Введение

Технология изготовления, использующая высокопрочные волокна в связующей матрице, – обмотка нитей – это технология изготовления, применяемая главным образом для производства открытых (цилиндрических) или закрытых конструкций (напорных сосудов или резервуаров). Этот процесс включает в себя намотку нитей под натяжением на вращающийся оправку. Оправка вращается вокруг шпинделя (ось 1 или X: шпиндель), в то время как направляющее устройство на каретке (ось 2 или Y: горизонтальная) перемещается горизонтально вдоль оси вращающейся оправки, укладывая волокна в заданном рисунке или под определенным углом к оси вращения. Наиболее распространенными волокнами являются стекловолокно или углеволокно, которые пропитываются смолой при прохождении через ванну с ней в процессе намотки на оправку. После того, как оправка полностью покрыта до необходимой толщины, смола отверждается. В зависимости от системы смолы и ее характеристик отверждения, оправка часто подвергается автоклавной обработке, нагреву в печи или вращению под излучателями до полного отверждения изделия. После отверждения смолы оправка удаляется или извлекается, оставляя полый конечный продукт. В некоторых изделиях, таких как газовые баллоны, "оправка" является постоянной частью готового продукта, образуя вкладыш для предотвращения утечки газа или служа барьером для защиты композита от хранимой жидкости. Обмотка нитей хорошо подходит для автоматизации, и существует множество областей применения, таких как трубы и небольшие напорные сосуды, которые наматываются и отверждаются без участия человека. Контролируемые параметры обмотки включают тип волокна, содержание смолы, угол намотки, ширину ленты или полосы и толщину пучка волокон. Угол, под которым наматывается волокно, влияет на свойства конечного продукта. Большой угол "хомута" обеспечивает прочность по окружности, в то время как меньшие углы (полярные или спиральные) обеспечивают большую продольную/осевую прочность на растяжение. В настоящее время эта технология используется для производства широкого спектра продукции, включая трубы, шахты для клюшек для гольфа, корпуса мембран обратного осмоса, весла, вилки для велосипедов, ободы велосипедных колес, опоры линий электропередач и связи, напорные сосуды, корпуса ракет, фюзеляжи самолетов, фонарные столбы и мачты для яхт.

Машины для намотки нитей

Самые простые машины для намотки имеют две оси движения: вращение оправки и перемещение каретки (обычно горизонтальное). Двухосевые машины лучше всего подходят для производства только труб. Для сосудов, работающих под давлением, таких как контейнеры для сжиженного углеводородного газа или сжатого природного газа (например), обычно используется четырех осевая машина для намотки. Четырехосевая машина дополнительно оснащена радиальной (поперечной) осью, перпендикулярной направлению движения каретки, и вращающейся головкой подачи волокна, установленной на поперечной оси. Вращение головки подачи может использоваться для предотвращения скручивания волоконной ленты и, следовательно, изменения ее ширины в процессе намотки. Машины с более чем четырьмя осями могут применяться для сложных задач, шестиосевые машины для намотки обычно имеют 3 линейные и 3 вращательные оси. Машины с более чем двумя осями движения оснащаются компьютерным/ЧПУ-управлением, однако в настоящее время новые двух осевые машины в основном имеют цифровое управление. Компьютерные машины для намотки нитей требуют использования программного обеспечения для создания схем намотки и траекторий движения машины; такое программное обеспечение обычно предоставляется производителями машин для намотки нитей или доступно в виде независимых продуктов, таких как Cadfil или Cadwind. Обзор методов программирования для станков с ЧПУ можно найти в [источнике]. Примеры подобных процессов намотки можно найти в сети Интернет.

Процесс непрерывной намотки

Процессы непрерывной намотки используются для непрерывного изготовления труб низкого давления малого и очень большого диаметра на мандреле, сформированном из бесконечной ленты (обычно известном как процесс Дростгольма). Трубы, изготовленные таким способом, в основном применяются в сетях транспортировки и распределения сред (воды, канализационных стоков, очищенных сточных вод). Машины для непрерывной намотки обычно являются двухкоординатными и способны укладывать волокно, стеклоткань, нетканый материал в непрерывный спиральный узор. Эти машины обычно оснащены несколькими моторами для резки волокна (для обеспечения многонаправленной укладки волокна на изделие) и бункерами для песка (для нанесения песка на изделие и создания структурно усиленного сердечника).

Процесс непрерывной намотки

Процесс дискретной обмотки используется для изготовления деталей высокого давления, труб, сосудов под давлением и сложных компонентов. Многоосевые станки используются для индивидуальной настройки угла намотки стекловолоконной ленты.

