Кіріспе
Күшті талшықтарды байланыстыру матрицасында қолданылатын өндіріс техникасы
Талшықты орау – негізінен ашық (цилиндрлер) немесе жабық ұштарлы құрылымдарды (қысымды ыдыстар немесе резервуарлар) өндіру үшін қолданылатын өндіріс техникасы. Бұл процесте, ширағышталған жіптер айналатын мандрелдің үстіне кернеумен оралады. Мандрель орау осінің (ось 1 немесе X: орау осі) айнала айналады, ал жылжымалы платформадағы жіпті жеткізуші құрылғы (ось 2 немесе Y: көлденең) айналатын мандрел осіне параллель жылжиды, жіптерді қажетті үлгіде немесе айналу осіне қатысты белгілі бір бұрышта жайғастырады. Ең көп қолданылатын жіптер – шыны немесе көміртек талшықтары, олар мандрелге оралғанда ваннадан өтіп, шайырмен қанықтырылады. Мандрел қажетті қалыңдыққа толық жабылғаннан кейін шайыр керітіледі. Шайыр жүйесінің және оның кертілу сипаттамаларына байланысты, мандрел көбінесе автоклавта немесе пеште қыздырылады немесе бөлшек кертілгенше сәулелі жылытқыштар астында айналдырылады. Шайыр кертілгеннен кейін мандрел алынып тасталады немесе сығылып алынады, нәтижесінде іші қуыс өнім пайда болады. Газ баллондары сияқты кейбір өнімдер үшін «мандрел» – дайын өнімнің тұрақты бөлігі болып табылады, газдың сығуына жол бермеу үшін немесе композитті сақталатын сұйықтықтан қорғау үшін қаптама қызметін атқарады. Талшықты орау автоматтандыруға өте ыңғайлы, және оның көптеген қолданыс салалары бар, мысалы, құбырлар және кішкентай қысымды ыдыстар, олар адамның араласуынсыз оралып, кертіледі. Орау кезінде бақыланатын айнымалылар: жіп түрі, шайыр мөлшері, орау бұрышы, жіп тобының ені және жіп шоғының қалыңдығы. Жіп оралатын бұрыш түпкі өнімнің қасиеттеріне әсер етеді. Жоғары бұрышты «шеңберлік» орау шеңберлік беріктікті қамтамасыз етеді, ал төменгі бұрышты үлгілер (полярлық немесе спиральді) бойлық/осьтік созу беріктігін арттырады. Осы техниканы қолдана отырып қазіргі уақытта өндірілетін өнімдерге: құбырлар, гольф клубының саптары, кері осмостық мембрана корпустары, ескектер, велосипед вилкалары, велосипед дөңгелектері, қуат беру және тарату тіректері, қысымды ыдыстар, зымыран корпустары, ұшақ фюзеляждары, шам тіректері және яхта мачталары жатады.
Filament winding is a fabrication technique mainly used for manufacturing open (cylinders) or closed end structures (pressure vessels or tanks). This process involves winding filaments under tension over a rotating mandrel. The mandrel rotates around the spindle (Axis 1 or X: Spindle) while a delivery eye on a carriage (Axis 2 or Y: Horizontal) traverses horizontally in line with the axis of the rotating mandrel, laying down fibers in the desired pattern or angle to the rotational axis. The most common filaments are glass or carbon and are impregnated with resin by passing through a bath as they are wound onto the mandrel. Once the mandrel is completely covered to the desired thickness, the resin is cured. Depending on the resin system and its cure characteristics, often the mandrel is autoclaved or heated in an oven or rotated under radiant heaters until the part is cured. Once the resin has cured, the mandrel is removed or extracted, leaving the hollow final product. For some products such as gas bottles, the 'mandrel' is a permanent part of the finished product forming a liner to prevent gas leakage or as a barrier to protect the composite from the fluid to be stored. Filament winding is well suited to automation, and there are many applications, such as pipe and small pressure vessel that are wound and cured without any human intervention. The controlled variables for winding are fibre type, resin content, wind angle, tow or bandwidth and thickness of the fiber bundle. The angle at which the fibre is wound has an effect on the properties of the final product. A high angle "hoop" will provide circumferential strength, while lower angle patterns (either polar or helical) will provide greater longitudinal / axial tensile strength. Products currently being produced using this technique range from pipes, golf club shafts, reverse osmosis membrane housings, oars, bicycle forks, bicycle rims, power and transmission poles, pressure vessels, missile casings, aircraft fuselages, lamp posts and yacht spars.
