CN108673915B - 气体膨胀成型模具 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种气体膨胀成型模具，该模具具有模腔，模腔内设有推板，所述推板将所述模腔分为包括第一腔体和第二腔体，所述第一腔体上设有开口，采用所述模具成型产品时：第一腔体中还充满膨胀材料流体，且此时所述第一腔体的开口处于密封状态，其中，膨胀材料流体通过将包括反应物、水和硬化组分混合得到，且通过所述膨胀材料流体中的反应物进行化学反应产生气体使得所述硬化组分与水反应生成的基体膨胀进而推动所述推板对原材料施加压力并成型，且成型结束后，膨胀材料流体形成可破坏芯模。该模具能够解决现有技术中采用橡胶模具制备产品时不利于降低复合材料的制造成本以及采用溶芯模具时应用条件和环境受限等技术问题。

Description

气体膨胀成型模具

技术领域

本发明涉及复合材料制造技术领域，尤其涉及一种气体膨胀成型模具，用于复合材料的制造。

背景技术

纤维增强热固性复合材料是一种航天航空领域常用的材料，用量多少已经成为衡量是否设计制造先进、是否具有高技术含量及全系统是否具有优势的一个标准，已成为设计师争相采用的先进材料之一。然而，随着结构轻量化、低成本化的进程，要求设计师把各个部件集成或整体一次成型，以降低紧固件、胶接件的用量及缩短后续的加工工序和装配工序，这致使复合材料构件的结构更复杂、技术要求更高、制造难度更大。

在诸多结构件中，有一类是半封闭腔体结构，属于树脂基复合材料难以制备的结构。通常情况下，使用的工艺是橡胶模或溶芯模辅助成型，其中：

1)采用橡胶模具：橡胶模具作为芯材料，是一种常用的方法，其基本流程是将橡胶浇注到专有模具内硫化成一橡胶模芯，在橡胶模具上铺放预浸料，而后随着温度的升高，橡胶膨胀后给预制件一个成型压力。该方法需要专门的模具和专有的步骤成型橡胶模具，不利于降低复合材料的制造成本。

2)采用溶芯模具：溶芯模具是将可溶性材料成型坯料，而后将坯料机械加工成预想的形状，再用作芯材铺放预制件。然而该芯材不能实现膨胀功能，仅起到一个维形、易脱模的作用，不能实现侧向加压的功能，应用条件和环境受到限制。

发明内容

本发明提供了一种气体膨胀成型模具，能够解决现有技术中采用橡胶模具制备产品时不利于降低复合材料的制造成本以及采用溶芯模具时应用条件和环境受限等技术问题。

本发明技术解决方案：

本发明提供一种气体膨胀成型模具，所述模具具有模腔，模腔内设有推板，所述推板将所述模腔分为包括第一腔体和第二腔体，所述第一腔体上设有开口，采用所述模具成型产品时：

所述模具内还设置有原材料；第一腔体中还充满膨胀材料流体，且此时所述第一腔体的开口处于密封状态，其中，膨胀材料流体通过将包括反应物、水和硬化组分混合得到，且通过所述膨胀材料流体中的反应物进行化学反应产生气体使得所述硬化组分与水反应生成的基体膨胀进而推动所述推板对原材料施加压力并成型，且成型结束后，膨胀材料流体形成可破坏芯模。

进一步地，推板用作阴模部分或阳模部分。

进一步地，推板用作阴模部分时，模具还包括阳模芯，阳模芯设置在第二腔体中，且在推板和所述阳模芯之间成型所述原材料。

进一步地，推板用作阳模部分时，第二腔体置于所述第一腔体的外侧，且在推板和第二腔体的内壁之间成型所述原材料。

进一步地，推板为多个，用于对产品进行分段单独控制成型。

进一步地，当推板为多个时，所述的第一腔体至少为一个。

进一步地，推板为侧推板，用于对原材料成型时进行侧向加压。

进一步地，第一腔体还进行密封处理或第一腔体的内壁上内布设有与内壁随形的弹性内衬，构成弹性内衬型腔；膨胀流体材料充满经密封处理后的第一腔体或弹性内衬型腔。

进一步地，弹性内衬为橡胶内衬；反应物为轻金属和酸；硬化组分为石膏。

进一步地，模具内的原材料为：采用树脂基预浸料为原材料并将所述树脂基预浸料在模具内进行铺放，或采用树脂和纤维为原材料并采用手糊、缠绕或喷射成型方式将其设置在所述模具内；其中，所述的树脂的固化温度不超过100℃。

