Технология намотки

Сферы применения метода намотки

Изделия, изготовленные методом намотки можно найти в любом из главных сегментов рынка. В число наиболее характерных сфер применения намотки входят:

• Емкости и трубы для нефте и газопроводов, индустрии химических технологий, а также для воды и промышленных сточных вод
• Соединительные и фасонные части труб и емкостей
• Емкости для хранения газов под давлением
• Подкрыльные топливные баки для самолетов
• Кожухи ракетных двигателей
• Гильзы для ружейных и пушечных снарядов
• Приводные валы автомобилей и грузовиков
• Корпуса летательных аппаратов
• Автомобильные амортизаторы
• Мачты парусных судов
• Теннисные ракетки
• Железнодорожные цистерны
• Дымоходы
• Изоляторы высоковольтных линий и корпуса предохранителей
• Клюшки для игры в гольф
• Кормушки для скота и пр.

Намотка

Трубы, емкости, короба, изготовленные из армированных полиэфиров имеют малый вес, превосходные характеристики текучести, они легки в эксплуатации, обладают хорошими изолирующими свойствами, невысокими эксплуатационными затратами и хорошей химостойкостью. Во множестве случаев они производятся методом намотки.

В намотке используется непрерывный армирующий материал для получения достаточного запаса прочности (весовое содержание стекла колеблется в пределах от 40 до 80% в зависимости от области применения изделия). Ровинг с катушки подается в пропиточную ванну со смолой и отвердителем, а затем наматывается на специально для данного конкретного изделия сконструированный барабан.

Ровинг наматывается на барабан в несколько слоев до достижения требуемой толщины и угол намотки обычно составляет от 25 до 85 град к оси вращения. Однако, ровинг может наматываться продольно, по окружности, по спирали или в комбинации трех указанных способов. Угол намотки зависит от требований, предъявляемых к прочности изделия.

Методом намотки можно получить любую форму изделия при условии, что намотка производится с натягом. Возможно получать круглую, плоскую, треугольную, коническую формы и форму кольца. Но наиболее распространенными являются изделия цилиндрической формы. Они используются в производстве труб и емкостей диаметром до 10 метров.

Конфигурация внутренней поверхности структуры, изготовленной методом намотки, может отличаться от внешней. Примером такой намотки может служить изготовление сосудов высокого давления, где ребра жесткости наматываются непосредственно на поверхность внутренней стенки. В обычных условиях, однако, толщину стенки изделий, изготавливаемых методом намотки, выдерживают постоянной, т.к. неравномерность толщины стенки имеет тенденцию создавать межламинатные напряжения, что приводит к преждевременному износу изделий.

Вот наиболее характерные размеры и отклонения, которые могут быть получены с применением метода намотки:

• Минимальный внутренний радиус - 3.2 mm
• Минимальная эффективная толщина - 0.4 mm
• Максимальная эффективная толщина - 7.6 mm
• Нормальное отклонение по толщине - 0.4 mm

Толщину стенки можно контролировать с точностью до 0.4 mm и выше посредством последующей механической обработки. Однако, при определенных обстоятельствах, механическая обработка снижает прочностные характеристики и стойкость к погодным условиям.

Исходя из предполагаемого характера нагрузок, структура намотки может быть выполнена несколькими различными способами. Характер нагрузки определяет вид используемой модели, число слоев намотки, направление и распределение витков там, где нужно противостоять направленным нагрузкам и объем армирующего материала в тех участках, где вероятны знакопеременные нагрузки.

Специально для применения в намотке и с целью удовлетворения технологическим и эксплуатационным требованиям к изделию, были разработаны смолы Synolite, Atlac и Daron. Cмолы для намотки обычно обладают следующими характеристиками:

• хорошее смачивание стеклоткани
• относительное удлинение в пределах 2-6%
• превосходная ударная прочность
• хорошо отверждается при широком диапазоне температурных условий
• в зависимости от сорта используемой смолы - от хорошей до очень хорошей хим/теплостойкости.

Время отверждения колеблется от 15 минут до 2 часов в зависимости от толщины и размера структуры. Температурный диапазон - от комнатной до 100^оС.

Преимущества метода намотки:

• высокий уровень контроля качества
• возможность варьирования прочностью
• низкие трудозатраты
• широкий диапазон выбора армирующего материала м смол
• процесс может быть высоко механизирован.

Оборудование

Существует оборудование для производства изделий широкого диапазона применения, от простых цилиндрических форм до сложных емкостей высокого давления. В производстве труб, к примеру, можно обойтись относительно недорогим оборудованием для спиральной намотки, тогда как изготовление трубопроводов высокого давления требует использования оборудования с программным управлением. Такое оборудование предусматривает высокие капиталовложения, т.к. в последнем случае мы имеем дело с системой контроля качества очень высокой точности. В настоящее время существует оборудование, на котором можно производить трубы на непрерывной основе, используя запатентованную конструкцию дорна. Это обстоятельство позволяет считать намотку методом массового производства.

