復(fù)合材料電池箱真空輔助樹脂灌注快速成形工藝

趙曉昱 張博明 廉一龍 張樹仁

1.上海工程技術(shù)大學(xué)汽車工程學(xué)院，上海,2016202.長春理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院, 長春,1300223.北京航空航天大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，北京，100191

0 引言

應(yīng)用復(fù)合材料設(shè)計(jì)的電動汽車電池箱在很大程度上減小了金屬材料電池箱的質(zhì)量[1-4]，而復(fù)合材料的制造工藝與傳統(tǒng)的金屬材料加工工藝有很大的區(qū)別[5]，因此研究復(fù)合材料電池箱的制造工藝很有必要。本文應(yīng)用真空輔助樹脂灌注(vacuum assistant resin infusion，VARI)工藝并結(jié)合液體成形有限元分析軟件PAM-RTM，確定了樹脂基復(fù)合材料電池箱的工藝方案和工藝參數(shù)；設(shè)計(jì)了簡單易操作的制造工序并制作了樣件；探索了快速、低成本且綠色環(huán)保的電池箱制造工藝。

1 幾種復(fù)合材料零部件制作工藝

纖維增強(qiáng)復(fù)合材料是由增強(qiáng)纖維和樹脂通過一定的工藝方式復(fù)合在一起構(gòu)成零部件的，常規(guī)的復(fù)合工藝可以采用手工、模壓、拉擠、纏繞、液體等成形工藝。

1.1 手工、模壓、拉擠、液體成形工藝

手工制作是將纖維布與黏液狀的樹脂一層層進(jìn)行膠黏鋪設(shè)的手工操作工藝，由于此種操作方法精度較低，因此僅適合于對外觀質(zhì)量要求不高的零部件。

模壓工藝是將待模壓的增強(qiáng)纖維預(yù)浸料或片狀模壓料、團(tuán)狀模壓料切割成合適的形狀后，放入金屬模具中，在模壓機(jī)的加壓下閉模，加熱后融化流動，物料充滿模腔，保壓保溫一段時(shí)間后，樹脂交聯(lián)固化，開模取出制品，對邊角修整后即可得到復(fù)合材料產(chǎn)品。

拉擠工藝是利用牽引裝置牽引紗架上的纖維粗紗或表面氈等材料，通過樹脂浸膠槽充分浸潤樹脂，然后進(jìn)入具有特定形狀槽口的模具中，經(jīng)過預(yù)成形、固化、后固化處理三個(gè)階段[6]，出模后得到質(zhì)量均勻的復(fù)合材料型材。

纏繞成形工藝是將浸過樹脂膠液的連續(xù)纖維按照一定規(guī)律纏繞到芯模上，然后經(jīng)固化、脫模，獲得制品，通常用在管道和貯罐的成形上[7]。

液體成形技術(shù)是復(fù)合材料的一種快速成形技術(shù)，通過加壓或真空抽負(fù)壓的方式將液態(tài)樹脂灌注到預(yù)先鋪覆好纖維織物的閉合模型中，在壓力作用下，樹脂充滿模腔，充分浸潤纖維織物，然后在加熱加壓的條件下固化成形，脫模獲得復(fù)合材料[8]。根據(jù)閉合的模具是兩面硬模還是單面硬模，可將液體成形工藝分為樹脂傳遞模塑(resin transfer molding,RTM)工藝和真空輔助樹脂灌注(VARI)工藝。

1.2 VARI成形工藝

VARI工藝是在RTM基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，其工藝原理見圖1。

圖1 VARI工藝原理簡圖Fig.1 Schematic diagram of VARI process

傳統(tǒng)的RTM工藝所用模具為兩面硬模的閉合模具，而VARI工藝所用模具為一面柔性，一面剛性的模具，在真空負(fù)壓下，真空柔性袋緊緊貼敷在剛性模具上，樹脂在真空負(fù)壓下灌注進(jìn)模腔中浸潤纖維預(yù)制體加熱固化成形。

