CN107214975B - 一种模拟涂覆快速成型湿法模压工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种模拟涂覆快速成型湿法模压工艺，实现压机内固化成型工艺、下一周期压机外模拟涂覆以及热铺放工艺、上一周期的产品冷却后处理工艺同时进行，最终产品无翘曲变形。模拟涂覆确定了最佳涂覆位置和用量，有效节约了树脂用量，合模时无树脂溢出，无模具污染，压机之外进行树脂涂覆，现场环境友好，整个工艺无需预成型、涂脱模剂、模具清理步骤，以及快速加热和冷却设备的使用，省去了每个成型周期的模具升降温时间，从而大幅节省了成型时间，提高了生产效率，减少了升降温耗电成本，改善了成型环境，最终的成型周期最短可以控制在5min以内，成型产品质量良好，可满足汽车件要求和生产趋势要求。
Description
技术领域
本发明涉及高分子材料制备技术领域，尤其涉及一种模拟涂覆快速成型湿法模压工艺。
背景技术
树脂基复合材料是以热固性或热塑性树脂为基体，以碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维为增强体的一类材料，特别是碳纤维树脂基复合材料，因其质量轻、强度好、模量高于金属的优点，成为实现汽车轻量化不可或缺的材料。典型的树脂基复合材料成型技术有手糊成型工艺、树脂传递模塑工艺(RTM)、真空辅助工艺、缠绕工艺、热压罐工艺以及模压工艺等，这些工艺技术最初主要应用于军工、航空航天等高精端领域，因此主要专注于质量方面，成型效率低、成本高，不能满足汽车部件生产的节拍及成本要求。近年来针对这些问题，国外主要汽车厂商与各大供应商展开合作，进行了一些技术探索，目前适合汽车部件批量化生产的比较有潜力的工艺方向有预浸料模压、湿法模压以及高压树脂传递模塑(HP-RTM)等。
湿法模压工艺属于液体模压成型(LCM)工艺的一种，其特点在于，不采用纤维增强树脂预浸料为原料，而是像湿铺、树脂灌注或树脂传递模塑(RTM)等其他复合材料成型工艺一样，改用干纤维和液态树脂为原料；首先将干纤维铺放到模具型腔中，而后采用喷涂、浇注或涂刷等方法将树脂涂覆到干纤维表面，最后合模升温升压，保压固化成型得到产品。因此，湿法模压工艺无需价格昂贵的预浸料，也无需树脂注射，工艺简单，初次投入少，成本较低；制品双面光洁，外观尺寸重复性好，易实现机械化和自动化。
但是，在湿法模压工艺涂覆树脂的过程中，不可避免的会产生树脂的喷溅、滴落或溢出，造成现场环境较差；为了充分浸润干纤维，涂覆的树脂通常是过量的，不但造成树脂浪费，合模时还易发生树脂的溢出，污染模具；每一成型循环周期模具均需较低的脱模温度升至固化温度，而后再降至脱模温度，升降温幅度大，因而成型周期长，效率低，能耗高。成型周期一般不低于1小时，成型效率低于金属、塑料等汽车用材料的成型，限制了湿法模压工艺批量成型碳纤维汽车部件。
因此，需要一种新的技术手段解决上述问题。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术中传统湿法模压工艺生产现场环境差、树脂浪费、模具污染、成型周期长、效率低、能耗高、成型循环周期不低于1小时，难以满足批量化程度低的军工、航空航天行业需求以及汽车行业碳纤维部件大规模批量化生产需求的问题，本发明提出了一种环境友好、高效、快速、提高生产效率、低碳低能耗、且成型成品质量好的模拟涂覆快速成型湿法模压工艺。
