CN109228403A - 碳纤维复合材料上边梁及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种碳纤维复合材料上边梁及其制备方法，此上边梁组成包括连续碳纤维和快速固化树脂，制备方法是采用3D编织技术制备预制体，采用HP‑RTM工艺成型为最终的上边梁部件。3D编织预制体为碳纤维和玻璃纤维混合编织而成，碳纤维作为轴向纱线，玻璃纤维作为编织纱线。HP‑RTM工艺是一种高度自动化、成型时间3‑5min的高效率复合材料成型工艺。此上边梁制造采用3D编织技术和HP‑RTM工艺相结合的工艺方案成型，高度的自动化，提高了产品的质量，达到极高的产品合格率。另外，此上边梁采用碳纤维树脂基复合材料材质，与传统金属结构相比，减重可达20％左右，同时由于碳纤维比强度、比模量高，所以可以确保上边梁的强度和刚度达到要求。

Description

碳纤维复合材料上边梁及其制备方法
技术领域
本发明是关于一种上边梁，特别是关于一种适用于各种机动车辆、电动车辆的碳纤维复合材料上边梁及其制备方法。
背景技术
目前汽车的上边梁大部分为金属结构，由冲压而成。其缺点是重量较重，不能满足汽车轻量化的需求，同时也加剧了能源的消耗。因此，在满足上边梁刚度、强度和防撞等基本性能要求的基础上，亟待对上边梁进行轻量化设计，减少能源消耗。目前采用碳纤维复合材料替代金属上边梁结构的方案较多，且已在某些车型上实际应用。
目前，碳纤维复合材料的上边梁成型方案主要采用预浸料、低压RTM等传统复合材料成型工艺。其中，预浸料工艺是采用预浸料缠绕到芯材上制备成预制体，预制体放入模具中加热固化成型。其缺点是预制体由手工缠绕而成，很难保证预制体的一致性，产品合格率很难保证；并且，成型周期较长，很难达到量产要求。
低压RTM是指由低粘度树脂在闭合金属模具中流动浸润增强材料并固化成型的一种工艺技术。其缺点是低压RTM整个操作过程自动化程度低，生产效率低下，且人员操作影响因素较大，导致产品质量均一性较差；另外，低压RTM生产节拍较长，无法满足汽车行业高效率的要求。
公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域一般技术人员所公知的现有技术。
发明内容
本发明的一个目的在于提供一种碳纤维复合材料上边梁，其能够比传统金属结构减重20％左右，可减少汽车的能源消耗。
本发明的另一目的在于提供一种碳纤维复合材料上边梁的制备方法，采用3D编织技术制造效率高，工艺稳定，能够保证产品质量。
为实现上述目的，本发明提供了一种碳纤维复合材料上边梁，其包括预制体以及树脂，树脂浸润预制体，预制体包括3D编织复合材料，以及芯材，其被所述外层包裹。
在一优选的实施方式中，三维编织复合材料为碳纤维和玻璃纤维混合编织而成，碳纤维作为轴向纱线，玻璃纤维作为编织纱线。
为实现另一目的，本发明提供了一种碳纤维复合材料上边梁的制备方法，制备方法采用HP-RTM成型工艺，制备方法包括预制体制备步骤以及注塑固化步骤。
预制体制备步骤：用碳纤维作为轴向纱线，用玻璃纤维作为编织纱线，采用3D编织工艺将轴向纱线以及编织纱线编制在芯材的外面形成预制体。注塑固化步骤包括以下步骤：步骤一：将预制体制备步骤制备的预制体放置在HP-RTM夹持平台上；步骤二：机械手抓取预制体并将其放入模具中；步骤三：控制压机合模；步骤四：注胶系统开始注射树脂；步骤五：经固化后脱模后形成碳纤维复合材料上边梁的成品，机械手抓取碳纤维复合材料上边梁的成品，并将其放置于产品输送台上；及步骤六：输送出碳纤维复合材料上边梁的成品，进行后续工序。
在一优选的实施方式中，轴向纱线的编织夹角为0°，编织纱线的编织夹角在10°-85°之间，编织速度在20-35mm/s，单层编织厚度在0.9-1.0mm之间。
在一优选的实施方式中，树脂的注射速率为10-60g/s，注射压力为2-4MPa。
在一优选的实施方式中，固化步骤的固化温度为100-150℃，固化时间为3-5min。
与现有技术相比，本发明的碳纤维复合材料上边梁及其制备方法具有以下有益效果：其制造的上边梁结构比传统金属结构减重20％左右，可减少汽车的能源消耗；其采用3D编织技术制造预制体，效率高，工艺稳定，能够保证产品质量；采用HP-RTM成型工艺，全自动化，生产效率高，可以满足量产需求。
附图说明
图1是根据本发明一实施方式的碳纤维复合材料上边梁的制备方法的工艺流程图。
图2是根据本发明一实施方式的碳纤维复合材料上边梁的制备方法的预制体的工艺成形示意图。
图3是根据本发明一实施方式的碳纤维复合材料上边梁的外形示意图。
图4是根据本发明一实施方式的碳纤维复合材料上边梁的截面示意图。
主要附图标记说明：
1-碳纤维复合材料上边梁，11-预制体，111-芯材，112-外层，12-树脂，2-机械手，3-模具，4-输送台，5-注胶系统。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。
除非另有其它明确表示，否则在整个说明书和权利要求书中，术语“包括”或其变换如“包含”或“包括有”等等将被理解为包括所陈述的元件或组成部分，而并未排除其它元件或其它组成部分。
如图1至图4所示，图1是根据本发明一实施方式的碳纤维复合材料上边梁的制备方法的工艺流程图。图2是根据本发明一实施方式的碳纤维复合材料上边梁的制备方法的预制体的工艺成形示意图。图3是根据本发明一实施方式的碳纤维复合材料上边梁的外形示意图。图4是根据本发明一实施方式的碳纤维复合材料上边梁的截面示意图。根据本发明优选实施方式的一种碳纤维复合材料上边梁1，其包括预制体11以及树脂12，树脂12包裹预制体11，预制体11包括外层112为三维编织复合材料；以及芯材111被外层112包裹。三维编织复合材料为碳纤维和玻璃纤维混合编织而成，碳纤维作为轴向纱线，玻璃纤维作为编织纱线。
如图1至图2所示，根据本发明优选实施方式的一种碳纤维复合材料上边梁的制备方法，制备方法采用HP-RTM成型工艺，制备方法包括预制体制备步骤以及注塑固化步骤。
预制体制备步骤：用碳纤维作为轴向纱线，用玻璃纤维作为编织纱线，采用3D编织工艺将轴向纱线以及编织纱线编制在芯材111的外面形成预制体11。在一些的实施方式中，碳纤维作为轴向纱线的编织夹角为0°，玻璃纤维作为编织纱线的编织夹角在10°-85°之间(编织纱角度根据载荷可在此范围内调节)，编织速度约为20-35mm/s(芯材111行进速度)，单层编织厚度在0.9-1.0mm之间(主要取决于FVC，GF与CF纱的比例)，本实施例的编织层数一般为三层，但本发明并不以此为限。
注塑固化步骤包括以下步骤：步骤一：将预制体制备步骤101制备的预制体11放置在HP-RTM夹持平台上；步骤二：机械手2抓取预制体11并将其放入模具3中；步骤三：控制压机合模；步骤四：注胶系统5开始注射树脂12；树脂12的注射速率为10-60g/s，注射压力为2-4MPa。步骤五：固化步骤的固化温度为100-150℃，固化时间为3-5min。经固化后脱模后形成碳纤维复合材料上边梁1的成品，机械手2抓取碳纤维复合材料上边梁1的成品，并将其放置于产品输送台4上；及步骤六：输送出碳纤维复合材料上边梁1的成品，进行后续工序。
综上所述，本发明的碳纤维复合材料上边梁及其制备方法与现有技术相比，具有以下优点：其制造的上边梁结构比传统金属结构减重20％左右，可减少汽车的能源消耗；其采用3D编织技术制造预制体，效率高，工艺稳定，能够保证产品质量；采用HP-RTM成型工艺，全自动化，生产效率高，可以满足量产需求。
前述对本发明的具体示例性实施方案的描述是为了说明和例证的目的。这些描述并非想将本发明限定为所公开的精确形式，并且很显然，根据上述教导，可以进行很多改变和变化。对示例性实施例进行选择和描述的目的在于解释本发明的特定原理及其实际应用，从而使得本领域的技术人员能够实现并利用本发明的各种不同的示例性实施方案以及各种不同的选择和改变。本发明的范围意在由权利要求书及其等同形式所限定。

