CN108481767A - 一种相互嵌套拓扑管路类结构及整体成型方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种相互嵌套拓扑管路类结构及整体成型方法，包括内部复合材料拓扑管路、外部复合材料壳体和在内部复合材料拓扑管路与外部复合材料壳体之间的维型芯材。本发明采用多步预压、一体固化的理念，配合维型芯模的灵活使用，解决了管路与外壳体为相互嵌套的一体式复杂结构的成型、脱模困难问题，保证了复合材料产品内部结构的整体性，极大的提高了制件的结构强度、外形面质量、产品制备的效率和环境适应性。

Description

一种相互嵌套拓扑管路类结构及整体成型方法
技术领域
本发明涉及一种相互嵌套拓扑管路类结构及整体成型方法，属于复合材料成型技术领域。
背景技术
相互嵌套复杂拓扑管路类结构广泛用于航空航天领域的进、排气管路系统以及石油、化工、电力等行业的输送管路系统。该结构相互嵌套复杂拓扑管路类结构由外部壳体和内部相互嵌套的复杂拓扑管路组成，如图1所示的典型结构，由外部壳体01和内部管路(单管路03和双管路02)组成。
相互嵌套复杂拓扑管路类结构以前采用金属材料成型，但金属材料成型的相互嵌套复杂拓扑管路类结构因存在材质重、环境适应性差等弊端，逐渐被具有轻质高强、耐腐蚀、使用寿命长等优异性能的复合材料代替。
目前对于这类复合材料相互嵌套复杂拓扑管路类结构，一方面可以采用传统工艺手段成型，但管路类结构十分复杂，产品脱模困难成为关键性的技术问题。另一方面采用3D打印技术成型，由于3D打印机技术使用的原材料非常有限，从而限制了打印相互嵌套复杂拓扑管路类结构对原材料的选择。另外，3D打印技术成型精度低，无法保证产品的成型质量。同时，3D打印技术效率低成本高也制约了3D打印技术在该结构产品上的应用。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术不足，提供一种相互嵌套复杂拓扑管路类结构及整体成型方法，解决了此类结构的复合材料成型困难问题。
本发明的技术解决方案：一种相互嵌套复杂拓扑管路类结构，包括内部复合材料拓扑管路、外部复合材料壳体和在内部复合材料拓扑管路和外部复合材料壳体之间的维型芯材，所述的相互嵌套复杂拓扑管路类结构通过内部的复合材料拓扑管路预制成型、维型芯材原位发泡和外部复合材料壳体共固化成型得到。
所述的维型芯材在预制成型的相互嵌套的内部复合材料拓扑管路外原位发泡，外部复合材料壳体的预浸料包覆在维型芯材外，相互嵌套的内部复合材料拓扑管路和外部复合材料壳体共同固化成型。
本发明通过内部复合材料拓扑管路预制成型、维型芯材原位发泡、外部复合材料壳体共固化成型，维型芯材原位发泡作为壳体成型的芯模，解决了管路与外壳体为相互嵌套的一体式复杂结构此类结构的成型、脱模困难问题，保证了复合材料产品内部结构的整体性。
一种相互嵌套复杂拓扑管路类结构整体成型方法，所述的相互嵌套复杂拓扑管路类结构包括内部复合材料拓扑管路和外部复合材料壳体，整体成型通过以下步骤实现：
第一步，内部复合材料拓扑管路预制件制备，
A1.1、制备内部复合材料拓扑管路中每个管路的可溶性芯模；
可溶性芯模制备为本领域公知技术，本领域技术人员根据内部复合材料拓扑管路中每一个管路的形状和预浸料成型工艺来确定可溶性芯模的形状和材料。
A1.2、根据步骤A1.1制备得到的可溶性芯模外，制备每一个管路的橡胶膨胀芯模；
为保证管路内壁质量，在可溶性芯模外再制备橡胶膨胀芯模，将可溶芯模放置到橡胶成型模内，橡胶模厚度控制在(5～7)mm,橡胶外型面应比管路主体内径小(0.5～0.7)mm。橡胶膨胀芯模采用硫化液体硅橡胶浇注成型，橡胶硫化完全后脱模得到，也可采用其他常规橡胶软模原料上浇注内部复杂管路橡胶膨胀芯模。
A1.3、制备预浸料；
根据所需制备的相互嵌套复杂拓扑管路来选择树脂及纤维种类，保证树脂的固化温度要低于橡胶软模的最高使用温度；
A1.4、将步骤A1.3制备的预浸料包覆在步骤A1.2制备的橡胶膨胀芯模外，得到每个管路的预制件坯体；
将步骤A1.3中的预浸料剪裁为宽度约(5～10)mm的窄条，在橡胶膨胀芯模上随形进行连续缠绕，在厚度方向上，相邻两条窄带应采用对接方式铺层，不同层之间对接缝应错开(20～30)mm。相同层在局部弯角处可采用搭接层叠的方式，确保橡胶膨胀芯模所有表面均布满预浸料，根据制件壁厚铺覆对应厚度层数的预浸料。
