复合材料闭模成型工艺介绍

hhy11 · 发表于 2007-4-20 12:12:25

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1.前言
所谓闭模成型工艺就是在阴、阳模闭合的情况下成型复合材料构件的工艺方法。SMC、BMC模压、注射成型、RTM、VEC技术都属闭模成型工艺。由于环境法的制定和对产品要求的提高使敞模成型复合材料日益受到限制，促使了闭模成型技术的应用，近年来尤其促进了RTM技术的革新和发展。
2.RTM的类型
  RTM工艺,即树脂传递模塑工艺,是一种新型的模压成型方法。它具有模具造价低、生产周期短、劳动力成本低、环境污染少、制造尺寸精确、外形光滑、可制造复杂产品等优点。40年代来，该工艺是为适应飞机雷达罩成型而发展起来的。目前，RTM成型工艺己广泛应用于建筑、交通、电讯、卫生、航天航空等领域。下面介绍几种RTM技术。
1）TM，树脂传递模塑。该技术源自聚氨酯技术，成型时关闭模具，向预制件中注入树脂，玻纤含量低，约20-45%。
2）VARIT，真空辅助树脂传递注塑。该技术利用真空把树脂吸入预制件中，同时也可压入树脂，真空度约10-28英寸汞柱。
3）VARTM，真空辅助树脂传递注塑。制品孔隙一般较少，玻纤含量可增高。
4）VRTM，真空树脂传递模塑。
5）VIP，真空浸渍法。
6）VIMP，可变浸渍塑法。树脂借助真空或自重移动，压实浸渍。
7）TERTM，热膨胀RTM。在预制件中插入世材，让树脂浸渍并对模具与成形品加热。芯材受热膨胀，压实铺层。利用这种压实作用，结合表面加压成型。
8）RARTM，橡胶辅助RTM。在TERTM方法中不用芯材而用橡胶代之。橡胶模具压紧成型品，使孔隙大大减少，玻纤含量可高达60-70%。
9）RIRM，树脂注射循环模塑。真空与加压结合，向多个模具交替注入树脂，使树脂循环，直至预制件被充分浸透。
10）CIRTM，Co-Injection RTM。共注射RTM，可注入几种不同的树脂，也可使用几种预制件，可利用真空袋和柔性表面的模具。
11）RLI，树脂液体浸（渗）渍。在下模内注入树脂，入入预制件后覆盖上模，加热并用热压釜的成型压力成型。加热使树脂粘度降低、流动性好，易于浸透。
12）SCRIMPTM西曼复合材料公司权脂浸渍塑法。申请专利。利用真空袋使树脂加压浸渍，浸渍速度快、面积广。树脂在预制件的厚度方向也能充分浸渍，必须使用真空袋和软面模具。
13）UVRTM，紫外线（固化）RTM。与SCRIMP法相似，固化快，必须使用紫外光源，能透过紫外线的真空袋和软质模具。
14）VECTM虚拟设计复合材料VEC的核心技术是获得专利的“浮充模具”思想。复合材料对模装于两充液的钢制压力容器之间，而模具沿容器全长形成密封，容器内充满可压缩的导热液体，液体通常为水。
3．RTM成型工艺
RTM成型工艺技术是当前世界FRP工业中发展最快的成型工艺之一。由于它成型效率适中，制品质量优良，纤维预铺放可任意方向增强。工艺复杂程度适中，闭模操作，无苯乙烯挥发，投资少，成本低，非常适合于手糊成型工艺和中小批量制作构件。
1）RTM概述和总工艺路线
RTM概述和总工艺路线

RTM有三个重要的组成部分:
*1原材料系统
*2注入设备
*3模具系统
普通RTM成型技术路线图

2)RTM成型用模具技术
所有RTM产品都需一适合工艺的模具,RTM也不例外。RTM模具可以用铝钢、FRP来制作。由于铝钢模具不易变形但价格格高，在这不作介绍。下面主要介绍FRP模具。
*1RTM模具型式和材料
FRP模具用于RTM，按一般规定做——7-10mm厚的模具层板，然后在基础模具表面下装入——加热芯形成夹层结构，模具层板总厚为20mm。由于这厚度不能胜任RTM成型工艺所需的强度，因此需进一步增强。箱形钢型材要比复合材料便宜得多，一般以箱形钢型材加固。
自动化RTM成型技术线路图


