| Тип оборудования | Диапазон производительности | Остаточное давление | Область применения |
|---|---|---|---|
| Пластинчато-роторные насосы одноступенчатые | 3-1600 м³/ч | 2-20 мбар | Детали до 20 м², стандартные эпоксидные и полиэфирные смолы |
| Пластинчато-роторные насосы двухступенчатые | 3-630 м³/ч | 0,002-1 мбар | Крупногабаритные изделия, высокоточные процессы, аэрокосмические детали |
| Мембранные вакуумные насосы | 0,5-16,8 м³/ч | 2-10 мбар | Лабораторные работы, малогабаритные детали, химически агрессивные смолы |
| Ловушки смолы (резервуары) | 7-128 л объем | — | Защита насосов от попадания смолы, сбор избытков связующего |
| Вакуумметры стрелочные | — | 10-1000 мбар | Первичный контроль, мобильные установки, простые процессы |
| Вакуумметры цифровые (датчики Пирани) | — | 0,00005-1500 мбар | Точный контроль, обнаружение утечек, автоматизированные системы |
| Вакуумметры мембранные (емкостные) | — | 0,00001-2000 мбар | Высокоточные измерения, независимость от типа газа, критичные процессы |
| Параметр | Пластинчато-роторные масляные | Пластинчато-роторные безмасляные | Мембранные |
|---|---|---|---|
| Предельное остаточное давление | 0,002-2 мбар (двухступенчатые до 0,002 мбар) | 100-150 мбар | 2-10 мбар |
| Производительность | Высокая (3-1600 м³/ч) | Средняя (3-250 м³/ч) | Низкая (0,5-16,8 м³/ч) |
| Обслуживание | Регулярная замена масла, фильтров | Минимальное | Практически не требуется |
| Чистота вакуума | Присутствие масляных паров | Чистый вакуум | Абсолютно чистый |
| Устойчивость к химически активным парам | Средняя | Средняя | Высокая (стойкость к растворителям) |
| Уровень шума | Низкий (при хорошей вентиляции) | Средний | Низкий |
| Стоимость | Средняя | Выше средней | Высокая |
| Непрерывная работа | До 3000 часов | До 3000 часов | Ограниченная |
| Применение в композитах | Массовое производство, крупные изделия | Упаковка, чистые процессы | Лаборатории, малые серии, химстойкость |
| Площадь детали | Рекомендуемая производительность насоса | Тип вакуумметра | Объем ловушки смолы | Дополнительные требования |
|---|---|---|---|---|
| До 1 м² | 4-5 м³/ч | Стрелочный или цифровой 10-1000 мбар | 7-15 л | Возможно использование мембранного насоса |
| 1-10 м² | 6-8 м³/ч | Цифровой 1-1000 мбар с точностью ±1 мбар | 15-40 л | Одноступенчатый пластинчато-роторный |
| 10-20 м² | 8-10 м³/ч | Цифровой 0,1-1500 мбар | 40-80 л | Двухступенчатый насос предпочтительнее |
| Более 20 м² | 12-20 м³/ч | Мембранно-емкостный 0,001-1500 мбар | 80-128 л | Двухступенчатый, автоматизированный контроль |
| Аэрокосмические детали (любая площадь) | По расчету + запас 30% | Мембранно-емкостный высокоточный | По технологии | Остаточное давление менее 10 мбар, непрерывный мониторинг |
| Химически активные смолы | По площади детали | Химически стойкий (керамика/полимер) | Увеличенный объем +20% | Безмасляный или мембранный насос обязателен |
Роль вакуумного оборудования в технологии инфузии композитов
Вакуумная инфузия представляет собой прогрессивный метод производства полимерных композитных материалов, при котором пропитка армирующих волокон связующим происходит под воздействием разрежения. Технология основана на создании перепада давления между внешней средой и герметизированной рабочей полостью, что обеспечивает равномерное распределение смолы по всему объему заготовки. Вакуумное оборудование составляет основу технологического процесса и непосредственно влияет на качество получаемых изделий.
Комплектация установки для инфузии включает вакуумный насос, создающий необходимое разрежение, ловушку смолы для защиты насосного агрегата и сбора избытков связующего, а также систему контроля давления с вакуумметрами различных типов. Правильный подбор параметров оборудования определяет технологическую эффективность процесса и механические характеристики готовых композитов. Степень разрежения в рабочей камере влияет на пористость ламината, содержание воздушных включений и соотношение смолы к наполнителю.
Техническая справка
Оптимальное остаточное давление для инфузии эпоксидных смол составляет от 10 до 20 мбар. Для высококачественных изделий рекомендуется достигать уровня ниже 20 мбар. Достижение более глубокого вакуума может привести к вскипанию компонентов смолы с низкой температурой испарения, что вызывает образование дефектов в структуре композита. Полиэфирные смолы обрабатываются при давлении 20-100 мбар в связи с повышенной летучестью стирола.
