Вакуумный насос для ПКМ представляет собой специализированное оборудование для создания разрежения при производстве полимерных композиционных материалов методом вакуумного мешка или инфузии. Устройство обеспечивает уплотнение ламината, удаление воздуха и избытков связующего, что критически важно для получения качественных изделий с оптимальными прочностными характеристиками.
Что такое вакуумный насос для производства композитов
Вакуумный насос в технологии производства ПКМ выполняет ключевую функцию - откачивает воздух из замкнутого пространства вакуумного мешка или формы, создавая разрежение. Это обеспечивает равномерное распределение атмосферного давления на поверхность изделия, что способствует качественной пропитке армирующих материалов связующим веществом и удалению пустот.
При вакуумной инфузии насос создает перепад давлений, за счет которого смола втягивается в сухой армирующий материал. В методе вакуумного мешка оборудование уплотняет уже пропитанный ламинат, выдавливая излишки смолы и воздушные включения. Глубина вакуума и производительность насоса напрямую влияют на качество готового изделия.
Основные параметры: производительность измеряется в литрах в минуту или кубометрах в час, остаточное давление характеризует глубину создаваемого вакуума и измеряется в Паскалях или миллибарах. Для формования композитов оптимальным является рабочее давление 2-10 миллибар.
Принцип работы вакуумного насоса
Механизм создания разрежения
Работа вакуумного насоса основана на механическом вытеснении газа из откачиваемого объема. Насос непрерывно удаляет молекулы воздуха, постепенно снижая давление внутри системы до требуемого уровня. Процесс продолжается до достижения предельного остаточного давления, характерного для конкретной модели оборудования.
В процессе формования композитов насос подключается к вакуумному мешку через систему патрубков и ловушек для смолы. Ловушка защищает насос от попадания связующего вещества, которое может вытекать при уплотнении ламината. После достижения рабочего вакуума насос поддерживает разрежение на протяжении всего цикла отверждения композита.
Цикл откачки воздуха
Скорость откачки зависит от объема изделия, герметичности системы и производительности насоса. Для детали площадью один квадратный метр достаточно насоса производительностью 65-85 литров в минуту. Для крупногабаритных изделий требуются более мощные агрегаты с производительностью до 340 литров в минуту.
Типы и классификация вакуумных насосов
Пластинчато-роторные насосы
Пластинчато-роторные насосы являются наиболее распространенным типом оборудования для производства композитов. В цилиндрическом корпусе вращается эксцентрично установленный ротор с подпружиненными пластинами. При вращении пластины выдвигаются из пазов ротора и прижимаются к стенкам корпуса центробежной силой, создавая изменяющиеся рабочие камеры.
Преимуществами данного типа являются высокая производительность до 1000 литров в секунду, надежность конструкции и возможность достижения глубокого вакуума. Одноступенчатые модели создают остаточное давление 0,5-2 миллибара, что оптимально для всех процессов формования ПКМ. Двухступенчатые насосы достигают давления 0,001 миллибара и ниже, но для композитов их применение нецелесообразно из-за избыточной глубины вакуума.
Жидкостно-кольцевые насосы
Жидкостно-кольцевые или водокольцевые насосы используют рабочую жидкость для создания вакуума. Внутри цилиндрического корпуса эксцентрично расположено колесо с лопатками. При вращении центробежная сила прижимает жидкость к стенкам, образуя кольцо. Между лопатками колеса и жидкостным кольцом формируются секторы переменного объема, которые захватывают и сжимают газ.
Эти насосы устойчивы к попаданию паров смолы и конденсата, что делает их привлекательными для работы с композитами. Рабочая жидкость одновременно охлаждает оборудование. Недостатком является меньшая глубина вакуума по сравнению с пластинчатыми моделями - обычно до 40-80 миллиметров ртутного столба при одноступенчатом исполнении, что соответствует рабочему диапазону 50-100 миллибар.
| Тип насоса | Производительность | Остаточное давление | Особенности |
|---|---|---|---|
| Пластинчато-роторный одноступенчатый | 4-20 м³/ч | 0,5-2 мбар | Универсальное применение, масляное уплотнение |
| Пластинчато-роторный двухступенчатый | 4-30 м³/ч | 0,001 мбар и ниже | Глубокий вакуум, для специальных применений |
| Жидкостно-кольцевой | до 500 л/с | 50-100 мбар | Стойкость к парам, водяное охлаждение |
| Мембранный 2-3 ступени | до 100 л/мин | 2-10 мбар | Безмасляный, для дегазации |
Безмасляные и масляные насосы
Масляные пластинчато-роторные насосы используют вакуумное масло для уплотнения зазоров и смазки механизма. Масло повышает эффективность откачки и продлевает срок службы деталей. Однако требуется регулярная замена масла и установка выходного фильтра для предотвращения загрязнения атмосферы парами масла.
