Намотка непрерывного волокна позволяет получать полые композитные конструкции, укладывая армирующие волокна по заданным траекториям на вращающуюся оправку. Термины связывают три решения: какой материал укладывают, где его размещают и как проверяют готовый ламинат. Трубы, резервуары, опоры и сосуды давления используют сходную терминологию, хотя условия изготовления различаются.

1. От бобины волокна до оправки

Оправка — Формообразующий инструмент, поддерживающий укладку и задающий внутреннюю геометрию. Она может быть извлекаемой, разборной или удаляемой с разрушением.

Лейнер — Внутренний барьер, который может оставаться в изделии. Лейнер не обязательно является несущим слоем.

Шпулярник, натяжитель и направляющий глазок — Шпулярник удерживает бобины, натяжитель регулирует усилие, а глазок направляет ленту к поверхности. [1]

При мокрой намотке сухое армирование пропитывают жидкой смолой в процессе изготовления. Towpreg поставляется с уже введённой смолой. Намотка термопластов требует подходящего нагрева и консолидации вместо реакции отверждения реактопласта. Выбор процесса определяет обращение с материалом, хранение и тепловой режим. [2, 3]

2. Термины армирования и связующего

Филамент, прядь, ровинг и жгут — Филамент представляет собой отдельное волокно. Более крупные пучки называют прядями, ровингами или жгутами в зависимости от материала и терминологии поставщика.

Текс и число K — Текс выражает линейную плотность в граммах на 1 000 м. Обозначение углеродного жгута 12K означает примерно 12 000 филаментов, но не определяет ширину пучка.

Ширина ленты — Ширина уложенного армирования, измеренная перпендикулярно направлению укладки. Одну ленту могут образовывать несколько пучков. [1]

Матрица — Непрерывная фаза смолы вокруг армирования. Диапазон технологических режимов и свойства после отверждения влияют на изготовление и эксплуатацию.

Пропитка и смачивание — Пропитка вводит смолу внутрь армирования. Смачивание характеризует контакт смолы с волокнами. Блестящая поверхность сама по себе не доказывает полную внутреннюю пропитку.

Жизнеспособность смеси и время гелеобразования — Жизнеспособность задаёт доступное рабочее время при указанных условиях. Время гелеобразования отмечает формирование гелевой сетки. Ни один показатель не означает достижения конечных свойств ламината.

Цикл отверждения и доотверждение — Заданный тепловой режим формирует реактопластичную матрицу. Для достижения требуемых свойств может понадобиться последующее доотверждение. Следуйте подтверждённому режиму поставщика смолы.

3. Угол намотки: всегда указывайте направление отсчёта

Здесь 0° соответствует осевому направлению, 90° — окружному. Знаки +α и −α обозначают противоположные наклоны в заданной системе координат. Сами по себе они не задают вращение шпинделя по часовой стрелке или против неё. Чертёж, модель и программа ЧПУ должны использовать согласованные направления отсчёта. [1]

4. Окружная, спиральная и полюсная намотка

При окружной намотке волокна располагаются почти по окружности и воспринимают соответствующие нагрузки. Небольшая осевая подача распределяет соседние витки по цилиндру. Спиральная намотка сочетает вращение и продольное движение, создавая наклонные траектории; обратные проходы могут формировать перекрёстные направления. Полюсная намотка проходит через торцевые области вокруг полюсных отверстий. Её осуществимость зависит от геометрии и устройства станка. [2]

Днище и полюсный штуцер — Днище является криволинейной торцевой частью сосуда. Полюсный штуцер, или boss, — концевая деталь у отверстия, связанная с окружающей намотанной конструкцией.

Геодезическая траектория — Локально прямая линия в геометрии поверхности. На произвольной криволинейной поверхности её вид сбоку не обязательно прямолинеен.

Негеодезическая траектория — Отклоняется от геодезической и может требовать бокового удержания трением или другими механизмами процесса. Нарисованная линия не доказывает, что волокно удержится на ней.

5. Движение, шаг и скорость

Для идеального цилиндра постоянного диаметра D, без проскальзывания и при установившейся укладке геометрия поверхности даёт:

tan(α) = πDn / vₐ и p = vₐ / n

n — частота вращения шпинделя в об/мин, vₐ — осевая скорость укладки в мм/мин, D — диаметр в мм, p — осевая подача за оборот в мм/об. Следовательно, tan(α) = πD/p. Соотношения описывают укладку на цилиндре, но не движение по днищам или зоны разворота.

