Намотування безперервного волокна дає змогу виготовляти порожнисті композитні конструкції, укладаючи армувальні волокна заданими траєкторіями на обертовий інструмент. Термінологія поєднує вибір матеріалу, місце укладання та перевірку готового ламінату. Труби, резервуари, опори й посудини під тиском використовують подібні терміни, хоча їхні виробничі обмеження різняться.

1. Від бобіни волокна до оправки

Оправка — Формоутворювальний інструмент, що підтримує укладання та визначає внутрішню геометрію. Може бути виймальною, розбірною або жертовною.

Лайнер — Внутрішній бар’єр, який може залишатися у виробі. Лайнер не обов’язково є несучим конструкційним шаром.

Шпулярник, натягувач і напрямне вічко — Шпулярник утримує бобіни, натягувач регулює зусилля, а вічко спрямовує стрічку до поверхні. [1]

За мокрого намотування сухе армування просочують рідкою смолою під час виробництва. Towpreg постачають із уже введеною смолою. Намотування термопластів потребує належного нагрівання та консолідації замість реакції тверднення реактопласту. Вибір процесу змінює вимоги до поводження з матеріалом, зберігання й температурного режиму. [2, 3]

2. Термінологія армування та смоли

Філамент, пасмо, ровінг і джгут — Філамент є окремим волокном. Більші пучки називають пасмами, ровінгами або джгутами залежно від армування та термінології постачальника.

Текс і число K — Текс виражає лінійну густину в грамах на 1 000 м. Позначення вуглецевого джгута 12K означає приблизно 12 000 філаментів, але не задає ширину пучка.

Ширина стрічки — Ширина укладеного армування, виміряна перпендикулярно до його напрямку. Кілька пучків можуть утворювати одну стрічку. [1]

Матриця — Неперервна фаза смоли навколо армування. Технологічний діапазон і властивості після тверднення впливають на виготовлення та експлуатацію.

Просочення та змочування — Просочення вводить смолу всередину армування. Змочування характеризує ефективність контакту смоли з волокнами. Блискуча поверхня сама по собі не доводить повного внутрішнього просочення.

Життєздатність суміші та час гелеутворення — Життєздатність визначає доступний робочий інтервал за вказаних умов. Час гелеутворення позначає формування гелевої сітки. Жоден показник не означає досягнення кінцевих властивостей ламінату.

Цикл тверднення та додаткове тверднення — Заданий тепловий режим формує реактопластичну матрицю. Для потрібних властивостей може знадобитися подальше додаткове тверднення. Дотримуйтеся підтвердженого режиму постачальника смоли.

3. Кут намотування: завжди вказуйте напрямок відліку

Тут 0° відповідає осьовому напрямку, а 90° — коловому. Знаки +α та −α розрізняють протилежні нахили в заданій системі координат. Самі по собі вони не задають обертання шпинделя за годинниковою стрілкою або проти неї. Креслення, моделювання й програма ЧПК мають використовувати узгоджені напрямки відліку. [1]

4. Колове, спіральне та полюсне намотування

Колове намотування укладає волокна майже вздовж кола й ефективно сприймає навантаження в цьому напрямку. Невелика осьова подача розподіляє сусідні витки вздовж циліндра. Спіральне поєднує обертання та поздовжній рух, утворюючи похилі траєкторії; зворотні проходи можуть формувати перехресні напрямки. Полюсне проходить через торцеві ділянки навколо полюсних отворів. Здійсненність залежить від геометрії та компонування верстата. [2]

Днище та полюсний штуцер — Днище є криволінійною торцевою ділянкою посудини. Полюсний штуцер, або boss, — кінцева деталь біля отвору та навколишньої намотаної конструкції.

Геодезична траєкторія — Локально пряма лінія в геометрії поверхні. На довільній криволінійній поверхні вона не обов’язково має прямолінійний вигляд збоку.

Негеодезична траєкторія — Відхиляється від геодезичної та може потребувати бічного утримання тертям або іншими механізмами процесу. Намальована траєкторія не доводить, що волокно залишиться на ній.

5. Рух, крок і швидкість

Для ідеального циліндра зі сталим діаметром D, без проковзування та за усталеного укладання геометрія поверхні дає:

tan(α) = πDn / vₐ та p = vₐ / n

n — частота обертання шпинделя в об/хв, vₐ — осьова швидкість укладання в мм/хв, D — діаметр у мм, p — осьове переміщення за оберт у мм/об. Отже, tan(α) = πD/p. Ці співвідношення описують укладання на циліндрі, але не рух по днищах чи розвороти.

