материала с сердцевиной, соединенной посредством смолы с оболочкой, содержащее средство подачи материала оболочки, направляющие средства, средства раздельной подачи материала сердцевины и связующей смолы, формующие обогреваемые матрицы, определяющие форму поперечного сечения профиля при протяжке, средства отбора готового профиля (патент США N 4259130, кл. B 32 B 5/00, 1981).

Однако известное техническое решение не предусматривает изготовление профиля, имеющего пропитанную, тканевую оболочку, а также не предусматривает использование устройства для получения такого профиля. Предложенный способ и устройство основаны на тканевом материале и материалах, образующих сердцевину, и связующем матрицы смолы, плотно занимающем необходимую пространственную конфигурацию матрицы для получения профилей, обеспечивая консистенцию и состав поверхностной отделки. Соприкосновение стенок матрицы с тканью является важной для исключения прилипания термообразующего связующего к стенкам формы.

Техническим результатом предложенного технического решения является создание новых и улучшенных профилей из композиционного материала с сердцевиной, а также устройства для изготовления профилей.

Для достижения технического результата в профиле из композиционного материала с сердцевиной материал оболочки выполнен по меньшей мере из одного слоя ткани, которую по форме постепенно изменяют в соответствии с формой изготавливаемого изделия, а материал сердцевины помещен в эту оболочку посредством потока воздуха с обеспечением по меньшей мере частичной его диффузии через ткань оболочки до формующей матрицы. Материалы, образующие сердцевину, содержат измельченное вещество. Измельченное вещество имеет одинаковый размер частиц.

Для достижения технического результата в устройстве для изготовления профиля из композиционного материала с сердцевиной, направляющие средства для направления по меньшей мере одного слоя оболочки из ткани выполнены в виде профилированного элемента с постепенно изменяющейся от входа к выходу наружной формой и внутренним каналом, имеющим сечение, подобное сечению изделия, но большого размера, а средство подачи материала сердцевины в канал профилированного элемента выполнено в виде воздуходувки для вдувания частиц этого материала с помощью воздушного потока. Направляющее средство установлено с зазором относительно формующей матрицы. Устройство снабжено установленной перед формующей матрицей дополнительной матрицей, имеющей сечение, подобное сечению изделия, но большего размера для обеспечения предварительного формования профиля в формующем канале.

На фиг. 1 изображен общий вид устройства; на фиг. 2 узел матрицы на фиг. 1 в увеличенном масштабе; на фиг. 3 форма поперечного сечения профиля; на фиг. 4 узел оправки на фиг. 1 в увеличенном масштабе; на фиг. 5 вариант фиг. 4; на фиг. 6 вариант устройства; на фиг. 7 фрагмент фиг. 6 в увеличенном масштабе; на фиг. 8 то же.

В устройстве для изготовления профилей из композитного материала с сердцевиной, которое показано на фиг. 1, ткань предпочтительно плетеное стекловолокно 1, 2 подается подающими роликами 3, 4 и направляется по внешней спрофилированной поверхности формирующего канала 5 к предварительной оправке 6 через матрицы 7, 8, 9, место 10 формовки к роликам 11, тянущим ткань. Канал 5 является полым и у его конца 12, удаленного от оправки 6, запитывается состоящим из отдельных частиц и подаваемым из бункера 13 материалом сердцевины, несомым воздушным потоком, создаваемым воздуходувкой 14 с трубкой Вентури. Воздушный поток течет по направлению к месту 10 формовки и по меньшей мере частично рассеивается через ткань 1, 2 до дополнительной матрицы 9 для отверждения смолы, и образует тело 15 из материала, составляющего сердцевину, заполняющего пространство между слоями ткани 1, 2 в зазоре 16 между предварительной оправкой 6 и формующей матрицей 7 и местом 10 формовки, как показано на фиг. 4. Слои 1-2 ткани, когда они крепятся к начальным роликам 11, принимают такую форму, что занимают контуры матриц в месте 10 формовки и сохраняют такую конфигурацию при прохождении через предварительную оправку 6 и над частью внешней поверхности канала 5, который удлинен и имеет внешнюю форму, которая по длине постепенно переходит в форму поперечного сечения матрицы 9 для отверждения смолы, и у места формовки конец канала 5 по поперечному сечению подобен поперечному сечению матрицы 9 для отверждения смолы, но больше его по размеру. Ткань 1, 2 удерживается под небольшим продольным натяжением посредством совместного действия подающих роликов 3, 4 и роликов 11. Кода пусковые или начальные ролики 11 приводятся в движение и ткань 1, 2 натягивается, эта ткань совместно с образующими сердцевину материалами /первоначально удерживаемыми в надлежащем месте посредством пробки 17 приданной формы, установленной в пространстве 18 между слоями ткани 1, 2 в зазоре 16/ движется вперед через место 10 формовки, которое запитывается смолой, подаваемой к инжекционной матрице 8 насосом 19. Выходящий профиль 20, который представляет собой отвержденную смолу, собирается посредством отводных блоков 21, которые продвигают профиль вперед и обеспечивают возможность отделения роликов 11 ткани, поскольку они больше не функционируют, когда ткань 1, 2 связана смолой. Матрица 9 запрограммирована таким образом, чтобы функционировать при соответствующей температуре отверждения смолы.

