復(fù)合材料LCM整體成型工藝發(fā)展及應(yīng)用

馬俊龍

摘 要：復(fù)合材料LCM工藝經(jīng)過(guò)長(zhǎng)久的發(fā)展，已經(jīng)形成了RTM、RIM以及連續(xù)纖維增強(qiáng)熱塑料性預(yù)浸料真空袋壓縮成型等多種類型的工藝方法。各種的工藝方法由于特點(diǎn)的不同，需要發(fā)展的技術(shù)內(nèi)容各有不同，RTM工藝向著高速成型的方向發(fā)展，RIM向著更大、更為復(fù)雜的結(jié)構(gòu)部件整體成型發(fā)展，連續(xù)纖維增強(qiáng)熱塑性預(yù)浸料真空袋壓成型需要開(kāi)發(fā)更多的品種借以拓展應(yīng)用的領(lǐng)域。

關(guān)鍵詞：復(fù)合材料；LCM RTM RIM；連續(xù)纖維

引言

較高的和比剛度、較好的抗疲勞性能以及較強(qiáng)的可設(shè)計(jì)性是纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的主要特點(diǎn)，其在很多領(lǐng)域得以廣泛應(yīng)用，如風(fēng)力發(fā)電、航空以及車輛制造等。因?yàn)槔w維增強(qiáng)復(fù)合材料是一種有著極強(qiáng)的設(shè)計(jì)性的材料，再加上簡(jiǎn)單的工藝，這就使得其比較容易進(jìn)行一次性整體成型，這便可以使得結(jié)構(gòu)效率更高，這針對(duì)多數(shù)大型結(jié)構(gòu)部件制造來(lái)說(shuō)，具有很好的工藝優(yōu)勢(shì)。

1 RTM、VARTM以及HP-RTM介紹

1.1 RTM工藝模具

RTM成型模具是工藝得以成功的關(guān)鍵，為了使得模具投資得以降低，在一些大型部件制造中，通常會(huì)在母模型里面翻制的方式來(lái)進(jìn)行模具的制造。模具結(jié)構(gòu)主要部分有注射口、導(dǎo)向定位結(jié)構(gòu)、成型面以及排氣口等。在對(duì)早期模型加工時(shí)，是木制模型，這是通過(guò)手工技術(shù)以及木工機(jī)場(chǎng)來(lái)進(jìn)行實(shí)現(xiàn)的。由于當(dāng)前代木膠泥材料的生產(chǎn)，使得大型數(shù)控多軸成為進(jìn)行模型加工的關(guān)鍵部分。

為了有效提升模具表面的耐久性，將電鑄鎳殼模具技術(shù)廣泛應(yīng)用到RTM技術(shù)中去，電鑄工作主要是根據(jù)金屬電解沉積的原理來(lái)進(jìn)行的，用其來(lái)保證復(fù)制母模型的精確性，這在應(yīng)用電鍍中是比較特殊的。在制作電鑄鎳殼模具的過(guò)程中，首先需要加工一個(gè)精確的母模型，在其上進(jìn)行導(dǎo)電材料的覆蓋，之后在鎳電鑄槽內(nèi)將其復(fù)制，而且要在模型表面將鎳合金材料進(jìn)行沉淀，在其厚度到5mm之上時(shí)，便取出模型，并制造剛度結(jié)構(gòu)個(gè)增強(qiáng)層在其后面，最后進(jìn)行脫模，就此電鑄模具便完成了。在生產(chǎn)汽車軟質(zhì)內(nèi)飾的時(shí)候，廣泛運(yùn)用了電鑄鎳模具。在比較大的生產(chǎn)量里面，RTM可以提供上萬(wàn)次的模具使用壽命。

1.2 模具操作機(jī)構(gòu)

在RTM里面，模具操作機(jī)構(gòu)是非常重要的，一般模具操作機(jī)構(gòu)的完成是由大臺(tái)面低壓液壓機(jī)或者是氣動(dòng)壓機(jī)來(lái)進(jìn)行，為使得纖維材料更容易在模具中鋪放，下模一般能夠在模具臺(tái)面移出。或者是選擇下模結(jié)構(gòu)形式（可以移動(dòng)），在這其中，一個(gè)要用來(lái)鋪放纖維材料，另一個(gè)要合模成型，這樣便極大了減短了周期。一些產(chǎn)品制造較為復(fù)雜，這便會(huì)對(duì)活塊和抽芯結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響，其實(shí)現(xiàn)一般是將特殊的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)安裝在模具中。但是這些機(jī)構(gòu)必須要有極強(qiáng)的密封性，進(jìn)而使得樹(shù)脂在進(jìn)行充模注射的時(shí)候，在運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)不會(huì)有樹(shù)脂的進(jìn)入，這樣使得當(dāng)其出現(xiàn)真空輔助的時(shí)候不會(huì)出現(xiàn)泄漏情況。

1.3 VARTM工藝

生產(chǎn)大型產(chǎn)品的過(guò)程中，沒(méi)有實(shí)現(xiàn)降低模型剛度，且造成流動(dòng)充模和浸漬纖維質(zhì)量得以提高的目的，我們便引入了真空輔助模型。進(jìn)行樹(shù)脂注射的時(shí)候，為使得模腔具有真空環(huán)境，需要使得充模阻力得以降低，此外，還利于產(chǎn)品內(nèi)部空氣殘留孔隙率的的有效降低。Light-RTM是在VARTM技術(shù)的基礎(chǔ)上的深入發(fā)展。其主要通過(guò)真空來(lái)使得加壓和閉合實(shí)現(xiàn)，利用薄復(fù)合材料結(jié)構(gòu)來(lái)進(jìn)行軟質(zhì)模具的制造，當(dāng)然也能夠通過(guò)一定厚度的硅膠材料來(lái)完成。