FRP模具实践证明用劣质树脂翻制的模具使用寿命极短,而对产品质量也有直接影响,所以模具表面要求用耐温、耐化学腐蚀的材料来做。模具制作成本大部分是人工、材料选择成本几乎与模具总造价无关。目前一般选用乙烯基酯模具树脂系统和胶衣，并且证明比传统环氧材料具有更好的使用寿命和耐温性。据国外资料报道，用乙烯基酯模具树脂制得的模具模塑次数已超过18000多模次，而且还在继续使用。
*2模具加热
用于玻璃钢工业的大多数树脂都有一与温度直接相在的固化曲线，所以寻找生产模具能够控制温度的方法具有相当的现实意义，这样有助于优化生产效率。事实上模具温度每提高10℃，凝胶时间将减半，因此在环境温度（20℃）下，模塑一个部件也许固化脱模时间需要60分钟，而在50℃，同样的树脂体系，模塑同一部件，在7.5分钟内就能脱模。
电热布加热
在RTM模具中应用加热布铺设在模具内存的电加热方式已用了许多年。加热比较均匀，模具能够轻而易举升温至100℃以上，但标准应用最高模具温度用到75℃。

液体加热
液体加热是将热循环和冷循环系统安装到合适的模具结构中，可以替代电加热。这为模具还提供了一个冷却系统。温度可通过预埋管子中的循环介质来控制。

*3模具的密封
用于RTM和真空模塑（VM）的所有闭合对模都需要一个在模腔边缘控制树脂溢流的密封装置。在VM模塑情况下，需要附加外置模具法兰真空密封装置。
密封圈有许多不同的形式，但要求密封圈材料具有耐高温和一致恢复率。目前看来有机硅胶材用于基本模胶树脂密封是最成功的。如果用法正确的话，足以提供1000次以上的使用寿命。以上介绍模具密封圈截面类型。
被动密封
几乎专用的固体硅橡胶密封圈截面，设计成当闭模时它的“Z”向末端闭位置可压缩1.0-1.5mm。要在不提高模具闭模力的情况下达到有效密封，密封圈的硬度和压缩尺寸的选择是关键的。只不过因为所需的压力太大，容易引起模具变形。模具接触面一般3-5mm足以阻止树脂渗出，从而达到有效密封。
　
动态密封
动态形式优于被动密封形式。它能够永久地控制截面变化。图示形式其截面尺寸变化可高达4mm。这使垂直密封轨迹可待嵌入模具法兰。反之被动密封将仅仅是“塑性变形”并极度磨损。动态密封圈内侧截面一经加压，可提供密封效果很好的调节。当模具闭合或启模时，密封圈随着真空隙弹性变形，有儿防止了垂直方向的“塑性变形”引起的磨损。
*4注射口
搞RTM成型工艺的技术人员特别重视注射模塑树脂的入口位置。实践证明，RTM注射口设在中心位置（视模腔形状定）是最可靠的。
*5模具的精度
RTM模具经常处于受力状态，所以对于成功的闭模模具来说，模具的精度是关键因素之一。模腔精度控制在±0.2mm是闭合模模具的目标精度,达不到该精度将不可避免导致缺胶和不可预见的树脂充填,并且模塑件尺寸超差。最常见的是超厚，同时要将材料收缩率参数考虑在内。
3）RTM工艺特点及材料选择
*RTM工艺特点
RTM工艺注射的操作一般要求在1/4-1/2凝胶时间内完成，传递时间为2-15分钟，传递压力为0.3-07Mpa。
树脂传递压力是RTM工艺中应该控制的主要参数。此压力用来克服注入模腔和浸透增强材料时所遇到的阻力。树脂完成传递的时间与系统压力和温度有关，时间短可提高生产效率。但如果树脂流量太大，胶液来不及渗透增强材料，并可以由于系统压力增加而导致意外。因此，一般要求在传递过程中进入模具的树脂液面上升速度不大于25mm/min。通过观察排出口来监控树脂传递过程。通常以为，模具上所有的观察口均有胶液溢出并不再排出气泡，且实际加入的树脂量与预计加入的树脂量基本一致时，传递过程即已完成。因而排出口设置应周密考虑。
*2树脂选择
树脂系统的选择是RTM工艺的关键。要将树脂出至模腔内并且使树脂迅速浸润纤维其粘度为0.025-0.03Pa·s为最佳。聚酯树脂粘度较低，常温下冷注射即可完成。但是，由于产品的性能要求不同，不同类型的树脂会被选择，它们的粘度不尽相同，所以管路和注射头大小均要设计成合适特殊成份的流动性要求。
适合RTM工艺的树脂有聚酯树脂、环氧树脂、酚醛树脂、聚酰亚胺树脂等。
