Изделия, изготовленные методом намотки можно найти  практически в  любом из сегментов рынка. В число наиболее характерных сфер применения намотки входят:

 

• Трубы для нефте и газопроводов.
• Емкости и трубопроводы для химической промышленности
• Емкости и трубопроводы для воды.
• Емкости и трубопроводы промышленных сточных вод
• Соединительные и фасонные части труб и емкостей
• Емкости для хранения газов под давлением
• Подкрыльные топливные баки для самолетов
• Кожухи ракетных двигателей
• Гильзы для ружейных и пушечных снарядов
• Приводные валы автомобилей и транспортных средств.
• Валы гребных винтов.
• Корпуса летательных аппаратов
• Автомобильные амортизаторы
• Мачты парусных судов
• Теннисные ракетки
• Корпуса плавсредств, понтоны, баржи, спортивные лодки,
• Железнодорожные и автомобильные  цистерны
• Дымоходы
• Изоляторы высоковольтных линий и корпуса предохранителей
• Клюшки для игры в гольф и хоккей

 

Трубы, емкости, и подобные этим изделия изготавливаются и различных природных и синтетических материалов с пропиткой из различных полиэфирных и эпоксидных смол. Изделия изготовленные  из этих материалов имеют относительно малый вес, превосходные эксплуатационные характеристики, обладают хорошими изолирующими свойствами, невысокими эксплуатационными затратами и хорошей химической, коррозионной стойкостью и обладают достаточно высокой термо и морозоустойчивостью.

В большинстве случаев они производятся методом намотки.

Размерные характеристики  и отклонения, которые могут быть получены с применением метода намотки:

• Минимальный внутренний радиус изделия  - 3.2 mm
• Минимальная эффективная толщина - 0.4 mm
• Максимальная эффективная толщина - 7.6 mm
• Нормальное отклонение по толщине - 0.4 mm

Толщину стенки можно получить с точностью до 0.4 mm и выше посредством последующей механической обработки. Однако механическая обработка снижает прочностные характеристики и стойкость к  воздействию погодных и температурных условий

Исходя из предполагаемого характера нагрузок на изделие, структура намотки может быть выполнена несколькими различными способами. Характер нагрузки определяет вид используемой модели, число слоев намотки, направление и распределение витков там, где нужно противостоять направленным нагрузкам и объем армирующего материала в тех участках, где вероятны знакопеременные нагрузки.

 

Преимущества метода намотки:

 

• высокий уровень контроля качества
• возможность варьирования прочностных и механических характеристик
• низкие трудозатраты
• широкий диапазон выбора армирующего материала и смол
• процесс может быть высокомеханизирован.

Оборудование

Существует оборудование для производства изделий широкого диапазона применения, от простых цилиндрических форм до сложных емкостей высокого давления. В производстве труб, к примеру, можно обойтись относительно недорогим оборудованием для спиральной намотки, тогда как изготовление трубопроводов высокого давления требует использования оборудования с программным управлением. Такое оборудование предусматривает высокие капиталовложения, т.к. в последнем случае мы имеем дело с системой контроля качества, и  очень высокой точностью получаемых изделий. В настоящее время существует оборудование, на котором можно производить трубы на непрерывной основе, используя специальную  конструкцию дорна. Это обстоятельство позволяет считать намотку одним из наиболее прогрессивных методов получения изделий массового производства.

Технология намотки:

В намотке используется непрерывный армирующий материал для получения достаточного запаса прочности (весовое содержание стекла и других армирующих материалов  колеблется в пределах от 40 до 80% в зависимости от области применения изделия).

*Ровинг с катушки или барабана  подается в пропиточную ванну со смолой и отвердителем, а затем наматывается на специально для данного конкретного изделия сконструированный барабан.

Ровинг наматывается на барабан в несколько слоев до достижения требуемой толщины, и угол намотки обычно составляет от 25 до 85 град к оси вращения. Однако ровинг может наматываться продольно, по окружности, по спирали или в комбинации трех указанных способов. Угол намотки зависит от требований, предъявляемых к прочности изделия.

Методом намотки можно получить любую форму изделия при условии, что намотка производится с натягом. Возможно, получать круглую, плоскую, треугольную, коническую формы и форму кольца. Но наиболее распространенными являются изделия цилиндрической формы. Они используются в производстве труб и емкостей диаметром до 10 метров.

Конфигурация внутренней поверхности структуры, изготовленной методом намотки, может отличаться от внешней. Примером такой намотки может служить изготовление сосудов высокого давления, где на  ребра жесткости наматываются непосредственно поверхность внутренней стенки. В обычных условиях, однако, толщину стенки изделий, изготавливаемых методом намотки, выдерживают постоянной, т.к. неравномерность толщины стенки имеет свойство создавать внутренние напряжения, что приводит к нежелательным последствиям и выходу из строя  изделий при эксплуатации.

Различные  механические так и электронные способы контроля наматываемых изделий, используются для определения соотношения между скоростью вращения оправки и шагом витка, который определяет структуру намотки получаемого изделия.

Основные методы намотки:

• непрерывная намотка: соединенные между собой не вращающиеся дорны проходят через намоточную станцию
• полярная намотка: дорны вращаются на двух осях в целях создания цилиндрической или сферической формы
• непрерывная намотка: армирующее волокно и смолу наносят на вращающийся съемный дорн для производства непрерывных труб
• оплеточная намотка: соединенные не вращающиеся дорны пропускаются через вращающееся оплеточное кольцо
• комбинированный метод: как видно из названия, этот процесс является гибридом, полученным от комбинации характеристик хаотично нарубленных волокон, нанесенных методом напыления с характеристиками направленных непрерывных волокон, нанесенных методом намотки с целью получения крупных структурных цилиндрических деталей.

