CN101913251B - 树脂基复合材料复杂构件的液体模塑熔芯成型工艺 - Google Patents

树脂基复合材料复杂构件的液体模塑熔芯成型工艺 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种树脂基复合材料复杂构件的液体模塑熔芯成型工艺,解决了现有的复合材料复杂构件的制备工艺生产效率低,经济效益差,以及现有的液体模塑成型技术在制备复合材料复杂结构件方面存在的稳定性差,工艺复杂和脱模难的问题。本发明是通过以下技术方案实现的:型芯三维建模;型芯的激光烧结成形;低熔点合金型芯制备;模具准备;增强材料的铺设与定型;合模;树脂胶液的配制;树脂注入;加热固化;脱模;型芯熔化;复合材料制件修整。本发明生产效率高,脱模和使用方便,成本低。

Description

树脂基复合材料复杂构件的液体模塑熔芯成型工艺
技术领域
本发明涉及一种复合材料复杂构件的成型工艺,具体涉及一种树脂基复合材料复杂构件的液体模塑熔芯成型工艺。
背景技术
复合材料复杂构件是指那些产品外形结构和形状复杂、并带有难以脱模的复杂型芯的复合材料制品,其广泛应用于航空航天、医疗、交通运输、体育用品等领域,如发动机中的进气腔、油底壳、进气歧管等等。这些复合材料构件通常采用手糊工艺或者注射成型工艺制备。手糊工艺具有生产效率低、工作强度大、工作环境差、产品质量和精度不易控制、产品性能稳定性差和产品力学性能较低等缺点。注射成型则主要用于热塑性树脂基复合材料及塑料件的成型,具有成型设备和模具成本高、成型设备适用范围小、只有在大批量生产时才能获得较好效益的缺点。
液体模塑成型工艺(Liquid Composite Molding,LCM)是国际高性能复合材料制造技术研究发展的“生长点”,是指以树脂传递模塑成型(Resin transfermolding,RTM)、真空辅助树脂传递模塑成型(Vacuum Assisted Resin TransferMolding,VARTM)、树脂膜渗透成型(Resin film infusion,RFI)以及反应注射成型(Reaction Injection Molding,RIM)等为代表的一类复合材料液体成型技术。与其它复合材料成型技术相比,液体模塑成型工艺具有以下无法比拟的优点:可一次性快速成形大型、几何形状复杂的构件;具有无需胶衣涂层即可为构件提供光滑表面的能力,后处理工作量小;预成型体尺寸易控,设计灵活,产品成型后仅需做小的修边即可达到高精度要求;模具制造与材料选择的机动性强,不需要庞大、复杂的成型设备就可以制造复杂的大型构件,设备、模具和原材料等的投资少;生产周期适中,可实现半自动或自动化生产,效率高;纤维含量高,物理力学性能优异;便于使用计算机辅助设计(CAD)进行模具和产品设计;易于实现局部增强,并可方便地制造含有加强筋的构件和局部加厚构件;成型过程中散发的挥发性物质很少,有利于身体健康和环境保护。因而,在复合材料构件的生产中,采用液体模塑成型工艺逐步取代手糊工艺和注射成型已经成为一种趋势。
但是现有的液体模塑成型技术在制备树脂基复合材料复杂结构件方面也存在着如下缺点:(1)由于这类制件都有复杂的型芯,制备时很难成型出质量均匀、稳定性高的复合材料复杂构件;(2)型芯制造时工艺复杂,费时费力,成本高;(3)脱模难,脱模后的产品后处理工艺繁琐,成本高,效率低。
发明内容
本发明是为了解决现有的复合材料复杂构件的制备工艺存在的稳定性差,工艺复杂和脱模难,以及经济效益差的问题,而提供了一种树脂基复合材料复杂构件的液体模塑熔芯成型工艺。
本发明是通过以下技术方案实现的:
树脂基复合材料复杂构件的液体模塑熔芯成型工艺,包括以下步骤:
(1)、型芯三维建模:根据型芯的图纸,利用三维建模软件建立型芯的三维模型,将三维模型存储为*.stl格式,并利用切片软件切片,生成型芯的分层位图文件;
(2)、型芯的激光快速烧结成形:将型芯的分层位图文件,导入激光快速成形机,用激光分层扫描热塑性粉体材料,使粉体材料熔化而互相粘结,快速烧结制备得型芯模型;
