Способ изготовления баллона высокого давления из полимерных композиционных материалов Российский патент 2025 года по МПК F17C1/04 F17C1/06 

Изобретение относится к области изготовления баллонов, работающих под давлением из полимерных композиционных материалов и используемых в транспортном машиностроении, авиационной и ракетно-космической технике для хранения разнообразных рабочих тел сжиженных, так и газообразных.

Известен способ изготовления баллона высокого давления из полимерных композиционных материалов, включающий операцию аддитивной 3D-печати путём нанесения последовательных слоёв материала, повторяющих контуры цифровой модели баллона высокого давления (см. например патент на изобретение RU №2665089, МПК F17C 1/00 опубл. 20.04.2018, Бюл. №25).

Недостатками известного способа изготовления баллона высокого давления из полимерных композиционных материалов является необходимость использования внутренней несущей конструкции, необходимость создания опорных связей внутри конструкции, а также применение только аддитивной технологии при изготовлении баллона высокого давления.

Вышеперечисленные недостатки повышают трудоёмкость изготовления изделия, его себестоимость, материалоёмкость, которая увеличивает вес готового изделия, а также не обеспечивают достаточную газонепроницаемость и соответственно снижают срок эксплуатации баллона высокого давления.

В основу изобретения поставлена задача усовершенствования способа изготовления баллона высокого давления из полимерных композиционных материалов для обеспечения снижения трудоёмкости изготовления изделия, его себестоимости и материалоёмкости, а также повышение газонепроницаемости и срока эксплуатации баллона высокого давления.

Поставленная задача решается тем, что в способе изготовления баллона высокого давления из полимерных композиционных материалов, включающем операцию аддитивной 3D-печати путём нанесения последовательных слоёв материала, повторяющих контуры цифровой модели баллона высокого давления, время одного полного оборота сопла принтера при формировании каждого горизонтально расположенного полимерного слоя лежит в диапазоне времени полимеризации 0,5-0,98 толщины этого слоя, каждый последующий слой наносят круговым вращением сопла принтера в горизонтальной плоскости, при завершении полного оборота производят вертикальное смещение сопла принтера на высоту не менее 0,98 высоты уложенного слоя с последующей повторяющейся укладкой слоёв друг на друга с образованием рифленой внешней и внутренней поверхностей, после создания лейнера производят закрепление в полюсных частях лейнера ранее изготовленных механической обработкой фланцев, наносят силовые слои композитного материала с жёсткостью в направлении армирования не менее жёсткости полимерного материала лейнера посредством мокрой намотки и обеспечивают натяжение жгута наносимого материала в процессе его намотки и производят температурную обработку баллона высокого давления для окончательной полимеризации силовых слоёв композитного материала с температурой, исключающей критическую деформацию лейнера из полимерного материала, приводящую к потере его устойчивости, при этом в процессе послойного создания лейнера баллона высокого давления между операциями 3D-печати лейнера и намотки силовой оболочки на лейнер могут наносить дополнительный герметизирующий слой в виде армированного тканью полимерного композиционного материала и/или резинового герметизирующего слоя.

Поскольку предварительно изготавливается лейнер, при этом при его изготовлении время одного полного оборота сопла принтера при формировании каждого горизонтально расположенного полимерного слоя лежит в диапазоне времени полимеризации 0,5-0,98 толщины этого слоя, каждый последующий слой наносят круговым вращением сопла принтера в горизонтальной плоскости, при завершении полного оборота производят вертикальное смещение сопла принтера на высоту не менее 0,98 высоты уложенного слоя с последующей повторяющейся укладкой слоёв друг на друга с образованием рифленой внешней и внутренней поверхностей, после создания лейнера производят закрепление в полюсных частях лейнера ранее изготовленных механической обработкой фланцев, наносят силовые слои композитного материала с жёсткостью в направлении армирования не менее жёсткости полимерного материала лейнера посредством мокрой намотки и обеспечивают натяжение жгута наносимого материала в процессе его намотки, производят температурную обработку баллона высокого давления для окончательной полимеризации силовых слоёв композитного материала с температурой, исключающей критическую деформацию лейнера из полимерного материала, приводящую к потере его устойчивости и добавление в конструкцию стенки дополнительного герметичного слоя, представляющего собой армированного тканью полимерного композиционного материала и/или резину, обеспечивается снижения трудоёмкости изготовления изделия, его себестоимости и материалоёмкости, повышение газонепроницаемости и срока эффективной эксплуатации баллона высокого давления.

