CN105818355A - 一种大丝束预浸带平面自动铺放及模压成型工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种大丝束预浸带平面自动铺放及模压成型工艺。适应于低成本、大批量制造纤维增强树脂基复合材料制件。本工艺是将大丝束碳纤维(或玻璃纤维粗纱)制备成丝束预浸带，然后采用平面自动铺丝技术，将多股丝束预浸带铺成各类制件的毛坯件，在毛坯件贴上A级表面膜，然后在把毛坯件放到预成型模具上随形和预先成型，切掉毛边；预成型的毛坯料放入模压机模具，加压并加热固化，固化后脱模，将零件取出，修整毛边，得到汽车制件。用该工艺制备的汽车复合材料制件结构设计空间大、力学性能高、低成本、大批量生产容易，非常适合汽车的轻量化。

Description

一种大丝束预浸带平面自动铺放及模压成型工艺

技术领域

本发明属于复合材料领域，是纤维增强树脂复合材料的新的材料形态和成型工艺，是一个高性能、低成本、大批量生产的复合材料新形态及工艺。

背景技术

纤维增强复合材料是复合材料中最大的一项，纤维增强复合材料由于其轻、刚、强等卓越的力学性能及其耐腐蚀，耐疲劳、避震等功能，是各类工业轻量化应用的主选材料。然而，高昂的成本是这些优良材料广泛应用的拦路虎。纤维增强复合材料源于航空航天领域，在航空航天复合材料制件中，原材料(主要指纤维与树脂)与后续工艺的成本基本是20/80的关系，所以，要降低复合材料的成本，关键是解决占比80的工艺的成本。随着绿色节能经济的发展，汽车的减重与轻量化已经成为时代趋势，而新能源汽车如果不控制好自身重量，就很难实现商业化。而对于汽车的轻量化，全球的共识是：碳纤维增强树脂基复合材料无疑是最佳的选择。然而碳纤维增强复合材料成本昂贵，且没有成熟的批量生产技术，这是复合材料被汽车轻量化采用的最主要两只拦路虎。

为了让性能卓越的碳纤维复合材料进入汽车领域，各发达国家都投入了巨大人力物力，研发满足“低成与大批量”的复合材料形态与成型工艺。其中，比较典型的工艺是HP-RTM(高压-树脂传递模塑成型),这个工艺是人类首先商用的批量生产的工艺，尽管被汽车名厂采用，但还存在诸多的问题：HP-RTM从纤维织造、层合、分切、预成型、RTM，经历工艺流程多；HP-RTM原料废品率高达35-50％；HP-RTM主要采用多轴向与2D织物，复合材料取向性优势不能充分发挥；HP-RTM设备投资昂贵；HP-RTM需要的短时间而导致的高压，导致RTM工装的复杂与昂贵；HP-RTM工艺的复杂性使得整体的可靠性与品质均匀性控制比较困难；HP-RTM工艺对树脂技术提出了很高要求。

为此，市场需要一个更优秀的低成本、大批量的复合材料形态与成型工艺，去满足汽车轻量化的严格的要求。

发明内容

本发明针对上述HP-RTM(高压-树脂传递模塑成型)的不足，提出了新的思路：原料准备方面，HP-RTM经历了多道工序，本专利的工序简洁；HP-RTM由于工序多，从正方形原始材料上需要切割成零件毛坯，所以对昂贵的纤维材料损耗高，而本专利的工艺的损耗小于5％，而且这些小于5％的边角废料还可以用本专利后续模压工艺得到利用，生产复杂形状零件；HP-RTM采用的是织造技术，纤维的取向角度有限，而且织物会对纤维形成弯曲，这都是复合材料的忌讳，而本专利利用了铺放技术，根据操作程序可以任意铺放纤维取向角度，每根纤维平直，没有弯曲，这就是高性能的根本保障；HP-RTM设备投资高企，而本专利的设备投入经济；HP-RTM需要的高压，对树脂，织物预成型体，压机，模具都提出了很高的挑战，而本专利没有高压的问题，普通压机及模具就能解决。所以本专利的品质控制更加简单，容易；另外一个特点：本专利继承了航空航天复合材料技术中最经典的预浸料技术和自动铺放技术，以及工业届非常熟悉的模压成型工艺。工艺原理类似，但每个项目均在传统基础上做了巨大的创新。所以，本专利的工艺对比HP-RTM，在多方面有优势，这些技术优势是“低成本，大批量”技术的基础与支撑。

本发明要解决的问题是通过以下的技术方案来实现的：比如传统的预浸技术主要是制备单向预浸带(通常300-1500宽)和织物预浸料，而本专利的创新是将纤维丝束(或粗纱)通过预浸，变成丝预浸带，同时，该专利使用的是低成本的大丝束碳纤维(或纤度大的玻璃险为粗纱)，从纤维材料和预浸工艺上大幅度降低了材料成本；传统的自动铺丝机源于大型多轴机床，且都是在模具上做3D的铺放，价格高，效率低，而本专利的平面自动铺放机是铺平面结构的，设备大大简化，成本大幅度下降，铺放效率大幅度提升，再加上材料是大丝束，产能远远大于传统自动铺放机。同时，模具是复合材料制备中非常重要的成本投入，按照之前的工艺，铺层与致密化均在模具上完成，模具被占用的时间非常长，周转效率低，而采用平面自动铺放，这个过程不需要模具，只是在预成型和模压成型中需要模具，所以，模具周转大大提升，降低了工装模具成本。