技术方案：为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案为：一种模拟涂覆快速成型湿法模压工艺，以干纤维织物为增强材料，以低粘度、快速固化、高玻璃化温度树脂为基体材料，其材料和设备包括：湿法模压用压机、自清洁不粘模具、快速加热及快速冷却辅助设备系统、自动裁床、空压机、涂覆操作台、喷枪及真空泵；工艺主要包括模拟涂覆工艺、模具快速加热和快速冷却工艺、热铺放工艺、热取件工艺以及自清洁不粘模具的自清洁工艺，具体如下：
(1)模拟涂覆工艺以及热铺放工艺：利用模拟软件对自清不粘模具型腔中树脂的动态流动和其对干纤维的浸润进行模拟，根据模拟结果确定树脂涂覆的位置和用量；然后进行干纤维织物的裁剪、涂覆以及铺叠：将用自动裁床裁切好的干纤维织物置于涂覆操作台上，按模拟结果用真空喷枪喷涂进行树脂涂覆，按照铺层设计进行铺叠，将自清洁不粘模具升温至热铺放温度，转移铺叠好的干纤维织物至自清洁不粘模具型腔中；
(2)在线压机内固化成型工艺：对热铺放的材料进行合模加压并抽真空，合模后在0.4-0.8MPa的压力下预压实0.5-1min并同时进行抽真空，真空度不低于-97KPa，将自清洁不粘模具快速加热升温至固化温度，再将压力升至6-20MPa热压成型1-1.5min，再进行快速冷却降温至热取件温度；
(3)热取件以及自清洁工艺：开模取出产品，并转移到冷模具中冷却后处理，模具无需清理，同时进行快速冷却降温至热铺放温度，直接进入下一周期热铺放工艺，其中压机内固化成型工艺、下一周期压机外模拟涂覆以及热铺放工艺以及上一周期的产品冷却后处理工艺同时进行。
所述自清洁不粘模具基材为金属材料制备而成，其型腔涂覆一层不粘涂层；所述不粘涂层为聚四氟乙烯、硅胶材料中的一种或两种混合；无需涂覆脱模剂，产品脱模时无残留，无需额外的模具清洁工艺；在室温到200℃的固化温度范围内，在6-20MPa的固化压力下，在5万模次以内，不发生起泡、开裂、脱落、变色等问题。
更进一步的，所述模拟涂覆的位置和用量，涂覆在每层之间进行或每隔2-3层干纤维织物涂覆一次或仅在中心层涂覆，具体取决于铺层方式、产品结构形状以及树脂种类和粘度等，并以最优模拟结果为准。
更为优选的，所述干纤维织物为碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维、其他有机或无机纤维、其他有机或无机纤维的混编物中的一种或多种混合。
更为优选的，所述树脂为热固性树脂或热塑性树脂；所述热固性树脂为环氧树脂、酚醛树脂、不饱和聚酯中的一种或多种混合；所述热塑性树脂为尼龙树脂、聚甲醛树脂中的一种或两种混合。
所述热铺放温度为80-120℃，为树脂流动性和浸润性最佳的温度，所述热取件温度为120-160℃，无需降至60℃以下的较低温度。
更为优选的，所述固化温度为室温至200℃。
更为优选的所述模拟软件为ANSYS软件或FiberSIM软件。
更为优选的，所述快速加热和快速冷却通过快速加热及快速冷却辅助设备系统实现，所述自清洁不粘模具从室温加热至200℃或冷却回室温不超过3min。
更进一步的，所述快速加热及快速冷却辅助设备系统为热油流道和热油箱以及冷油流道和冷油箱；加热时热油流道开启，冷却时冷油流道开启。
有益效果：本发明提供的一种模拟涂覆快速成型湿法模压工艺，以低粘度、快速固化、高玻璃化温度树脂为基体材料，主要包括模拟涂覆工艺、模具快速加热和快速冷却工艺、热铺放工艺、热取件工艺以及自清洁不粘模具的自清洁工艺；可实现压机内固化成型工艺、下一周期压机外模拟涂覆以及热铺放工艺、上一周期的产品冷却后处理工艺同时进行，最终产品无翘曲变形。模拟涂覆确定了最佳涂覆位置和用量，有效节约了树脂用量，合模时无树脂溢出，无模具污染，压机之外进行树脂涂覆，现场环境友好，整个工艺无需预成型、涂脱模剂、模具清理步骤，以及快速加热和冷却设备的使用，省去了每个成型周期的模具升降温时间，从而大幅节省了成型时间，提高了生产效率，减少了升降温耗电成本，改善了成型环境，最终的成型周期最短可以控制在5min以内，成型产品质量良好，可满足汽车件要求和生产趋势要求。