Типы вакуумных насосов для производства композитов
Пластинчато-роторные вакуумные насосы
Пластинчато-роторные насосы представляют наиболее распространенный класс вакуумного оборудования в композитной промышленности. Принцип работы основан на вращении ротора с радиальными пластинами внутри цилиндрического корпуса. Центробежная сила прижимает пластины к внутренней поверхности статора, создавая герметичные камеры переменного объема, которые обеспечивают процесс откачки газа.
Масляные пластинчато-роторные агрегаты комплектуются металлическими или текстолитовыми пластинами и используют вакуумное масло для смазки, охлаждения и уплотнения рабочих зазоров. Одноступенчатые модели достигают предельного давления 2-20 мбар, двухступенчатые конструкции обеспечивают остаточное давление до 0,002 мбар. Производительность серийных агрегатов находится в диапазоне от 3 до 1600 кубических метров в час, что позволяет подобрать оборудование для изделий различных габаритов.
Безмасляные сухие насосы используют графитовые или фторопластовые пластины и не требуют применения смазочных материалов в рабочей камере. Данная конструкция обеспечивает чистый вакуум без масляных паров, что критично при работе с отдельными типами связующих. Однако предельное остаточное давление ограничено величиной 100-150 мбар, что сужает область применения таких агрегатов до процессов, не требующих глубокого вакуума.
Мембранные вакуумные насосы
Мембранные насосы относятся к категории безмасляного оборудования и применяются преимущественно в лабораторных условиях или при малосерийном производстве. Рабочий процесс основан на колебательном движении эластичной мембраны, которая попеременно увеличивает и уменьшает объем рабочей камеры. Конструкция предусматривает полную изоляцию откачиваемого газа от механических узлов, что обеспечивает высокую химическую стойкость к агрессивным парам растворителей и отвердителей.
Производительность мембранных агрегатов составляет 0,5-16,8 кубических метров в час при остаточном давлении 2-10 мбар. Двухступенчатые и трехступенчатые модели позволяют достичь более глубокого вакуума по сравнению с одноступенчатыми конструкциями. Основное преимущество мембранных насосов заключается в отсутствии необходимости технического обслуживания и полной защите от попадания смолы в механизм.
Ограничения применения
Мембранные насосы имеют ограниченную производительность и не рекомендуются для изделий площадью более 5 квадратных метров. При работе с высоковязкими смолами время откачки может превысить допустимые пределы жизнеспособности связующего.
Ловушки смолы и их конструктивные особенности
Ловушка смолы представляет собой герметичную емкость, устанавливаемую между вакуумной линией детали и входным патрубком насоса. Основная функция заключается в улавливании избытков связующего, которые образуются при неравномерной пропитке армирующих материалов или превышении расчетного количества смолы. Данный элемент предотвращает попадание жидкой смолы в рабочую камеру вакуумного насоса, что могло бы привести к выходу оборудования из строя.
Конструктивно ловушки изготавливаются из прозрачного поликарбоната или нержавеющей стали с объемом от 7 до 128 литров. Прозрачные стенки позволяют визуально контролировать уровень накопленной смолы и своевременно производить опорожнение емкости. Современные модели оснащаются датчиками уровня жидкости, которые автоматически отключают насос при достижении критической отметки наполнения.
Подбор объема ловушки осуществляется исходя из площади изготавливаемой детали и типа используемого связующего. Для изделий площадью до 1 квадратного метра достаточно резервуара объемом 7-15 литров. Детали площадью 10-20 квадратных метров требуют применения ловушек емкостью 40-80 литров. При работе с полиэфирными смолами, имеющими повышенную текучесть, рекомендуется увеличение объема на 20-30 процентов относительно расчетного значения.
Вакуумметры и системы контроля давления
Стрелочные механические вакуумметры
Стрелочные вакуумметры функционируют на основе деформации упругого элемента под воздействием разности давлений. Трубка Бурдона или мембрана разделяет области с различным давлением и механически связана со стрелкой на градуированной шкале. Диапазон измерения составляет от 10 до 1000 мбар с классом точности 1,5-2,5. Приборы не требуют электропитания и отличаются простотой конструкции, что обеспечивает высокую надежность в производственных условиях.
Барометрически скомпенсированные модели исключают влияние атмосферного давления на показания, что повышает точность измерений. Однако механические вакуумметры не обеспечивают обнаружение малых утечек и имеют ограниченную чувствительность в диапазоне глубокого вакуума. Применение ограничивается простыми процессами инфузии и мобильными установками, где не требуется высокая точность контроля.