*3增强材料选择
RTM工艺中增强材料可选用玻璃纤维、石墨纤维、碳纤维、碳化硅和芳纶纤维等。品种可根据设计需要选择短切纤维、单向织物、多轴织物、编织、针织、芯材等材料或预成型坯。
4）RTM制品常见缺陷及方法
序号常见缺陷解    决    方    法
1 产品表面局部粗糙无光泽 RTM产品产生这种现象的主要原因是产生轻度粘膜。用手在模具上触摸，当触摸到这些部位时，手感极其粗糙。通常产品生产一段时间后就会这样的总题，需要及时清洗模具。首先用水砂打磨模具上粗糙的部位，然后用蘸有丙酮的棉丝擦洗整个模具，最后给模具涂覆脱模剂。
2 起  皱这是有胶衣制品经常发生的弊病之一。胶衣起皱的的主要原因是在注射树脂之前，胶衣权脂固化不完全，注射树酯中的单体（苯乙烯）部分地融解了胶衣树酯，引起膨胀，产生皱纹。因此在注射树脂之前要检查胶衣是否固化。
3 漏  胶漏胶的主要原因是模具合模后不严密或密封垫不严密。合模前检查密封垫是否完好，有无裂缝等。发现总是要及时更换。合模时要检查密封状况。
4 起泡产生这种现象的主要原因1）模腔内树脂固化的应放热过高，固化时间过短，从而模腔中的气体没有完全排出。2）树脂入模腔时带入空气过多，注射时间内无法将气泡完全排出。3）树脂粘度过大气泡在注射时不能全部从产品中溢出。4）树脂注入模腔的压力过大，致使气泡包容在树脂中难以排出。
5 制品内部出现干斑 RTM产品内部出现干斑主要原因是玻纤浸润不充分。如果同期产品中出现干斑是某个产品的某个部位，这时也应考虑是否由于玻璃纤维布被子污染造成的。通常制品，内部出现干斑也与内部干斑也现树脂粘度有关，所以应首先分析和调节树脂粘度。查看模具流道是否太长或太窄，及时修改模具。查看给料管，改进给料管，改进给料管，增加给料点
6 芯材移动注射时芯材的移动是由于流动的不稳定性引起的，可通过在芯材上开孔来解决或确保加在芯材上的闭合压力远大于该处树脂的压力，增强材料的移动，如纤维的冲刷也是由于合模压力相对于注射压力不足。
4．SCRIMP西曼复合材料公司树脂浸渍模塑成型工艺
先进复合材料以其优异的性能用量日趋增加。然而，对于几何形状复杂的大型夹芯和加筋构件，由于尺寸大、性能要求高，采用缠绕、模压等工艺成型困难，而采用手糊或喷射成型则制品的质量得不到保证，因此传统的成型工艺在成型大型复杂结构件时存在难以逾越的技术障碍，严重影咯了复合材料的广泛应用。SCRIMP成型工艺是在19世纪80年代后期在RTM工艺基础上发展起来的一种独特的复合材料成型工艺，在国外已成功地用于舰船。军事设施、国防工程、航空和民用工业等。
1）RIMP工艺的基本工作原理
SCRIMP工艺的基本原理是在模具型面上铺放增强材料，将型腔边缘密封严密，在型腔内抽真空，再将树脂通过精心设计的树脂分配系统在真空作用下注入模腔内。和传统的开模成型工艺相比，SCRIMP成型工艺具有以下优点：
①机械性能高在不增加成本的情况下，与手糊构件相比，SCRIMP成型构件的强度、刚度或硬度及其它的物理特性可提高1.5以上。
②重复好采用SCRIMP制作的构件，不论是同一构件还是构件与构件间都存在高度的一致性。构件有相对恒定的树脂比，空隙率低，不超过1%，更容易检测构件缺陷。高度固化的层板可在日光下目测空隙或其它缺陷总题。
③重量轻SCRIMP成型时树脂消耗量受到严格的控制，其比例几乎由真空值决定，纤维含量可高达75-80%。无需额外的材料来连接芯材。因此，对强度或刚度要求相同的构件，采用SCRIMP工艺制作可节约材料，减轻重量。
④环保  这是SCRIMP工艺最突出的优点。开模成型时，苯乙烯的挥发量高这35-45%。SCRIMP工艺则几乎是闭模成型过程，挥发性有机物和有毒空气污染物均被局限于真空袋中。仅在真空泵排气（可过滤）和打开树脂桶时有微量的挥发物。
⑤成本低，效率低纤维含量高，树脂浪费率低于5%，比开模工艺可节约劳动力50%以上。在芯材加入的前后，无需等待树脂的预浸和固化，可一次成型大型复杂几何形状的夹芯和加筋结构件。尤其在板中加筋时，材料和人工的节省相当可观。