Безмасляные насосы - мембранные, спиральные - не загрязняют откачиваемую среду, но обладают меньшей производительностью и глубиной вакуума. Для большинства задач формования композитов предпочтительны масляные пластинчато-роторные насосы одноступенчатого типа как оптимальное сочетание характеристик и надежности.
Выбор производительности и глубины вакуума
Расчет производительности по площади изделия
Производительность насоса определяется размерами формуемого изделия. Недостаточная производительность приводит к длительному времени откачки и возможному преждевременному отверждению смолы до достижения рабочего вакуума. Избыточная производительность нерациональна экономически.
Рекомендуемая производительность вакуумного насоса:
- Детали площадью до 1 квадратного метра - производительность 65-85 литров в минуту или 4-5 кубометров в час
- Детали площадью до 20 квадратных метров - производительность 130-170 литров в минуту или 8-10 кубометров в час
- Детали площадью более 20 квадратных метров - производительность 200-340 литров в минуту или 12-20 кубометров в час
Требуемый уровень вакуума
Для вакуумной инфузии и формования композитов оптимальным является рабочее давление от 2 до 10 миллибар. При этом остаточное давление в вакуумном пакете должно быть не более 10 миллибар для обеспечения качественной пропитки. Слишком глубокий вакуум не улучшает качество изделия, но может вызвать нежелательные эффекты.
Важно учитывать, что некоторые связующие, особенно полиэфирные смолы, содержащие стирол, могут закипать при давлении менее 50 миллиметров ртутного столба. Поэтому одноступенчатые пластинчато-роторные насосы с остаточным давлением 0,5-2 миллибара полностью удовлетворяют требованиям технологии, обеспечивая безопасный рабочий диапазон.
Применение вакуумных насосов в технологиях ПКМ
Метод вакуумного мешка
В технологии вакуумного мешка армирующий материал предварительно пропитывается связующим веществом вручную. Затем ламинат укрывается жертвенными материалами, отслаивающей пленкой и помещается в вакуумный мешок. Насос откачивает воздух, создавая атмосферное давление на поверхность изделия около 10 тонн на квадратный метр.
Это давление выдавливает излишки смолы через жертвенные слои, удаляет воздушные включения и уплотняет ламинат. Результатом является изделие с оптимальным соотношением волокна к связующему, минимальной пористостью и высокими механическими свойствами. Метод широко применяется в авиастроении, судостроении, производстве спортивного инвентаря.
Вакуумная инфузия смолы
При вакуумной инфузии армирующий материал укладывается в форму в сухом виде. Создается герметичный вакуумный мешок с системой подачи смолы и откачки воздуха. После достижения требуемого вакуума открывается подача связующего, которое под действием перепада давлений втягивается в сухой наполнитель и пропитывает его.
Технология обеспечивает равномерную пропитку сложных форм, высокое содержание волокна и минимальное количество летучих веществ. Вакуумная инфузия позволяет изготавливать крупногабаритные изделия - лопасти ветрогенераторов, корпуса судов, панели обшивки летательных аппаратов. Ключевую роль играет стабильная работа насоса на протяжении всего процесса пропитки.
Дегазация компаундов и смол
Перед применением эпоксидные и полиэфирные смолы требуют дегазации для удаления растворенного воздуха. Компаунд помещается в вакуумную камеру, подключенную к насосу. При снижении давления воздух выделяется в виде пузырьков, смола активно вспенивается, затем пена оседает. Процесс повторяется до полного удаления газов.
Для дегазации достаточно давления 10-20 миллибар. Чрезмерно глубокий вакуум может привести к вскипанию легких фракций смолы и изменению ее свойств. Объем вакуумной камеры должен быть в 3-5 раз больше объема дегазируемого материала с учетом вспенивания. Производительность насоса подбирается по объему камеры.