应用本发明的技术方案，通过合理对模具进行设计，引入推板设计以及引入膨胀材料流体，利用膨胀材料流体反应膨胀进而为材料成型提供压力以实现材料成型的同时还形成了可破坏的芯模以用于维形。该模具实现了对芯模材料进行化学计量设计，从微观角度调节芯模产生压力的时机和大小，从而去除了原有膨胀材料依靠物理变化出现持续变化、压力不可控等缺点，满足复合材料制备工艺的要求；同时，采用该模具成型产品时可大幅度缩短工艺流程，将芯模制造工序与原材料成型同时进行，避免了采用传统橡胶模具成型制品时所涉及的机械加工和预成型等步骤，也取消了必须的预制工装，从而降低了工艺难度、缩短了成型周期和制造成本。此外，采用本发明的模具在原材料成型的同时能够实现对材料维形、侧向加压功能，且通过将化学计量的方法引入模具成型产品中，为复合材料高精度尺寸、含复杂结构特征部分的纤维取向控制及功能特征保持等方面的精确控制提供了一个新方向，也为低成本的复合材料制件的制备提供了一个新途径。

附图说明

所包括的附图用来提供对本发明实施例的进一步的理解，其构成了说明书的一部分，用于例示本发明的实施例，并与文字描述一起来阐释本发明的原理。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1示出了根据本发明的具体实施例提供的气体膨胀成型模具的部分结构示意图；

图2示出了根据本发明的具体实施例提供的制备桶状制品所用模具结构示意图；

图3示出了根据本发明的具体实施例提供的所制备的桶状产品示意图；

图4示出了根据本发明的具体实施例提供的制备盒形制品所用模具结构示意图；

图5示出了根据本发明的具体实施例提供的制备盒形制品所用模具结构俯视图示意图；

图6示出了根据本发明的具体实施例提供的所制备的盒型产品示意图；

其中，上述附图包括以下附图标记：

1、模具；2、弹性内衬；3、开口；4、推板；5、盖板；6、第一腔体；7、第二腔体；8、阳模芯。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

以下对采用该模具成型产品的过程进行说明。

根据本发明的具体实施例提供了一种气体膨胀成型方法，通过以下步骤实现：

步骤1、根据产品形状在模具的模腔内设置推板，其中，所述推板将所述模腔分为包括第一腔体和第二腔体，所述第一腔体上设有开口；

步骤2、在模具内设置原材料；

步骤3、制备膨胀材料流体，所述膨胀材料流体通过将包括反应物和硬化组分的原料以及水混合得到；

步骤4、将所述膨胀材料流体快速灌注到上述第一腔体中并充满整个腔体，然后密封所述第一腔体的开口以形成封闭的第一腔体，通过所述膨胀材料流体中的反应物进行化学反应产生气体使得所述硬化组分与水反应生成的基体膨胀进而推动所述推板对原材料施加压力并成型，且成型结束后，所述膨胀材料流体形成可破坏芯模；

步骤5、打开第一腔体，破坏所述芯模，然后脱模。

应用本发明实施例提供的模具成型产品时，利用膨胀材料流体在硬化反应前是粘度低的液态，便于各种复杂型腔的灌注；而后又通过硬化过程与模具侧壁存在较大的摩擦力，以保持维形；同时反应物内部发生氧化还原反应，产生大量的气体导致体积膨胀，产生一种向外的推力，给原材料提供成型压力；当材料成型结束，可以首先打开第一腔体，用外力打碎芯模，顺利实现复杂结构脱模。

在本发明中，为了保证膨胀材料流体在第一腔体中的密封性以及用于防止液态的膨胀材料流体污染原材料，所述第一腔体还作密封处理，更优选的，所述第一腔体的内壁上内布设有与所述内壁随形的弹性内衬，构成弹性内衬型腔，所述膨胀材料流体灌注到所述弹性内衬型腔中。

进一步地，在本发明中，作为一项特别之处，所述模具中的可破坏芯模是利用粘度低的可膨胀流体材料直接浇铸成的一个芯模形状，且该芯模为一刚性、易碎的芯材。

进一步地，作为本发明一种具体实施例，所述的反应物为轻金属和酸；所述的硬化组分为石膏，且所述的石膏在水的作用下发生水和硬化生成所述的基体。

具体而言，一方面，所述的轻金属和酸作为气体产生的主体材料，两者发生氧化还原反应产生氢气；另一方面，使用的膨胀主体材料为石膏，其在水的作用下发生水和硬化反应进行硬化，保持芯模的外形，包覆产生的气体，并在内部气体的作用下进行膨胀。从机理上来讲上述两方面属于化学反应与物理反应相互作用，由于膨胀材料流体为多组分混合物，可以通过化学方程式获得较为准确的整产生气体的多少、合适产气等重要信息，此外，由于石膏的膨胀系数相对偏小，在此忽略石膏的体积膨胀量。

