CN105216345A - Rtm整体成型纵横加筋结构口盖及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种RTM整体成型纵横加筋结构口盖及其制造方法，以碳纤维织物为材料，通过采用热熔型定型剂定型织物，根据铺层设计下料并裁剪织物，在口盖模具上进行铺贴制备预成型体，然后组装合模，采用RTM整体成型工艺，在2～10bar压力下将树脂注入铺放预制体的口盖模具中，最终在固化炉中固化成型，完成固化后脱模得到RTM整体成型纵横加筋结构口盖。能够保证制品的外形尺寸精度，从整体成型的工艺方法上保证了纵横加筋与面板的连续性，且不需要二次胶结成型，表观质量较好，且制品尺寸精度高，纤维体积含量高，孔隙率较低，批量生产还可节省模具成本。

Description

RTM整体成型纵横加筋结构口盖及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种RTM整体成型纵横加筋结构口盖及其制造方法。

背景技术

碳纤维增强树脂基复合材料（CFRP）是目前最先进的复合材料之一，具有高比强度、高比模量、耐疲劳性、耐高温老化性、可设计性等独特优势，自问世以来就一直受到对重量、性能有苛刻要求的航空航天界的关注与重视。近年来先进复合材料迅猛发展成为继铝、钢、钛之后的四大结构材料之一，并成为飞机、太空飞船、火箭、和人造卫星等结构上不可或缺的战略材料。

美国从F-14、F-15战斗机就开始采用碳纤维-环氧复合材料，在F-18战斗机中包括水平尾翼、方向舵、垂直稳定板、减速板等机身尤其是机翼上大量使用，已占结构总重量的10.3%，在F-117飞机上采用了近40%结构重量的复合材料。在F-22战斗机上采用碳纤维增强韧性BMI复合材料，几乎覆盖如机翼蒙皮、前机身、尾翼、框、梁、壁板等全部表面结构，使它的作战机动性得到了充分的发挥。又如空客公司最新研制的大型客机A380的中央翼盒和部分外翼、垂直尾翼和水平尾翼、地板梁和后承压框、各种整流罩等都是由碳纤维复合材料制成，用量占结构重量的16%之多。

先进复合材料技术是一门应用性很强的新技术，但大量的实际应用也有着高昂的成本代价，制约着先进复合材料的发展，尤其是随着先进复合材料在民用领域被广泛接受，成本效益因素成为其进一步拓宽应用市场、求取更大发展的瓶颈。因此低成本复合材料技术成为了当今世界复合材料技术发展研究的核心问题。而发展低成本复合材料技术的核心是低成本制造技术，如RTM及其衍生的液态成型工艺等有效地降低设备成本和能耗成本，提高成型效率。

从湿法铺层和注塑工艺演变而来的树脂灌注成型工艺（即RTM工艺）是近年来逐渐发展起来的一个新的复合材料成型工艺。RTM工艺的模具制造和材料选择日益灵活，能够制造具有良好表面质量、高尺寸精度的复杂部件，在大型部件的制造方面更具优势，批量生产可获得最佳的生产经济效益。其工艺原理是：在模腔内预先铺放增强材料预成型体芯材和预埋件，然后在压力或真空作用力下将树脂注入闭合模腔，浸润纤维，固化后脱模，再进行二次加工等后处理工序，最终成型。

口盖是一般碳纤维箱体的盖板结构或飞机舷窗结构等，类似于格栅结构，一般由面板、边框、纵横加筋构成，此类结构首先常采用金属材质，质量较重；一般边框和横向筋和纵向筋承受抗压和抗剪切作用，面板可实现与其他部件密封和传递载荷作用，目前此类结构较多采用真空辅助导入或热压罐成型分别完成面板和筋结构，纵横加筋通过二次胶结成型。此工艺方案成本相对较低，但纵横加筋与面板连续性差，对二次胶结工艺要求较高，且胶结质量参差不齐，不满足航空使用要求。