hhy11 · 发表于 2007-4-20 12:13:18

2）SCRIMP成型工艺
SCRIMP成型工艺在理论上具有显著的优越性，但该工艺对模具、原材料和成型工艺技术有较高的要求。根据树脂的分配系统，可将       SCRIMP工艺分为两种
①高渗透介质型  该设计相对灵活且简单，但剥离层、高渗透介质等不能重复利用，不仅产生了固体废料且增加了成本，充模速度也相对慢。
② 沟槽引流型不需要高渗透介质和剥离材料，沟槽渗率远远高于渗透介质，充模速度得到大幅提高。

3）模具
SCRIMP成型工艺仅需要单面模具，在柔韧的真空袋风波情况下可生产重量轻的大型结构件。模具表面涂上脱模剂，再喷涂胶衣可改善制品的表现。密封真空袋一般选用尼龙、硅树脂或聚合物薄膜等。密封时，可将真空依直接与模具边缘密封，或将整个模具密封到真空袋内。在抽真空时，要检查真空袋与模具的气密性，确保无泄漏。
4）原材料及辅助材料
树脂体系
该工艺对树脂体系的要求是粘度低，使用期长，放热峰适中。适用的枝脂品种不同，对制品的机械性能影响较大。树脂的模量和破坏应变也会引起复合材料性能的差异。可采用的树脂有不饱和聚酯、乙烯基树脂、环氧树脂、酚醛树脂等。DCPD改性的低苯乙烯树脂应用效果较好，可得到收缩率控制较好的制品。乙烯基树脂由于较好的物理性能，一般应用于海洋、建筑和交通领域。各种改性和混合性乙烯基树脂在该工艺中应用良好。环氧树脂最后不含稀释剂，否则对制品性能有影响。而不含稀释剂的环氧树脂室温下粘度较高，注入和固化时间较长，一般通过高环温度来提高效率。
②增强材料
各种形式的增强材料，从短切原丝到织物，如无捻煤炭且纱织物、加捻织物、斜纹布、双向缝合织物等都可以应用到工艺中，应用的织物面密度最大至87㎏/m2。增强材料以干态按具体性能要求铺放到模具中。
③芯材
一般芯材都在可选范围内,如软质木材、PVC、PEI和其它线性闭孔泡沫塑料。对于开孔型芯材不宜选用。
④真空袋膜
聚丙烯膜是最常用的真空袋膜，为提高其耐热性需对进行改性（即共聚），使其具有弹性和较高的可成型性、抗穿刺性，可以在形状复杂的模具上拉伸，无折叠和褶皱，真空效率较高。这类薄膜也适用于预混料和湿法铺放系统。
表  真空袋膜规格
聚合物类型使用温度/℃ 厚度/um 尺寸（宽度*长度）/m 断裂延伸率
聚酰胺66聚酰胺66/6聚四氯乙烯聚酰亚胺 205232260400 50-7050-757525-75 1.5-3.1*2501.5-3.1*25022*821.27*58-116 40040055090
⑤有孔脱模膜
它由改性聚丙烯制成,分硬膜和弹性膜二类。前者适用于平板或形状不复杂的模具，后者适用于形状复杂的模具。尺寸为1mx(200～400)m，延伸率为100-300%，可在120～125℃下使用，具有良好的机械性能和高温性能，具有天然的自脱模性能。为使其能与吸胶织物或防扩粘接，有时对其一面进行处理。
⑥胶粘带
胶粘带是一种丁基橡胶的真空袋封剂，具有高弹性和胶接性，并有优异的密封性能，可以消除开始铺放真空袋产生的密封缺陷，因此可提高效率。它适用于聚酯、乙烯基酯和环氧树脂塑系统。
⑦树脂渗透介质
瑞典的Bofors公司用穿刺纤维布作为树脂分散介质。英国的Scott Bader树脂公司和荷兰的DSM树脂公司用一种带有网状凸起的膜作为树脂分配介质。中空的螺线管和窗纱布也是较常用的渗透介质。
5）SCRIMP工艺的优势和应用实例
