CN104175575A - 一种大尺寸复合材料制件整体步进rtm工艺方法 - Google Patents

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胡龙
王一博
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    • B29C—SHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
    • B29C70/00—Shaping composites, i.e. plastics material comprising reinforcements, fillers or preformed parts, e.g. inserts
    • B29C70/04—Shaping composites, i.e. plastics material comprising reinforcements, fillers or preformed parts, e.g. inserts comprising reinforcements only, e.g. self-reinforcing plastics
    • B29C70/28—Shaping operations therefor
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    • B29C70/46—Shaping or impregnating by compression not applied for producing articles of definite length, i.e. discrete articles using matched moulds, e.g. for deforming sheet moulding compounds [SMC] or prepregs
    • B29C70/48—Shaping or impregnating by compression not applied for producing articles of definite length, i.e. discrete articles using matched moulds, e.g. for deforming sheet moulding compounds [SMC] or prepregs and impregnating the reinforcements in the closed mould, e.g. resin transfer moulding [RTM], e.g. by vacuum

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Abstract

本发明公开了一种大尺寸复合材料制件整体步进RTM工艺方法，适用于大尺寸树脂基纤维增强复合材料制件的固化成型。该方法通过八个实施步骤，将大尺寸复合材料制件RTM模具型腔划分为多个部分，对各个部分分步进行树脂注射填充，进而实现对模具型腔整体的树脂填充，再固化成型得到大尺寸复合材料制件成品。该方法解决了传统RTM工艺在处理大尺寸复合材料制件的加工时树脂填充不充分，容易产生缺陷的缺点，促进了RTM工艺在大尺寸复合材料制件成型时的应用。