发明内容

本发明的目的是提供一种RTM整体成型纵横加筋结构口盖及其制造方法解决现有技术中存在的纵横加筋与面板连续性差，对二次胶结工艺要求较高，且胶结质量参差不齐，不满足航空使用要求等问题。

本发明一种RTM整体成型纵横加筋结构口盖的制造方法，工艺可控性强，能制造出良好表面质量且尺寸精度较高的口盖制品，纤维含量也较高，制品孔隙率较低，口盖制品质量稳定性高，满足航空使用要求。

本发明的技术解决方案是：

一种RTM整体成型纵横加筋结构口盖，包括面板、边框、横向筋和纵向筋，面板设于边框内，横向筋和纵向筋均设于面板上，横向筋和纵向筋相互垂直设置，并采用横向筋连续、纵向筋断开的形式；该口盖以碳纤维织物为材料，通过采用热熔型定型剂定型织物，根据铺层设计下料并裁剪织物，在口盖模具上进行铺贴制备预成型体，然后组装合模，采用RTM整体成型工艺，在2～10bar压力下将树脂注入铺放预制体的口盖模具中，最终在固化炉中固化成型，完成固化后脱模得到RTM整体成型纵横加筋结构口盖。

进一步地，碳纤维织物材料为碳纤维斜纹布。碳纤维斜纹布能提供较强压缩剪切强度，同时具有良好的变形能力便于预制体的铺覆。

进一步地，采用热熔型定型剂制备预定型织物的具体方法是：将碳纤维织物卷筒放置于热熔粉末定型机的工位上，牵引辊带动碳纤维织物通过粉末喷涂室，然后在烘房里加热熔化，再通过冷却辊收卷。

进一步地，下料采用自动裁布机进行，先在模具镶块上进行横向筋和纵向筋的铺层，将完成下料的纤维织物在镶块上向下进行翻边处理，镶块四周的翻边成为横向筋和纵向筋的一部分，然后再补充加强各处横向筋和纵向筋，最后将面板铺放到横向筋和纵向筋上。

采用面板向下、纵向筋与横向筋结构向上的注胶工艺，在固化炉中加热模具固化成型，脱模后处理得到口盖制品。

进一步地，组装合模具体为：对上模具与下模具进行合模，检验气密性不低于0.98bar，且五分钟内压降不超过170mbar，注胶时先采用真空负压导入树脂，然后逐渐增加注胶压力至2～10bar，使纤维充分浸润，并排气泡，排泡至模具中无泡可排出。

进一步地，边框的一侧的中间位置处设有注胶口，在纵向筋与横向筋交叉处和边框的另一侧分别布置有出胶口，进胶口流道设计要较边框制品长度短3～6cm，利于树脂逐渐充分浸润纤维，且有助于气泡从模具空腔中排出。

一种RTM整体成型纵横加筋结构口盖的制造方法，以碳纤维织物为材料，通过采用热熔型定型剂定型织物，根据铺层设计下料并裁剪织物，在口盖模具上进行铺贴制备预成型体，然后组装合模，采用RTM整体成型工艺，在2～10bar压力下将树脂注入铺放预制体的口盖模具中，最终在固化炉中固化成型，完成固化后脱模得到RTM整体成型纵横加筋结构口盖。

进一步地，碳纤维织物材料为碳纤维斜纹布。

进一步地，采用热熔型定型剂制备预定型织物的具体方法是：将碳纤维织物卷筒放置于热熔粉末定型机的工位上，牵引辊带动碳纤维织物通过粉末喷涂室，然后在烘房里加热熔化，再通过冷却辊收卷；

下料采用自动裁布机进行，先在模具镶块上进行横向筋和纵向筋的铺层，将完成下料的纤维织物在镶块上向下进行翻边处理，镶块四周的翻边成为横向筋和纵向筋的一部分，然后再补充加强各处横向筋和纵向筋，最后将面板铺放到横向筋和纵向筋上；

