способ изготовления слоистой структуры, трансформируемой при растяжении в ячеистую конструкцию

Формула изобретения

Способ изготовления слоистой структуры, трансформируемой при растяжении в ячеистую конструкцию, включающий послойную укладку друг на друга лент из плоского термопластичного материала, их фиксирование по всей длине под давлением, сварку верхней и нижней лент, охлаждение, а затем вновь укладку на пакет из двух первых сваренных лент поочередно каждой подлежащей присоединению к нему ленты такой же длины и повторение процесса сварки, при этом осуществляют поочередно перемещение пакета на половину шага сварных швов пакета в любую сторону при приварке нечетной ленты и возвращение в исходное положение при приварке четной ленты, отличающийся тем, что ленты из плоского термопластичного материала при укладке закрепляют с одного края, ограничивают смещение по ширине, затем натягивают в продольном направлении и закрепляют в натянутом состоянии с другого края, сварку проплавлением осуществляют в течение 5-15 с и одновременно сваривают продольные кромки без проплавления лент, охлаждение сварных швов осуществляют сначала на воздухе в течение 2-4 с без давления, а затем под тем же давлением, что и давление сварки, в течение 5-10 с с помощью дополнительно укладываемой пластины.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области изготовления ячеистых конструкций на основе термопластов, а именно к области изготовления сваркой в расплаве слоистых структур из плоских термопластичных лент, способных при растяжении трансформироваться в ячеистую конструкцию.

Известен способ изготовления слоистой структуры из термопластов, при котором уложенные друг на друга слои термопласта сжимают и выполняют в них отверстия. При этом сжатие слоев термопласта осуществляют на расстоянии от контура инструмента, равном по меньшей мере толщине соединяемых слоев, и под торцевой поверхностью инструмента (RU 2005617, В 29 С 65/02, 1994).

Недостатком этого способа являются проплавление и сваривание всего пакета уложенных друг на друга слоев термопласта, в результате чего получают слоистую структуру, не способную трансформироваться (растягиваться) в ячеистую конструкцию. Кроме того, сжатие слоев термопласта на расстоянии от контура инструмента и под его торцевой поверхностью не обеспечивает высокую прочность сварных изделий.

Известен способ изготовления слоистой структуры из слоев термопластичного материала, при котором на каждый слой термопластичного материала с одной его стороны наносят поперечными полосами, расположенными на определенном расстоянии друг от друга, слой состава, образующего после высыхания разделительную пленку, и слои термопластичного материала укладывают друг на друга в пакет таким образом, чтобы полосы из разделительной пленки в соседних слоях были расположены в шахматном порядке. Затем собранный пакет помещают в форму и при повышенной температуре и давлении осуществляют сварку участков термопластичного материала, не защищенных разделительной пленкой (US 3366525, 1968).

Недостатками этого способа являются необходимость нанесения дополнительных полос из разделительной пленки, сушки для удаления раствора из последней и удаления полос после растяжки слоистой структуры, что в итоге ведет к повышению трудоемкости и продолжительности процесса изготовления слоистой структуры. Из-за низкой поверхностной энергии таких термопластов, как полиэтилен, полипропилен, полиэтилентерефталат и многие другие виды трудно нанести на их поверхность, не подвергая ее модифицированию, разделительные пленки из числа указанных в аналоге. Возможные неровные края полос из разделительной пленки не обеспечивают сварку в заданных местах слоев из термопластичного материала. При больших толщине и размерах в плане слоистой структуры необходимы формы с большой мощностью электронагревателей и большие затраты тепловой энергии, чтобы весь прогреваемый объем пакета довести до температуры сварки (выше температуры текучести).

Известен способ изготовления слоистой структуры из уложенных друг на друга и контактирующих своими выступами слоев гофрированных термопластичных заготовок, включающий в себя локализованный в точках или по небольшим поверхностям нагрев контактирующих участков до температуры плавления термопласта, приложение к прогретому участку усилия, достаточного для образования отверстия и формирования наплыва по контуру, и последующее охлаждение, в результате чего создается сварное соединение смежных слоев (ЕРВ 0611643, В 29 С 65/02, 1994).

Данный способ обладает рядом недостатков, в частности, следующими. Способ можно использовать для получения слоистых структур из гофрированных заготовок, что ограничивает разнообразие размеров ячеистых конструкций. Проведение процесса сварки без сдавливания свариваемых участков, а именно так происходит формирование наплыва по контуру отверстия, не обеспечивает высокой прочности сварного соединения. Сквозное проплавление смежных слоев вызывает ослабление стенки ячеистой структуры.