(3)、低熔点合金型芯制备:根据型芯模型使用型砂翻制砂模,同时将低熔点合金熔化,利用压力铸造设备将熔化的低熔点合金浇注入砂模,冷却凝固后制得低熔点合金型芯;
(4)、模具准备:以低熔点合金型芯为内模,采用金属或玻璃钢材料制作外模;
(5)、增强材料的铺设与定型:在内模表面包覆纤维增强材料层,同时喷撒粘接剂定型,然后将其装配入外模中,并在内模和外模之间的间隙铺设纤维增强材料层,同时喷撒粘结剂定型,进行定型处理;
(6)、合模:将外模在定位机构的导引下合模;
(7)、树脂胶液的配制:配制适合液体模塑成型工艺的树脂胶液;
(8)、树脂胶液的注入:将树脂基胶液注射入经合模的模具中,浸润纤维增强材料;
(9)、加热固化:停止注射后,加热固化;
(10)、脱模:打开外模,取出带低熔点合金内模的制件;
(11)、型芯熔化:将带低熔点合金内模的制件置于高温烘箱中,加热使得低熔点合金全部熔化,得到树脂基复合材料构件;
(12)、复合材料构件修整:对得到的复合材料构件进行修整,检测,即得到复合材料复杂构件。
步骤(1)所述的三维建模软件为UG、ProE或Solid works。
步骤(2)所述的热塑性粉体材料为熔点在60℃至320℃的热塑性粉体材料,包括聚苯乙烯粉、尼龙粉或石蜡粉。
步骤(2)所述制得的型芯模型,先在表面浸涂树脂胶液,待树脂胶液固化后,进行表面修整。
步骤(2)所述的热塑性粉体材料的熔点高于步骤(7)所配制的树脂胶液的固化温度时,可以省略步骤(3),直接以步骤(2)制备得型芯模型作为内模,代替低熔点合金所制得的内模,按照其他步骤顺次进行。
步骤(3)所述的低熔点合金的熔点低于300℃,并且高于步骤(7)所配制的树脂胶液的固化温度,其中低熔点合金的熔点最好高于步骤(7)所配制的树脂胶液固化温度1~30℃。
步骤(5)所述的粘结剂为与树脂基体具有良好相容性的粘接剂。
步骤(11)所述的加热温度为低熔点合金的熔点温度以上1~15℃。
本发明利用激光快速成形机的分层扫描功能制备复杂型芯模型;利用低熔点合金材料的低熔点特性,在成型完成后去除低熔点合金型芯;利用液体模塑成型工艺中树脂体系的充模流动特性,实现树脂基复合材料复杂构件的成型。
与现有技术相比,本发明具有以下优点:
(1)、本发明的工艺适用于各种复杂结构零部件的制备;
(2)、可利用计算机和快速成形机直接加工各种复杂结构的型芯,加工精度高,周期短;
(3)、根据复合材料制件的树脂体系固化的特点,以及固化物在高于其固化温度(T固化)1~30℃范围内可以长期保持性能稳定的特点,选择熔点在T +1~30℃范围内的低熔点合金材料,具有熔点低,可熔性好的优点,脱模和使用方便的优点;
(4)、成型产品具有质量轻、强度高、精度好、刚性大、外形美观等优点;
(5)、使用该工艺对复合材料进行成型加工,效率高,成本低,同时大大节省了设备的投入。
附图说明
图1为本发明树脂基复合材料复杂构件的液体模塑熔芯成型工艺流程框图。
具体实施方式
实施例1
发动机进气腔的树脂基复合材料的液体模塑熔芯成型工艺:
1、型芯三维建模:利用三维建模软件Solid works建立发动机进气腔的三维模型,并建立大型芯、弯管型芯的三维模型,生成daxingxin.stl、wanguan.stl文件。利用STL三维模型的分层切片软件,设置其切片厚度,精确到0.01mm,设置分辨率以及切片方向,对大型芯、弯管型芯的三维造型进行切片处理,形成大型芯、弯管型芯的二维层片信息(横截面的平面轮廓和内部扫描路径),将切片后产生的位图文件保存,输出至移动存储介质。
2、型芯的激光快速烧结成形:将移动存储介质中的大型芯、弯管型芯切片后产生的位图文件导入激光快速成形机,在快速成形机中,计算机根据这些信息,通过控制系统驱动成形激光束按照所要求的路径运动,分层扫描聚苯乙烯粉,形成各个截面的二维固体层片,一层制作完毕,再进行下一层的扫描,层层迭加,直至各层片按顺序迭加成三维零件。并在大型芯、弯管型芯模型表面浸涂树脂胶液,待树脂胶液固化完全后,进行表面修整。