Этот метод часто позволяет получать более надежный слой для достижения желаемых характеристик изделия при этом, не прибегая к использованию дорогостоящих материалов или других дорогих способов достижения желаемой прочности в отдельных участках изделия.

Дорны

Материал для изготовления дорна должен удовлетворять следующим характеристикам:

·        Обеспечивать стабильность размеров получаемого изделия.

·        Иметь высокие прочностные характеристики, чтобы удовлетворять требования технологического процесса.

К примеру, в случае намотки цилиндрической трубы, стальной цилиндр, внешний диаметр которого равен внутреннему диаметру трубы, можно рассматривать в качестве инструмента - дорна.

Однако если нужно изготовить закрытый сосуд, работающий под давлением –

решение будет не столь простым. Проблема состоит в том, что волокна, наматываясь на дорн, покрывают всю его поверхность и что после окончания процесса отверждения сосуд нужно снять с дорна или извлечь дорн из сосуда. Вариантами решения этой проблемы могут быть: изготовление дорна из растворимой соли или саморазлагающегося термопласта.

Характеристики получаемых изделий

Механические характеристики изделий, изготовленных методом намотки, взаимозависимы и могут широко варьироваться в зависимости от конструктивных особенностей готового изделия. Вот пять специфических характеристик, которые поддаются контролю:

 

• Прочность на растяжение

 

• Прочность на разрыв

 

• Прочность на изгиб

 

• Модуль изгиба

 

• Прочность на сжатие

 Намотка стекловолокна типа “E” используется в производстве труб с прочностью на растяжение 900МПа. Хотя показатель и не высок, но он все же приемлем, поскольку предел прочности на растяжение для стекла “E” приблизительно равен 3500МПа. Как правило, конструктор при разработке детали должен закладывать только половину этого теоретического показателя прочности волокна, тогда как инженер не может выходить за рамки 60% от предела прочности на растяжение в связи с вероятностью различных колебаний показателей технологического процесса. Прочность на разрыв имеет первостепенное значение в производстве сосудов высокого давления. Для простых цилиндрических изделий возможно получение показателей порядка 140МПа. Однако, более сложные сосуды высокого давления разрабатываются с показателем максимальной прочности на разрыв порядка 35МПа. Прочность на изгиб деталей, изготовленных методом намотки, используется в самых разных областях. Если в структуре изделия максимальное количество волокон расположено в плоскости, параллельной плоскости приложения нагрузки, можно достичь показателя прочности 2000МПа. Однако на практике показатель прочности на изгиб находится в районе 700МПа. Как и в других методах производства изделий из стеклопластиков, могут возникать проблемы с низким модулем изгиба. Обычно он составляет порядка 30ГПа, тогда как для стали-210ГПа. Однако в отдельных случаях жесткость может быть значительно усилена путем применения углеволокна с более высоким модулем изгиба. Прочность на сжатие играет большую роль в тех случаях, где изделие находится под воздействием наружного давления. Примерами таких изделий могут быть подземные трубопроводы или емкости для хранения, зарываемые в землю. На практике нормальный показатель прочности на сжатие находится в районе 3000МПа.

Смолы

Специально для применения в намотке и с целью удовлетворения, как технологических условий,  так и эксплуатационных требований к изделиям, были разработаны смолы Synolite, Atlac и Daron и т. п.

Смолы для пропитки намотанных изделий  обычно обладают следующими характеристиками:

• хорошее смачивание стекломатериалов и других синтетических и природных материалов.
• относительное удлинение в пределах 2-6%
• превосходная ударная прочность
• хорошо отверждаются при широком диапазоне температур.
• в зависимости от типа используемой смолы имеют различные пределы  химической и теплостойкости.
• Время отверждения колеблется от 15 минут до 2 часов в зависимости от толщины и размера изготовленного изделия.
• Температурный диапазон отверждения - от +10  до +  100^oС.

 

В процессе намотке и в комбинированном методе получения изделий,  могут использоваться разнообразные термореактивные смолы

Ненасыщенные полиэфирные смолы

На основе:

ортофталевой кислоты общего назначения для применения в тех областях, где требуются средние показатели химической и термостойкости.

изофталевой кислоты. Применяется в тех случаях, где требуются средние показатели химической стойкости и водостойкости, например в системах водоочистки и обработке промышленных сточных вод.

смолы на основе бисфенола А. Используются в производстве оборудования, требующего высоких показателей химической и термостойкости, при работе в агрессивных средах и при температурах до 100^oС.

специальные теплостойкие смолы.

Винилэфирные смолы

Эта группа смол обеспечивает комбинацию химической стойкости, упругости, и различные структурные преимущества и при необходимости - повышенные характеристики усталостной прочности.

Винилэфиры продаются под товарным знаком NORPOL DION.

Армирующие материалы

В процессе намотки могут использоваться все известные виды армирующего волокна. Эти армирующие волокна могут быть представлены в различной форме, включая непрерывные пряди и тросы; тканные и однонаправленные ленты; рубленые пряди и маты, как из непрерывных, так и из рубленых прядей. Наиболее широкое применение получил Стеклоровинг.

 

*Стеклоровинг представляет собой жгут из нитей непрерывного стекловолокна. Ровинг различается плотностью - количеством нитей стекловолокна в жгуте. Ровинги имеют обозначение "tex": вес 1 км ровинга в граммах. Ровинг поставляется в бобинах, герметично упакованных в пленку. Существуют также другие виды ровинга - базальтовый ровинг, ровинг на основе натуральных волокон и другие типы ровинга. Каждый тип ровинга применяется для получения изделий с различными заданными характеристиками. Изделия, полученные с применением ровинга разного типа, также обладают разнообразными характеристиками.