SCRIMP工艺由于其无以伦比的总会技术优势得到迅速发展。该工艺方法灵活，真空袋压法能够成型的部件采用该工艺都可以成型。合适的权树脂分配系统使树脂胶液先迅速在长度方向充分流动填充。然后在真空压力下厚度方向缓慢浸润，大大改善了浸渍效果，减少了缺陷发生，使模塑部件具备很好的一致性和重复性。且可一次成型10-100m2、长度20m的大型部件。目前它可成型面积达185m2、厚度为3-150mm、纤维含量达70-80%、孔隙率低于1%的制品。树脂浪费率低于5%，节约劳动成本50%以上。所以该工艺是一种低成本制造技术，适宜制造船艇、风机叶片、桥梁、汽车部件及其它民用和海洋基础工程。SCRIMP工艺在船舶和海洋基础领域得到了很好的商业回报。SCRIMP的许可证由SCRIMP System LLC公司拥有，已有62家公司购买了该工艺的专利使用权，其中约40家持有者应用该技术制造船体、甲板、风机叶片、桥梁，以及其它民用和海洋基础工程。其中，英国的VOSPER THORNYCROFT公司自1970年以来为英国皇家海军制造了270艘复合材料雷艇，预计至2002年还要制造23-25艘。最大的扫雷艇体总长达52.5mm,总重达470t。起初，该系列艇FRP部件约占总重量的30%，由于SCRIMP工艺的引入，FRP制品的比例有望达到35-40%。VT公司应用SCRIMP工艺开展的项目还涉及制造运输船、作业艇、救生艇船体和海洋港口工程结构，如桥梁甲板、大型冷冻仓等。VT公司还为Compton Marine及Westerly等公司提供技术支持，用经济的SCRIMPR替代原有的开模方法制造长度14m游艇。以及开发新一代游艇系列。
瑞典海军的轻型护卫舰Visby(舰上有10.4m的梁)正在进行海试。该艇长73m，预计2004年服役。这是目前建造的最大的FRP夹芯结构。舰上的部件如船体、甲板和上层建筑都是用SCRIMP法制造的。该工艺确保了高纤维含量、优异的制品性能、重量稳定性和快速成型。Peichell Pugh公司开发了Corum快速游艇（OD48系列）。游艇使用SPX7309环氧室温固化注射树脂，制造周期仅为30min。Ciba-Gejgy公司采用Injectex织物/树脂渗透介质/低粘度环氧体系开发了舰船部件。
在海洋工程方面，Hardcore Composites ltd.以及New Castle,DE.公司开发了码头护栏项目。其目的是替代因海水腐蚀严重破损的金属制品。FRP护栏比金属轻、强度和刚度较好，并耐潮湿、耐盐不腐蚀和紫外线，已将84个FRP护栏安装到Buenos码头。该项目在1996年SPI上获奖。
目前，SCRIMP工艺的应用领域从船舶甲板、巡逻艇、海洋护栏、桩材，到交通领域的卡车驾驶室、有轨电业保险杠，以及电杆、风机叶片、临时性桥梁等基础设施。该工艺也可应用于混凝土结构的加固和修复，以及探雷器等国防军工领域，其中最大的制品仍是船体结构，制造的动力船只的长度可达4-46m。
实践证明，该工艺制造的部件性能与航空、宇航等领域广泛采用的热压釜工艺向媲美。随着SCRIMP技术从军事应用向民用工业的转移，其主要应用领域正在向建筑和汽车业拓展，如大尺寸的屋面、建筑平台等公用工程构件。以Lotus公司为代表的汽车厂家已实现该工艺的大规模生产。用于制造轿车车身、大型卡车车顶和面罩、豪华客车及公共汽车前脸和后尾、铺路车及油矿车车身和驾驶室等部件。SCRIMP工艺将有较好的应用前景。
5．VEC技术（虚拟设地复合材料）
1）什么是VEC技术
VEC技术就是在闭式浮充模具内制造整体结构的产品，也称为“虚拟设计复合材料”技术。该项技术是在20世纪90年代后期由Pyramid Operating System’（现在的VEC技术公司）开发的。2000年4月，Genmar 公司（明尼苏达州的Minneapolis）获得此项技术，用来整体生产船壳、活动车顶、座椅、驾驶台和电外壳等产品。
2）VEC技术原理
VEC技术的核心是“浮充模具”的思想，获得专利。复合材料对模安装于两个充液的一般为钢制的压力容器间。其阴模安装在下容器中，而阳膜安装在上容器上。模具的四周沿容器全长形成密封。容器充满不可压缩的、导热的液体。该液体通常是水。