Очертания формирующего канала 5 определяются до изготовления профиля посредством подачи слоев ткани 1, 2 от подающих роликов 3, 4, через пространство 18 формовки к пусковым роликам 11 при отсутствии материала, образующего сердцевину. Ткань располагается таким образом, чтобы занять периметр матрицы, форма которого, например, может быть такой, которая показана на фиг. 3. Затем подающие ролики 3, 4 натягиваются таким образом, что слои ткани 1, 2 становятся абсолютно такими, как предполагалось, и образуют их естественную конфигурацию между роликами 3, 4 и местом 10 формовки. Ткань 1, 2 в пространстве между формующим участком матрицы 7 и подающими роликами 3, 4 расходится наружу и покрывается смолой, которая отверждается для создания жесткого узла, который отрезается от слоев ткани и усиливается изнутри там, где это необходимо, посредством нанесения дополнительной ткани из стекловолокна и смолы с тем, чтобы создать форму. После этого форма служит для создания формирующих каналов 5, изготавливаемых из любого приемлемого материала, например пластика, усиленного стекловолокном, древесины, стали или алюминия, которые могут быть отлиты или собраны. Запитываемому концу 12 канала 5 придан такой вид или такая форма, что он точно соответствует выходному концу воздуходувки 14 с трубкой Вентури, а подающий конец канала 5 расположен вблизи от предварительной оправки 6, как показано на фиг. 4. Предварительная оправка 6 и участок формующей матрицы 7 имеют такую же форму поперечного сечения, что и у матрицы 9, но по размерам она больше, чем у матрицы 9. Они могут также сужаться по длине /что схематически показано на фиг. 1 для предварительной оправки 6/, имея большее поперечное сечение у своих входных концов, чем у выходных концов. При таком расположении в течение изготовления профилей из волокнистого пластика слои ткани 1, 2 направляются по наружной поверхности канала 5 с тем, чтобы постепенно перейти к форме поперечного сечения матрицы 9, когда ряды ткани приближаются к месту 10 нахождения матрицы. Этому направляющему действию могут способствовать поперечные элементы /не показаны/, лежащие над слоями ткани 1, 2.

Предварительная оправка 6, размер выходного конца которой несколько больший, чем у матрицы 9, расположена вблизи, но на расстоянии от входа раструба 22 ведущего или формирующего участка матрицы 7, при этом точная величина зазора 16 задается такой, чтобы обеспечить возможность окончательного формирования ткани 1, 2 и перемещения без деформирования с материалом сердцевины в зазор или пространство 16 в форме слегка выступающей подвижной стенки 23, которая полностью занимает контуры полого профиля и заключена между двумя слоями ткани 1, 2, которые перекрываются вдоль их продольных краев, тем самым препятствуя выходу наполняющего материала.

Внутренняя поверхность канала 5 по ее длине также может постепенно переходить к форме поперечного сечения матрицы 9 и в конце места формовки имеет поперечное сечение, подобное поперечному сечению матрицы 9, так что материалы, образующие сердцевину, постепенно переходят к форме поперечного сечения матрицы 9, когда они приближаются к месту формовки.