A1.5、对步骤A1.4得到的每个管路预制件坯体进行预压，得到每个管路的预制件；
将步骤A1.4中完成铺层的管路预制件坯体装入管路预压模中，根据预浸料材料的预压工艺参数(如固化温度、固化速度等工艺参数)加压加热，采用预压实工艺实现每个管路的预制体成型。
A1.6、将步骤A1.5得到的每个管路的预制件在连接处包覆预浸料，得到内部复合材料拓扑管路的预制件坯体，对预制件坯体进行预压，得到内部复合材料拓扑管路预制件；
第二步，制备维型芯材，
将第一步制备的内部复合材料拓扑管路预制件放入维型芯材成型阴模中，将维型芯材的发泡原材料混合后注入维型芯材成型阴模的型腔内，发泡得到维型芯材；
维型芯材的发泡原材料根据预浸料的成型工艺确定，发泡得到的维型芯材的耐热性及力学性能要能满足预浸料的成型压力和温度。
维型芯材的成型阴模形状与外部复合材料壳体形状一致，成型后的维型芯材作为外部复合材料壳体的芯模。
第三步，在第二步发泡得到的维型芯材外表面包覆预浸料、预压，在维型芯材外得到外部复合材料壳体预制体，并将之整体放入整体成型模具中，根据预浸料成型工艺进行固化；
整体成型模具形状和尺寸根据外部复合材料壳体设计。
第四步，将第三步完成固化的产品溶去水溶性芯模、去除橡胶膨胀芯模后得到相互嵌套复杂拓扑管路类结构。
本发明与现有技术相比的有益效果：
(1)本发明采用多步预压、一体固化的理念，配合维型芯模的灵活使用，解决了管路与外壳体为相互嵌套的一体式复杂结构的成型、脱模困难问题，保证了复合材料产品内部结构的整体性，极大的提高了制件的结构强度、外形面质量、产品制备的效率和环境适应性；
(2)本发明采用内部复杂管路结构预制成型、维型芯材原位制造、外部壳体结构共固化成型，解决了相互嵌套复杂拓扑管路类结构使用传统工艺手段难以成型的问题。
附图说明
图1为典型的金属材料相互嵌套复杂拓扑管路类结构；
图2为本发明实施例复合材料相互嵌套复杂拓扑管路类结构；
图3为本发明实施例剖面图；
图4为本发明流程图。
具体实施方式
下面结合具体实例及附图对本发明进行详细说明。
采用复合材料制备替代如图1所示的金属材料相互嵌套复杂拓扑管路类结构，复合材料相互嵌套复杂拓扑管路类结构如图2、3所示，包括内部复合材料拓扑管路2、外部复合材料壳体1和在内部复合材料拓扑管路和外部复合材料壳体之间的维型芯材3。内部管路管壁厚度为2mm，外壳体壁厚分为1mm和3mm两个厚度区域，管道主体内径分为Φ76mm和Φ62mm两种规格，主体长度约584mm。
具体制备过程如图4所示，通过以下步骤实现：
1、单个管路可溶性芯模
将可溶芯原材料混合物分别放置在单管可溶芯成型模中和双管可溶芯成型模中，在170～200℃下加热1～2小时，芯模树脂混合物在模具中熔化定型，冷却脱模得到单、双管可溶性芯模。
2、单个管路橡胶软模
将步骤1得到的单、双管可溶芯模放置到单、双管橡胶成型模内，橡胶模厚度设计为6mm,橡胶外型面应比管道主体内径小0.7mm，采用硫化液体硅橡胶浇注成型，橡胶硫化完全后脱模得到单、双管橡胶芯模。
3、内部复合材料拓扑管路预制体
1)单、双管预制体成型
采用T700/8522高温环氧的平纹碳布预浸料铺层，预浸料单层厚度为0.2mm，固化温度为180℃。将预浸料剪裁为宽度约(5～10)mm的窄条，在橡胶芯模上随形进行连续缠绕，在厚度方向上，相邻两条窄带应采用对接方式铺层，不同层之间对接缝应错开(20～30)mm。相同层在局部弯角处可采用搭接层叠的方式，确保橡胶芯模所有表面均布满预浸料，按此缠绕工艺在距离扁口边缘45mm以内铺覆5层预浸料，在其它区域铺覆8层预浸料。
完成铺层的单、双管装入单、双管成型模中，将装配好的模具放入压机上，在模具温度为(50～80)℃之间梯度加压，直至合模间隙为(0.08～0.1)mm，模具升温至140℃时保温保压2小时，实现单、双管预制体成型。
4、内部复合材料拓扑管路预制体
将半固化成型的单、双管预制体从金属阴模中取出，在距离扁口边缘45mm区域内铺覆3层预浸料，将完成铺覆的区域上箍，再将其放入内部复合材料拓扑管路预制体成型模中，将装配好的模具外表面依次包裹无孔膜、透气毡、真空袋，并通过密封胶条粘紧保证气密性，采用真空袋压半固化成型。将模具放入烘箱中，升温至140℃，保温(2～3)小时。室温下脱模，取出内部复合材料拓扑管路预制体。