Известен способ изготовления слоистой структуры, включающий последовательно выполняемые укладку друг на друга слоев термопласта, сварку в расплаве при контролируемых параметрах процесса нагрева смежных слоев термопласта в заданных местах и охлаждение до затвердевания расплава в заданных местах, расположенных таким образом, что при растяжении слоистая структура трансформируется в ячеистую конструкцию. Формирование слоистой структуры нужной толщины производится многократным повторением укладки и сварки слоев термопласта и охлаждения расплава в заданных местах. Параметры процесса нагрева смежных слоев термопласта в процессе сварки контролируют таким образом, чтобы плавление в заданных местах происходило на глубину, равную 75% суммарной толщины слоев термопласта (US 5421933, 1995).

Данный способ обладает рядом недостатков, в частности, следующими. Необходимость плавления верхнего из двух смежных слоев термопласта по всей ширине слоя термопласта в заданных местах на всю его толщину неизбежно приведет при приложении сварочного давления к его утонению, что негативно отразится на прочности слоистой структуры. Если сварку в расплаве согласно известному способу проводить без приложения давления к свариваемым участкам, то не обеспечивается высокая прочность соединения при расслаивании, уровень которой важен для трансформирования слоистой структуры в ячеистую конструкцию. При большой толщине слоев термопласта или верхнего из них процесс сварки в расплаве с подводом тепла с внешней стороны малопроизводителен. Для выполнения даже последовательной сварки по всей ширине смежных слоев термопласта требуется большая мощность нагревателей и соответственно большой расход тепловой энергии.

Наиболее близким к изобретению техническим решением (прототипом) является способ изготовления решетки с ячеистой структурой, а точнее будет сказать способ изготовления слоистой структуры, способной трансформироваться в ячеистую конструкцию (RU 2153417, В 29 С 65/02, 1999). Данный способ включает послойную укладку друг на друга лент из плоского термопластичного материала, их фиксирование по всей длине под давлением и соединение сварными швами. Фиксирование осуществляют по участкам ленты между сварными швами. Приварку верхней ленты к нижней осуществляют многорядными нагретыми элементами, снабженными внедряемыми выступами. На пакет из первых двух сваренных плит укладывают сверху очередную, подлежащую присоединению к нему ленту такой же длины, затем процесс сварки повторяют, при этом пакет лент поочередно перемещают при приварке нечетной ленты в любую сторону и возвращают в исходное положение при приварке четной ленты на расстояние половины шага сварных швов. Процесс сварки ведут до получения в изготавливаемой слоистой структуре заданного количества свариваемых лент. Перед каждой приваркой к пакету очередной уложенной на него ленты осуществляют последовательную разгонку и выравнивание материала свариваемых лент от их центра к краям.

Этот известный способ обладает рядом недостатков, в частности, следующими. Последовательная разгонка и выравнивание материала свариваемых лент от центра к краям не исключает образования неровностей в виде гофр, так как термопластичные ленты толщиной 0,7...2,0 мм после "разгонки" вновь приобретают первоначальную форму из-за упругости материала при температуре окружающей среды. Характер и размеры неровностей у термопластичных лент могут заметно отличаться друг от друга, что не дает возможности добиться воспроизводимых размеров ячеистой конструкции. Сварка с внедрением выступ в нагретых элементов приводит к получению ослабленных по сечению сварных точек, поскольку зоны образующихся по контуру отверстий наплывов служат местом концентрации напряжений. Отсутствие сварки продольных кромок лент неблагоприятно сказывается при нагружении решеток ячеистой конструкции, трансформированной из слоистой структуры, в направлении, совпадающем с продольной осью ячеек решеток (перпендикулярно воображаемой плоскости будущей ячеистой конструкции). Отсутствие охлаждения сварных швов под давлением также негативно отражается на их качестве.

Технический результат состоит в создании способа изготовления слоистой структуры, лишенного отмеченных недостатков и позволяющего повысить качество соединения слоев термопласта, ускорить процесс изготовления слоистой структуры и снизить ее себестоимость.

Технический результат достигается тем, что в способе изготовления слоистой структуры, способной при растяжении трансформироваться в ячеистую конструкцию, включающем послойную укладку друг на друга лент из плоского термопластичного материала, их фиксирование по всей длине под давлением, сварку верхней и нижней лент, охлаждение, а затем вновь укладку на пакет из двух первых сваренных лент поочередно каждой подлежащей присоединению к нему ленты такой же длины и повторение процесса сварки и при этом осуществляемое поочередно перемещение пакета на половину шага сварных швов пакета в любую сторону при приварке нечетной ленты и возвращение в исходное положение при приварке четной ленты, отличительной особенностью является то, что ленты из плоского термопластичного материала при укладке закрепляют с одного края, ограничивают смещение по ширине, затем натягивают в продольном направлении и закрепляют в натянутом состоянии с другого края, сварку проплавлением осуществляют в течение 5-15 с и одновременно сваривают продольные кромки без проплавления лент, охлаждение сварных швов осуществляют сначала на воздухе в течение 2-4 с без давления, а затем под тем же давлением, что и давление сварки, в течение 5-10 с с помощью дополнительно укладываемой пластины.