Для того, чтобы предотвратить обратное течение какого-либо наполняющего материала в форме гранул, вызываемое турбулентным течением в трубке Вентури, избыточный воздух рассеивается через ткань 1, 2 перед матрицей 9 отверждения. Это может происходить в зазоре 16, но предпочтительно, чтобы этому способствовали отверстия в формирующем канале 5. Размер зазора 16 может изменяться примерно от 150 до 200 мм в зависимости от формы профиля и позволяет слегка выступающей стенке 23 из материала, заполняющего сердцевину, выдвигаться к раструбу 22 участка формирующей матрицы 7. Зазор 16 обеспечивает возможность визуального осмотра профиля в течение изготовления для контроля качества уплотнения и для определения того, необходимы ли какие-либо регулировки скорости течения наполнителя для сохранения слегка выступающей подвижной стенки 23 на постоянном уровне. Эта выступающая стенка 23 служит для точного заполнения заполнителем и в качестве затвора участка матрицы 7, который функционирует как зазор для сосуда под давлением, встроенного в инжекционную матрицу 8, так что инжекционная матрица 8 обеспечивает возможность адекватного увлажнения смолой ткани 1, 2 и материала наполнителя для сцепления смолы по всему контуру поперечного сечения профиля.

При измененном расположении, показанном на фиг. 5, участок формующей матрицы 7 отстоит то инжекционной матрицы 8, чтобы создать зазор 24, в котором образована выступающая подвижная стенка 23. Участок формирующей матрицы 7 сужается по длине с тем, чтобы способствовать процессу уплотнения наполняющего материала, а предварительная оправка 6 выполнена в виде двух отдельных секций, которые отстоит от участка формующей матрицы 7. Создание зазора 24 и выполненной в нем стенки 23 обеспечивает возможность наблюдения за действием участка формующей матрицы 7 и позволяет убедиться, что стенка 23 полностью заполняет раструб 25 инжекционной матрицы 8, таким образом заключая действие сосуда под давлением.

Матрица 9 имеет нагретый по центру участок, граничащий с расположенными в боковом направлении охлаждающими участками, при этом охлаждающий участок, примыкающий к инжекционной матрице 8, функционирует так, чтобы изолировать тепло от нагреваемого участка, перемещающегося в инжекционную матрицу 8, вызывающего преждевременное отверждение смолы в нем.

В зависимости от конечного использования профиля 20 можно выбрать большое количество приемлемых наполняющих материалов. Такими типичными материалами являются силикатные полые микросферы, широкий диапазон слоистых минеральных пен, включая вермикулит, фарфор и огнеупорные глины, монтмориллонит и сепиолит. Предпочтительным наполнителем, который может быть приобретен, изготавливается в Германии и имеет торговое наименование PORA VEP.

PORA VEP изготавливается из рециркулированного стекла, которое отбирается, очищается и тонко измельчается, а затем спекается при 1000^oC. Полученный наполнитель представляет собой гранулы в виде шариков, которые негорючи и обладают стойкостью к действию кислот и щелочей. С точки зрения наполнителя дополнительными положительными свойствами PORA VEP являются прекрасная теплоизоляция и звукоизоляция, хорошая водостойкость и весьма низкое поглощение воды.

Несмотря на небольшой вес, прочность PORA VEP на сжатие, составляющая порядка 0,8-1,1 Н/мм² весьма высока. Связанный соответствующей смолой с необразующим агентом или без него PORA VEP удовлетворяет инженерным требованиям, предъявляемым к сердцевине, по отношению высокой прочности к весу. PORA VEP, изготовленный в виде шариков и не содержащий раздробленных гранул, свободно перетекает и всецело пригоден во всех аспектах в качестве наполнителя, причем он может иметь размер зерен в диапазоне от 0,5 до 20 мм, так что можно за один раз выбрать зерна по размеру для соответствующего профиля со сложной или пористой формой и исключить необходимость в наполнителе с дополнительными размерами зерен.

Хотя все упомянутые наполнители выполнены в виде гранул и обладают хорошими теплозащитными, звукозащитными и огнезащитными свойствами, в тех случаях, когда упомянутые свойства не важны, в равной степени могут быть использованы и другие наполнители, такие как гранулированный торф, древесная щепа и опилки.

Может использоваться смола любого приемлемого типа, например полиэфирная или метилакрилатная, причем она может быть составлена так, что будет пенообразующий /посредством пенообразователя, например, Luperfoam 329/ либо непенообразующей, и она вводится в инжекционную матрицу 8 насосом 19 с тем, чтобы обеспечить увлажнение смолой снаружи через ткань 1, 2. Как вариант или дополнительно к вышеуказанному смола может подаваться через канал 5 к внутренней части пространства между слоями 1, 2 ткани, причем при такой схеме смола может подаваться в сочетании с состоящим из отдельных частиц наполнителем из бункера 13 либо, когда используется смола пенообразующего типа, она сама по себе может образовывать сердцевину профиля. Соотношение гранулированного наполнителя и пенообразующей смолы может изменяться в зависимости от использования профиля. Преимущества, вытекающие из использования сочетания гранулированного наполнителя и пенообразующей смолы либо только пенообразующей смолы в качестве сердцевины, заключается в том, что изготовленный профиль обладает чрезвычайно легкостью благодаря снижению содержания жидкой смолы. При этом также снижается производственные затраты.