3、低熔点合金型芯制备:选择熔点在190℃左右低熔点合金材料。同时选用高质量的精细型砂,利用激光快速成形机制备的大型芯、弯管型芯模型翻制大型芯、弯管型芯砂型铸造模具,同时将低熔点合金材料在190℃下熔化,利用压力铸造设备在3bar的压力下将熔化的低熔点合金浇注入大型芯、弯管型芯的砂模,冷却凝固后得到大型芯、弯管型芯的低熔点合金型芯,并对低熔点合金型芯进行表面处理,使其达到一定的尺寸精度和光洁度。
4、模具准备:采用铝合金或均质钢材加工进气腔构件的金属外模,并以制备的低熔点合金型芯作为内模,对成型模具进行试装配检验。
5、增强材料的铺设与定型:在大型芯和弯管的低熔点合金型芯表面包覆2mm的玻璃纤维增强材料,喷撒少量环氧粘接剂将各层粘接定型,将其装配入金属外模中,在大型芯和弯管型芯的纤维外侧按一定的铺层顺序铺设6mm的玻璃纤维增强材料,同时喷撒少量环氧粘接剂定型,在120℃下固化4小时。
6、合模:金属外模在定位机构的引导下合模,检查模具是否漏气,如漏气需更换橡胶垫圈重新合模。
7、树脂胶液的配制:加热AG-80环氧树脂(4,4-二氨基二苯甲烷四缩水甘油胺)到100~120℃,按100∶30的比例将DDS(二氨基二苯砜)加入环氧树脂体系,搅拌均匀,并对AG-80/DDS树脂体系进行脱泡处理,制得环氧树脂胶液。
8、树脂注入:对密封的进气腔成型模具抽真空,使其真空度达-0.095MPa,保压30min。调整LCM注射设备,使其温度控制在100~120℃之间,压力为0.30~0.35MPa,并将LCM注射机的注射头与成型模具的注入口相连接,准备就绪后,打开阀门将AG-80/DDS树脂体系注入进气腔成型模具中,直至充满模腔,并保持一段时间,直至纤维增强材料全部被浸润。
9、加热固化:停止注射后,缓慢将模具温度升高至175~180℃,固化10~12h。
10、脱模:打开进气腔的金属外模,取出带有低熔点合金型芯的复合材料进气腔制件,检测进气腔制件有无质量问题。
11、型芯熔化:将检测合格的带低熔点合金型芯的复合材料进气腔置于高温烘箱中,控制烘箱的温度在200±2℃,直至低熔点合金全部熔化,得到树脂基复合材料进气腔。
12、复合材料制件修整:对制备的树脂基复合材料进气腔进行修整,去除进气腔制件的毛边,检测有无缺胶、气孔等质量问题,检验合格即得到树脂基复合材料发动机进气腔制件。
实施例2
树脂基复合材料小型风力发电机叶片的液体模塑熔芯成型工艺:
1、叶片型芯三维建模:利用三维建模软件Solid works(也可以是UG、ProE)建立风力发电机叶片的三维模型,并建立叶片型芯的三维模型,生成zuoxingxin.stl、youxingxin.stl文件。利用STL三维模型的分层切片软件,设置其切片厚度,精确到0.012mm,设置分辨率以及切片方向,对左型芯、右型芯的三维造型进行切片处理,形成左型芯、右型芯的二维层片信息(横截面的平面轮廓和内部扫描路径),将切片后产生的位图文件保存,输出至移动存储介质。
2、型芯的激光快速烧结成形:将移动存储介质中的左型芯、右型芯切片后产生的位图文件导入激光快速成形机,在快速成形机中,计算机根据这些信息,通过控制系统驱动成形激光束按照所要求的路径运动,分层扫描尼龙粉,形成各个截面的二维固体层片,一层制作完毕,再进行下一层的扫描,层层迭加,直至各层片按顺序迭加成三维零件。并在左型芯、右型芯模型表面浸涂树脂胶液,待树脂胶液固化完全后,进行表面修整。
3、低熔点合金型芯制备:选择熔点在100℃左右低熔点合金材料(如熔点为102.5℃的Bi、Sn、Cd三元合金,配比:54∶26∶20)。同时选用高质量的精细型砂,利用激光快速成形机制备的左型芯、右型芯模型翻制左型芯、右型芯砂型铸造模具,同时将低熔点合金材料在100℃下熔化,利用压力铸造设备在2bar的压力下将熔化的低熔点合金浇注入左型芯、右型芯的砂模,冷却凝固后得到左型芯、右型芯的低熔点合金型芯,并对低熔点合金型芯进行表面处理,使其达到一定的尺寸精度和光洁度。
4、模具准备:采用铝合金、均质钢材或玻璃钢加工风力发电机叶片构件的外模,并以制备的低熔点合金型芯作为内模,对成型模具进行试装配检验。
5、增强材料的铺设与定型:在左型芯、右型芯的低熔点合金型芯表面包覆2mm的玻璃纤维增强材料,喷撒少量环氧粘接剂将各层粘接定型,将其装配入金属外模中,在左型芯和右型芯的纤维外侧按一定的铺层顺序铺设玻璃纤维增强材料,同时喷撒少量环氧粘接剂定型,在120℃下固化4小时。