5、成型维型芯材
将步骤4中的内部复合材料拓扑管路预制体放置在成型维型芯材金属阴模中，采用原位发泡技术成型维型芯材。
具体制备流程为：各组分按配比称量聚醚303、三乙醇胺、蒸馏水、硅油和PAPI组分，充分混合均匀后注射到维型芯材成型模中，至模具下中上排气口依次有泡沫溢出时，关闭排气阀门。将模具放入烘箱中，升温至140℃，保温(2～3)小时。室温下脱模，得到总重760g的维型芯材。
6、整体成型
在维型芯材外表面包覆预浸料至外部壳体的设计壁厚，分为1mm和3mm两个厚度区域。将完成铺覆的外壳体整体装入金属阴模中。将装配好的模具放入压机上，在模具温度为(50～80)℃之间梯度加压，直至合模间隙为(0.08～0.1)mm，模具升温至140℃时,保温保压2小时；模具升温至180℃时保温保压2小时。
7、除去芯模，得到相互嵌套复杂拓扑管路。
模具冷却至室温时，从金属阴模中取出已固化的相互嵌套复杂拓扑管路，将其放入80℃的热水中浸泡，直至可溶芯模溶解，再去除橡胶芯模，得到相互嵌套复杂拓扑管路。
本发明实施方式中，以如图2、3所示结构为例，其他具有类似结构的相互嵌套复杂拓扑管路类结构可通过本发明提供的步骤和思路，通过常规工艺调整即可得到。具体步骤中预压半固化、整体固化、预浸料制备等工艺，本领域技术根据实际生产需要进行选择和确定。
本发明未详细说明部分为本领域技术人员公知技术。

Claims (6)

1.一种相互嵌套复杂拓扑管路类结构，其特征在于：包括内部复合材料拓扑管路、外部复合材料壳体和在内部复合材料拓扑管路与外部复合材料壳体之间的维型芯材，
所述的维型芯材在预制成型的相互嵌套的内部复合材料拓扑管路外原位发泡，外部复合材料壳体的预浸料包覆在维型芯材外，相互嵌套的内部复合材料拓扑管路和外部复合材料壳体共同固化成型。
2.一种相互嵌套复杂拓扑管路类结构整体成型方法，其特征在于，所述的相互嵌套复杂拓扑管路类结构包括内部复合材料拓扑管路、维型芯材和外部复合材料壳体，整体成型通过以下步骤实现：
第一步，内部复合材料拓扑管路预制件制备；
第二步，制备维型芯材，
将第一步制备的内部复合材料拓扑管路预制件放入维型芯材成型阴模中，将维型芯材的发泡原材料混合后注入维型芯材成型阴模的型腔内，发泡得到维型芯材；
第三步，在第二步发泡得到的维型芯材外表面包覆预浸料、预压，在维型芯材外得到外部复合材料壳体预制体，整体固化。
3.根据权利要求2所述的一种相互嵌套复杂拓扑管路类结构整体成型方法，其特征在于：所述第一步通过以下实现，
A1.1、制备内部复合材料拓扑管路中每个管路的可溶性芯模；
A1.2、根据步骤A1.1制备得到的可溶性芯模外，制备每一个管路的橡胶膨胀芯模；
A1.3、制备预浸料；
A1.4、将步骤A1.3制备的预浸料包覆在步骤A1.2制备的橡胶膨胀芯模外，得到每个管路的预制件坯体；
A1.5、对步骤A1.4得到的每个管路预制件坯体进行预压，得到每个管路的预制件；
A1.6、将步骤A1.5得到的每个管路的预制件在连接处包覆预浸料，得到内部复合材料拓扑管路的预制件坯体，对预制件坯体进行预压，得到内部复合材料拓扑管路预制件。
4.根据权利要求2所述的一种相互嵌套复杂拓扑管路类结构整体成型方法，其特征在于：所述第二步中维型芯材的成型阴模形状与外部复合材料壳体形状一致，成型后的维型芯材作为外部复合材料壳体的芯模。
5.根据权利要求3所述的一种相互嵌套复杂拓扑管路类结构整体成型方法，其特征在于：所述步骤A1.2中橡胶模厚度控制在5～7mm,橡胶外型面应比管路主体内径小0.5～0.7mm。
6.根据权利要求3所述的一种相互嵌套复杂拓扑管路类结构整体成型方法，其特征在于：所述步骤A1.4中将预浸料剪裁为宽度5～10mm的窄条，在橡胶膨胀芯模上随形进行连续缠绕，在厚度方向上，相邻两条窄带采用对接方式铺层，不同层之间对接缝应错开20～30mm，相同层在局部弯角处采用搭接层叠的方式，确保橡胶膨胀芯模所有表面均布满预浸料。
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