2 電池箱VARI成形工藝原理和仿真分析軟件

2.1 電池箱采用VARI成形工藝的優(yōu)點(diǎn)

本次制作的電池箱是兩種復(fù)合材料一體化成形：箱體為玻璃纖維樹脂復(fù)合材料；箱體內(nèi)部為了提高承載電池模組的能力設(shè)置了碳纖維樹脂復(fù)合材料的加強(qiáng)筋，如圖2所示。

圖2 電池箱的數(shù)字模型 Fig.2 Digital model of battery box

由于電池箱尺寸較大，采用VARI工藝進(jìn)行加工具有以下優(yōu)勢。

(1)與RTM工藝兩面皆為硬模相比，VARI工藝只需要單面硬模，大大節(jié)省了模具的成本，而且樹脂灌注依靠的是真空負(fù)壓，不需要額外提供注射壓力，簡化了設(shè)備，節(jié)省了成本。

(2)由于只需要單面模具，可以采用成形大型構(gòu)件且低成本的玻璃鋼模具來成形電池箱的外表面；并且還可以在構(gòu)件內(nèi)部預(yù)埋加強(qiáng)筋等結(jié)構(gòu)，用來提高結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能。

(3)與手糊工藝相比，VARI工藝成形制品尺寸更精確，制品的強(qiáng)度、模量等力學(xué)性能指標(biāo)可提高50%以上[9]。

(4)VARI工藝是在真空袋密封的環(huán)境下一體化成形的，操作人員不需要接觸成形過程中的部件；對環(huán)境污染??；工藝重復(fù)性好；產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定。

經(jīng)過上述分析和對比，采用VARI制作電池箱體具有工藝簡單、成本低且全程對人體和環(huán)境無傷害的優(yōu)點(diǎn)。

2.2 VARI成形工藝的理論基礎(chǔ)

VARI成形工藝中，樹脂流動充模的好壞是決定制品質(zhì)量的關(guān)鍵。樹脂流動充模與許多因素有關(guān)，如模具的尺寸、幾何形狀，進(jìn)膠、出膠的位置和方式，樹脂的黏度，纖維織物的滲透率等，所以對材料屬性準(zhǔn)確地評估，合理地設(shè)計(jì)進(jìn)膠、出膠方案，以及合理設(shè)計(jì)導(dǎo)流網(wǎng)的鋪覆面積，才能保證流動充模順利進(jìn)行，避免由于料流不足形成干斑或料流過多形成的制品偏厚等缺陷。

流動過程中采用Darcy定律對流體的動量守恒進(jìn)行描述，Darcy定律描述了樹脂流量與纖維滲透率、注射壓力、樹脂黏度之間的關(guān)系[10]，一般可表示為

式中，v為樹脂的流速；A為流體投影到法線方向的面積；Q為樹脂的流量；Δp為壓力差；l為樹脂流動的距離；μ為樹脂黏度系數(shù)；K為介質(zhì)的滲透率，K是基于Darcy定律模擬的重要參數(shù)，是由材料結(jié)構(gòu)確定的，包括纖維種類、纖維體積分?jǐn)?shù)等，滲透率可以依靠實(shí)驗(yàn)測量法或數(shù)值模擬法得到[11]。