Claims (6)

1.一种碳纤维复合材料上边梁，其特征在于，包括预制体以及树脂，所述树脂浸润所述预制体，所述预制体包括：
3D编织复合材料，以及芯材，其被所述外层包裹。
2.如权利要求1所述的碳纤维复合材料上边梁，其特征在于，所述三维编织复合材料为碳纤维和玻璃纤维混合编织而成，碳纤维作为轴向纱线，玻璃纤维作为编织纱线。
3.一种碳纤维复合材料上边梁的制备方法，其特征在于，所述制备方法采用HP-RTM成型工艺，所述制备方法包括以下步骤：
预制体制备步骤：用碳纤维作为轴向纱线，用玻璃纤维作为编织纱线，采用3D编织工艺将所述轴向纱线以及所述编织纱线编制在芯材的外面形成预制体；以及
注塑固化步骤，其包括以下步骤：
步骤一：将所述预制体制备步骤制备的所述预制体放置在HP-RTM夹持平台上；
步骤二：机械手抓取所述预制体并将其放入模具中；
步骤三：控制压机合模；
步骤四：注胶系统开始注射树脂；
步骤五：经固化后脱模后形成碳纤维复合材料上边梁的成品，所述机械手抓取所述碳纤维复合材料上边梁的成品，并将其放置于产品输送台上；以及
步骤六：输送出所述碳纤维复合材料上边梁的成品，进行后续工序。
4.如权利要求3所述的碳纤维复合材料上边梁的制备方法，其特征在于，所述轴向纱线的编织夹角为0°，所述编织纱线的编织夹角在10°-85°之间，编织速度在20-35mm/s，单层编织厚度在0.9-1.0mm之间。
5.如权利要求3所述的碳纤维复合材料上边梁的制备方法，其特征在于，所述树脂的注射速率为10-60g/s，注射压力为2-4MPa。
6.如权利要求3所述的碳纤维复合材料上边梁的制备方法，其特征在于，所述固化步骤的固化温度为100-150℃，固化时间为3-5min。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN113119502A (zh) * 2021-04-12 2021-07-16 长春长光宇航复合材料有限公司 一种复合材料曲管及制备方法

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