Различная техника намотки

Как механический так и компьютерный способы контроля используются для определения соотношения между скоростью вращения и шагом витка, который определяет структуру намотки.

Широко доступны и другие виды оборудования для намотки, включая следующие:

• непрерывная намотка: соединенные между собой невращающиеся дорны проходят через намоточную станцию
• полярная намотка: дорны вращаются на двух осях в целях создания цилиндрической или сферической формы
• непрерывная намотка: армируюшее волокно и смолу наносят на вращающийся съемный дорн для производства непрерывных труб
• оплеточная намотка: соединенные невращающиеся дорны пропускаются через вращающееся оплеточное кольцо
• комбинированный метод: как видно из названия, этот процесс является гибридом, полученным от комбинации характеристик хаотично нарубленных волокон, нанесенных методом напыления с характеристиками направленных непрерывных волокон, нанесенных методом намотки с целью получения крупных структурных цилиндрических деталей. Этот метод часто позволяет получать более надежный слой ламината для достижения желаемых характеристик изделия при этом не прибегая к использованию дорогостоящих материалов или других дорогих способов достижения желаемой прочности в отдельных участках изделия.

Дорны

Материал для изготовления дорна должен удовлетворять требованию размерной стабильности и быть достаточно прочным с тем, чтобы удовлетворять ряду требований технологического процесса. К примеру, в случае намотки цилиндрической трубы, стальной цилиндр, внешний диаметр которого равен внутреннему диаметру трубы, можно рассматривать в качестве инструмента.

Однако, если нужно изготовить закрытый сосуд давления - решение будет не столь простым. Проблема состоит в том, что волокна, наматываясь на дорн, покрывают всю его поверхность и что после процесса отверждения сосуд нужно снять с дорна или дорн из сосуда. Вариантами решения этой проблемы могут быть: изготовление дорна из растворимой соли или саморазлагающегося термопласта.

Характеристики

Механические характеристики структур, изготовленных методом намотки, взаимозависимы и могут широко варьироваться в зависимости от конструктивных особенностей готового изделия. Вот пять специфических характеристик таких структур, которые поддаются контролю:

1.Прочность на растяжение

2.Прочность на разрыв

3.Прочность на изгиб

4.Модуль изгиба

5.Прочность на сжатие

Намотка стекловолокна типа “E” используется в производстве труб с прочностью на растяжение 900МПа.

Хотя показатель и высок, он все же приемлем, поскольку предел прочности на растяжение для стекла “E” приблизительно равен 3500МПа. Как правило, конструктор при разработке детали должен закладывать только половину этого теоретического показателя прочности волокна, тогда как инженер не может выходить за рамки 60% от предела прочности на растяжение в связи с вероятностью различных колебаний показателей технологического процесса.

Прочность на разрыв имеет первостепенное значение в производстве сосудов высокого давления. Для простых цилиндрических изделий возможно получение показателей порядка 140МПа. Однако, более сложные сосуды высокого давления разрабатываются с показателем максимальной прочности на разрыв порядка 35МПа.

Прочность на изгиб деталей, изготовленных методом намотки, используется в самых разных областях.

Если в структуре изделия максимальное количество волокон расположено в плоскости, параллельной плоскости приложения нагрузки, можно достичь показателя прочности 2000МПа. Однако на практике показатель прочности на изгиб находится в районе 700МПа.

Как и в других методах производства изделий из стеклопластиков, могут возникать проблемы с низким модулем изгиба. Обычно он составляет порядка 30ГПа, тогда как для стали-210ГПа. Однако, в отдельных случаях жесткость может быть значительно усилена путем применения углеволокна с более высоким модулем изгиба. Прочность на сжатие играет большую роль в тех случаях, где изделие находится под воздействием наружного давления. Примерами таких изделий могут быть подземные трубопроводы или емкости для хранения, зарываемые в землю. На практике нормальный показатель прочности на сжатие находится в районе 3000МПа.

Смолы

В процессе намотке и в комбинированном методе могут использоваться разнообразные термореактивные смолы.

Ненасыщенные полиэфирные смолы

На базе:

• ортофталиевой кислоты общего назначения для применения в тех областях, где требуются средние показатели химостойкости.
• изофталиевой кислоты. Применяется в тех случаях, где требуются средние показатели химостойкости и водостойкости, например в системах водоочистки и обработке промышленных сточных вод.
• бисфенол А смолы. Используются в производстве оборудования, требующего высоких показателей химостойкости и при работе в агрессивных средах при температурах до 100^oС.
• специальные теплостойкие смолы.

Винилэфирные смолы

Это семейство смол обеспечит вам комбинацию химостойкости, упругости, структурные преимущества и при необходимости - повышенные характеристики усталостной прочности. Винилэфиры продаются под товарным знаком NORPOL DION.

Армирующие материалы

В процессе намотки могут использоваться все известные виды армирующего волокна. Эти армирующие волокна могут быть представлены в различной форме, включая непрерывные пряди и тросы; тканные и однонаправленные ленты; рубленные пряди и маты как из непрерывных так и из рубленных прядей. Наиболее широкое применение получил стекло ровинг.