CN107214980A - 一种可热塑的纤维增强复合材料板材的快速成型方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种可热塑的纤维增强复合材料板材的快速成型方法，其特征在于包括如下步骤：1)准备好成型设备和材料；设置具有预浸、铺设、叠合、控温控压、真空压合成型、剪裁、加热和模压成型结构的专用设备，准备好可热塑成型的树脂溶液和纤维增强材料；2)将纤维增强材料浸入可热塑成型的树脂溶液中，制得纤维胶片；3)取步骤2)所述的纤维胶片进行1‑5层叠合，将叠合后的纤维胶片置于可程式控温控压的真空压机中，制成可热塑纤维增强层压复合材料；4)剪裁模板，5)模板加热软化；6)模压成型；7)制得产品成品。具有机械化程度高、加工周期短、效率高、产品成本低等特点和有益效果。
Description
技术领域
本发明涉及一种可热塑的纤维增强复合材料板材的快速成型方法。属于复合材料制品加工技术领域。
背景技术
纤维复合材料制品是指由纤维与树脂通过各种方式固化成型为制品，在现有技术中，成型工艺有手糊成型、热压罐成型、模压成型、RTM真空辅助成型以及树脂传递模压工艺RTM：
手糊成型工艺，是用手工将预浸料裱糊在模具上，然后固化成型。存在生产效率低、劳动条件差和劳动强度大等问题。
热压罐成型工艺，是用预浸树脂的碳纤维材料在模具上叠层，并覆上模，利用罐内的高压空气向模具施加压力，并在热压灌中加热固化。存在能耗巨大、温度压力升/降耗时长、产量受热压罐的体积限制、生产成本高、效率低等问题。
模压成型工艺，是将预浸树脂的碳纤维材料放入金属模具中，升温加压后使多余的胶液溢出来，然后再高温固化成型，冷却脱膜后成品就出来了。虽然具有高效、制件质量好、尺寸精度高、受环境影响小等优点，但存在能耗大、升温降温过程长、模具需求量大和投入成本高等问题。
树脂传递模压工艺RTM，是先将增强材料做成预成型件放入封闭模具中，在真空和压力的条件下，树脂被注入模具而固化成型。此方法具有环保、形成的层合板性能及双面质量好的特点，适用于成形大型整体件。但存在树脂通过压力注射进入模腔形成的零件孔隙含量较大、纤维含量较低、树脂在纤维中分布不匀、树脂对纤维浸渍不充分以及生产效率低、人工程度高等问题。
综上所述，现有技术的纤维复合材料成型方法，在铺布上，都是采用手工将增强材料或者预浸料铺入模具的方式，存在效率低下、产品误差大的问题。
从大规模的热压罐到后面的RTM成型工艺，在固化这块，都是将树脂通过压力导入或者注入模具内，因为树脂的粘度和流动性性，所以，树脂不能完全浸润到增强材料中，从而影响产品的外观纹路以及强度等性能。
由现有工艺制备出来产品，在后期有一个很长的后处理工序，如：打磨、喷涂等，且采用手工处理，产品成品率非常低，成本也比较高。
现有技术的工艺手工化程度高，劳动强度大，产品生产程序复杂、周期长，产品成本高，比较适用于制作样品，实现批量产非常困难，影响整个制品行业的发展；
总体来说，现有纤维复合材料成型工艺，存在手工化程度高、加工周期长、效率低下、导致产品成本高、难于实现量产化的问题。为此，需要研究一种适用于增强纤维材料的快速成型工艺，实现制品量产化的目的。
发明内容
本发明的目的，是为了解决现有纤维复合材料成型工艺存在手工化程度高、加工周期长、效率低下、导致产品成本高、难于实现量产化的问题，提供一种可热塑的纤维增强复合材料板材的快速成型方法，具有机械化程度高、加工周期短、效率高、产品成本低和便于实现量产化的特点。
本发明的目的可以通过采取如下技术方案达到：
一种可热塑的纤维增强复合材料板材的快速成型方法，其特征在于包括如下步骤：
1)准备好成型设备和材料；设置具有预浸、铺设、叠合、控温控压、真空压合成型、剪裁、加热和模压成型结构的专用设备，准备好可热塑成型的树脂溶液和纤维增强材料；
2)制作纤维胶片；将纤维增强材料浸入可热塑成型的树脂溶液中，使可热塑成型树脂充分浸润在纤维增强材料上，然后在50-120℃温度条件下烘烤3-30分钟，制得纤维胶片；
3)制作可热塑纤维增强层压复合材料；取步骤2)所述的纤维胶片进行1-5层叠合，将叠合后的纤维胶片置于可程式控温控压的真空压机中，在真空状态、在0.1-10PMa的压力条件，将真空压机内的温度控制在150-300℃，使叠合胶片在在150-300℃温度条件下压合3-90分钟，制成可热塑纤维增强层压复合材料；