VARI工藝?yán)谜婵諌毫⒖椢锛訅好軐?shí)，織物空隙率低，不利于樹脂流動，因此該工藝要求樹脂黏度要低，樹脂黏度μ一般要小于0.3 Pa·s。

2.3 PAM-RTM液體成形分析軟件

傳統(tǒng)VARI工藝中樹脂流動方案的設(shè)計(jì)是通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證后才確定的，一方面原料損耗大，成本高；另一方面耗費(fèi)時(shí)間長，效率低，而且實(shí)驗(yàn)可能由于個(gè)人操作的差異造成結(jié)果的不同，對設(shè)計(jì)指導(dǎo)意義有限。而隨著VARI工藝在航空航天、汽車、造船等領(lǐng)域應(yīng)用的增多，如何能快速、高效、準(zhǔn)確地給出流動參考方案是迫切的要求。PAM-RTM是一個(gè)針對樹脂基復(fù)合材料工藝仿真軟件，能夠準(zhǔn)確地模擬出樹脂流動充模時(shí)的流動前鋒位置、注膠時(shí)間和壓力分布等情況，從而可以指導(dǎo)VARI工藝的實(shí)施，也能為模具設(shè)計(jì)提供優(yōu)化方案，進(jìn)而提高生產(chǎn)效率，降低成本。

樹脂流動過程是一個(gè)非等溫滲流過程，需要考慮的因素包括樹脂黏度、注射壓力、溫度等隨時(shí)間的變化，及動量守恒、質(zhì)量守恒等條件。為了降低復(fù)雜程度，對模型進(jìn)行簡化，需要作以下假設(shè)：體系質(zhì)量均勻，樹脂不可壓縮；真空袋內(nèi)溫度恒定；體系密度不發(fā)生變化；忽略表面張力影響；充模過程無化學(xué)凝膠；絲束內(nèi)的纖維是剛性的、固定不動的；樹脂在面內(nèi)各方向滲透率相同。利用仿真軟件的模擬，可以研究不同膠口位置、不同滲透率、不同的模具形狀尺寸、不同的樹脂黏度下，樹脂流動充模情況，可以預(yù)報(bào)干斑等缺陷位置、流動充模時(shí)間、瞬時(shí)的流動前鋒位置及壓力，為工藝方案的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供直觀的參考。這一方面可以節(jié)省大量的時(shí)間和材料成本，另一方面能便捷高效地對方案進(jìn)行調(diào)整優(yōu)化研究。本文通過一電池箱實(shí)例來說明如何應(yīng)用PAM-RTM軟件。

3 電池箱VARI成形工藝實(shí)例

為了探索復(fù)合材料電池箱體的低成本快速制造工藝，針對某一電動汽車的電池箱采用VARI工藝進(jìn)行樣件試制。電池箱的數(shù)字模型如圖2所示，其外形尺寸為1 360 mm×1 060 mm×140 mm，箱體上端的翻邊寬度為80 mm。為了提高電池箱的承載能力，在箱體內(nèi)布置了加強(qiáng)筋，加強(qiáng)筋是碳纖維樹脂基復(fù)合采用擠壓成形的方式獲得的，如圖3所示，加強(qiáng)筋需要在箱體成形時(shí)包埋在箱體的內(nèi)側(cè)。

圖3 擠壓成形的碳纖維復(fù)合材料加強(qiáng)筋Fig.3 Stiffeners of extruded forming carbon fiber composite material

