CN109703067A - 一种短切纤维自动化成型方法 - Google Patents
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Abstract
一种短切纤维自动化成型方法，具体包括如下步骤，（1）纤维由全自动机器人从纤维纱锭中导出切成指定长度短切纤维段，在铺设过程中短切纤维和一定量的粘结剂混合，然后铺设在模具上；（2）粘结剂固化，在一定温度和压力下粘结剂固化并与短切纤维粘附在一起，固化结束后短切纤维从原来的散状成为具有指定形状的压片预制体，为树脂传递模塑成型作准备；（3）装模，树脂加压注入，固化和脱模，制备得到指定的复合材料制品。本发明使用全自动机器人将连续纤维按照指定程序自动、快速、精准地切割成为指定尺寸的短切纤维，与粘结剂同时定向喷射到制品模具上，并注入树脂生产复合材料结构件。
Description
技术领域
本发明涉及短切纤维制备复合材料技术领域，尤其涉及一种短切碳纤维自动化成型制备复合材料的技术，具体涉及一种短切纤维自动化成型方法。
背景技术
碳纤维增强树脂基复合材料由于其良好的性能、较低的密度、优异的可设计性，在建筑、生活用品、汽车、船舶、风电等领域的应用越来越广泛。这其中，短切碳纤维是碳纤维增强树脂基复合材料的重要原材料，因其具有的极低成本、快速成型、匹配性好等突出特点，近年来迅猛发展，应用范围极为广阔。同时，也推进了短切碳纤维复合材料成型技术的快速发展。
当前，中国国内复合材料低成本成型技术与世界先进水平还存在着很大的差距，重点体现在预成型体的制备开发方面。为了缩短与世界先进水平的差距，须进一步发展复合材料低成本成型技术。
因此解决这一类的问题显得尤为重要，此技术是在对碳纤维上浆过程中予以考虑并解决的问题。
发明内容
本发明旨在提供一种短切碳纤维自动化成型制备复合材料的技术，具体提供一种短切碳纤维自动化成型方法。通过高效、低成本的预制体制备技术，将连续纤维自动、快速、精准地切割成为指定尺寸的短切纤维，与粘结剂同时定向喷射到制品模具上，并注入树脂生产复合材料结构件。
本发明的技术解决方案是：一种短切纤维自动化成型方法，具体包括如下步骤，
（1）纤维由全自动机器人从纤维纱锭中导出切成指定长度短切纤维段，在铺设过程中短切纤维和一定量的粘结剂混合，然后铺设在模具上；
（2）粘结剂固化，在一定温度和压力下粘结剂固化并与短切纤维粘附在一起，固化结束后短切纤维从原来的散状成为具有指定形状的压片预制体，为树脂传递模塑成型作准备；
（3）装模，树脂加压注入，固化和脱模，制备得到指定的复合材料制品。
本发明的进一步改进在于：所述纤维为碳纤维。
本发明的进一步改进在于：步骤（1）中，全自动机器人将纤维抽出后自动、快速、精准地切割成指定长度的短切纤维段，长度范围1mm-100mm。
本发明的进一步改进在于：步骤（2）中所述粘结剂为环氧树脂，其占预成型体的质量分数为1%-15%，固化温度为80℃-125℃，固化压力0.1bar-1.0bar。
本发明的进一步改进在于：步骤（2）中通过控制预制体的厚度和大小满足复合材料成型件的厚度和大小设计值，使板材具有较高的力学性能。
本发明的进一步改进在于：步骤（3）中，树脂传递模塑成型的生产工艺参数如下，使用树脂为环氧树脂，树脂注入压力为4bar～9.5 bar，质量含量为30%～60%，脱模固化温度为50℃-100℃，脱模固化时间为3-7h，相框模具厚度(成型板厚度)为2.0mm-6.0mm。
本发明的突出特点在于：短切碳纤维复合材料成型技术在提高生产效率、降低生产成本等方面，相对连续碳纤维复合材料成型技术具有生产周期短、成型快速、原材料利用率高等特点。本发明使用全自动机器人将连续纤维按照指定程序自动、快速、精准地切割成为指定尺寸的短切纤维，与粘结剂同时定向喷射到制品模具上，并注入树脂生产复合材料结构件。通过全自动机器人的预成型工艺，可快速、高效的完成预制体的制备，突破短切碳纤维复合材料结构件成型技术瓶颈，将此项技术推广到汽车、模具等应用领域，可有效提高生产效率、降低生产成本及产品轻量化。
附图说明
图1为本发明的工作原理示意图；
图2为加热加压后的预成型体；
图3为树脂传递模塑成型板；
其中，1-纤维锭，2-碳纤维，3-基座，4-模具。
具体实施方式
为了加深对本发明的理解，下面将结合附图和实施例对本发明做进一步详细描述，该实施例仅用于解释本发明，并不对本发明的保护范围构成限定。
本实施例提供一种短切纤维自动化成型方法，具体包括如下步骤，
（1）纤维由全自动机器人从纤维纱锭中导出切成指定长度短切纤维段，在铺设过程中短切纤维和一定量的粘结剂混合，然后铺设在模具上；
（2）粘结剂固化，在一定温度和压力下粘结剂固化并与短切纤维粘附在一起，固化结束后短切纤维从原来的散状成为具有指定形状的压片预制体，为树脂传递模塑成型作准备；
（3）装模，树脂加压注入，固化和脱模，制备得到指定的复合材料制品。