作为一种实施例，所述的轻金属选自颗粒状的铝、镁、锌中的任意一种，且其粒径不超过0.5mm；

作为一种实施例，所述的酸以水溶液的形式出现，可以是弱酸或稀释后的强酸溶液，例如质量分数不高于50％的硫酸溶液或质量分数不高于15％的盐酸溶液或质量分数不高于15％的乙酸。

作为具体实施例，以轻金属和酸具体反应式举例说明，例如，轻金属为铝，酸为质量分数不高于15％的盐酸溶液，它们的化学反应式如下：

2Al+6HCl＝2AlCl₃+3H₂；

根据理想气体方程△PV＝nRT(△P为预计的增加压力，V为预留的工艺余量，n为产生气体的物质的量，R为常数，T成型时的温度)可以计算预计的预留的工艺余量和预计压力的大小，以实现压力的精确控制。

作为优选，为了提高所述可破坏芯模的强度，所述的膨胀材料流体还包括水泥。

更优选的，在加入水泥的同时，为了控制水泥的硬化速度，所述膨胀材料流体中还加入缓凝剂和减水剂。

进一步地，对于膨胀材料流体中各组分含量的确定，对于轻金属和酸的含量可依据轻金属和酸的种类以及所需成型压力的大小来调整选取轻金属和酸的含量，对于石膏和水的含量，可依据第一腔体的体积大小(弹性内衬忽略)来选取石膏和水的含量，使得膨胀材料流体充满型腔，其中，石膏为主体材料，其在膨胀材料流体中所占比例要超过10％，其和水的比例可以为：比例为(1～8)：(0.5～8)。

本领域技术人员应当理解，在给定所需成型压力，第一腔体体积大小的基础上，本领域技术人员可以根据其具有的基础知识来确定上述各组分含量。

进一步地，作为优选，所述的膨胀材料流体在快速灌注到所述弹性内衬中的同时，还辅助有超声波或机械震动以使所述膨胀材料充满整个弹性内衬型腔，灌注完毕后再持续震动5min至30min，之后密封所述第一腔体的开口。

应用上述化学计量方式，改变原有传统的方法仅通过经验公式和工艺试错得到的不确定压力大小和估算的给压时间；同时也可以根据工艺要求进行调整各组分比例，满足工艺要求。

进一步地，作为一种具体实施例，所述在模具内设置原材料具体为：采用树脂基预浸料为原材料并将所述树脂基预浸料在模具内进行铺放，或采用树脂和纤维为原材料并采用手糊、缠绕或喷射成型方式将其设置在所述模具内。

具体地，所述的推板可以用作阴模部分或阳模部分，用作阴模部分时，如图4-5所示，成型产品盒状产品的外表面，所述的模具还包括阳模芯，所述的阳模芯设置在所述第二腔体中，且在所述推板和所述阳模芯之间成型所述原材料；用作阳模部分，如图2-3所示，成型筒状产品的内表面，所述的第二腔体置于所述第一腔体的外侧，且在所述推板和所述第二腔体的内壁之间成型所述原材料。而对于上述原材料，可以设置在推板上或阳模芯上等。

进一步地，在本发明中，所述原材料在压力作用下成型时，同时还按照固化制度要求对所述原材料进行固化成型，固化制度在膨胀材料流体灌注完成后(密封开口)进行，具体的固化制度可根据实际需要进行选取，可以是常温或升温固化，此为本领域常规技术手段。此外，对于在未灌注到第一腔体之前该膨胀材料流体组分可能进行的反应(快速灌注)，在此可以忽略不计。

进一步地，作为本发明一项重要之处，所述的树脂的固化温度不超过100℃，这样设置的原因在于：石膏是膨胀材料流体的主要组分，石膏在水的作用下发生水合硬化，保持芯模的外形、包覆产生的气体，若温度超过100℃，硬化的石膏脱出结晶水，硬度变小，水也是反应的主要部分，若温度超过100℃，液态水气化，不利于反应进行。

进一步地，如图1-6所示，对上述气体膨胀成型方法所使用的模具1进行说明，所述模具1具有模腔，其特征在于，所述模腔内设有推板4，所述推板4将所述模腔分为包括第一腔体6和第二腔体7，所述第一腔体6上设有开口3，以及所述第一腔体6的内壁上内布设有与所述内壁随形的弹性内衬2，构成弹性内衬型腔；采用所述模具1成型产品时：

