Спосіб виготовлення частково армованих пластмасових деталей і пластмасова деталь (варіанти)

Винахід стосується способу виготовлення термопластичних, частково армованих пластмасових деталей шляхом термоформування. Відомо, наприклад, механічне з'єднання або склеювання деталей, які здатні формуватися під дією тепла, із металевим армуванням. До недоліків таких способів варто віднести велику питому вагу металів і високі виробничі витрати. Часткове армування деталей, виготовлених термоформуванням, у рівні техніки робиться також і шляхом нанесення гофра. При цьому, однак, ефект, який одержують при армуванні, дуже обмежений. Далі відомий спосіб, відповідно до якого армувальний матеріал закладають в якості вставної деталі у форму для лиття під тиском або прес-форму, потім у форму поміщають пресувальну масу або масу для лиття і таким чином відформовують деталь. В якості матеріалу для вставних деталей здебільшого використовують метали, а також пластики, армовані волокном. Проте такі способи придатні в першу чергу для великих серій і є для деталей, вироблених у малих кількостях, неекономічними внаслідок високої вартості оснащення. При термоформуванні тканин, просочених термопластом, (органолист) економічність способу зводиться на нівець високою вартістю матеріалу. Крім того, за допомогою таких матеріалів можна здійснювати лише повне, але не часткове армування деталей. В основу винаходу покладена задача створення способу, що дозволяє з незначними виробничими витратами виготовляти термопластичні, частково армовані пластмасові деталі, у тому числі і при їх виробництві в малих кількостях. Ця задача вирішується згідно з винаходом тим, що для утворення частково армованих зон деталей використовують армувальні матеріали, які здатні формуватися під дією тепла, і які містять волокна довжиною >1мм, переводять їх у м'яко-еластичний стан шляхом теплопередачі і потім драпірують ними позитивну форму глибокої витяжки у означених місцях і з означеною орієнтацією, після чого на форму, драпіровану армувальним матеріалом, натягують попередньо пластифіковану пластмасову пластину і за рахунок створення вакуум у навколо форми під дією атмосферного тиску притискують пластину до поверхні форми і армувального матеріалу так, щоб за рахунок тепла, що міститься в армувальному матеріалі, відбувалося зварювання останнього з пластмасовою пластиною. Для забезпечення можливості копіювання контуру форми необхідно армувальний матеріал, який здатний формуватися під впливом тепла, переводити у м'яко-еластичний стан. З урахуванням того, що структура армувального матеріалу (геометрія, довжина волокна, орієнтація волокна) повинна бути збережена, можна використовувати тільки теплопередачу, але не зсув або тому подібне. В якості джерела тепла може застосовуватися, наприклад, інфрачервоний випромінювач, термостат або потік гарячого повітря. При виготовленні деталей із простою геометрією в якості армувального матеріалу може використовува тися просочений термопластом ровінг. Оскільки армувальний матеріал, на противагу переробці литтям під тиском або пресуванням, не може бути підданий додатковому зміцненню, можна застосовувати тільки матеріали із стовідсотковим ступенем просочення. Матеріали з меншим ступенем просочення при динамічному навантаженні виходять із ладу внаслідок тертя між волокнами. Для деталей із складною геометрією і обумовленим нею тривалим за часом драпіруванням форми армувальним матеріалом прості, просочені термопластом ровінги через свою малу теплоємність не придатні. Для забезпечення зварного з'єднання між армувальним матеріалом і пластмасовою пластиною армувальний матеріал повинен містити достатню кількість тепла. Проте при тривалому за часом драпіруванні форми температура армувального матеріалу, переведеного в м'яко-еластичний стан, опускається нижче необхідної температури переробки. При цьому час драпірування форми армувальним матеріалами в залежності від геометрії і кількості необхідних армувальних матеріалів складає приблизно від 10 до 120 секунд. Якщо по їх закінченні армувальний матеріал, містить занадто малу кількість тепла та/або занадто високу теплопровідність, то достатню кількість тепла армувальному матеріалу повинна передавати пластифікована пластмасова пластина. Причому варто виходити з того, що ця тепловіддача може відбуватися тільки від примежового шару пластмасової пластини, товщина якого складає приблизно 1мм. Для підвищення теплоємності армувального матеріалу можна також збільшува ти товщину його шару. Для цього доцільно в якості армувального матеріалу використовувати шаруватий композиційний матеріал, що має щонайменше один волокновмісний армувальний шар і шар із неармованого пластика, що служить акумулятором тепла. Подібне з'єднання шарів вигідно відрізняється