Description

一种大尺寸复合材料制件整体步进RTM工艺方法
技术领域
本发明涉及一种大尺寸复合材料制件整体步进RTM工艺方法，属于材料技术领域
背景技术
复合材料树脂传递模塑工艺，即Resin Transfer Moulding(简称RTM)工艺，是采用将增强纤维预制件放入封闭模具内，再通过设备加压或者真空辅助将树脂体系(后简称树脂)注入模具，浸润纤维然后固化成型的工艺方法。该工艺方法加工效率高，制件精度高，相对其他成型工艺方法消耗能源少。因此，RTM工艺在汽车、航空和航天等领域应用越来越广泛。
RTM模具设计时，会根据制品形状在模具上布置一些注胶口和出胶口。传统的出胶口和注胶口位置和功能固定，树脂流动距离主要由制件尺寸决定。大尺寸复合材料制件，通常只是在一个或两个维度方向上尺寸较大。而利用RTM工艺生产加工尺寸较大的制品时，若树脂在模具型腔内部沿大尺寸方向流动，则流动路径长，树脂流动受纤维织物的阻碍大，对加压和真空辅助设备功率要求高，这导致树脂流动困难，难以浸透整个纤维织物。若树脂在模具内部垂直于大尺寸方向流动，则树脂流动前锋尺寸大，树脂流动难以做到均匀充分，影响制品的性能。
要运用RTM工艺方法获得品质合格的大尺寸复合材料制件，应当构思一种方法，将上述问题予以考虑并解决。
发明内容
本发明的目的是提供一种大尺寸复合材料制件整体步进RTM工艺方法，解决大尺寸复合材料制件难以通过RTM工艺整体成型的难题。
本发明的一种大尺寸复合材料制件整体步进RTM工艺方法，适用于大尺寸树脂基纤维增强复合材料制件的固化成型，其制件增强相为玻璃纤维或碳纤维或其他高性能纤维，基体为环氧树脂或酚醛树脂或其他改性高性能热固性树脂。其内容包括模具设计制造、设备配置安装、树脂制备、预制件铺设、合模封闭、树脂分步注射、加温固化和脱模。其特征在于：模具设计时，设计在树脂注射时树脂在模具型腔内主要沿制件尺寸大的维度方向流动，并沿树脂在模具内的流动路径，布置多组模具开口，相邻的不同组别的开口间距不宜过大；设备配置安装时，设计阀门与树脂流通管路，使模具上每组开口的功能都在注胶口和出胶口之间自由切换，并可根据需要随时开启和封闭；树脂分布注射时，只开启模具上部分开口，使得模具在树脂流动路径上存在3个相邻开口组，沿树脂流动的上游向下游方向，这3个组的功能分别为注胶口、封闭、出胶口，关闭其他开口，对模具内的部分区域进行树脂注射，完成后，切换开口工作类型，使注胶口和出胶口向下游移动一个顺位，并使其他开口组处于封闭状态，对下一区域进行树脂注射，以此类推直至树脂填充满整个模具型腔内部。
本发明一种大尺寸复合材料制件整体步进RTM工艺方法，其步骤具体包括：
(1)模具设计制造：针对需要进行RTM工艺的复合材料制件预制件的特征，确定模具型腔内进行RTM工艺时的树脂填充动路径，沿树脂在模具型腔内的流动路径，布置多组模具开口，相邻的不同组别的开口距离不超过300mm，再考虑气密性设计，按设计制造模具；
(2)设备配置安装：购买RTM专用树脂注射和真空辅助设备，并设计阀门与树脂流通管路并安装，使模具上每组开口的功能都在注胶口和出胶口之间自由切换，并可根据需要随时开启和封闭；
(3)树脂制备：按照产品对基体性能的具体要求，准备RTM工艺中所需要使用的树脂体系；
(4)预制件铺设：在模具内表面涂敷脱模剂，将预制件放入模具内；
(5)合模封闭：合模并对模具型腔进行密封，并检查气密性，保证合模后气密性好；
(6)树脂分步注射：每次只开启部分组别开口，从树脂在模具内流动的上游开始，对模具内的部分区域进行树脂注射，完成后，切换开口类型，对下游下一区域进行树脂注射，以此类推直至树脂填充满整个模具内部；
(7)加温固化：树脂注射完成后封闭模具，保持模具内压力，根据选用的树脂的固化温度，加热至树脂固化适宜的温度并保温所需的时间，直至固化完成；
(8)脱模：模具和制品冷却至室温后，将固化好的制品从模具中取出，适当修整外形。
其中，在步骤(1)中，所述的“沿树脂在模具型腔内的流动路径，布置多组模具开口”，每组开口应至少与两条管路相连，一条作为树脂注入的通道，一条作为树脂排出的通道，并且可以分别或同时开关各条通道。
其中，在步骤(1)中，所述的“沿树脂在模具型腔内的流动路径，布置多组模具开口”，根据所需要进行RTM工艺的复合材料制件预制件的特征，沿树脂注射时树脂在模具内的流动路径上布置的多组模具开口，不同组别之间开口数量可以不同。
其中，在步骤(3)中，所述的“准备RTM工艺中所需要使用的树脂体系”，所用的树脂体系主要由环氧树脂或酚醛树脂或其他改性高性能热固性树脂与匹配的固化剂等组分按比例混合而成，不同组分可在注射前混合，也可在注射时由注射设备混合的同时直接注入模具型腔内部，如何实现以所用注射设备的功能而定。
其中，在步骤(4)中，所述的“预制件”，由玻璃纤维或碳纤维或其他高性能纤维利用编织、缠绕、机织等工艺制成。
其中，在步骤(6)中，所述的“每次只开启部分组别开口”，表示只开启模具上部分开口，使得模具在树脂流动路径上存在3个相邻开口组，沿树脂流动的上游向下游方向，这3个组的功能分别为注胶口、封闭、出胶口，关闭其他开口。
其中，在步骤(6)中，所述的“对模具内的部分区域进行树脂注射，完成后，切换开口类型，对下游下一区域进行树脂注射”，表示开启部分开口组，对模具内的部分区域进行树脂注射，完成后，切换开口工作类型，使注胶口和出胶口向树脂填充下游移动一个顺位，并使其他开口组处于封闭状态，对下一区域进行树脂注射。
与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明首先提出了一种大尺寸复合材料制件整体步进RTM工艺方法，该方法能实现大尺寸复合材料制件一次性整体成型，降低了对压力设备功率的要求，提高了生产效率，降低了成本。因此运用该方法加工的大尺寸复合材料制品，结构整体性好，工艺缺陷出现的可能性减小，力学性能好，使用过程中可靠性高。并且，本发明的方法具备可设计性，可以满足不同具体形状的大尺寸复合材料制件的生产要求。
附图说明
图1是本发明所述的工艺方法流程图。
图2是实施例中模具开口设置示意图。
图中标号说明：
1至9.分别为1至9号模具开口，10.上半模具，11.下半模具。
具体实施方式
下面将结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。
本发明的工艺流程如图1、2所示。为了更好的理解本发明的工艺方法，将以上工艺方法应用于常见的复合材料制件RTM工艺进行说明。
本实施例加工制造一长度为2m的三维编织复合材料T型梁，该T型梁为某无人侦察机机翼机结构件，其增强相为由T700，12K碳纤维编织的三维四向织物，基体为环氧树脂体系。
本发明一种大尺寸复合材料制件整体步进RTM工艺方法，其具体实施方式包括以下步骤：
步骤一：分析梁的形状特征，设计上下模具交界面在梁于长度方向平行的对称面上，进行树脂注射时，树脂由梁的一端流向另一端。如图2所示在，模具型腔的两端各设置一个开口，再在两个开口之间等分布置7个开口，即相邻开口间距250mm，依次将这些开口编号为1至9。
步骤二：购买RTM专用树脂注射和真空辅助设备，并设计阀门与树脂流通管路并安装，使模具上每个开口的功能都在注胶口和出胶口之间自由切换，并可根据需要随时开启和封闭。
步骤三：将环氧树脂与固化剂以5:1的比例混合均匀，注意混合时不要混入气泡。
步骤四：在模具内表面涂敷脱模剂，将预先用纤维编织好的T型梁预制件放入模具内。
步骤五：合模并对模具型腔进行密封，并检查气密性，保证合模后气密性好。
步骤六：以开口1为注胶口，以开口3为出胶口，其余开口关闭；首先打开开口3对模具内部抽真空3分钟，再打开开口1，以1个大气压的压力向模具内注入树脂。待出胶口有连续树脂流出后，先关闭出胶口，然后关闭注胶口。然后以开口2为注射口，以开口4为出胶口，重复上述操作。每当一对出胶口和注胶口完成树脂注射后，选择编号加1的开口作为注胶口和出胶口，重复上述操作，直至开口7作为注射口向模具内填充树脂完成后，关闭所有开口的阀门，封闭模具，此时整个模具内都填充满树脂。
步骤七：将模具放入保温箱，根据选用的环氧树脂固化要求设置加热温度和保温时间，具体温度和时间为：从室温加热半小时至70摄氏度，70摄氏度保温两个半小时，再加热半小时至80摄氏度，在80摄氏度保温半小时，半小时降至室温。
步骤八：模具和制品冷却至室温后，将模具从保温箱取出，打开模具，将固化好的制品从模具中取出，适当修整外形。