A级表面膜的采用，也是该专利的重点，所有复合材料固化成型后，要达到汽车零件要求的A级表面，必须要修补针孔，打磨，这个工序完全由经验工人完成，人工成本奇高，废品率也非常高，采用A级表面膜技术后，脱模后的零件表面直接可以达到汽车的A级表面的要求，节省了大量的人工，大幅度降低了成本。另外，快速固化树脂体系，也是本专利的两点，这决定了模压的时间与成本，本专利提出的快速固化预浸树脂，可以20分钟内完成固化，最佳是10分钟内，更佳是3分钟以内。这使得模压工序的时间缩短，成本大幅度下降。

本发明的有益效果：开发了一种全新的一种高性能、低成本、大批量生产的复合材料工艺，为汽车轻量化提供了一个切实可行的材料形态与成型工艺，可以有效地去除阻碍复合材料在汽车中的广泛应用。除了汽车，该工艺也可以广泛应用对成本与产能有严格需要的轨道交通、船舶、体育器材等等工业领域。

附图说明

图1是大丝束预浸带制备工艺原理；

图2是丝束预浸带平面自动铺放设备原理图，1.放卷；2.铺放头；3.机架；4.毛坯件；5.工作平台；

图3是铺放好的毛坯料；

图4是随形与预成型原理；

图5是模压成型工艺图；

图6是汽车B柱结构及展开毛坯形状；

具体实施方式

下面结合附图对本发明进一步说明，但本发明的实施方式不限于此。

实施例

本发明一种大丝束预浸带平面自动铺放及模压成型工艺，以图6汽车B柱结构及展开毛坯形状为例。

第一步：复合材料图6汽车B柱结构设计完成后，进行力学模拟，如果不满足，调整纤维铺放角度；

第二步：将设计好的图6汽车B柱在软件上展开成平面，得到平面自动铺放的数据，输入到图2丝束预浸带平面自动铺放设备设备中，开始铺放；

第三步：采用图1大丝束预浸制备工艺原理制备48K大丝束碳纤维，纤维拉伸强度4200MPA,拉伸模量230GPA；

第四步：采用图2丝束预浸带平面铺放设备制备0/90/0/90/0图3铺放好毛坯料，毛坯料的力学性能是：弯曲强度1500MPA,弯曲模量95GPA；

第五步：剪裁与图3铺放好的毛坯料同面积的A级表面膜，粘贴在图3铺放好的毛坯料的外表面；

第六步：将粘贴了A级表面膜的毛坯料放到图4气动升降的模具设备中加压，毛坯料在模具中随形。采用自动裁切设备修整预成型件外边缘；

第七步：将修整好的预成型毛坯料，放到图5模压机的模具中—合模—快速升温到150℃—保温3分钟—然后迅速降温—脱模—取出零件—去掉毛边。图6汽车B柱制备完成。

Claims (6)

1.一种大丝束预浸带平面自动铺放及模压成型工艺，其特征在于：将大丝束碳纤维(大于等于24K)、玻璃纤维粗纱(线密度大于1000TEX)纱锭直接制备成丝束预浸带纱锭；然后将纱锭放入自动铺丝设备，铺丝机在平台上完成毛坯件的制备；然后用A级表面膜贴在毛坯件上，将毛坯件放到气动或液压的预成型设备上，完成材料随形和预成型；然后将预成型体放入模压机的模具中，加压加热，固化时间不超过20分钟，然后脱模，取出制件。

2.根据权利要求1所述的一种大丝束预浸带平面自动铺放及模压成型工艺，其特征在于：采用大丝束碳纤维(大于等于24K),玻璃纤维粗纱(线密度大约1000TEX)，同时采用直接浸润树脂，从干纤维纱锭到浸润丝束纱锭，预浸丝束可以用或不用离型纸或膜带隔离。

3.根据权利要求1所述的一种大丝束预浸带平面自动铺放及模压成型工艺，其特征在于：大丝束预浸带是通过平面自动铺丝机完成层合板的，平面毛坯件是重要特征，自动铺放动作可以采用龙门机床架或机器人驱动铺放头完成，同时可铺放的丝束根数大于10根。

4.根据权利要求1所述的一种大丝束预浸带平面自动铺放及模压成型工艺，其特征在于：将铺好的平面状毛坯件粘贴A级表面膜。

5.根据权利要求1所述的一种大丝束预浸带平面自动铺放及模压成型工艺，其特征在于：将贴上A级表面膜的毛坯件在模具上随形并完成预成型，合模压力可以采用气动或液压。

6.根据权利要求1所述的一种大丝束预浸带平面自动铺放及模压成型工艺，其特征在于：预成型体是通过模压成型的，且固化时间不超过20分钟。