附图说明
图1是本发明一种模拟涂覆快速成型湿法模压工艺流程示意图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步的详细说明：
实施例1：
请参照图1，一种模拟涂覆快速成型湿法模压工艺，以干纤维织物为增强材料，以低粘度、快速固化、高玻璃化温度树脂为基体材料，具体干纤维织物为单向碳纤维布，克重为250g/m2；基体材料为环氧树脂，可在120℃下保持30min以上不凝胶不固化，固化温度为160℃，固化时间为1min，固化后玻璃化温度为145-155℃，其设备包括：湿法模压用压机、自清洁不粘模具、快速加热及快速冷却辅助设备系统、自动裁床、空压机、涂覆操作台、喷枪及真空泵；工艺主要包括模拟涂覆工艺、模具快速加热和快速冷却工艺、热铺放工艺、热取件工艺以及自清洁不粘模具的自清洁工艺，具体如下：
利用ANSYS软件对树脂在平板模具型腔中的动态流动和浸润进行模拟，确定树脂涂覆的位置和用量(每3层涂覆一次，距边缘50mm范围可不涂覆，涂覆量为每次约120g)；然后用自动裁床裁剪单向碳纤维布(尺寸300*600mm)，在操作台上用真空喷枪进行涂覆树脂并铺叠，铺层按照全部0°铺叠18层，同时将模具快速加热到120℃；将涂覆与铺叠好的单向碳纤维布铺放到120℃平板自清洁不粘模具型腔中；而后合模，并在0.6-0.8MPa的压力下预压实30-40s并抽真空，真空度不低于-97KPa；快速升温至160℃，并在8-12MPa压力下加压固化1min；快速降温至150℃，开模热取件；最后将碳板转移到压机外冷模进行冷却及后处理，同时自清洁不粘模具快速降温至120℃，无需模具清理，可直接执行下一周期热铺放，整个成型循环周期用时4-5min；且产品无翘曲无变形。
经测试，上述成型件的基本性能为：
0°拉伸强度1523MPa，0°拉伸模量102GPa；
90°拉伸强度41MPa，90°拉伸模量6.8GPa；
0°压缩强度1092MPa；
与碳纤维环氧树脂常规湿法模压成型复合材料性能差别不大。
实施例2：
请参照图1，一种模拟涂覆快速成型湿法模压工艺，以干纤维织物为增强材料，以低粘度、快速固化、玻璃化温度树脂为基体材料，具体干纤维织物为单向碳纤维布，克重为250g/m2；基体材料为乙烯基树脂，可在100℃下保持30min以上不凝胶不固化，固化温度为130℃，固化时间为1min，固化后玻璃化温度为120-130℃，其设备包括：湿法模压用压机、自清洁不粘模具、快速加热及快速冷却辅助设备系统、自动裁床、空压机、涂覆操作台、喷枪及真空泵；工艺主要包括模拟涂覆工艺、模具快速加热和快速冷却工艺、热铺放工艺、热取件工艺以及自清洁不粘模具的自清洁工艺，具体如下：
利用ANSYS软件对树脂在平板模具型腔中的动态流动和浸润进行模拟，确定乙烯基树脂涂覆的位置和用量(每2层涂覆一次，距边缘40mm范围可不涂覆，涂覆量为每次约75g)；然后用自动裁床裁剪单向碳纤维布(尺寸300*600mm)，在操作台上用真空喷枪进行涂覆树脂并铺叠，铺层按照[+45°/-45°]4S，同时将模具快速加热到100℃；将涂覆与铺叠好的单向碳纤维布铺放到100℃平板模具型腔中；而后合模，并在0.8-1.0MPa的压力下预压实35-45s并抽真空，真空度不低于-97KPa；快速升温至130℃，并在8-14MPa压力下加压固化1min，直接开模热取件；最后将碳板转移到压机外冷模进行冷却及后处理，同时自清洁不粘模具快速降温至100℃，无需模具清理，可直接执行下一周期热铺放，整个成型循环周期用时4-5min，产品无翘曲无变形。