Қиып-түсіретін машиналар
Ең қарапайым орау машиналарының екі қозғалыс осі бар: мандрельдің айналуы және каретканың қозғалысы (әдетте көлденең). Екі осьті машиналар құбырларды жасауға ең қолайлы. Мысалы, СЖҚ немесе СЖҚ контейнерлері сияқты қысымға төзімді ыдыстар үшін, әдетте төрт осьті орау машинасы қолданылады. Төрт осьті машинада, сонымен қатар, каретканың қозғалысына перпендикуляр радиалды (көлденең) ось және осы радиалды оське орнатылған айналатын талшық беру басы болады. Талшық беру басының айналуы талшықтың бұрылып, орау кезінде енінің өзгеруін болдырмау үшін қолданылады. Төрттен астам осі бар машиналар күрделірек қолданулар үшін пайдаланылады, алты осьті орау машиналары әдетте 3 сызықтық және 3 айналу осінен тұрады. Екі осьтен астам қозғалысы бар машиналар компьютерлік/CNC басқарумен жабдықталған, бірақ қазіргі уақытта жаңа 2 осьті машиналар көбінесе сандық басқарумен келеді. Компьютерлік басқаруы бар филаменттік орау машиналары орау схемаларын және машина жолдарын жасау үшін бағдарламалық жасақтаманы қажет етеді. Мұндай бағдарламалық жасақтаманы филаменттік орау машиналарын өндірушілер немесе Cadfil немесе Cadwind сияқты тәуелсіз өнімдер арқылы ұсынуы мүмкін. CNC машиналарын бағдарламалау техникалары туралы ақпаратты желіде табуға болады. Мұндай орау процесінің мысалын интернеттен кездестіруге болады.
Тұрақты орау процесі
Тұрақты орау процестері төмен қысымды, кішіден өте үлкен диаметрге дейінгі құбырларды үздіксіз, шексіз жолақтан (көбінесе Дростгольм процесі деп аталады) жасалған мандрелде өндіру үшін қолданылады. Осы процесте жасалған құбырлар негізінен су, кәріз, тазартылған су сияқты орталарды тасымалдау/тарату желілерінде қолданылады. Тұрақты филаменттік орау машиналары әдетте 2 осьті болып келеді және талшық, шыны талшық матасын, жабын матаны үздіксіз шеңбер тәрізді орналастыра алады. Бұл машиналар көбінесе көп бағытты талшық орналастыру үшін бірнеше кескіш моторлармен және құрылымдық жағынан күшейтілген өзекті жасау үшін құм құйылатын бункерлермен жабдықталған.
Тоқтатылмаған орау процесі
Үзіліспен орау процесі жоғары қысымға арналған бөлшектерді, құбырларды, қысымды ыдыстарды және күрделі компоненттерді жасау үшін қолданылады. Көп осьті станоктар шыны талшық лентасының қабатталу бұрышын реттеу үшін пайдаланылады.
Шыны талшығы импрегненциясы
Шыны талшығынан жасалған тікелей ровингтер смола ваннасына енгізіледі, онда олар смола жүйесімен қапталады. Шыны талшығындағы әрбір жіп, шыны талшығы мен смола арасында қосымша байланысты қамтамасыз ететін өлшегіш химиялық құрамымен қапталған. Өлшегіш бір смола жүйесімен (мысалы, полиэстерге немесе эпоксидке үйлесімді) немесе бірнеше жүйемен (полиэстер+эпоксид+полиуретанға үйлесімді) үйлесімді болуы мүмкін. Өлшегіштің үйлесімділігі, полиуретан смола жүйелерінен басқа, смола мен талшық арасындағы байланысты қамтамасыз ету үшін маңызды, себебі полиуретан смоласы шыныға да, өлшегішке де бірдей жақсы жабысады. Конвенциялық смоламен сіңдіру жүйелері – «W-төменгі ваннасы» немесе «докторлық ролик» конструкциясы болып табылады. Алайда, соңғы кезде қалдықтарды азайту, смоламен сіңдірудің тиімділігін арттыру және композиттік матрицаның қасиеттерін жақсарту үшін сіңдіру ваннасында маңызды жетістіктерге қол жеткізілді. Бұл конвенциялық ванналармен салыстырғанда сіңдіруді және смола мен шыны арақатынасын бақылаудың жоғары деңгейін қамтамасыз етеді. Импрегнирленген талшықтар, бөлшектің пішінін жасау үшін бақыланатын схема бойынша мандрелдің (қалыптың өзегінің) айналасына оралады. Ораудан кейін смола әдетте жылу арқылы қатайтылады. Қалыптың өзегі алынып тасталуы немесе бөлшектің құрамдас бөлігі ретінде қалдырылуы мүмкін (Rosato, D. V.). Бұл процесс негізінен құбырлар мен резервуарлар сияқты қуыс, көбінесе дөңгелек немесе сопақ қималы компоненттерді жасау үшін қолданылады. Қысымға төзілгіш ыдыстар, құбырлар және жетек біліктері филаменттік орау арқылы жасалған. Ол қолмен жаю, пултрузия және тоқу сияқты басқа талшық қолдану әдістерімен де үйлесімді. Қысым талшықтардың кернеуі арқылы қамтамасыз етіледі, ал смола мөлшері негізінен өлшенеді. Талшықтар орамадан бұрын (ылғалды орау), алдын ала (құрғақ орау) немесе орамадан кейін (кейіннен ылғалды орау) смоламен сіңдірілуі мүмкін. Ылғалды ораудың артықшылығы – ұзақ сақталу мерзімі мен төмен тұтқырлығы бар ең төмен бағалы материалдарды пайдалану. Алдын ала сіңдірілген жүйелер көбірек біртекті смолалы бөлшектерді шығарады және көбінесе жылдам оралуы мүмкін.