При этом в качестве плоских термопластичных лент используют ленты на основе первичных или вторичных термопластов, в том числе наполненных, или их смеси, в частности, на основе полиолефинов, полиамидов, полиэтилентерефталата, полибутилентерефталата, в том числе содержащих минеральные наполнители. Толщина полимерных лент может составлять 0,5-4,0 мм. Поверхность лент может быть гладкой, рифленой или с каким-либо рисунком.

Примеры изготовления слоистой структуры.

Пример 1.

Берут две ленты длиной 5 м, шириной 100 мм и толщиной каждая 2,0 мм из полиэтилена низкой плотности, укладывают друг на друга на столе сварочной установки, закрепляя их с одного края и ограничивая смещение по ширине. Затем ленты натягивают в продольном направлении, закрепляют в натянутом состоянии с другого края и прижимают друг другу. После этого подводят нагретые элементы, расположенные рядами с интервалом 250 мм и имеющие температуру 160°С, и осуществляют сварку проплавлением в течение 15 с в том числе по месту продольных кромок без проплавления лент. После отвода нагретых элементов от полученного пакета осуществляют охлаждение сварных швов сначала на воздухе в течение 2 с без давления, а затем под тем же давлением, что и давление сварки, в течение 5 с с помощью дополнительно укладываемой и прижимаемой к сваренному пакету пластины. По истечении указанного времени пластина снимается с поверхности пакета. Затем на пакет из двух первых сваренных лент укладывают очередную подлежащую присоединению к нему ленту такой же длины, повторяя все указанные выше действия по ее закреплению и переместив пакет из трех слоев на половину шага сварных швов в левую сторону. Вновь подводят нагретые элементы и проводят сварку верхней ленты с нижней при указанном выше режиме и охлаждение сварных швов так же, как в случае сварки первой пары лент. При приварке следующей ленты собранный пакет из четырех лент перемещением вправо на половину шага сварных швов возвращается в исходное положение. Формирование слоистой структуры нужной высоты производится многократным повторением укладки, фиксирования и сварки слоев термопласта и охлаждения сварных швов. Все приемы и режимы сварки и охлаждения при образовании соединения очередной верхней ленты с нижней повторяются. Поочередно меняется только положение пакета лент под нагретыми элементами: при приварке нечетной ленты пакет смещается на полшага влево, а при приварке четной ленты пакет возвращается в исходное состояние. После сварки двадцати лент слоистую структуру растяжением в направлении, перпендикулярном плоскости лент, трансформируют в ячеистую конструкцию. При испытании на расслаивание сварных соединений двух смежных лент в направлении вдоль продольной их оси (перпендикулярно направлению сварного шва) достигли прочности на 25% выше прочности соединения, выполненного согласно прототипу. Производительность процесса по сравнению с прототипом возросла на 30%.

Пример 2.

Берут две ленты длиной 6 м, шириной 100 мм и толщиной каждая 1,5 мм из полиэтилена высокой плотности, укладывают друг на друга на столе сварочной установки, закрепляя их с одного края и ограничивая смещение по ширине. Затем ленты натягивают в продольном направлении, закрепляют в натянутом состоянии с другого края и прижимают друг другу. После этого подводят нагретые элементы, расположенные рядами с интервалом 300 мм и имеющие температуру 200°С, и осуществляют сварку проплавлением в течение 5 с в том числе по месту продольных кромок без проплавления лент. После отвода нагретых элементов от полученного пакета осуществляют охлаждение сварных швов сначала на воздухе в течение 4 с без давления, а затем под тем же давлением, что и давление сварки, в течение 7 с с помощью дополнительно укладываемой и прижимаемой к сваренному пакету пластины. По истечении указанного времени пластина снимается с поверхности текста. Затем на пакет из двух первых сваренных лент укладывают очередную подлежащую присоединению к нему ленту такой же длины, повторяя все указанные выше действия по ее закреплению и переместив пакет из трех слоев на половину шага сварных швов в левую сторону. Вновь подводят нагретые элементы и проводят сварку верхней ленты с нижней при указанном выше режиме и охлаждение сварных швов так же, как в случае сварки первой пары лент. При приварке следующей ленты собранный пакет из четырех лент перемещением вправо на половину шага сварных швов возвращается в исходное положение. Формирование слоистой структуры нужной высоты производится многократным повторением укладки, фиксирования и сварки слоев термопласта и охлаждения сварных швов. Все приемы и режимы сварки и охлаждения при образовании соединения очередной верхней ленты с нижней повторяются. Поочередно меняется только положение пакета лент под нагретыми элементами: при приварке нечетной ленты пакет смещается на полшага влево, а при приварке четной ленты пакет возвращается в исходное состояние. После сварки двадцати лент слоистую структуру растяжением в направлении, перпендикулярном плоскости лент, трансформируют в ячеистую конструкцию. При испытании на расслаивание сварных соединений двух смежных лент в направлении вдоль продольной их оси (перпендикулярно направлению сварного шва) достигли прочности на 20% выше прочности соединения, выполненного согласно прототипу. Производительность процесса по сравнению с прототипом возросла на 35%.