3.1 PAM-RTM模型前處理

利用PAM-RTM模擬樹脂流動時(shí)，首先要對模型進(jìn)行前處理，前處理包括四個(gè)方面的內(nèi)容：網(wǎng)格模型的劃分,賦予材料屬性,邊界條件的施加,注膠、出膠口虛擬傳感器的設(shè)定。前處理時(shí)首先要利用Hypermesh軟件對模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。在軟件模擬流動時(shí)，通常采用移動節(jié)點(diǎn)法，即每一計(jì)算時(shí)間步長內(nèi)，都會依據(jù)瞬時(shí)樹脂流動前鋒的位置來實(shí)時(shí)定義邊界節(jié)點(diǎn)，通過邊界方程來求解壓力分布。模擬時(shí)所用樹脂黏度設(shè)定為0.25 Pa·s，X方向和Y方向的滲透率均設(shè)置為2.5×10-9cm2，Z向滲透率設(shè)置為1.5×10-10cm2。這樣以網(wǎng)格為單位，樹脂到達(dá)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)位置即認(rèn)為充滿此網(wǎng)格，最后樹脂前鋒到達(dá)出膠口虛擬傳感器網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)時(shí)，認(rèn)為樹脂流出，充模過程結(jié)束。由于加強(qiáng)筋是已經(jīng)預(yù)先擠壓成形的，并且與箱底接觸面積不足箱底的3%，為了提高模擬效率，僅考慮箱體的注射成形過程。電池箱體的VARI成形需要首先確定樹脂的注射位置，合理的注射位置可以使樹脂均勻地流經(jīng)纖維織物而不留下干斑且使厚度均勻，有利于減小注射壓力，同時(shí)還有利于生產(chǎn)效率的提高。為此比較三種方案的流動情況，分別是：①周圍四邊線注射，箱底中心點(diǎn)出射；②周圍四邊中心點(diǎn)注射，箱底中心點(diǎn)出射；③兩長邊中心點(diǎn)注射，箱底中心線出射。采用PAM-RTM軟件進(jìn)行仿真分析，四個(gè)出膠口虛擬傳感器均布在直徑為50 mm的圓周上，圓心位置在箱體底部的中心位置處。對比三種注射方案可以分別得到成形完成時(shí)的注射時(shí)間云圖和注射壓力云圖。

3.2 模擬結(jié)果分析

(1)樹脂周圍四邊線注射，箱底中心點(diǎn)出射。圖4a、圖4b分別為注射時(shí)間云圖和注射壓力云圖。

(a)注射時(shí)間云圖

(b)注射壓力云圖圖4 樹脂在周圍四邊線注射,箱底中心點(diǎn)出射的模擬分析Fig.4 Simulation analysis of the injection of resin in the surrounding four-sided line and the ejection at the center point of the bottom of the box

(2)樹脂四邊中心點(diǎn)注射，箱底中心點(diǎn)出射，圖5a、圖5b分別是注射時(shí)間云圖和注射壓力云圖。

(a)注射時(shí)間云圖

(b)注射壓力云圖圖5 樹脂四邊中心點(diǎn)注射，箱底中心點(diǎn)出射的模擬分析Fig.5 Simulation analysis of the injection of the center point on the four sides of the resin and the ejection of the center point on the bottom of the box

(3)樹脂長邊中心點(diǎn)注射，箱底中心點(diǎn)出射, 圖6a、圖6b分別是注射時(shí)間云圖和注射壓力云圖。

(a)注射時(shí)間云圖

(b)注射壓力云圖圖6 樹脂長邊中心點(diǎn)注射，箱底中心點(diǎn)出射的模擬分析Fig.6 Simulation analysis of the injection of the center point of the long side of the resin and the ejection of the center point at the bottom of the box

對比以上三個(gè)工藝方案可以看到，三種方案的注射壓力基本相同，最大注射壓力分別為1.08×105Pa，1.07×105Pa，1.04×105Pa，但是三種方案的注射時(shí)間差異明顯，注射時(shí)間分別為89 s，369 s，902 s。在壓力基本相同的情況下，注射時(shí)間越短越好，可以盡可能使纖維布同時(shí)浸潤和同時(shí)開始固化，可得到成形后料厚均勻的零件，并且提高了生產(chǎn)效率，所以采用方案①中的周圍四邊線注射、箱體中心出射工藝能夠得到較為理想的流動前鋒，可以使得箱體的上部翻邊和側(cè)壁厚度均勻，因此采用這種方式進(jìn)行復(fù)合材料電池箱的加工制造。