Импрегнированная стекловолокна

Прямые ровинги из стекловолокна погружаются в ванну со смолой, где они покрываются системой смол. Каждая нить в ровинге из стекловолокна покрыта составом для пропитки, обеспечивающим вторичную адгезию между нитью стекловолокна и смолой. Состав для пропитки может быть совместим с одной системой смол (например, с полиэстером или эпоксидной смолой) или с несколькими системами (полиэстер + эпоксидная смола + полиуретан). Совместимость состава для пропитки критически важна для обеспечения адгезии между смолой и волокном, за исключением систем на основе полиуретана, где смола связывается непосредственно со стеклом, а также с составом для пропитки одинаково хорошо. Традиционные системы пропитки смолой – это “W-образная ванна” или конструкция с “ракельным валиком”, однако в последнее время достигнуты значительные успехи в конструкции ванн для пропитки, позволяющие снизить отходы, максимизировать эффективность пропитки смолой и улучшить свойства композитной матрицы. Это обеспечивает значительно более качественную пропитку и контроль соотношения смолы и стекла по сравнению с традиционными ваннами. Затем пропитанные жгуты обматывают вокруг оправки (сердцевины формы) по заданному рисунку для придания детали необходимой формы. После намотки смола отверждается, как правило, с использованием тепла. Оправку можно удалить или оставить в качестве неотъемлемой части детали (Rosato, D. V.). Этот процесс в основном используется для изготовления полых деталей, как правило, круглой или овальной в поперечном сечении, таких как трубы и резервуары. Сосуды под давлением, трубы и карданные валы производятся методом намотки нитей. Он комбинируется с другими методами нанесения волокна, такими как ручная формовка, пултрузия и плетение. Уплотнение осуществляется за счет натяжения волокна, а содержание смолы в основном контролируется. Волокна могут быть пропитаны смолой перед намоткой (мокрая намотка), предварительно пропитаны (сухая намотка) или пропитаны после намотки. Мокрая намотка имеет преимущество в виде использования наиболее экономичных материалов с длительным сроком хранения и низкой вязкостью. Системы с предварительной пропиткой позволяют получать детали с более стабильным содержанием смолы и часто могут быть намотаны быстрее.

Натяжные устройства из стекловолокна

Натяжение волокна — критически важный элемент при создании композитных конструкций. Если натяжение нити слишком низкое, композитная ламинатная структура будет обладать пониженной механической прочностью и эксплуатационными характеристиками. Если натяжение слишком высокое, нити могут распушиваться или покрываться ворсом. Из-за чрезмерного натяжения соотношение смолы к стеклу в ламинате также может превысить допустимые пределы, что сделает ламинат непригодным для использования в системах транспортировки сред и жидкостей. Натяжители из стекловолокна могут создавать сухое или влажное натяжение в зависимости от их расположения – до или после пропитки стекловолоконных нитей.

Материалы

Стекловолокно является наиболее часто используемым волокном для намотки, также применяются углеродные и арамидные волокна. Большинство высокопрочных и критически важных аэрокосмических конструкций изготавливаются с использованием эпоксидных или полиуретановых смол, в то время как для большинства других применений используются эпоксидные, полиуретановые или более дешевые полиэфирные смолы. Возможность использования непрерывного армирования без разрывов и соединений является несомненным преимуществом, как и достижимая высокая объемная доля волокна – примерно от 60% до 80%. Поверхность намотанной конструкции будет гладкой только изнутри, если не выполнена дополнительная обработка внешней поверхности. Компонент обычно отверждается при высокой температуре перед удалением оправки. Дополнительные операции, такие как механическая обработка или шлифовка, как правило, не требуются (Furness, J., Azom.com). Смолы: любые, например, эпоксидные, полиуретановые, полиэфирные, винилэфирные, фенольные, фурановые, полиимидные. Волокна: стекловолокно, арамид, углерод и бор. Волокна используются непосредственно из бобины, без ткачества или сшивания в ткань. Основы: любые, хотя компоненты обычно однослойные.

Выбросы

Сотрудники, занятые в процессах производства изделий из стекловолокна с использованием полиэфирных и винилэфирных смол, подвергаются воздействию множества опасностей, в частности, высоких концентраций стирола. В связи с ужесточением контроля и ограничений по выбросам стирола, промышленность постепенно переходит на системы смол, такие как полиуретаны, не содержащие летучих растворителей.

Бисфенол А

Бисфенол А (BPA) является ключевым компонентом эпоксидных смол. BPA подозревается в нарушении работы эндокринной системы и запрещен к использованию во многих странах в продукции, такой как детские бутылочки. Поскольку исследования на животных показали, что BPA является токсичным для репродуктивной системы, развития и всего организма, а также обладает слабой эстрогенной активностью, возникают вопросы о его потенциальном воздействии, особенно на здоровье детей и окружающую среду. Агентство по охране окружающей среды США планирует начать анализ альтернативных вариантов для BPA в материалах на основе BPA, используемых для внутренней облицовки водопроводных и канализационных труб, поскольку это применение может привести к воздействию на человека и окружающую среду. BPA из композитных изделий на основе эпоксидных смол, таких как трубы, может выщелачиваться в водную среду при повышенных температурах, что вызывает опасения.