Шыны талшықтарынан жасалған кернеулер
Талшықтардың кернеуі – композиттік құрылымдарды жасаудағы маңызды фактор. Егер талшықтың кернеуі тым төмен болса, композиттік ламинаттың механикалық күші мен қасиеттері нашарлайды. Кернеу тым жоғары болса, талшықтардың жіптері тозығына ұшырауы немесе түйіршік пайда болуы мүмкін. Артық кернеу салдарынан ламинаттағы шайыр мен шыны арақатынасы қалыпты шектен асып, орта және сұйық тасымалдауға жарамсыз ламинаттар түзілуі мүмкін. Шыны талшықтарды кернеуге салу құралдары, шыны талшықтарын импрегнациялауға дейін немесе кейін орналасуына қарай құрғақ немесе ылғалды кернеуді бере алады.
Материалдар
Шыны талшығы – филаменттік орауға ең көп қолданылатын талшық, сонымен қатар көміртек және арамид талшықтары да қолданылады. Көптеген жоғары беріктікке ие, маңызды аэроғарыш құрылымдары эпоксидтік немесе полиуретандық шайырлармен жасалады, ал көптеген басқа қолданулар үшін эпоксидтік, полиуретандық немесе арзан полиэстерлік шайырлар қолданылады. Ұзындығы үздіксіз арматураны ешқандай үзіліс немесе қосылыссыз пайдалану мүмкіндігі, сондай-ақ қол жетімді жоғары талшық көлемі (шамамен 60%-дан 80%-ға дейін) – айқын артықшылық. Егер сыртқы бетіне қосымша өңдеу жасалмаса, филаменттік орау құрылымының тек ішкі беті ғана тегіс болады. Компонент әдетте мандрельді алып тастамас бұрын жоғары температурада қатайтылады. Әдетте, машинамен өңдеу немесе тегістеу сияқты қосымша операциялар қажет емес (Furness, J., Azom.com). Шайырлар: кез келген, мысалы, эпоксидтік, полиуретандық, полиэстерлік, винилэстерлік, фенолдік, фурандық, полиимидтік. Талшықтар: шыны, арамид, көміртек және бор талшықтары. Талшықтар тікелей макарадан (крель) алынады және мата түрінде тоқылмай немесе тігілмейді. Ядролар: кез келген, бірақ компоненттер көбінесе бір қабатты болады.
Шығарындылар
Полиэстер және винил эфирлі шайыр жүйелерін қолданатын шыны талшық өндірісіндегі қызметкерлер стиреннің жоғары концентрациясы сияқты көптеген қауіптерге ұшырайды. Стирен шығарылымдарын бақылау және шектеулер күшейе түскендіктен, өнеркәсіп ұшқыш еріткіштері жоқ полиуретан сияқты шайыр жүйелеріне астау болып жатыр.
Бисфенол А
Бисфенол А (BPA) – эпоксидті шайыр жүйелерінің маңызды құрауышы. BPA эндокриндік жүйенің жұмысын бұзуы мүмкін деп саналады және көптеген елдерде оны балаларға арналған бөтелкелер сияқты өнімдерде қолдануға тыйым салынған. Жануарларға жасалған зерттеулерде BPA репродуктивті, даму және жүйелік уытты зат екені анықталды, сондай-ақ ол әлсіз эстрогендік қасиеттерге ие. Осыған байланысты, оның әсіресе балалар денсаулығы мен қоршаған ортаға тигізер ықпалы туралы мәселелер туындайды. АҚШ Қоршаған ортаны қорғау агенттігі (EPA) су және сарқынды су құбырларын қаптау үшін қолданылатын BPA негізіндегі материалдарда BPA-ға баламалы талдау жүргізуді жоспарлап отыр, себебі мұндай қолдану адамдар мен қоршаған ортаға зиян келтіруі мүмкін. Эпоксидтік композиттік өнімдерден, мысалы құбырлардан BPA жоғары температураның әсерінен сұйық ортаға (суға) сіңіп шығуы мүмкін, бұл алаңдау тудырады.