6、合模:金属外模在定位机构的引导下合模,检查模具是否漏气,如漏气需更换橡胶垫圈重新合模。
7、树脂胶液的配制:将固化剂2511-B(胺类)按100∶30的比例加入到上纬2511-A环氧树脂体系,搅拌均匀,并对上纬2511树脂体系进行脱泡处理,制得环氧树脂胶液。
8、树脂注入:对密封的叶片成型模具抽真空,使其真空度达-0.095MPa,保压30min。调整LCM注射设备,使其温度控制在30±2℃之间,并将LCM注射机的注射头与成型模具的注入口相连接,准备就绪后,打开阀门将上纬2511树脂体系注入进气腔成型模具中,直至充满模腔,并保持一段时间,直至纤维增强材料全部被浸润。
9、加热固化:停止注射后,缓慢将模具温度升高至80℃,固化8~10h。
10、脱模:打开叶片的金属或玻璃钢外模,取出带有低熔点合金型芯的复合材料叶片制件,检测叶片制件有无质量问题。
11、型芯熔化:将检测合格的带低熔点合金型芯的复合材料叶片置于高温烘箱中,控制烘箱的温度在102±2℃,直至低熔点合金全部熔化,得到树脂基复合材料叶片。
12、复合材料制件修整:对制备的树脂基复合材料叶片进行修整,去除叶片制件的毛边,检测有无缺胶、气孔等质量问题,检验合格即得到树脂基复合材料小型风力发电机叶片制件。

Claims (4)

1.一种树脂基复合材料复杂构件的液体模塑熔芯成型工艺,其特征是包括以下步骤:
(1)、型芯三维建模:根据型芯的图纸,利用三维建模软件建立型芯的三维模型,将三维模型存储为*.stl格式,并利用切片软件切片,生成型芯的分层位图文件,所述的三维建模软件为UG、ProE或Solid works; 
(2)、型芯的激光快速烧结成形:将型芯的分层位图文件,导入激光快速成形机,用激光分层扫描热塑性粉体材料,使粉体材料熔化而互相粘结,快速烧结制备得型芯模型,其中所述的热塑性粉体材料为熔点在60℃至320℃的热塑性粉体材料,包括聚苯乙烯粉、尼龙粉或石蜡粉;
(3)、低熔点合金型芯制备:根据型芯模型使用型砂翻制砂模,同时将低熔点合金熔化,利用压力铸造设备将熔化的低熔点合金浇注入砂模,冷却凝固后制得低熔点合金型芯,所述的低熔点合金的熔点低于300℃,并且高于步骤(7)所配制的树脂胶液的固化温度;
(4)、模具准备:以低熔点合金型芯为内模,采用金属或玻璃钢材料制作外模;
(5)、增强材料的铺设与定型:在内模表面包覆纤维增强材料层,同时喷撒粘接剂定型,然后将其装配入外模中,并在内模和外模之间的间隙铺设纤维增强材料层,同时喷撒粘结剂定型,进行定型处理;
(6)、合模:将外模在定位机构的导引下合模;
(7)、树脂基胶液的配制:配制适合液体模塑成型工艺的树脂胶液其中低熔点合金的熔点高于树脂基胶液固化温度1~30℃;
(8)、树脂胶液的注入:将树脂基胶液注射入经合模的模具中,浸润纤维增强材料;
(9)、加热固化:停止注射后,加热固化;
(10)、脱模:打开外模,取出带低熔点合金内模的制件;
(11)、型芯熔化:将带低熔点合金内模的制件置于高温烘箱中,加热使得低熔点合金全部熔化,得到树脂基复合材料构件,所述的加热温度为低熔点合金的熔点温度以上1~15℃;
(12)、复合材料构件修整:对得到的复合材料构件进行修整,检测,即得到复合材料复杂构件。
2.根据权利要求1所述的树脂基复合材料复杂构件的液体模塑熔芯成型工艺,其特征是步骤(2)所述制得的型芯模型,先在表面浸涂树脂胶液,待树脂胶液固化后,进行表面修整。
3.根据权利要求1所述的树脂基复合材料复杂构件的液体模塑熔芯成型工艺,其特征是步骤(2)所述的热塑性粉体材料的熔点高于步骤(7)所配制的树脂胶液的固化温度时,可以省略步骤(3),直接以步骤(2)制备得型芯模型作为内模,代替低熔点合金所制得的内模,按照其他步骤顺次进行。
4.根据权利要求1所述的树脂基复合材料复杂构件的液体模塑熔芯成型工艺,其特征是步骤(5)所述的粘结剂为与树脂基体具有良好相容性的粘接剂。
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