经测试，上述成型件的基本性能为：
±45°拉伸面内剪切强度65MPa，±45°拉伸面内剪切模量4.1GPa，与碳纤维乙烯基树脂常规湿法模压成型复合材料性能差别不大。
应当指出，以上具体实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。
Claims (10)
1.一种模拟涂覆快速成型湿法模压工艺，其特征在于以干纤维织物为增强材料，以低粘度、快速固化、高玻璃化温度树脂为基体材料，主要包括模拟涂覆工艺、模具快速加热和快速冷却工艺、热铺放工艺、热取件工艺以及自清洁不粘模具的自清洁工艺，具体如下：
（1）模拟涂覆工艺以及热铺放工艺：利用模拟软件对自清洁不粘模具型腔中树脂的动态流动和其对干纤维的浸润进行模拟，根据模拟结果确定树脂涂覆的位置和用量；然后进行干纤维织物的裁剪、涂覆以及铺叠：将用自动裁床裁切好的干纤维织物置于涂覆操作台上，按模拟结果进行树脂涂覆，按照铺层设计进行铺叠，将自清洁不粘模具升温至热铺放温度，转移铺叠好的干纤维织物至自清洁不粘模具型腔中；
（2）在线压机内固化成型工艺：对热铺放的材料进行合模加压并抽真空，合模后在0.4-0.8MPa的压力下预压实0.5-1min并同时进行抽真空，真空度不低于-97KPa，将自清洁不粘模具快速加热升温至固化温度，再将压力升至6-20MPa热压成型1-1.5min，再进行快速冷却降温至热取件温度；
（3）热取件以及自清洁工艺：开模取出产品，并转移到冷模具中冷却后处理，模具无需清理，同时进行快速冷却降温至热铺放温度，直接进入下一周期热铺放工艺，其中压机内固化成型工艺、下一周期压机外模拟涂覆以及热铺放工艺以及上一周期的产品冷却后处理工艺同时进行。
2.根据权利要求1所述的模拟涂覆快速成型湿法模压工艺，其特征在于：所述自清洁不粘模具基材为金属材料制备而成，其型腔涂覆一层不粘涂层；所述不粘涂层为聚四氟乙烯、硅胶材料中的一种或两种混合。
3.根据权利要求1所述的模拟涂覆快速成型湿法模压工艺，其特征在于：所述模拟涂覆的位置和用量，涂覆在每层之间进行或每隔2-3层干纤维织物涂覆一次或仅在中心层涂覆，具体取决于铺层方式、产品结构形状以及树脂种类和粘度，并以最优模拟结果为准。
4.根据权利要求1所述的模拟涂覆快速成型湿法模压工艺，其特征在于：所述干纤维织物为碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维、其他有机或无机纤维、其他有机或无机纤维的混编物中的一种或多种混合。
5.根据权利要求1所述的模拟涂覆快速成型湿法模压工艺，其特征在于：所述树脂为热固性树脂或热塑性树脂；所述热固性树脂为环氧树脂、酚醛树脂、不饱和聚酯中的一种或多种混合；所述热塑性树脂为尼龙树脂、聚甲醛树脂中的一种或两种混合。
6.根据权利要求1所述的模拟涂覆快速成型湿法模压工艺，其特征在于：所述热铺放温度为80-120℃，所述热取件温度为120-160℃。
7.根据权利要求1所述的模拟涂覆快速成型湿法模压工艺，其特征在于：所述固化温度为室温至200℃。
8.根据权利要求1所述的模拟涂覆快速成型湿法模压工艺，其特征在于：所述模拟软件为ANSYS软件或FiberSIM软件。
9.根据权利要求1所述的模拟涂覆快速成型湿法模压工艺，其特征在于：所述快速加热和快速冷却通过快速加热及快速冷却辅助设备系统实现，所述自清洁不粘模具从室温加热至200℃或冷却回室温不超过3min。
10.根据权利要求9所述的模拟涂覆快速成型湿法模压工艺，其特征在于：所述快速加热及快速冷却辅助设备系统为热油流道和热油箱以及冷油流道和冷油箱。
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