组装合模具体为：对上模具与下模具进行合模，检验气密性不低于0.98bar，且五分钟内压降不超过170mbar，注胶时先采用真空负压导入树脂，然后逐渐增加注胶压力至2～10bar，使纤维充分浸润，并排气泡，排泡至模具中无泡可排出。

进一步地，边框的一侧的中间位置处设有注胶口，在纵向筋与横向筋交叉处和边框的另一侧分别布置有出胶口，进胶口流道设计要较边框制品长度短3～6cm，利于树脂逐渐充分浸润纤维，且有助于气泡从模具空腔中排出。

该种RTM整体成型纵横加筋结构口盖，提供一种预制体铺贴方法，以及一种低成本RTM整体成型工艺制造技术。采用碳纤维织物作为原材料，通过多次预热定型制备预成型体，通过RTM整体成型工艺注入树脂，提高了预制体纤维含量，降低孔隙率，最终保证了制品的力学性能满足口盖结构对载荷的要求。可采用铝模具，有效降低了模具设计重量，便于模具翻转吊装操作。

本发明的有益效果是：该种RTM整体成型纵横加筋结构口盖及其制造方法，以碳纤维织物为原材料，采用双面RTM闭模模具，保证制品的外形尺寸精度，比金属制品减少重量15%左右，与热压罐工艺相比，采用该成型工艺降低了批量生产成本，整体成型工艺技术改善了纵横加筋结构与面板的连续性和连接强度，纤维体积含量较高、孔隙率较低，经静力试验，结果完全满足碳纤维口盖作为箱体密封盖的载荷要求。该制造方法，从整体成型的工艺方法上保证了纵横加筋与面板的连续性，且不需要二次胶结成型，表观质量较好，且制品尺寸精度高，纤维体积含量高，孔隙率较低，批量生产还可节省模具成本。

附图说明

图1是本发明实施例纵横加筋口盖的结构示意图；

其中：1-边框，2-面板，3-横向筋，4-纵向筋。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明的优选实施例。

实施例

一种RTM整体成型纵横加筋结构口盖，包括面板2、边框1、横向筋3和纵向筋4，面板2设于边框1内，横向筋3和纵向筋4均设于面板2上，横向筋3和纵向筋4相互垂直设置，并采用横向筋3连续、纵向筋4断开的形式；该口盖以碳纤维织物为材料，通过采用热熔型定型剂定型织物，根据铺层设计下料并裁剪织物，在口盖模具上进行铺贴制备预成型体，然后组装合模，采用RTM整体成型工艺，在2～10bar压力下将树脂注入铺放预制体的口盖模具中，最终在固化炉中固化成型，完成固化后脱模得到RTM整体成型纵横加筋结构口盖。

碳纤维织物材料为碳纤维斜纹布。碳纤维斜纹布能提供较强压缩剪切强度，同时具有良好的变形能力便于预制体的铺覆。采用碳纤维复合材料结构，不仅可以满足口盖承载各种载荷条件下，还可以实现减重15%以上。

采用热熔型定型剂制备预定型织物的具体方法是：将碳纤维织物卷筒放置于热熔粉末定型机的工位上，牵引辊带动碳纤维织物通过粉末喷涂室，然后在烘房里加热熔化，再通过冷却辊收卷。

采用自动裁布机进行下料，先在模具镶块上进行横向筋3和纵向筋4的铺层，将完成下料的纤维织物在镶块上向下进行翻边处理，镶块四周的翻边成为横向筋3和纵向筋4的一部分，然后再补充加强各处横向筋3和纵向筋4，最后将面板2铺放到横向筋3和纵向筋4上。