Claims (8)

1.一种大尺寸复合材料制件整体步进RTM工艺方法，其特征在于：它的实施步骤如下：
(1)模具设计制造：针对需要进行RTM工艺的复合材料制件预制件的特征，确定模具型腔内进行RTM工艺时的树脂填充动路径，沿树脂在模具型腔内的流动路径，布置多组模具开口，相邻的不同组别的开口距离不超过300mm，再考虑气密性设计，按设计制造模具；
(2)设备配置安装：购买RTM专用树脂注射和真空辅助设备，并设计阀门与树脂流通管路并安装，使模具上每组开口的功能都在注胶口和出胶口之间自由切换，并根据需要随时开启和封闭；
(3)树脂制备：按照产品对基体性能的具体要求，准备RTM工艺中所需要使用的树脂体系；
(4)预制件铺设：在模具内表面涂敷脱模剂，将预制件放入模具内；
(5)合模封闭：合模并对模具型腔进行密封，并检查气密性，保证合模后气密性好；
(6)树脂分步注射：每次只开启部分组别开口，从树脂在模具内流动的上游开始，对模具内的部分区域进行树脂注射，完成后，切换开口类型，对下游下一区域进行树脂注射，以此类推直至树脂填充满整个模具内部；
(7)加温固化：树脂注射完成后封闭模具，保持模具内压力，根据选用的树脂的固化温度，加热至树脂固化预定的温度并保温所需的时间，直至固化完成；
(8)脱模：模具和制品冷却至室温后，将固化好的制品从模具中取出，修整外形。
2.根据权利要求1所述的一种大尺寸复合材料制件整体步进RTM工艺方法，其特征在于：在步骤(1)中，所述的“沿树脂在模具型腔内的流动路径，布置多组模具开口”，该每组开口应至少与两条管路相连，一条作为树脂注入的通道，一条作为树脂排出的通道，并且可以分别或同时开关各条通道。
3.根据权利要求1所述的一种大尺寸复合材料制件整体步进RTM工艺方法，其特征在于：在步骤(1)中，所述的“沿树脂在模具型腔内的流动路径，布置多组模具开口”，是根据所需要进行RTM工艺的复合材料制件预制件的特征，沿树脂注射时树脂在模具内的流动路径上布置的多组模具开口，不同组别之间开口数量不同。
4.根据权利要求1所述的一种大尺寸复合材料制件整体步进RTM工艺方法，其特征在于：在步骤(3)中，所述的“准备RTM工艺中所需要使用的树脂体系”，所用的树脂体系主要由环氧树脂或酚醛树脂或其他改性高性能热固性树脂与匹配的固化剂等组分按比例混合而成，不同组分可在注射前混合，也可在注射时由注射设备混合的同时直接注入模具型腔内部，如何实现以所用注射设备的功能而定。
5.根据权利要求1所述的一种大尺寸复合材料制件整体步进RTM工艺方法，其特征在于：在步骤(4)中，所述的“预制件”，是由玻璃纤维利用编织、缠绕、机织工艺制成。
6.根据权利要求1所述的一种大尺寸复合材料制件整体步进RTM工艺方法，其特征在于：在步骤(4)中，所述的“预制件”，是由碳纤维利用编织、缠绕、机织工艺制成。
7.根据权利要求1所述的一种大尺寸复合材料制件整体步进RTM工艺方法，其特征在于：在步骤(6)中，所述的“每次只开启部分组别开口”，是表示只开启模具上部分开口，使得模具在树脂流动路径上存在3个相邻开口组，沿树脂流动的上游向下游方向，这3个组的功能分别为注胶口、封闭、出胶口，关闭其他开口。
8.根据权利要求1所述的一种大尺寸复合材料制件整体步进RTM工艺方法，其特征在于：在步骤(6)中，所述的“对模具内的部分区域进行树脂注射，完成后，切换开口类型，对下游下一区域进行树脂注射”，是表示开启部分开口组，对模具内的部分区域进行树脂注射，完成后，切换开口工作类型，使注胶口和出胶口向树脂填充下游移动一个顺位，并使其他开口组处于封闭状态，对下一区域进行树脂注射。
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