3.3 利用仿真結(jié)果應(yīng)用VARI工藝成形電池箱

為了驗(yàn)證周圍四邊線注射、箱體中心出射工藝方法的實(shí)用性，采用VARI工藝進(jìn)行電池箱體的樣件試制。第一步，根據(jù)電池箱的外表面精度要求制作模具，在硬質(zhì)模具上鋪覆隔離膜或涂抹脫模劑與脫模布，使得制品脫模后，易于清理硬質(zhì)模具，且有助于提高制品表面的光潔度，如圖7所示。第二步，在脫模布上方合適位置放置適量的導(dǎo)流網(wǎng)，導(dǎo)流網(wǎng)可以加速樹脂流動，在真空壓力下迅速灌注充滿模具，也能夠使樹脂更充分地浸潤纖維織物，減小形成干斑的概率，而且可以縮短生產(chǎn)周期。第三步，剪裁和鋪放纖維織物，保證織物緊貼模具表面，避免可能的架橋。將采用拉擠成形的加強(qiáng)筋包埋在蒙皮鋪層的中間處，為了防止位置的竄動可以先行膠黏，如圖8所示。第四步，在最上方放置真空袋，利用高溫膠帶密封真空袋，關(guān)閉進(jìn)氣口，打開真空泵。可以在真空泵抽壓下，將真空袋內(nèi)氣體逐漸抽出，緊緊貼敷在硬質(zhì)模具表面，形成真空環(huán)境(0.1 MPa)。保壓5 min，若真空袋內(nèi)負(fù)壓不減小則表明真空袋內(nèi)密封性良好，如圖9所示。

圖7 鋪設(shè)脫模布Fig.7 Lay out the demoulding cloth

圖8 鋪放纖維物料和加強(qiáng)筋Fig.8 Lay out fiber cloth and stiffeners

圖9 密封真空袋和灌注樹脂F(xiàn)ig.9 Sealing the vacuum bag and inject the resin

第五步,將環(huán)氧乙烯基樹脂和固化劑按50∶1(質(zhì)量比)的比例混合，然后放入真空脫泡桶中抽真空脫泡處理，這樣可以有效地降低最終制品的孔隙率和減少缺陷。將脫泡后的樹脂在大氣壓作用下灌注進(jìn)真空袋，樹脂流動充分浸潤織物，充模流動完成后將模具放入烘箱中，在80 ℃下放置2 h固化，如圖10所示。

圖10 烘箱中固化Fig.10 Drying in oven

最后,等樹脂固化后，將其從烘箱中取出，將模制品脫模，并進(jìn)行修整清理。最終得到厚度誤差在1 mm以下的箱體是玻璃纖維樹脂復(fù)合材料，筋條是碳纖維樹脂復(fù)合材料的電池箱制品，如圖11所示。

圖11 復(fù)合材料電池箱樣件Fig.11 Sample of battery box of composite material

3.4 三種成形方式成本的對比

為了進(jìn)一步分析復(fù)合材料與金屬鋁合金在電池箱的制造成本與減小質(zhì)量的效果，針對箱體的材料選擇了三種方案：方案①為連續(xù)玻璃纖維預(yù)浸料；方案②為短切玻璃纖維模壓料；方案③為鋁合金材料5083。本文所述的電池箱體的展開面積為2.7 m2；加強(qiáng)筋的展開面積為0.532 m2；加強(qiáng)筋采用的材料為T700，纖維的體積分?jǐn)?shù)為55%；樹脂采用的是環(huán)氧乙烯基樹脂。由于長玻璃纖維的彈性模量為45 GPa，而短切玻璃纖維的彈性模量為32 GPa，為了保證相同的承載剛度[1]，長玻璃纖維箱體的料厚為4 mm；短切玻璃纖維箱體的料厚為6 mm；鋁合金箱體的料厚為6 mm。三種材料制成箱體的材料成本和質(zhì)量對比見表1。

通過表1數(shù)據(jù)的對比可知，電池箱采用連續(xù)玻璃纖維的箱體成本最少、質(zhì)量最小，相比金屬鋁合金材料成本降低48%，質(zhì)量減小57%。應(yīng)用VARI一體化成形工藝不但減小了電池箱的質(zhì)量，而且也不需要像金屬材料那樣經(jīng)過裁剪、沖壓、焊接、防腐涂裝等多道工藝。