采用面板2向下、纵向筋4与横向筋3结构向上的注胶工艺，在固化炉中加热模具固化成型，脱模后处理得到口盖制品。

组装合模具体为：对上模具与下模具进行合模，检验气密性不低于0.98bar，且五分钟内压降不超过170mbar，注胶时先采用真空负压导入树脂，然后逐渐增加注胶压力至2～10bar，使纤维充分浸润，并排气泡，排泡至模具中无泡可排出。

在模具上，边框1的一侧的中间位置处设有注胶口，在纵向筋4与横向筋3交叉处和边框1的另一侧分别布置有出胶口，进胶口流道设计要较边框1制品长度短3～6cm，利于树脂逐渐充分浸润纤维，且有助于气泡从模具空腔中排出。

其中，实施例可采用钢模或铝模模具，可以精确控制口盖的外形尺寸和外观，减少制品后处理工序，利于后期装配和批量化生产。

一种RTM整体成型纵横加筋结构口盖的制造方法，将碳纤维织物在热熔粉末定型机上定型收卷，依照铺层下料图在自动裁剪机上进行下料；按照设计铺层顺序，依次在模具上进行织物的铺贴，并经多次预热定型制备梁预成型体；采用RTM整体成型工艺，在制备完成的口盖预成型体上，对模具进行合模，在固化炉中进行注入树脂，固化成型；完成固化后脱模得到RTM整体成型纵横加筋结构口盖。

如图1所示，该种RTM整体成型纵横加筋结构口盖的制造方法，在口盖模具上进行预制体的铺贴，首先将第一层铺贴到模具上，进行真空袋压预热定型；待模具降至室温开始逐层铺贴，完成部分面板2和纵横加筋铺层后，进行真空袋压预热定型；然后将其余纵横加筋完成铺贴，最后盖上余下面板2铺层组，完成预制体铺贴。将模具合模并翻转180°，吊入固化炉，连接注胶管路和溢胶管路，加热注胶固化成型；最后进行脱模后处理，完成口盖制备。

注胶时，在边框1一侧中部设为注胶口，在纵横交接处和边框1另一侧设溢胶口，注胶时检测模具真空度不低于0.98bar，五分钟内压降不超过170mbar，然后采用真空负压导入树脂，待树脂填满模腔后逐渐升高注胶压力2～10bar，多次排泡，将模具中纤维间气泡排净，然后开始固化成型。

该方法采用了优化铺层设计，有效的加强了纵横加筋与面板2的连续性，且在进行铺贴过程中简化了操作，有利于模具设计和工艺成型；该RTM整体成型工艺特点主要表现在：该制品的各处尺寸由上下模具合模形成的模腔来保证，RTM整体成型有效的保证制品结构强度和质量稳定性，且RTM工艺成型注胶压力最高达到10bar，有效促进纤维与树脂的充分浸润，并有效降低制品的孔隙率，提高制品纤维体积含量。本发明所制备的碳纤维口盖具有外表面光滑，尺寸精确控制、力学性能稳定、承载能力大、强度高、重量轻等特点。

该种RTM整体成型纵横加筋结构口盖的制造方法，首次采用RTM整体成型工艺，相对于传统的热压罐工艺降低了批量制造成本，且整体成型工艺保证了制品的质量不受二次胶结质量影响，且此工艺制造的制品具有较低的孔隙率和较高的纤维体积含量。通过无损扫描可以检验制品的内部质量无缺陷。

实施例所得纵横加筋口盖的承载能力大、刚性好，可满足航空某种箱体使用的各种载荷工况，且相对于金属制件自重轻，操作简单、生产效率高、成本低，可实现批量化生产。

除上述实施例外，本发明专利产品还可以有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种RTM整体成型纵横加筋结构口盖，其特征在于：包括面板、边框、横向筋和纵向筋，面板设于边框内，横向筋和纵向筋均设于面板上，横向筋和纵向筋相互垂直设置，并采用横向筋连续、纵向筋断开的形式；该口盖以碳纤维织物为材料，通过采用热熔型定型剂定型织物，根据铺层设计下料并裁剪织物，在口盖模具上进行铺贴制备预成型体，然后组装合模，采用RTM整体成型工艺，在2～10bar压力下将树脂注入铺放预制体的口盖模具中，最终在固化炉中固化成型，完成固化后脱模得到RTM整体成型纵横加筋结构口盖。