Пример 3.

Берут две ленты длиной 6 м, шириной 150 мм и толщиной каждая 1,5 мм из полиэтилентерефталата, укладывают друг на друга на столе сварочной установки, закрепляя их с одного края и ограничивая смещение по ширине. Затем ленты натягивают в продольном направлении, закрепляют в натянутом состоянии с другого края и прижимают друг другу. После этого подводят нагретые элементы, расположенные рядами с интервалом 350 мм и имеющие температуру 260°С, и осуществляют сварку проплавлением в течение 5 с в том числе по месту продольных кромок без проплавления лент. После отвода нагретых элементов от полученного пакета осуществляют охлаждение сварных швов сначала на воздухе в течение 3 с без давления, а затем под тем же давлением, что и давление сварки, в течение 10 с с помощью дополнительно укладываемой и прижимаемой к сваренному пакету пластины. По истечении указанного времени пластина снимается с поверхности пакета. Затем на пакет из двух первых сваренных лент укладывают очередную подлежащую присоединению к нему ленту такой же длины, повторяя все указанные выше действия по ее закреплению и переместив пакет из трех слоев на половину шага сварных швов в левую сторону. Вновь подводят нагретые элементы и проводят сварку верхней ленты с нижней при указанном выше режиме и охлаждение сварных швов так же, как в случае сварки первой пары лент. При приварке следующей ленты собранный пакет из четырех лент перемещением вправо на половину шага сварных швов возвращается в исходное положение. Формирование слоистой структуры нужной высоты производится многократным повторением укладки, фиксирования и сварки слоев термопласта и охлаждения сварных швов. Все приемы и режимы сварки и охлаждения при образовании соединения очередной верхней ленты с нижней повторяются. Поочередно меняется только положение пакета лент под нагретыми элементами: при приварке нечетной ленты пакет смещается на полшага влево, а при приварке четной ленты пакет возвращается в исходное состояние. После сварки двадцати лент слоистую структуру растяжением в направлении, перпендикулярном плоскости лент, трансформируют в ячеистую конструкцию. При испытании на расслаивание сварных соединений двух смежных лент в направлении вдоль продольной их оси (перпендикулярно направлению сварного шва) достигли прочности на 15% выше прочности соединения, выполненного согласно прототипу. Производительность процесса возросла на 35%.

При экспериментальном апробировании способа было установлено, что при использовании всех отличительных признаков удается изготовить слоистую структуру из плоских термопластичных лент с заданным числом рядов поперечных сварных швов, способную при растяжении в направлении, перпендикулярном плоскости лент, трансформироваться в ячеистую конструкцию. Ограничение лент по ширине, их натяжение и закрепление с двух сторон обеспечивают получению ячеистой конструкции с более правильной формой и точными размерами ячеек и при отсутствии сильно (более чем на 3 мм) выступающих кромок термопластичных лент над воображаемой поверхностью трансформированной ячеистой конструкции. Продолжительность проплавления отверстий и нагрева сварочными выступами в местах сварки по кромкам лент зависит от типа и толщины термопластичных лент, температуры нагретых сварочных выступов и давления сварки. Продолжительность охлаждения сварных швов на воздухе без давления зависит от температуры окружающей среды и скорости подведения охлаждающей пластины, которая определяется конструкцией сварочной установки. Продолжительность охлаждения сварных швов под давлением зависит от температуры материала сварного шва, его размеров и температуры охлаждающей пластины. Число рядов поперечных сварных швов, изготавливаемых за один прием, может составлять от 5 до 25. Оно зависит от размеров слоистой структуры, размеров ячеек трансформируемой из нее ячеистой конструкций устройства выбранной сварочной установки.