від однорідних армувальних матеріалів у відношенні ваги і ізолюючої дії, особливо у випадку холодної форми. Волокна в армувальному матеріалі можуть мати однонаправлену орієнтацію. У цьому випадку дія армувальных волокон використовується цілком. При багатоспрямованому розподілі волокон в армувальному матеріалі ефект армування виражений у меншому ступені, але перевагою при цьому є підвищена стійкість до розшаровування. Усі варіанти армувального матеріалу дозволяють без проблем здійснювати індивідуальне виготовлення частково армованих пластмасових деталей. В результаті реалізується принципово нова концепція деталей, що можуть знаходити застосування, наприклад, у вигляді протезів або ортезів для індивідуального забезпечення пацієнтів. Можлива переробка армувальних матеріалів, в яких довжина волокон складає більш 25мм. Такі армувальні матеріали мають високу міцність від утомленості, а також жорсткість при вигині, встановлювану варіюванням виду волокон, їх концентрації і товщини шару. Пластмасові деталі, виготовлені способом згідно з винаходом, можуть, тому, вмонтовуватися в деталі також і в якості пружних елементів (наприклад у вигляді пружного елемента в динамічний протез ступні). Можливе також створення систем, в яких армувапьний матеріал у випадку прикладення означеного зусилля допускає такий кут вигину, при якому можна говорити про функцію шарніра. Одночасно армувальний матеріал діє і як пружний елемент, що обумовлює поворотну функцію, як тільки на деталь перестає діяти зусилля, необхідне для вигину. Для підготовки пластмасової пластини, яка підлягає переробці згідно з винаходом, доцільно пластифіковану пластмасову пластину затискати в рамку і нагрівати її до м'яко-еластичного стану, до провисання її в рамці і, тим самим, до попередньої витяжки. Можлива також попередня витяжка пластифікованої пластмасової пластини стиснутим повітрям. Позитивна форма глибокої витяжки може бути виконана з металу, дерева, формостійкої при нагріванні пластмаси або пінопласту, гіпсу і т.п. Поверхня повинна бути суцільною і гладкою, щоб уникнути геометричного замикання між формою і термопластом, який твердіє. При формуванні з гіпсу і аналогічних пористих матеріалів доцільно на поверхню позитивної форми глибокої витяжки наносити покриття або обтягувати її формостійкою при нагріванні тканиною або відповідною плівкою. При цьому необхідно стежити за тим, щоб тканина або покриття не вступало у зварне з'єднання з термопластом і наносилося без складок. У випадку малосерийного виробництва і індивідуального виготовлення або ж при відповідно тривалих циклах не потрібно доводити позитивну форму глибокої витяжки до означеної температури. Проте температуру форми краще регулювати, зокрема, при серійному виробництві і обумовленому їм короткому часі циклу. Спосіб згідно з винаходом може бути здійснений таким чином: Спочатку нагрівають армувальний матеріал і доводять його до м'яко-еластичного стану. Потім форму глибокої витяжки в необхідних місцях драпірують армувальним матеріалом. Одночасно в рамку затискають пластмасову пластину і нагрівають її до м'яко-еластичного стану. За рахунок власної ваги пластина, починаючи з означеної температури, провисає і тим самим попередньо витягується. При досягненні необхідної температури або необхідного ступеня попередньої витяжки рамка з пластмасовою пластиною опускається на форму і на армувальний матеріал, що знаходяться на ній. Потім шляхом створення вакууму м'якоеластична пластмаса під дією атмосферного тиску притискається до поверхні форми і до армувального матеріалу, у результаті чого утворюється формований виріб. Армувальний матеріал до цього часу повинен ще знаходитися в м'яко-еластичному стані, або ж пластмасова пластина повинна бути здатна передавати достатню кількість тепла для розм'якшення армувального матеріалу. За ци х умов пластмасова пластина і армувальний матеріал зварюються між собою. Істотн у перевагу запропонованого згідно з винаходом способу варто вбачати в тому, що зміцнення деталі, виготовленої глибокою витяжкою, можна здійснювати тільки в тих позиціях, де це корисно для її функціонування, у той час як в інших місцях деталі допускається більш висока гнучкість. Тепловий режим, необхідний для згаданого зварювання, може бути реалізований, наприклад, при таких параметрах процесу: а) Позитивна форма глибокої витяжки: Застосовується нетермостатована гіпсова модель, обтягнута нейлоновою тканиною. Армувальний матеріал склад 60мас.% скловолокно односпрямоване, 40мас.