Приклад: D = 200 мм, n = 10 об/хв і α = 60° дають vₐ ≈ 3 628 мм/хв та p ≈ 362,8 мм/об. Якщо діаметр зростає за незмінного співвідношення швидкостей, кут змінюється. Тому система керування може коригувати рух зі збільшенням товщини ламінату.

6. Проходи, подвійні проходи та замикання візерунка

Оберт — один повний поворот шпинделя. Прохід зазвичай означає переміщення в одному напрямку. Circuit зазвичай охоплює прямий і зворотний проходи. «Цикл» менш однозначний: це може бути circuit, повторення або інша програмна операція. Вказуйте визначення разом із кількістю, не прирівнюючи цикл до оберту.

Візерунок замикається, коли послідовність траєкторій повертається до свого співвідношення повторення. Замикання й повне покриття перевіряють окремо: повторюваний візерунок може містити зазори. Індексація — кероване колове зміщення між послідовними укладаннями. Розворот — кінцева зона зміни напрямку руху; місцеві кут, швидкість і потовщення можуть відрізнятися від центральної циліндричної ділянки.

Покриття — Ступінь перекриття заданої поверхні укладеними стрічками. Перевіряють на корисній довжині та в кінцевих ділянках.

Моношар або шар — Конструкційне чи технологічне групування армування. Уточнюйте, чи означає шар одну орієнтацію, пару ±α або повну послідовність покриття.

Ламінат і послідовність укладання — Уся багатошарова конструкція та порядок орієнтацій. Наприклад, [ +55 / −55 / 90 ] задає три орієнтації; товщини й повторення потребують окремого визначення.

Збалансований і симетричний — Збалансований ламінат поєднує відповідні внески +α та −α. Симетричний має дзеркальну будову відносно середньої площини. Одна властивість не передбачає іншої.

7. Корисна довжина та припуск на обрізання

Корисна довжина залишається в готовому компоненті. Припуск — додатковий матеріал, який видаляють після виготовлення. Їх слід відрізняти від повного ходу каретки, що може включати захід, розворот і відведення.

8. Виробничі терміни якості

Об’ємна частка волокон, Vᶠ — Об’єм волокон, поділений на загальний об’єм композита. Відрізняється від масової частки; для перерахунку потрібні густини складників та узгоджене врахування пор.

Пористість — Частка внутрішнього порожнього об’єму. Потрібен відповідний метод вимірювання; одного візуального огляду поверхні недостатньо.

Збагачена смолою зона та суха ділянка — Перша містить відносно мало армування. Друга недостатньо просочена. Допустимість визначають вимоги до виробу.

Хвилястість і зісковзування волокон — Хвилястість є відхиленням від заданого вирівнювання. Зісковзування — зміщення армування з передбаченого місця укладання.

Розшарування — Розділення шарів ламінату. Відрізняється від поверхневої подряпини або зазору між сусідніми стрічками.

Натяг і ущільнення — Натяг є розтягувальним зусиллям, прикладеним до армування. Ущільнення означає консолідацію укладеного матеріалу. Натяг впливає на неї, але зв’язок залежить також від кривизни, кута й поведінки матеріалу. [2]

9. Як скласти однозначну специфікацію намотування

Робоча технологічна карта задає геометрію, матеріали, відлік кута, ширину укладання, базу вимірювання натягу, обмеження швидкості, послідовність, визначення одиниць рахунку, обробку кінців, режим тверднення й критерії контролю. Назви осей X, Y, Z та A залежать від верстата: визначайте фізичні функції, не припускаючи універсального значення літер.

Приклад: «Намотувати циліндричну ділянку під ±60° до осі оправки. Один circuit означає прямий і зворотний проходи. Виконати задану кількість і перевірити покриття на корисній довжині. Записати ширину укладання, натяг кожного пучка та фактичний діаметр. Використовувати затверджені режими розвороту й тверднення». Додайте числові значення та межі приймання для конкретної деталі.

Джерела та додаткова література

[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/

Усі рисунки є оригінальними пояснювальними схемами. Числовий приклад наведено для ілюстрації.