Введение смолы через канал 5 предпочтительно осуществляется посредством системы, показанной на фиг. 6, 8, из распределенных трубопроводов 26, идущих вдоль внутренней части канала 5, в модифицированный участок 27 формирующей матрицы 7 или вместо формовки, которое отстоит от инжекционной матрицы 8 и имеет ведущую часть 28 с сужающейся расточкой и хвостовую часть 29 с расточкой одного размера, что показано на фиг. 7. Трубопроводы 26 распределены по поперечному сечению матрицы и запитываются из коллектора 30, который, в свою очередь, запитывается компонентами смолы от питающих станций 31. Станции 31 через линии с клапанными и измерительными устройствами подсоединены к коллектору 30 и к насосу 19, так что может осуществляться подача пенообразующих или непенообразующих типов смолы, либо из сочетание. Компоненты пенообразующейся смолы при подаче через коллектор 30 составляются таким образом, чтобы вступать в реакцию с выделением тепла и расширением в суженной входной части 28 участка 27 формующей матрицы 7, при этом происходит отверждение смолы в постоянной по размеру хвостовой части 29 участка 27 формующей матрицы 7. Насос 19 может подавать смолу к инжекционной матрице 8, служащей для покрытия поверхности смолой, которая отверждается в матрице 9.

В случае, когда материалы, образующие сердцевину, создаются пенообразующей смолой /используя пенообразующий агент, например, Luperfoam 329/, частицы из бункера 13 не подаются и воздуходувка 14 не приводится в действие, как и инжекционная матрица 8 и матрица 9. Составляющая сердцевину пенообразующая смола отверждается в части 29 матрицы 9 на участке 27 благодаря повышенной температуре. Композиция смолы регулируется таким образом, чтобы соответствовать повышенной температуре и скорости изготовления профиля. Например, если пенообразующим агентом является Luperfoam 329 или подобный ему агент, то температура отверждения составляет примерно от 60 до 70^oC. Для сравнения, непенообразующие смолы обычно отверждаются при температурах порядка 120-150^oC.

Можно оценить, что в системах изготовления располагающихся в линию профилей из волокнистых пластиков, имеющих сердцевину, создание сердцевины выполняют в общем процессе, а не как вспомогательный процесс, а оболочка профиля скорее образуется тканью, чем пучками, хотя для конкретных особенностей профиля, таких как местные выступы, она может быть образована относительно небольшим количеством пучков. Материалы, образующие сердцевину, могут быть гранулированными, с зернами одного размера и инертными по своей природе либо могут быть образованы пенообразующими смолами. Гранулированные материалы, наполняющие сердцевину, подаются воздушным потоком, идущим из воздуходувки с трубкой Вентури, при отсутствии приложения вакуума к месту формовки. Сцепление смолой материалов, заполняющих сердцевину и образующих оболочку, может осуществляться либо изнутри, либо снаружи по отношению к образующим сердцевину материалам, а также с помощью пенообразующей либо непенообразующей смолы. Для образования оболочки в системе используется ткань, которая направляется к месту формовки по спрофилированной поверхности, которая сама по себе имеет такой контур, чтобы соответствовать форме матрицы, но быть больше по размерам и иметь сужающуюся форму, а место формовки включает в себя формующую матрицу, также предпочтительно с сужающимся отверстием, которая может отстоять от инжекционной матрицы 8 таким образом, что обеспечивает возможность создания увеличенной подвижной стенки наполнителя, так что достигается хорошее наполнение сердцевины перед инжекционной матрицей 8, а в течение протягивания материалов через инжекционную матрицу 8 и матрицу 9 материалы, заполняющие сердцевину, и материалы, образующие оболочку, уплотняются за счет уменьшенных размеров этих матриц. Профиль 20 может иметь соответственно простую и сложную форму, которую относительно легко изготавливать благодаря легкости манипулирования тканью как в начале процесса, так и при пополнении подающих роликов 3, 4.