2.如权利要求1所述的RTM整体成型纵横加筋结构口盖，其特征在于：碳纤维织物材料为碳纤维斜纹布。

3.如权利要求1所述的RTM整体成型纵横加筋结构口盖，其特征在于，采用热熔型定型剂制备预定型织物的具体方法是：将碳纤维织物卷筒放置于热熔粉末定型机的工位上，牵引辊带动碳纤维织物通过粉末喷涂室，然后在烘房里加热熔化，再通过冷却辊收卷。

4.如权利要求1-3任一项所述的RTM整体成型纵横加筋结构口盖，其特征在于：下料采用自动裁布机进行，先在模具镶块上进行横向筋和纵向筋的铺层，将完成下料的纤维织物在镶块上向下进行翻边处理，镶块四周的翻边成为横向筋和纵向筋的一部分，然后再补充加强各处横向筋和纵向筋，最后将面板铺放到横向筋和纵向筋上。

5.如权利要求1-3任一项所述的RTM整体成型纵横加筋结构口盖，其特征在于，组装合模具体为：对上模具与下模具进行合模，检验气密性不低于0.98bar，且五分钟内压降不超过170mbar，注胶时先采用真空负压导入树脂，然后逐渐增加注胶压力至2～10bar，使纤维充分浸润，并排气泡，排泡至模具中无泡可排出。

6.如权利要求1-3任一项所述的RTM整体成型纵横加筋结构口盖，其特征在于：边框的一侧的中间位置处设有注胶口，在纵向筋与横向筋交叉处和边框的另一侧分别布置有出胶口，进胶口流道设计要较边框制品长度短3～6cm。

7.一种权利要求1-6任一项所述RTM整体成型纵横加筋结构口盖的制造方法，其特征在于，以碳纤维织物为材料，通过采用热熔型定型剂定型织物，根据铺层设计下料并裁剪织物，在口盖模具上进行铺贴制备预成型体，然后组装合模，采用RTM整体成型工艺，在2～10bar压力下将树脂注入铺放预制体的口盖模具中，最终在固化炉中固化成型，完成固化后脱模得到RTM整体成型纵横加筋结构口盖。

8.如权利要求1所述的RTM整体成型纵横加筋结构口盖的制造方法，其特征在于：碳纤维织物材料为碳纤维斜纹布。

9.如权利要求1所述的RTM整体成型纵横加筋结构口盖的制造方法，其特征在于：采用热熔型定型剂制备预定型织物的具体方法是：将碳纤维织物卷筒放置于热熔粉末定型机的工位上，牵引辊带动碳纤维织物通过粉末喷涂室，然后在烘房里加热熔化，再通过冷却辊收卷；

下料采用自动裁布机进行，先在模具镶块上进行横向筋和纵向筋的铺层，将完成下料的纤维织物在镶块上向下进行翻边处理，镶块四周的翻边成为横向筋和纵向筋的一部分，然后再补充加强各处横向筋和纵向筋，最后将面板铺放到横向筋和纵向筋上；

组装合模具体为：对上模具与下模具进行合模，检验气密性不低于0.98bar，且五分钟内压降不超过170mbar，注胶时先采用真空负压导入树脂，然后逐渐增加注胶压力至2～10bar，使纤维充分浸润，并排气泡，排泡至模具中无泡可排出。

10.如权利要求1所述的RTM整体成型纵横加筋结构口盖的制造方法，其特征在于：边框的一侧的中间位置处设有注胶口，在纵向筋与横向筋交叉处和边框的另一侧分别布置有出胶口，进胶口流道设计要较边框制品长度短3～6cm。