其中所述纤维为碳纤维，步骤（1）中，全自动机器人将纤维抽出后自动、快速、精准地切割成指定长度的短切纤维段，长度范围1mm-100mm；步骤（2）中所述粘结剂为环氧树脂，其占预成型体的质量分数为1%-15%，固化温度为80℃-125℃，固化压力0.1bar-1.0bar；步骤（2）中通过控制预制体的厚度和大小满足复合材料成型件的厚度和大小设计值，使板材具有较高的力学性能；步骤（3）中，树脂传递模塑成型的生产工艺参数如下，使用树脂为环氧树脂，树脂注入压力为4bar～9.5 bar，质量含量为30%～60%，脱模固化温度为50℃-100℃，脱模固化时间为3-7h，相框模具厚度(成型板厚度)为2.0mm-6.0mm。
具体操作过程如下：
在预成型模具上先用丙酮擦拭干净后涂上脱模材料。如图1所示，HF10-12K碳纤维原料被机器人从纤维桶中抽出切成统一长度为45mm短切纤维段，在铺设过程中短切纤维会和质量分数为3%的粘结剂混合后均匀铺覆在预成型模具上，短切纤维铺设层数为16层。
在105℃温度，1.0bar压力下，粘结剂固化并粘合短切纤维，固化结束后短切纤维会从原来的散状成为具有指定形状的压片预制体，为接下来树脂传递模塑成型作准备。图2为加热加压后的预成型体。
组装模具，树脂注入孔和注入螺栓都进行脱模剂的涂抹，橡胶密封条装入模具中，安装好所有的注入螺栓，注入管和阀门。在模具中放入裁剪好的预成型片，闭合模具。控制相框模具厚度为4.0mm。用加热板把模具整体加热到40℃以保持更好的树脂粘度，在树脂注入孔出安装压力表进行密闭性检验。将已备好的树脂体系进行真空脱泡5分钟。
把树脂放入压力罐中，先不开始树脂注入。先把在树脂流出端的真空泵打开让模具中形成真空环境，并且真空泵需要在整个树脂注入过程中工作，去除多余树脂中多余的气泡。打开树脂注入端的阀门，先让树脂利用真空环境缓慢流入模具，10分钟之后开始慢慢给压力罐加压，利用压力让树脂更加顺畅的浸入预成型片中，整个过程控制在10分钟左右，最终让整个系统达到6.0 bar压力。保证树脂从所有的树脂流出孔都有流出并且不再有任何的气泡从流出孔出现，先关闭树脂流出端阀门，但让高压树脂继续流入模具保证让整个模具都处在6.0 bar压力，然后关闭树脂注入端阀门。模具在树脂固化过程中可以一直保持6.0 bar压力，并且给模具加温到70℃使树脂固化。固化时间为5小时，固化后打开模具，取出已经成型树脂传递模塑成型板。图3为树脂传递模塑成型板。
对树脂传递模塑成型板进力学性能测试，其板材厚度为3.76mm，拉伸强度389.33MPa，拉伸模量474.46GPa，弯曲强度523.16MPa，弯曲模量39.22GPa。
本实施例所述的粘结剂为环氧树脂类粘结剂，所用树脂为低温慢速固化环氧树脂。
本实施例制备过程所述包括模具表面处理、预制体制备、树脂传递模塑成型、固化成型、脱模、材料力学性能测试。
本实施例优异效果在于：碳纤维复合材料具有高的强度，比模量和低的重量，具有优异的抗老化性能，耐腐蚀性和耐候性，具有良好的抗疲劳性，同时具有低的导热系数，解决了传统金属风道重量大，耐疲劳性差等缺点。本实施例引进全自动机器人预成型工艺，可自动高效、批量进行预制体的制备，从而减少工作时间。树脂传递模塑成型工艺制作的成型板材具有较高的力学性能，将此项技术推广到汽车等应用领域，可有效提高生产效率及使产品轻量化。
本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (6)
1.一种短切纤维自动化成型方法，其特征在于：具体包括如下步骤，
（1）纤维由全自动机器人从纤维纱锭中导出切成指定长度短切纤维段，在铺设过程中短切纤维和一定量的粘结剂混合，然后铺设在模具上；
（2）粘结剂固化，在一定温度和压力下粘结剂固化并与短切纤维粘附在一起，固化结束后短切纤维从原来的散状成为具有指定形状的压片预制体，为树脂传递模塑成型作准备；
（3）装模，树脂加压注入，固化和脱模，制备得到指定的复合材料制品。
2.如权利要求1所述的一种短切纤维自动化成型方法，其特征在于：所述纤维为碳纤维。
3.如权利要求1所述的一种短切纤维自动化成型方法，其特征在于：步骤（1）中，全自动机器人将纤维抽出后自动、快速、精准地切割成指定长度的短切纤维段，长度范围1mm-100mm。
4.如权利要求1所述的一种短切纤维自动化成型方法，其特征在于：步骤（2）中所述粘结剂为环氧树脂，其占预成型体的质量分数为1%-15%，固化温度为80℃-125℃，固化压力0.1bar-1.0bar。
5.如权利要求1所述的一种短切纤维自动化成型方法，其特征在于：步骤（2）中通过控制预制体的厚度和大小满足复合材料成型件的厚度和大小设计值，使板材具有较高的力学性能。
6.如权利要求1所述的一种短切纤维自动化成型方法，其特征在于：步骤（3）中，树脂传递模塑成型的生产工艺参数如下，使用树脂为环氧树脂，树脂注入压力为4bar～9.5 bar，质量含量为30%～60%，脱模固化温度为50℃-100℃，脱模固化时间为3-7h，其中相框模具厚度(成型板厚度)为2.0mm-6.0mm。
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