% поліпропілен розмір: 0,05х0,5х20см=1см 3 термічна властивість: теплоємність Ср=1,54Дж/(г·К) теплопровідність у=0,42Вт/(м·К) температура: 25°С (після драпірування охолоджується до кімнатної температури!) необхідна 160Дж (нагрівання від 25°С до кількість 165°С) на армувальну стрічку тепла: Пластмасова пластина: склад: 100% поліпропілен об'єм примежового шару: 0,1х0,5х20см=2см 3 термічна теплоємність Ср=1,9Дж/(г·К) властивість: теплопровідність у=0,17Вт/(м·К) температура: 250°С передана 270Дж (охолодження від кількість 250°С до 170°С) на тепла: армувальну стрічку. б) Зовсім інший тепловий режим реалізується у випадку, коли армувальний матеріал містить настільки велику кількість тепла, що матеріал не охолоджується нижче температури, необхідної для зварювання. Такі умови мають місце, коли армувальний матеріал має достатню масу і температуру. Передача тепла від армувального матеріалу до форми може бути мінімізована за рахунок великої товщини стінки, а також за рахунок низької теплопровідності армувального матеріалу. в) При наступних параметрах процесу виявилося можливим уникнути охолодження армувального матеріалу, який складається із з'єднання шарів, нижче температури зварювання: Форма: нетермостатована гіпсова модель з покриттям із нейлонової тканини Армувальний матеріал склад 60мас.% скловолокно армувального односпрямоване, 40мас.% шару поліпропілен розмір армувального шару: 0,05х2,5х20см=2,5см 3(=3,73г) склад теплоакумулюваль ного і ізоляційного шару: 100% поліпропілен розмір теплоакумулюваль ного і ізоляційного 0,1х2,5х20см=5,0см 3(=4,5г) шару: термічна теплоємність властивість: Ср=1,74Дж/(г·К) теплопровідність у=0,25Вт/(м·К) температура: 250°С (після драпірування охолоджується до Τ>170°С!) максимально припустимі втрати 1120Дж на армувальну температури: стрічку Виявилося, що тепло в кількості 1120Дж не може бути віддане з формуючого матеріалу протягом 120с. Тому зварювання забезпечене. Нагрітий і тому м'яко-еластичний армувальний матеріал схильний до прилипання до позитивної форми глибокої витяжки. Тому, для закріплення армувального матеріалу на формі в багатьох випадках достатнім є його просте накладення. На вертикальних поверхнях армувальний матеріал може бути закріплений невеликими штифтами. Деякі варіанти здійснення винаходу в якості прикладів схематично зображені на кресленнях, на яких фіг.1 - фі г.5 вказує окремі прийоми по виготовленню ортеза ступні; фіг.6 - фіг.10 - окремі прийоми по виготовленню гомілковостопного суглоба в якості шарніра з пружною поворотною системою; фіг. 11 - виготовлен у відповідно до винаходу пластмасову деталь у вигляді корсету "Шено-БостонВісбаден". На фіг.1 схематично зображена нагрівальна піч 1, в якій поліпропіленову пластину 3, змонтовану в затискній рамці 2, нагрівають до 250°С разом із армувальним матеріалом 4, що складається із армувального шару поліпропілен/скловолокно і ізоляційного теплоакумувального шару поліпропілену. Потім армувальним матеріалом 4 драпірують гіпсову форму 6 стопи пацієнта, оснащену патрубком 5, який примикає до вакуумної лінії (фіг.2). Не пізніше, ніж через 120сек поліпропіленову пластину 3 натягують на позитивну форму 6 глибокої витяжки (фіг.3). Шля хом створення вакуум у матеріал пластини притискається до форми 6 і до армувального матеріалу 4 (фіг.4). Після охолодження деталь може бути відокремлена від форми і піддана чистовій обробці зняттям стружки (фіг.5). При такому виготовленні ортеза ступні можуть бути встановлені такі умови: Форма: гіпсова модель, обтягнута найлоновою тканиною, кімнатна температура (нетермостатована) Армувальний матеріал: Шаруватий композиційний матеріал - 0,05x2,5x20см, 60мас.% скловолокно односпрямоване, 40мас.% поліпропілен - 0,3x2,5 x20см, 100мас.% поліпропілен у вигляді теплоакумулювального і ізоляційного шару - температура підігріву: 250°С Пластмасова пластина: - склад: 100% поліпропілен - розмір: 0,3x70x50см - температура підігріву 250°С На фіг.6 схематично вказане виготовлення гомілковостопного суглоба у вигляді шарніра з пружною поворотною системою за способом згідно з винаходом. Двосекційну алюмінієву форму 7 з нанесеним шаром політетрафторетилену драпірують двома армувальними елементами 8, кожен із яких складається із 50мас.% односпрямовано розташованих вуглецевих волокон і 50мас.% поліамідних волокон ПА 12. На драпіровану стрічкоподібними армувальними елементами 8 алюмінієву форму 7 натягують потім пластифіковану пластину 3 із ПА 12 (фіг.7). Після охолодження шарнір відокремлюють від форми і піддають чистовій обробці зняттям стружки (фіг.8). На завершення вставляють трубні сполучні муфти 9 (фіг.9). На малюнку (фіг.10) вказаний готовий шарнір у вигнутому положенні. На фіг.11 зображений корсет 10 "Шено-Бостон-Вісбаден", виготовлений за способом, запропонованим згідно з винаходом. У цій деталі з її заднього боку паралельно отвору на тильній поверхні встановлені два армувальних елементи 11. З переднього боку деталі знаходиться ще один армувальний елемент 12, зігнутий під кутом біля 40° на рівні грудей.