将增强材料铺设在阴模内，放下阳模合模，并将两容器锁紧。将树脂注入模具以浸透预铺增强材料，在模内完成固化，就可得到两面光滑的制品。在加热过程中用电脑控制。500个以上变数由电脑控制，包括温度、粘度、流速、本体密度、凝胶时间和放热峰等。
据VEC公司介绍，该技术适用于用复合材料模具生产小批量的高质量产品。一般表面要求高、一致厚度和尺寸公差严格控制的制品需要在金属对模中完成。但金属模具通常顺年产量超过20，000件产品时才经济上合算。而VEC技术仅需薄壳合材料模具就能做到。该公司称复合材料制品销售大于400万美元，其年批量在200-30000套之间的产品用VEC技术生产认为是低成本的。
3）VEC技术优点
①模具投入少，仅需做成薄壳而已。
②模具拆装方便，如在同一成型容器内生产各种尺寸和外形的产品换模仅需1h。
③模具固定在上下容器内的压力是平衡的，故模具不会产生变形。
④模具加热方便，由于是液体加温，每个部位温度都是均匀的。
⑤生产的产品质量尺寸的一致性，便于后道加工工序的机械化。
⑥可加工小批量、高质量的制品。

hzp-929 · 发表于 2007-4-20 12:31:41

该闭模成型工艺比较适应异型程度大，表面光洁度要求高，可批量生产的小件复合材料制品的生产。比如：玻璃钢快餐椅等等。

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