Преимущества и ограничения различных типов
Достоинства пластинчато-роторных насосов
- Высокая производительность при компактных размерах оборудования
- Оптимальная глубина вакуума для всех технологий формования ПКМ
- Надежная конструкция с большим ресурсом работы
- Возможность непрерывной работы в течение всего цикла отверждения
- Относительно простое обслуживание - замена масла и фильтров
Недостатки масляных насосов
Основным ограничением масляных пластинчато-роторных насосов является необходимость регулярного обслуживания. Вакуумное масло со временем загрязняется парами смолы и конденсатом, что снижает производительность. Требуется замена масла каждые 100-300 часов работы в зависимости от условий эксплуатации.
Попадание больших количеств паров смолы в насос может привести к смешиванию связующего с маслом и ухудшению характеристик. Поэтому обязательно применение ловушек для смолы между вакуумным мешком и насосом. Ловушка представляет герметичную емкость, в которой конденсируются пары и собираются излишки связующего до попадания в насос.
Особенности жидкостно-кольцевых насосов
Жидкостно-кольцевые насосы толерантны к загрязнениям - попадание паров смолы и влаги не выводит их из строя, так как рабочая жидкость смывает загрязнения. Они могут работать с агрессивными парами без повреждений. Рабочая жидкость обеспечивает эффективное охлаждение насоса.
Недостатком является меньшая глубина вакуума по сравнению с пластинчато-роторными моделями. Для достижения рабочего давления ниже 50 миллибар могут потребоваться двухступенчатые модели. Также необходима система подачи и охлаждения рабочей жидкости, что усложняет установку. Рабочая жидкость требует периодической очистки или замены.
Вспомогательное оборудование и материалы
Ловушки для смолы
Ловушка для смолы - обязательный элемент вакуумной системы. Она представляет герметичную емкость, устанавливаемую между вакуумным мешком и насосом. В процессе откачки излишки связующего и конденсат паров собираются в ловушке, не попадая во внутренние механизмы насоса. Это продлевает срок службы масла и самого оборудования.
Объем ловушки выбирается исходя из размеров изделия - обычно от одного до пяти литров. Ловушка оснащается прозрачной крышкой для визуального контроля наполнения и механическим или электрическим датчиком уровня. При заполнении ловушку необходимо опорожнять для предотвращения попадания смолы в насос.
Вакуумные мешки и расходные материалы
Вакуумный мешок изготавливается из полиуретана, нейлона или поливинилхлорида. Полиуретановые мешки обладают высокой эластичностью, прочностью и износостойкостью, выдерживают многократное использование. Нейлоновые мешки менее прочные, но подходят для одноразового применения при небольших объемах производства.
Для герметизации применяется вакуумный жгут - герметизирующая лента из бутилкаучука или силикона. Жертвенная ткань укладывается на ламинат для впитывания излишков смолы. Отслаивающая пленка предотвращает прилипание жертвенных материалов к изделию. Проводящий слой обеспечивает равномерное распределение вакуума по площади мешка.
Контрольно-измерительные приборы
Вакуумметр - прибор для контроля уровня разрежения в системе. Для низкого и среднего вакуума применяются механические или электронные вакуумметры с диапазоном измерения от атмосферного давления до единиц миллибар. Важно контролировать вакуум в процессе формования для обеспечения качества изделия.
Регулятор вакуума позволяет точно поддерживать заданный уровень разрежения. При работе с хрупкими наполнителями или сложными формами может потребоваться ограничение глубины вакуума для предотвращения деформации изделия. Регулятор устанавливается между насосом и вакуумным мешком.
Частые вопросы о вакуумных насосах для ПКМ
Вакуумный насос является критически важным оборудованием в технологии производства полимерных композиционных материалов. Правильный выбор типа и производительности насоса определяет качество готовых изделий, эффективность процесса и надежность оборудования. Пластинчато-роторные одноступенчатые насосы представляют оптимальное решение для большинства задач формования композитов, сочетая достаточные характеристики, надежность и доступность обслуживания.
Для успешной работы необходимо соблюдать рекомендации по выбору производительности в соответствии с размерами изделий, применять ловушки для смолы и контрольно-измерительные приборы, регулярно проводить обслуживание оборудования. Современные вакуумные технологии позволяют получать композиты высочайшего качества с оптимальными массовыми и прочностными характеристиками.