連續(xù)玻璃纖維的電池箱同短切玻璃纖維電池箱相比,價(jià)格略低、質(zhì)量略小。另外如果采用短切玻璃纖維作為箱體材料需要采用模壓RTM工藝， RTM內(nèi)外模具的模壓工藝需要的模具成本很高，模具制作周期長，并且還要準(zhǔn)備大型的固定和舉升設(shè)備，造成成本的增加。

表1 三種電池箱的原材料價(jià)格和質(zhì)量對比

電池箱是電動汽車上的大型部件，本次設(shè)計(jì)的玻璃纖維復(fù)合材料電池箱體內(nèi)部需安裝碳纖維復(fù)合材料的加強(qiáng)筋，如果采用其他的一體化成形方式需要的成本較高，而采用VARI成形工藝，由于抽真空而產(chǎn)生的大氣壓力可以均勻地作用在箱體內(nèi)部的所有平面，固化后一體化成形的箱體厚度均勻，連接強(qiáng)度也得到保證。在采用VARI工藝時(shí)由于是不超過一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓的成形壓力，為了防止由于樹脂的黏度高與纖維織物不能充分接觸而造成干斑和干區(qū)，或者出現(xiàn)接觸不均勻而造成纖維體積含量不均勻的情況，應(yīng)注意以下問題：

(1)要預(yù)先測量樹脂的固化溫度、固化時(shí)間、壓力三者之間的關(guān)系，在樹脂注射充滿模具的時(shí)間內(nèi)，樹脂的黏度不要發(fā)生變化，黏度最大不超過0.25 Pa·s；要避免固化溫度過低，固化溫度過低會造成樹脂固化交聯(lián)度不足；也要避免溫度過高所產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力過大造成不必要的翹曲和變形。

(2)真空袋密封要牢固，真空泵保壓時(shí)間要長于5 min，真空度不低于0.1 MPa，保證真空一側(cè)的壓力足夠。

(3)如果在抽真空的一側(cè)還需要連接其他的部件，對此處樹脂的流通路徑要合理設(shè)計(jì)，如導(dǎo)流網(wǎng)的鋪設(shè)密度可稍大，并設(shè)法減小樹脂流動阻力。

(4)樹脂在灌入之前需經(jīng)過脫泡處理，其目的是防止含有空氣的樹脂被帶入纖維內(nèi)部引起缺陷[12]。

4 結(jié)語

復(fù)合材料零部件的結(jié)構(gòu)能否實(shí)現(xiàn)其功能，除了與設(shè)計(jì)有關(guān)以外，在很大程度上與實(shí)現(xiàn)復(fù)合結(jié)構(gòu)的制造工藝密切相關(guān)。為了檢驗(yàn)設(shè)計(jì)的合理性，常常需要制作真實(shí)的樣件進(jìn)行性能測試，同時(shí)也是為了在大批量生產(chǎn)前對工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，因此需要一種快速、低成本的復(fù)合材料零部件的成形方法。復(fù)合材料零部件的制作工藝是柔性纖維與可加熱固化的樹脂通過一定的方式復(fù)合在一起的操作過程，與傳統(tǒng)的硬質(zhì)金屬加工方式有較大的不同，采用PAM-RTM模擬樹脂流動分析軟件進(jìn)行仿真，可以方便快捷、低成本地設(shè)計(jì)成形方案；利用VARI固化成形工藝， 不需要大型的舉升閉合模具設(shè)備，也不需要消耗大量的能源；整個(gè)工藝過程簡單易操作；玻璃纖維、碳纖維和環(huán)氧乙烯基樹脂均是無毒和無污染的物料，對人體和環(huán)境都不會產(chǎn)生不良影響，因此是一種綠色環(huán)保的制造工藝，符合電動汽車環(huán)保節(jié)能的初衷。