所述弹性内衬型腔中还充满膨胀材料流体，且此时所述第一腔体6上的开口3处于密封状态，其中，所述膨胀材料流体通过将反应物、水和硬化组分混合得到，且通过所述膨胀材料流体中的反应物进行化学反应产生气体使得所述硬化组分膨胀进而推动所述推板4对模具内的原材料施加压力并成型，且成型结束后，所述膨胀材料流体形成可破坏芯模。

作为本发明一种实施例，如图4-5所示，所述的推板4用作阴模部分，如图6所示，用于成型盒状产品的外表面，所述的推板4将模具1的模腔分为第一腔体6和第二腔体7，且同时，所述的模具1还包括阳模芯8，所述的阳模芯8设置在所述第二腔体7中，用于成型盒状产品的外表面，也即在所述推板4和所述阳模芯8之间成型所述原材料。

具体的，为了成型如图6所示的盒状产品，所述的盒状产品为半封闭结构，具体为由互相垂直的四部分组成的两端开口的半封闭结构，为了成型该盒状产品的每一部分，采用四个推板4进行成型，将所述的推板4施加压力的一面基于盒状产品的外表面进行设计，每一个所述的推板4均为侧推板，所述的四个推板4将模腔分为四个第一腔体6和一个第二腔体7，阳模芯8设置在第二腔体7中，且每一个所述的第一腔体6上均设有开口3，为了便于模具1(分瓣模具)更好定位和拆除，所述的模具1上下两端设置有盖板5，成型原材料时，每一个所述的第一腔体6中均充满膨胀材料流体，在膨胀材料流体作用下，所述的四个推板4用于对产品进行分段单独控制成型，对原材料成型时进行侧向加压，成型产品。

作为本发明一种具体实施例，如图2所示，所述的推板4用作阳模部分，用于成型如图3所示的圆筒状产品，所述的推板4将模腔分为第一腔体6和第一腔体7，第二腔体7置于所述第一腔体6的外侧，且所述第一腔体6具有一个开口3，且在所述推板4和所述第二腔体7的内壁之间成型所述原材料，同样的，所述的推板4作为侧推板，用于侧向加压，且为了便于模具1更好定位和拆除，所述的模具1上下两端设置有盖板5。

具体的，为了成型如图3所示的筒状产品，所述的筒状产品为两端开口的空心圆柱体，此时，将所述的推板4施加压力的一面基于筒状产品的内表面进行设计，所述的推板4为侧推板，所述的推板4将模腔分为第一腔体6和一个第二腔体7，为了便于推板4自身的成型，所述的推板4可以进行分块设计，最终将分块部分组装呈所述的推板4，此时，所述的第二腔体7置于所述第一腔体6的外侧，成型原材料时，所述的第一腔体6中充满膨胀材料流体，在膨胀材料流体作用下，所述的推板4用于对原材料成型时进行侧向加压，成型产品。

作为本发明一种实施例，为了保证膨胀材料流体在第一腔体6中的密封性以及用于防止液态的膨胀材料流体污染原材料，在所述第一腔体6中设置弹性内衬2，所述的弹性内衬2优选为橡胶内衬，或者，也可以使用橡胶密封第一腔体，最终形成一个除浇注口(开口)外的封闭型腔。

