Metoda nawijania włókna

Metoda nawijania włókna wykorzystywana jest do wytwarzania elementów oraz konstrukcji kompozytowych z włókien ciągłych, pobieranych ze szpul w trakcie procesu nawijania. Jest ona najlepszą i powszechnie stosowaną metodą wytwarzania kompozytowych, wysoko wytrzymałych elementów obrotowo symetrycznych takich jak rury, butle, pierścienie, walce, stożki, kule, elipsoidy. Metodą tą wykonuje są także bryły prostopadłościenne lub o przekroju trójkąta. Przedmioty z zapadnięciami mogą być formowane wówczas, gdy zapadnięcia te są również obrotowo symetryczne. Gwałtowne zmiany przekroju nie mogą być realizowane tym sposobem wytwarzania. Metodą tą wytwarzane są głównie takie wyroby, jak: zbiorniki, butle i rury.

Metoda ta polega na nawijaniu wiązki pasm rovingu, czasami również maty lub tkaniny, na obracający się rdzeń. Istotna jest struktura rdzeni. Mogą być one usuwane z wytworzonego wyrobu po jego utwardzeniu i powtórnie stosowane lub mogą w nim pozostać jako element składowy konstrukcji. Takie rdzenie nazywa się „straconymi”, a gdy spełniają np. rolę antykorozyjną i uszczelniającą, wówczas określa się je mianem lajnera (ang. liner).

Do wytwarzania walczaków i rur stosuje się specjalny system obrabiarkowy nawijania. Rdzeń obraca się w osi poziomej. Przesycony żywicą roving podawany jest przez oczko prowadzące na obracający się rdzeń za pomocą przesuwnego zwrotnie suportu, który przesuwa się poziomo równolegle do osi obrotu rdzenia. Przy wolnym przesuwie suportu uzyskuje się nawój obwodowy o kącie nawijania α bliskim 90°. Wytrzymałość kompozytu z takim nawojem po obwodzie jest duża, zaś w kierunku wzdłużnym, równoległym do osi obrotu jest bardzo mała. Nawój taki przedstawia szczegół na rysunku (a1). Przy szybkim wzdłużnym przesuwie suportu i powolnym obrocie rdzenia roving nawijany jest pod pewnym kątem α i wytrzymałość wytworzonego obiektu jest już rozłożona na dwa kierunki: obwodowy i wzdłużny. Kąt nawijania α może być zaprogramowany, ale zależy też od lepkości żywicy, która nie pozwala na ściąganie nawijanego rovingu. W celu uzyskania dostatecznie dużej wytrzymałości wzdłużnej wytwarzanego obiektu w metodzie obrabiarkowej dodatkowo dowijana może być tkanina UD o włóknach równoległych do osi długości obiektu.

Podczas nawijania wiązki włókna na elementach walcowych pod kątem ±α, wiązki włókien w kierunku +α przeplatają się z wiązkami –α. W ten sposób powstają skrzyżowania i tzw. przeploty. Liczba i rozmieszczenie przeplotów zależą od położenia nawrotu suportu nawijarki, kiedy to wiązka zmienia kąt nawijania z +α na –α. Na powierzchni walcowej zbiornika nawijane wiązki odwzorowują podłoże układając się faliście jedna na drugiej. W ten sposób powstaje charakterystyczny tzw. wzór mozaikowy nawiniętej wiązki włókien wzmacniających.

W procesie technologicznym metody nawijania, rys.1, najważniejszym urządzeniem jest nawijarka, jednak stanowi ona jedynie 30% kosztów całkowitych związanych z uruchomieniem wytwarzania butli. Przy wytwarzaniu przemysłowym elementów metodą nawijania wymagane są między innymi takie urządzenia jak: odwijaki bobin rowingowych z układami wspomagającymi rozruch lub hamującymi, wanna nasycająca, suszarki zapewniające utwardzanie w ruchu obrotowym, itd.. Najważniejszymi parametrem nawijarki jest: liczba osi (stopni swobody), liczba wrzecion, maksymalne gabaryty nawijanych elementów. Najczęściej stosowane nawijarki posiadają 4 osie. Dwa podstawowe ruchy to obrót nawijanego elementu oraz ruch liniowy suportu wzdłuż nawijanego elementu. Dwie dodatkowe osie to obrót głowicy w celu równoległego prowadzenia taśmy rowingowej, zwłaszcza pod małymi kątami nawijania oraz czwarta oś, stanowiąca ruch doczołowy głowicy w kierunku osi nawijanego elementu w celu dokładnego ułożenia wiązki na dennicach.

Schemat dwuosiowego procesu nawijania

Rys. 1. Schemat dwuosiowego procesu nawijania. 1 – rdzeń, 2 – suport, s – skok nawijania, a – współczynnik ,a є(0,1).

W czasie nawijania używa się kompozycje żywiczne o małej lepkości i długim czasie życia, który musi być dłuższy od procesu nawijania elementu. Po zakończeniu nawijania nawinięty element musi niezwłocznie trafić do komory grzewczej, w której ma możliwość podtwardzania w ruchu obrotowym. Inaczej żywica może spłynąć pod działaniem siły grawitacji.

Najbardziej popularny jest bębnowy układ nasycający, w którym film żywiczny powstały w wyniku zanurzenia bębna w syciwie, musi zostać przeciśnięty od spodu przez wiązkę rowingową. W ten sposób następuje wypchnięcie powietrza przez żywicę. Ważnym urządzeniem pomocniczym jest też komora próżniowa stosowana w celu odgazowania przygotowanego syciwa przed wlaniem do wanny nasycającej. Wanna posiada płaszcz wodny połączony z łaźnią wodną w celu utrzymania stałej temperatury syciwa.

Podstawowe parametry charakteryzujące strukturę nawijaną:

  1. Średnica rdzenia [mm], na którym będzie nawijane włókno.
  2. Kąt nawijania [deg] – kąt otrzymywany z relacji pomiędzy drogą przebytą przez suport względem obracającego się rdzenia, tj. kąt, jaki tworzy włókno względem os rdzenia.
  3. Długość nawijania [mm] – droga przebyta przez suport.
  4. Kąt zaczepu [deg] – pomocniczy parametr ułatwiający zaczepianie wiązki na nawrocie w celu ograniczenia tzw. zsuwania się, zwłaszcza przy małych kątach nawijania.
  5. Liczba faz – ilość pełnych cykli powrotnych nawoju, lub liczba warstw.

WSTECZ