4)剪裁模板，根据产品的尺寸要求，用剪裁机构裁切成可热塑纤维增强层压复合板的模板；
5)模板加热软化；将步骤4)裁剪好的模板放在加热设备上进行预热软化，加热温度为110℃-250℃，软化时间10s-50s；
6)模压成型；将软化的模板放入模具内，用压力机快速压制成型，模压压力为3-50KG，模压温度50℃-180℃，成型时间1min-10min；
7)制得产品成品；模板脱模，修边，制成纤维增强复合材料板材成品。
本发明的目的还可以通过采取如下技术方案达到：
进一步地，所述纤维增强材料，包括但不限于碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维或玄武岩纤维；所述纤维增强材料的纤维，包括长纤、短纤、混编、单向等各种纤维材料。
进一步地，步骤2)中制得的胶片，先进行3-30分钟烘烤，再进入步骤3)的生产流程，烘烤温度为50-120℃。
进一步地，步骤3)制得的可热塑纤维增强层压复合材料，其厚度为0.2-5mm。
进一步地，步骤3)可热塑纤维增强层压复合材料的制备条件是：温度为120-300℃、压力为0.1-10PMa、真空度0-130毫米汞柱、加热时间为3-90分钟。
进一步地，所述步骤3)的压力控制方式：包括但不限于多段温度压制、多段压力压制、多段真空压制，可连续成形、高压釜成型机成型、真空层压机成型。
进一步地，所述可热塑纤维增强层压复合材料，可以多次成型；所述可热塑树脂，包括但不限于聚酰氨、聚醚醚酮、聚碳酸酯、聚甲基丙烯酸甲酯树脂材料的其中一种或二种以上组合，或者由上述树脂经环氧改性后的树脂；
进一步地，所述裁切板材，是在常温状态进行的各种剪裁。
进一步地，所述预热软化，该预热过程不限于模具内外，在10s-50s时间将板材预热到110℃-250℃。
进一步地，所述模压成型，是指模具压力为3KG-50KG；模压温度为50℃-180℃，成型时间10s-30s。
本发明具有如下突出的有益效果：
1、发明由于设置了具有预浸、铺设、叠合、控温控压、真空压合成型、剪裁、加热和模压成型结构的专用设备，使材料的预浸、铺设、叠合、控温控压、真空压合成型、剪裁、加热和模压成型工序都是由机械设备完成，无需手工预浸、铺设材料，也无需使用大型设备，因此能够解决现有纤维复合材料成型工艺存在手工化程度高、加工周期长、效率低下、导致产品成本高、难于实现量产化的问题，具有机械化程度高、加工周期短、效率高、产品成本低和便于实现量产化等特点和有益效果。
2、本发明可缩短产品工艺加工周期、简化工艺流程，节省后处理加工工序、降低成本；用机械操作替代现有的手工铺布方式，提高产品的加工效率；避免树脂高压导入或者注入，解决目前树脂浸润不充分、不均匀的问题，提高产品表观质量和整体性能；快速成型、实现量产化。
3、本发明利用板材压制成型，替代手工铺布的方式，提高了效率和产品精度；采用树脂与纤维固化压制板材，该板材平整性好、致密度高，树脂对纤维浸润充分，解决了现有技术所存在的砂眼、气泡、不平整带来的外观质量问题，并提升了产品的强度性能；采用预热软化成型，成型时间大大缩短，实现批量生产的目的；简化工艺流程，避免了后处理工序，节省了人力成本，提高了生产效率，降低了生产能耗。
具体实施方式
具体实施例1：
本实施例1涉及的基于可热塑的纤维增强复合材料板材的快速成型方法，其特征在于包括如下步骤：
1)准备好成型设备和材料；设置具有预浸、铺设、叠合、控温控压、真空压合成型、剪裁、加热和模压成型结构的专用设备，准备好可热塑成型的树脂溶液和纤维增强材料；
2)制作纤维胶片；将可热塑成型的树脂均匀涂布在碳纤布上，使可热塑成型树脂充分浸润在碳纤布上，然后在120℃条件下烘烤5分钟，制得碳纤维胶片；
3)制作可热塑纤维增强层压复合材料；取步骤2)所述的取上述纤维胶片2层进行叠合，置于可程式控温控压的真空压机中，在真空状态，在0.9PMa的压力条件，制品温度在180℃条件下压合10分钟，制成0.5mm厚度的纤维层压复合材料板材；