具体的，所述的橡胶内衬的材料可以选择天然橡胶、硅橡胶、三元乙丙橡胶、丁腈橡胶、氯丁橡胶等，并且橡胶内衬可以制备成是一个仅有膨胀材料浇注口密封橡胶袋。

下面以两个具体实施例对采用本发明模具成型产品的方法进行详细说明：

实施例1

如图2-3所示，使用手糊工艺+加压形式制备桶状复合材料壳体。

1)原材料预制件制备，使用玻璃纤维和室温环氧树脂按照设计要求的层数和结构要求糊制产品预成型制件；

2)膨胀材料流体制备，将铝、质量分数为10％的盐酸溶液、水，石膏按照一定比例和工艺要求混合，混合时间在5min左右；

3)材料的浇注，将如图2所示的待用模具清理干净，并组装，从开口灌注膨胀材料，并以机械振动辅助；

4)芯模成型加压及树脂固化，预成型制件制备完毕后合模，控制在膨胀材料流体混合后30min开始固化，室温放置。

5)制件脱模，室温放置48h，拆除模具，得到如图3所示产品。

使用本方法后，制件的制备时间降至原来的二分之一，成本降低至原来的80％，产品合格率也有明显提高。

实施例2

如图4-5所示，使用预浸料铺放+模压形式制备复合材料盒形件。

1)原材料预制件制备，使用碳纤维预浸料按照设计要求的层数和结构要求铺放产品预成型制件；

2)膨胀材料流体制备，将铝、质量分数为40％硫酸溶液、石膏、水、减水剂、缓凝剂、水泥按照一定比例和工艺要求混合，混合时间在5min左右；

3)材料的浇注，将如图4-5所示待用模具清理干净，并组装，从开口灌注膨胀材料流体，并以机械振动辅助；

4)芯模的成型加压及树脂固化，预成型制件制备完毕后合模，放置到压机上，开始升温，温度至80℃保温30min；

5)制件脱模，固化3h后，冷却至室温，拆除模具，得到如图6所示的产品。

使用本方法后，制件的生产难度降低，效率提高一倍以上，成本降低至原来的60％，产品合格率也有明显提高。

本发明利用了膨胀材料流体粘度低的特性及灌注成型的特点，简易制备随形的芯模制件，随后或同时给复合材料预制件压力；相当于复合材料产品“一步成型”或“同步制造”，缩短了工艺制备的路径，降低了成本，为复杂结构复合材料产品的低成本制造提供了新的途径。

综上，本发明具有以下优势：

第一、本发明提供的模具对芯模材料使用了微观设计的形式，膨胀材料流体是一种混合物，含有产气、硬化等组分，通过化学计量的手段控制各成分的比例，实现控制硬化速度、产气量、产气时间等等，进而直接对应复合材料成型时何时加压、压力大小等成型参数的调整，提高了材料控制的精度；

第二、本发明使用了石膏为主体的易碎材料，材料受到外部不均衡力如撞击等很容易碎裂，呈块状脱出，降低了对产品的损伤概率；

第三、本发明改变原有传统的方法仅通过经验公式和工艺试错得到的不确定压力大小和估算的给压时间；同时，也可以根据工艺要求进行调整各组分比例，满足工艺要求；且将多步骤的模芯成型简化为一步成型的形式，也利用推板的形式约束了压力的方向性。

为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其他器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。

此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种气体膨胀成型模具，所述模具具有模腔，其特征在于，所述模腔内设有推板，所述推板将所述模腔分为包括第一腔体和第二腔体，所述第一腔体上设有开口，采用所述模具成型产品时：

所述模具内还设置有原材料； 所述第一腔体中还充满膨胀材料流体，且此时所述第一腔体的开口处于密封状态，其中，所述膨胀材料流体通过将包括反应物、水和硬化组分混合得到，且通过所述膨胀材料流体中的反应物进行化学反应产生气体使得所述硬化组分与水反应生成的基体膨胀进而推动所述推板对所述原材料施加压力并成型，且成型结束后，所述膨胀材料流体形成可破坏芯模；其中，所述的反应物为轻金属和酸；所述的硬化组分为石膏，且所述的石膏在水的作用下发生水和硬化生成所述的基体；所述的酸是弱酸或稀释后的强酸溶液；采用树脂基预浸料为原材料或采用树脂和纤维为原材料，其中树脂的固化温度不超过100℃。

2.根据权利要求1所述的一种气体膨胀成型模具，其特征在于，所述的推板用作阴模部分或阳模部分。

3.根据权利要求2所述的一种气体膨胀成型模具，其特征在于，所述的推板用作阴模部分，所述的模具还包括阳模芯，所述的阳模芯设置在所述第二腔体中，且在所述推板和所述阳模芯之间成型所述原材料。

4.根据权利要求2所述的一种气体膨胀成型模具，其特征在于，所述的推板用作阳模部分，所述的第二腔体置于所述第一腔体的外侧，且在所述推板和所述第二腔体的内壁之间成型所述原材料。

5.根据权利要求1-4任一项所述的一种气体膨胀成型模具，其特征在于，所述推板为多个，多个所述推板用于对产品进行分段单独控制成型。

6.根据权利要求5所述的一种气体膨胀成型模具，其特征在于，当所述推板为多个时，所述第一腔体至少为一个。

7.根据权利要求1-4任一项所述的一种气体膨胀成型模具，其特征在于，所述推板为侧推板，所述的推板用于对原材料成型时进行侧向加压。

8.根据权利要求1所述的一种气体膨胀成型模具，其特征在于，所述第一腔体还进行密封处理或所述第一腔体的内壁上内布设有与所述内壁随形的弹性内衬，构成弹性内衬型腔；所述膨胀材料流体充满经密封处理后的所述第一腔体或所述弹性内衬型腔。

9.根据权利要求8所述的一种气体膨胀成型模具，其特征在于，所述的弹性内衬为橡胶内衬。

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