Цифровые вакуумметры с датчиками Пирани
Тепловые датчики Пирани измеряют давление по изменению теплопроводности газа. Тонкая металлическая нить нагревается электрическим током, а интенсивность теплоотдачи зависит от плотности окружающего газа. При снижении давления теплопроводность уменьшается, температура нити возрастает, что регистрируется измерительной схемой. Диапазон измерения датчиков Пирани составляет от 0,00005 до 1500 мбар с разрешением 0,01 мбар.
Цифровые вакуумметры обеспечивают непрерывный мониторинг давления с выводом информации на дисплей и возможностью регистрации данных. Высокая чувствительность позволяет обнаруживать утечки в вакуумной системе по характеру изменения показаний. Недостатком тепловых датчиков является зависимость показаний от состава газа, что требует применения калибровочных коэффициентов для различных газовых сред.
Мембранно-емкостные вакуумметры
Емкостные датчики давления используют мембрану в качестве одной из обкладок конденсатора. Деформация мембраны под воздействием разности давлений изменяет емкость, которая преобразуется электронной схемой в значение давления. Керамические мембраны обеспечивают химическую стойкость и точность измерений в диапазоне от 0,00001 до 2000 мбар. Показания не зависят от рода газа, что позволяет применять датчики при работе с различными типами смол и растворителей.
Мембранно-емкостные вакуумметры обладают наивысшей точностью среди всех типов датчиков и применяются в критичных технологических процессах. Температурная компенсация обеспечивает стабильность показаний при изменении условий окружающей среды. Стоимость таких приборов существенно выше по сравнению с тепловыми датчиками, что ограничивает массовое применение высокоточными производствами.
Критерии подбора вакуумного оборудования
Производительность вакуумного насоса определяется площадью изготавливаемой детали и жизнеспособностью применяемого связующего. Для деталей площадью до 1 квадратного метра достаточна производительность 4-5 кубических метров в час. Изделия площадью 10-20 квадратных метров требуют насосов производительностью 8-10 кубических метров в час. Крупногабаритные детали площадью более 20 квадратных метров нуждаются в агрегатах с производительностью 12-20 кубических метров в час и выше.
Время достижения рабочего вакуума не должно превышать 10-15 минут, что обеспечивает начало инфузии в пределах жизнеспособности смолы. При использовании связующих с вязкостью более 600 миллипаскаль-секунд необходим подогрев или применение насосов повышенной производительности. Эпоксидные системы с жизнеспособностью 40-60 минут накладывают жесткие временные ограничения на подготовку вакуумной системы и начало процесса инфузии.
Предельное остаточное давление насоса выбирается в соответствии с требованиями к качеству ламината. Стандартные процессы допускают применение одноступенчатых насосов с остаточным давлением 10-20 мбар. Аэрокосмические изделия требуют двухступенчатых агрегатов, обеспечивающих разрежение менее 10 мбар. Углубление вакуума ниже необходимого уровня может привести к образованию пузырей из-за вскипания летучих компонентов смолы.
Расчет необходимой производительности
Минимальная производительность насоса определяется по формуле: Q = S × h × k, где S — площадь детали в квадратных метрах, h — средняя высота вакуумного мешка в метрах, k — коэффициент запаса 1,3-1,5. Полученное значение указывает требуемую производительность в кубических метрах в час.
Эксплуатация и техническое обслуживание
Масляные пластинчато-роторные насосы требуют регулярной проверки уровня и качества вакуумного масла. Замена масла производится через каждые 500-1000 часов работы или при появлении видимых загрязнений. Использование несоответствующих марок масла приводит к снижению предельного остаточного давления и ускоренному износу пластин. Газобалластный клапан применяется для удаления конденсата и паров воды из масляной ванны, что предотвращает эмульгирование смазки.
Система охлаждения насоса должна обеспечивать отвод тепла при непрерывной работе. Воздушное охлаждение предусматривает очистку вентиляционных решеток от пыли. Водяное охлаждение требует контроля расхода охлаждающей жидкости и своевременной очистки теплообменника от накипи. Перегрев насоса вызывает разжижение масла и потерю герметичности рабочих зазоров, что снижает производительность и предельное разрежение.
Ловушки смолы подлежат опорожнению после каждого технологического цикла или при наполнении на две трети объема. Остатки смолы удаляются растворителем, совместимым с материалом корпуса. Уплотнительные прокладки крышки проверяются на отсутствие повреждений и деформаций. Негерметичность ловушки приводит к подсосу воздуха и невозможности достижения требуемого остаточного давления в рабочей камере.
Вакуумметры подлежат ежегодной поверке в аккредитованных метрологических лабораториях. Цифровые приборы калибруются по образцовым манометрам в диапазоне рабочих давлений. Керамические датчики очищаются от загрязнений растворителями, не повреждающими чувствительный элемент. Механические повреждения мембраны делают датчик непригодным к дальнейшей эксплуатации и требуют замены измерительного блока.