4)剪裁模板，根据产品的尺寸要求，用裁切机构裁切精准可热塑性纤维层压复合材料板材，大小为0.3*0.5M；
5)模板加热软化；将步骤4)裁剪好的模板放在加热设备上进行预热软化板材放到加热设备上加热软化，软化温度110℃，软化时间40S；
6)模压成型；将软化后的板材放入模具内，压制成型，压力为10KG，温度为50℃，压制时间10min；
7)制得产品成品；模板脱模，修边，制成纤维增强复合材料板材成品。
具体实施例2：
本具体实施例2的特点是：
1)将可热塑成型的树脂均匀涂布在碳纤布上，在130℃条件下烘烤4分钟，制得纤维胶片；
2)取上述纤维胶片3层进行叠合，置于可程式控温控压的真空压机中，在真空状态，在0.8PMa的压力条件，制品温度在200℃条件下压合5分钟，制成0.5mm厚度的纤维层压复合材料板材；
3)根据产品的尺寸要求，用自动裁切机裁切精准可热塑纤维板材，大小为1.0*0.8M；
4)将板材放到红外温度机下面加热到120℃，软化时间：20S；
5)软化后的板材放入模具内，压制成型，压力为30KG，温度为100℃，压制时间5min
6)固化完成后，脱模
7)修边，完成。
具体实施例3：
本具体实施例3的特点是：
1)将可热塑成型的树脂均匀涂布在碳纤布上，在150℃条件下烘烤3分钟，制得纤维胶片；
2)取上述碳纤维胶片4层进行叠合，置于可程式控温控压的真空压机中，在真空状态，在0.7PMa的压力条件，制品温度在190℃条件下压合5分钟，制成0.6mm厚度的纤维层压复合材料板材；
3)根据产品的尺寸要求，用自动裁切机裁切精准可热塑纤维层压复合材料板材，大小为1.2*1.5M；
4)将板材放入模具上，加热模具到200℃，板材软化；压制成型的压力为30KG，成型时间15S
5)脱模、修边，完成。
其他具体实施例：
本发明其他具体实施例的特点是：
一种基于可热塑的纤维增强复合材料板材的快速成型方法，其特征在于包括如下步骤：
1)准备好成型设备和材料；设置具有预浸、铺设、叠合、控温控压、真空压合成型、剪裁、加热和模压成型结构的专用设备，准备好可热塑成型的树脂溶液和纤维增强材料；
2)制作纤维胶片；将纤维增强材料浸入可热塑成型的树脂溶液中，使可热塑成型树脂充分浸润在纤维增强材料上，然后在50-120℃温度条件下烘烤3-30分钟，制得纤维胶片；
3)制作可热塑纤维增强层压复合材料；取步骤2)所述的纤维胶片进行1-5层叠合，将叠合后的纤维胶片置于可程式控温控压的真空压机中，在真空状态、在0.1-10PMa的压力条件，将真空压机内的温度控制在150-300℃，使叠合胶片在在150-300℃温度条件下压合3-90分钟，制成可热塑纤维增强层压复合材料；
4)剪裁模板，根据产品的尺寸要求，用剪裁机构裁切成可热塑纤维增强层压复合板的模板；
5)模板加热软化；将步骤4)裁剪好的模板放在加热设备上进行预热软化，加热温度为110℃-250℃，软化时间10s-50s；
6)模压成型；将软化的模板放入模具内，用压力机快速压制成型，模压压力为3-50KG，模压温度50℃-180℃，成型时间1min-10min；
7)制得产品成品；模板脱模，修边，制成纤维增强复合材料板材成品。
进一步地，步骤3)制得的可热塑纤维增强层压复合材料，其厚度为0.2-5mm。
进一步地，所述纤维增强材料，包括但不限于碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维或玄武岩纤维；所述纤维增强材料的纤维，包括长纤、短纤、混编、单向等各种纤维材料。
进一步地，步骤2)中制得的胶片，先进行3-30分钟烘烤，再进入步骤3)的生产流程，烘烤温度为50-120℃。
进一步地，步骤3)可热塑纤维增强层压复合材料的制备条件是：温度为120-300℃、压力为0.1-10PMa、真空度0-130毫米汞柱、加热时间为3-90分钟。
进一步地，所述步骤3)的压力控制方式：包括但不限于多段温度压制、多段压力压制、多段真空压制，可连续成形、高压釜成型机成型、真空层压机成型。
进一步地，所述可热塑纤维增强层压复合材料，可以多次成型；所述可热塑树脂，包括但不限于聚酰氨、聚醚醚酮、聚碳酸酯、聚甲基丙烯酸甲酯树脂材料的其中一种或二种以上组合，或者由上述树脂经环氧改性后的树脂；