Способ изготовления баллона высокого давления из полимерных композиционных материалов включает операцию аддитивной 3D-печати путём нанесения последовательных слоёв материала, повторяющих контуры цифровой модели баллона высокого давления, формирование расположенных друг над другом полимерных слоёв, образующих контур баллона с круговой скоростью сопла принтера со временем одного полного оборота сопла принтера при формировании каждого горизонтально расположенного слоя лежит в диапазоне времени полимеризации 0,5-0,98 толщины этого слоя, каждый слой наносят круговым вращением сопла принтера в горизонтальной плоскости, при завершении полного оборота производят вертикальное смещение сопла принтера на высоту не менее 0,98 высоты уложенного слоя с последующей укладкой слоёв друг на друга и образованием рифленой внешней и внутренней поверхностей, создание лейнера путём закрепления в полюсных частях лейнера ранее изготовленных механической обработкой фланцев, нанесение силовых слоев композитного материала с жёсткостью в направлении армирования не менее жёсткости полимерного материала лейнера посредством мокрой намотки, обеспечение натяжения жгута наносимого материала в процессе его намотки, температурную обработку баллона высокого давления для окончательной полимеризации силовых слоёв композитного материала с температурой, исключающей критическую деформацию лейнера из полимерного материала, приводящую к потере его устойчивости. А также в процессе послойного создания лейнера баллона высокого давления между операциями 3D-печати лейнера и намотки силовой оболочки на лейнер может включаться дополнительный герметизирующий слой в виде армированного тканью полимерного композиционного материала и/или резиновый герметизирующий слой.

Способ изготовления баллона высокого давления из полимерных композиционных материалов осуществляют следующим образом.

На расположенный внутри принтера рабочий стол круговым вращением сопла 3D-принтера наносят первый слой полимерного материала. Скорость вращения сопла принтера с круговой скоростью одного полного оборота принтера при формировании каждого горизонтально расположенного слоя выбирается в диапазоне времени полимеризации 0,5-0,98 толщины этого слоя, каждый слой наносят круговым вращением сопла принтера в горизонтальной плоскости. Затем сопло принтера приподнимается на высоту не менее 0,98 высоты уложенного слоя и производится нанесение следующего вышележащего слоя. Поскольку первый слой уже произвел полимеризацию, а сопло принтера было приподнято на высоту не менее 0,98 высоты нанесённого слоя в процессе укладки вышележащего слоя происходит увеличение зоны контакта между смежными слоями, что повышает жёсткость, герметичность, прочность создаваемой конструкции.

Вышеперечисленные действия повторяются до создания лейнера баллона заданных геометрических размеров с рифлёными внешней и внутренней поверхностями.

После создания лейнера и закрепления в полюсных частях лейнера ранее изготовленных механической обработкой фланцев производят нанесение силового слоя композитного материала с жёсткостью в направлении армирования не менее жёсткости полимерного материала лейнера при помощи автоматизированной мокрой намотки с обеспечением натяжения жгута наносимого материала в процессе намотки. Затем производится температурная обработка баллона высокого давления для обеспечения окончательной полимеризации силового слоя композитного материала температурой, исключающей критическую деформацию лейнера из полимерного материала, приводящую к потере его устойчивости.