2 RIM工藝

RIM工藝是可以看做為VARTM工藝的進(jìn)一步發(fā)展，在成型工藝中，下模主要使用金屬模具或玻璃鋼，上模主要是硅膠軟膜或尼龍。在進(jìn)行增強(qiáng)型材料的鋪放時(shí)，會(huì)在其上面和下面來(lái)鋪設(shè)導(dǎo)流網(wǎng)，亦或是進(jìn)行芯材時(shí)尚的開(kāi)槽，這樣一來(lái)，便較容易形成樹(shù)脂快速充模流道，在將上模軟膜放置完畢之后，我們就把真空進(jìn)行抽去，進(jìn)而形成負(fù)壓，在壓力較低的時(shí)候，樹(shù)脂便能注入模腔。

2.1 流道與導(dǎo)流介質(zhì)的布置

為了能夠達(dá)到在反應(yīng)活性期內(nèi)完成樹(shù)脂充模的目的，就要十分重視倒流介質(zhì)和流道，一些產(chǎn)品如風(fēng)電葉片船體具有較大的面積，其成型面積一般多是很大的，這就要求一次性進(jìn)行樹(shù)脂的導(dǎo)入，約1-2t，因此布置流道便非常重要。在進(jìn)行流道的布置的時(shí)候，需要產(chǎn)品結(jié)構(gòu)為依據(jù)，來(lái)進(jìn)行方法的選擇，比如說(shuō)魚(yú)骨式布置方式多用在船體制造方面，并且參照一定的間距，將橫向流道在中間主流道給以分出，這就造成了樹(shù)脂有交匯在橫向流道中間出現(xiàn)。

在布置流道風(fēng)電葉片的時(shí)候，我們一般選擇的方式便是將流道同軸喚醒，向流道結(jié)合的方法，對(duì)于環(huán)形流道，則要在較厚的葉根纖維增強(qiáng)層進(jìn)行使用，當(dāng)樹(shù)脂供給較為充分的時(shí)候，多個(gè)軸向流道是葉片葉身位置所使用的，其主要以樹(shù)脂流動(dòng)前鋒的流動(dòng)狀態(tài)為依據(jù)進(jìn)行充模，將軸向流道一次打開(kāi)，按其順序完成充模。

2.2 增強(qiáng)材料的鋪放

當(dāng)前，制造大型產(chǎn)品主要使用的便是手工鋪放法，該種方式就極大的影響著陳品的可靠性以及穩(wěn)定性。增強(qiáng)材料的鋪放通過(guò)手工鋪放方式，這就讓纖維織物能夠?qū)⑺沙跔顟B(tài)進(jìn)行保持，這樣會(huì)造成纖維間的波浪以及褶皺的出現(xiàn)。這樣對(duì)于布局可以較大的降低力學(xué)的特點(diǎn)，這便能夠整體上對(duì)長(zhǎng)期疲勞性能進(jìn)行降低。

在使用自動(dòng)鋪放設(shè)備的時(shí)候，能夠?qū)w維鋪放進(jìn)行有效解決，利用自動(dòng)鋪放設(shè)備能夠在進(jìn)行纖維織物鋪放的時(shí)候增加一些張力，就是可以很好的防止波浪與褶皺，同時(shí)還可以提高負(fù)荷材料結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能。龍門是可以進(jìn)行運(yùn)動(dòng)的，其在運(yùn)動(dòng)時(shí)沿模具方向進(jìn)行，移動(dòng)機(jī)構(gòu)安裝在龍門中，可以讓纖維紡織物移動(dòng)，這便使得纖維織物在模具上的鋪放位置更加的精確，而且還能夠?qū)伔旁O(shè)備進(jìn)行自動(dòng)使用，進(jìn)而使得鋪層人員數(shù)量得以較大限度的降低，使得鋪層時(shí)間減少。

2.3 RIM工藝的典型應(yīng)用

在風(fēng)電葉片以及游艇中RIM工藝有著非常廣泛的應(yīng)用，此外，其能夠更廣泛的應(yīng)用于復(fù)合材料車輛整體車身。在纖維織物以及輕質(zhì)芯材中，RIM工藝能夠完成混合鋪放，這樣便利于其進(jìn)行一次灌注成型。

3 結(jié)束語(yǔ)

在多年的發(fā)展之后，復(fù)合材料LCM成型工藝類型已發(fā)展的極為豐富，其產(chǎn)品應(yīng)用也更加廣泛。隨著科學(xué)以及技術(shù)的發(fā)展，RTM工藝的成型也更加高效和快速，快速流動(dòng)充模技術(shù)、纖維自動(dòng)鋪放技術(shù)以及更優(yōu)性能的結(jié)構(gòu)材料的應(yīng)用，這是其在發(fā)展的主要方向所在。針對(duì)熱塑性預(yù)浸料真空袋壓成型這種技術(shù)來(lái)看，因?yàn)檫@種工藝和材料的環(huán)保性更高，在今后的發(fā)展中，該種工藝會(huì)得到更為廣泛的應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)

[1]黃家康.復(fù)合材料成型技術(shù)及應(yīng)用[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社2011.

[2]崔辛，劉鈞，肖加余，等.真空導(dǎo)入模塑成型工藝的研究進(jìn)展[J].材料導(dǎo)報(bào)，2013，27（9）：14-19.

[3]王欣，薛亞鵬，王晶，等.大型風(fēng)機(jī)葉片新材料和新技術(shù)的發(fā)展[J].玻璃鋼/復(fù)合材料，2011（3）：55-59.

[4]高克強(qiáng)，薛忠民，陳淳，等.復(fù)合材料風(fēng)電葉片技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展[J].新材料產(chǎn)業(yè)，2010（12）：4-7.