进一步地，所述裁切板材，是在常温状态进行的各种剪裁。
进一步地，所述预热软化，该预热过程不限于模具内外，在10s-50s时间将板材预热到110℃-250℃。
进一步地，所述模压成型，是指模具压力为3KG-50KG；模压温度为50℃-180℃，成型时间10s-30s。
综上所述，本发明所提出的成型工艺，可以快速一体成型，简化了工艺流程，提高产品生产效率和整体性能，降低产品成本，快速实现量产化。
Claims (10)
1.一种可热塑的纤维增强复合材料板材的快速成型方法，其特征在于包括如下步骤：
1)准备好成型设备和材料；设置具有预浸、铺设、叠合、控温控压、真空压合成型、剪裁、加热和模压成型结构的专用设备，准备好可热塑成型的树脂溶液和纤维增强材料；
2)制作纤维胶片；将纤维增强材料浸入可热塑成型的树脂溶液中，使可热塑成型树脂充分浸润在纤维增强材料上，然后在50-120℃温度条件下烘烤3-30分钟，制得纤维胶片；
3)制作可热塑纤维增强层压复合材料；取步骤2)所述的纤维胶片进行1-5层叠合，将叠合后的纤维胶片置于可程式控温控压的真空压机中，在真空状态、在0.1-10PMa的压力条件，将真空压机内的温度控制在150-300℃，使叠合胶片在在150-300℃温度条件下压合3-90分钟，制成可热塑纤维增强层压复合材料；
4)剪裁模板，根据产品的尺寸要求，用剪裁机构裁切成可热塑纤维增强层压复合板的模板；
5)模板加热软化；将步骤4)裁剪好的模板放在加热设备上进行预热软化，加热温度为110℃-250℃，软化时间10s-50s；
6)模压成型；将软化的模板放入模具内，用压力机快速压制成型，模压压力为3-50KG，模压温度50℃-180℃，成型时间1min-10min；
7)制得产品成品；模板脱模，修边，制成纤维增强复合材料板材成品。
2.根据权利要求1所述的一种可热塑的纤维增强复合材料板材的快速成型方法，其特征在于：所述纤维增强材料，包括但不限于碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维或玄武岩纤维；所述纤维增强材料的纤维，包括长纤、短纤、混编、单向各种纤维材料。
3.根据权利要求1或2所述的一种可热塑的纤维增强复合材料板材的快速成型方法，其特征在于：步骤2)中制得的胶片，先进行3-30分钟烘烤，再进入步骤3)的生产流程，烘烤温度为50-120℃。
4.根据权利要求1或2所述的一种可热塑的纤维增强复合材料板材的快速成型方法，其特征在于：步骤3)制得的可热塑纤维增强层压复合材料，其厚度为0.2-5mm。
5.根据权利要求1或2所述的一种可热塑的纤维增强复合材料板材的快速成型方法，其特征在于：步骤3)所述可热塑纤维增强层压复合材料的制备条件是：温度为120-300℃、压力为0.1-10PMa、真空度0-130毫米汞柱、加热时间为3-90分钟。
6.根据权利要求1或2所述的一种可热塑的纤维增强复合材料板材的快速成型方法，其特征在于：所述步骤3)的压力控制方式：包括但不限于多段温度压制、多段压力压制、多段真空压制，可连续成形、高压釜成型机成型、真空层压机成型。
7.根据权利要求1或2所述的一种可热塑的纤维增强复合材料板材的快速成型方法，其特征在于：所述可热塑纤维增强层压复合材料，可以多次成型；所述可热塑树脂，包括聚酰氨、聚醚醚酮、聚碳酸酯、聚甲基丙烯酸甲酯树脂材料的其中一种或二种以上组合，或者由上述树脂经环氧改性后的树脂。
8.根据权利要求1或2所述的一种可热塑的纤维增强复合材料板材的快速成型方法，其特征在于：所述裁切板材，是在常温状态进行的各种剪裁。
9.根据权利要求1或2所述的一种可热塑的纤维增强复合材料板材的快速成型方法，其特征在于：所述预热软化，该预热过程不限于模具内外，在10s-50s时间将板材预热到110℃-250℃。
10.根据权利要求1或2所述的一种可热塑的纤维增强复合材料板材的快速成型方法，其特征在于：所述模压成型，是指模具压力为3KG-50KG；模压温度为50℃-180℃，成型时间10s-30s。
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