Пример: D = 200 мм, n = 10 об/мин и α = 60° дают vₐ ≈ 3 628 мм/мин и p ≈ 362,8 мм/об. При увеличении диаметра и неизменном отношении скоростей угол меняется. Поэтому управление может корректировать движение по мере роста толщины ламината.

6. Проходы, двойные проходы и замыкание рисунка

Оборот — один полный поворот шпинделя. Проход обычно означает перемещение в одном направлении. Circuit обычно включает прямой и обратный проходы. Термин «цикл» менее однозначен: он может означать circuit, повторение или другую программную операцию. Указывайте определение вместе с количеством, не приравнивая цикл к обороту.

Рисунок замыкается, когда последовательность траекторий возвращается к исходному соотношению повторения. Замыкание и полное покрытие проверяют отдельно: повторяющийся рисунок может содержать зазоры. Индексация — управляемое окружное смещение между последовательными укладками. Разворот — концевая зона изменения направления перемещения; угол, скорость и местное утолщение могут отличаться от центральной части цилиндра.

Покрытие — Степень перекрытия заданной поверхности уложенными лентами. Проверяется по полезной длине и в концевых областях.

Монослой или слой — Конструктивная либо технологическая группа армирования. Уточняйте, означает ли слой одну ориентацию, пару ±α или полную последовательность покрытия.

Ламинат и последовательность укладки — Вся многослойная конструкция и порядок ориентаций. Например, [ +55 / −55 / 90 ] задаёт три ориентации; толщины и повторения требуют отдельного определения.

Сбалансированный и симметричный — Сбалансированный ламинат содержит соответствующие вклады +α и −α. Симметричный имеет зеркальное строение относительно средней плоскости. Одно свойство не подразумевает другое.

7. Полезная длина и припуск на обрезку

Полезная длина остаётся в готовом изделии. Припуск — дополнительный материал, удаляемый после изготовления. Их следует отличать от полного хода каретки, включающего заход, разворот и перемещения для освобождения.

8. Термины качества, важные в производстве

Объёмная доля волокон, Vᶠ — Объём волокон, делённый на общий объём композита. Отличается от массовой доли; для пересчёта нужны плотности компонентов и согласованный учёт пор.

Пористость — Доля внутреннего пустого объёма. Требуется подходящий метод измерения; одного визуального осмотра поверхности недостаточно.

Обогащённая смолой зона и сухой участок — Первая содержит относительно мало армирования. Второй недостаточно пропитан. Допустимость определяется требованиями к изделию.

Волнистость и соскальзывание волокон — Волнистость является отклонением от заданного выравнивания. Соскальзывание — смещение армирования из предусмотренного положения укладки.

Расслоение — Разделение слоёв ламината. Отличается от поверхностной царапины или зазора между соседними лентами.

Натяжение и уплотнение — Натяжение представляет собой растягивающую силу, приложенную к армированию. Уплотнение означает консолидацию уложенного материала. Натяжение влияет на неё, но связь зависит также от кривизны, угла и поведения материала. [2]

9. Как составить однозначную спецификацию намотки

Рабочая технологическая карта определяет геометрию, материалы, отсчёт угла, ширину укладки, базу задания натяжения, ограничения скорости, последовательность, единицы счёта, обработку концов, режим отверждения и критерии контроля. Названия осей X, Y, Z и A зависят от станка: задавайте физические функции, а не предполагайте универсальное значение букв.

Пример: «Наматывать цилиндрическую часть под ±60° к оси оправки. Один circuit означает прямой и обратный проходы. Выполнить заданное количество и проверить покрытие по полезной длине. Записать ширину укладки, натяжение каждого пучка и фактический диаметр. Использовать утверждённые режимы разворота и отверждения». Добавьте числовые значения и пределы приёмки для конкретной детали.

Источники и дополнительная литература

[1] Cadfil. Filament Winding Glossary. https://www.cadfil.com/help/html/glossary.htm

[2] University of Plymouth, MATS347. Filament winding and pultrusion. https://ecm-academics.plymouth.ac.uk/jsummerscales/MATS347/MATS347C9%20FWpult.htm

[3] Polar Technology. Filament Winding. https://www.polartechnology.co.uk/capabilities/filament-winding/

Все рисунки — оригинальные поясняющие схемы. Числовой пример приведён для иллюстрации.