Добавление в конструкцию стенки дополнительного герметичного слоя, представляющего собой армированного тканью полимерного композиционного материала и/или резину обеспечивает повышение газонепроницаемости и срока эффективной эксплуатации баллона высокого давления.

Изобретение относится к области изготовления баллонов, работающих под давлением, из полимерных композиционных материалов. Способ изготовления баллона высокого давления из полимерных композиционных материалов включает операцию 3D-печати путём нанесения последовательных слоёв материала, повторяющих контуры цифровой модели баллона высокого давления. Предварительно изготавливают лейнер. При этом при его изготовлении время одного полного оборота сопла принтера при формировании каждого горизонтально расположенного полимерного слоя лежит в диапазоне времени полимеризации 0,5-0,98 толщины этого слоя. Каждый последующий слой наносят круговым вращением сопла принтера в горизонтальной плоскости. При завершении полного оборота производят вертикальное смещение сопла принтера на высоту не менее 0,98 высоты уложенного слоя с последующей повторяющейся укладкой слоёв друг на друга с образованием рифленой внешней и внутренней поверхностей. После создания лейнера производят закрепление в полюсных частях лейнера ранее изготовленных механической обработкой фланцев. Наносят силовые слои композитного материала с жёсткостью в направлении армирования не менее жёсткости полимерного материала лейнера посредством мокрой намотки и обеспечивают натяжение жгута наносимого материала в процессе его намотки. Производят температурную обработку баллона высокого давления для окончательной полимеризации силовых слоёв композитного материала с температурой, исключающей критическую деформацию лейнера из полимерного материала, приводящую к потере его устойчивости. В процессе послойного создания лейнера баллона высокого давления между операциями 3D-печати лейнера и намотки силовой оболочки на лейнер может наноситься дополнительный герметизирующий слой в виде армированного тканью полимерного композиционного материала. В процессе послойного создания лейнера баллона высокого давления между операциями 3D-печати лейнера и намотки силовой оболочки на лейнер может наноситься резиновый герметизирующий слой. Техническим результатом является снижение трудоёмкости изготовления изделия, его себестоимости и материалоёмкости, а также повышение газонепроницаемости и срока эксплуатации баллона высокого давления. 2 з.п. ф-лы.

1. Способ изготовления баллона высокого давления из полимерных композиционных материалов, включающий операцию аддитивной 3D-печати путём нанесения последовательных слоёв материала, повторяющих контуры цифровой модели баллона высокого давления, отличающийся тем, что предварительно изготавливается лейнер, при этом при его изготовлении время одного полного оборота сопла принтера при формировании каждого горизонтально расположенного полимерного слоя лежит в диапазоне времени полимеризации 0,5-0,98 толщины этого слоя, каждый последующий слой наносят круговым вращением сопла принтера в горизонтальной плоскости, при завершении полного оборота производят вертикальное смещение сопла принтера на высоту не менее 0,98 высоты уложенного слоя с последующей повторяющейся укладкой слоёв друг на друга с образованием рифленой внешней и внутренней поверхностей, после создания лейнера производят закрепление в полюсных частях лейнера ранее изготовленных механической обработкой фланцев, наносят силовые слои композитного материала с жёсткостью в направлении армирования не менее жёсткости полимерного материала лейнера посредством мокрой намотки и обеспечивают натяжение жгута наносимого материала в процессе его намотки, производят температурную обработку баллона высокого давления для окончательной полимеризации силовых слоёв композитного материала с температурой, исключающей критическую деформацию лейнера из полимерного материала, приводящую к потере его устойчивости.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в процессе послойного создания лейнера баллона высокого давления между операциями 3D-печати лейнера и намотки силовой оболочки на лейнер наносят дополнительный герметизирующий слой в виде армированного тканью полимерного композиционного материала.

3. Способ по любому из пп. 1 и/или 2, отличающийся тем, что в процессе послойного создания лейнера баллона высокого давления между операциями 3D-печати лейнера и намотки силовой оболочки на лейнер наносят резиновый герметизирующий слой.