CN110001085B - 一种复材整流罩rtm工艺一模两腔制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种空间曲面结构的复材整流罩RTM工艺一模两腔制备方法，所述空间曲面结构复材整流罩主要由维形蒙皮、法兰边一区、腹板区和法兰边二区组成，所述RTM工艺一模两腔制备方法，采用了一模两腔成型芯模分块及流道设计，包括以下成型步骤：（1）裁剪碳纤维定型织物并标号；（2）制备整流罩预成型体；（3）将预成型体组装到相应的一模两腔模具内，继续铺贴直至完成预成型体制备，模具合模；（4）经过RTM工艺注射树脂成型固化；（5）产品脱模、切割等工序获得成品。本发明实现了半封闭空间曲面结构产品的产品顺利脱模和一模两腔成型，提高制造效率，降低成本；成型产品具有直角台阶，便于装配，且表面光洁度高、制品孔隙率低。

Description

一种复材整流罩RTM工艺一模两腔制备方法
技术领域
本发明涉及模具成型领域，尤其是涉及一种空间曲面结构的复材整流罩RTM工艺一模两腔制备方法。
背景技术
碳纤维是含碳量较高且热处理过程中不熔融的人造化学纤维，沿纤维方向表现出很高比强度，碳纤维通常与树脂等基体复合，统称为复合材料。碳纤维复合材料具有很强的可设计性，及高比强度和比模量，质轻，耐腐蚀，抗疲劳性能好等优点，广泛应用于航空航天、轨道交通、船舶等领域。
树脂传递模塑成型工艺（ResinTransfer Moulding，简称RTM）是复合材料制造的一种低成本液体闭模成型工艺，在模具上铺覆“干”的增强材料，通过组装芯模、合模后，将液态树脂在1bar-10bar的注射压力下注入到RTM成型模具中，利用正压力将树脂通过预设进出胶口和流道压入到纤维层中，让树脂与增强材料充分浸渍，最后固化成型的而得到所需的复材产品。RTM成型工艺一般用于成型复杂形状产品的结构件，可满足制造产品精度高，表观质量好，产品质量稳定等特点，一般采用一模单腔设计方式。
发明内容
本发明的目的在于提供一种空间曲面结构复材整流罩RTM工艺一模两腔制备方法，解决空间曲面结构闭角脱模困难和两个对称产品一模单腔方式成型效率问题。
本发明提供的具体技术方案如下：
本发明提供一种空间曲面结构复材整流罩RTM工艺一模两腔制备方法，模具采用芯块分块组合方式，方便产品脱模，且将其型腔分隔为两个腔室，实现一模两腔成型两个左右对称产品。该模具包括维形蒙皮、法兰边一区、腹板区和法兰边二区，采用一模两腔流道的结构，沿产品维形蒙皮一侧在其对称轴线上设置进胶流道，在其中间位置设置注胶口的方式注射，出胶流道沿其法兰边一区、腹板区、法兰边二区设置，且保持连续贯通，两个模腔的出胶口分别设计在腹板区出胶流道中间位置；
制备该模具具体包括以下步骤，
（i）裁剪碳纤维定型织物并标号：将已完成定型的碳纤维织物在自动裁剪机上裁剪出所需要的形状，并逐一编号，其中在法兰边一区和法兰边二区裁剪时，根据减层过渡区设计料片尺寸；
（ii）制备整流罩预成型体：将裁剪完成的织物在模具上进行铺贴，分别完成法兰边一区和法兰边二区设计减层过渡区铺贴后，送入烘箱设备中进行热压定型，同时完成维形蒙皮在法兰边一区的铺贴，其他位置不进行层间粘结，备用；
（iii）整流罩预成型体组装、铺贴、合模：将完成的维形蒙皮预成型体组装模具中，继续铺贴至一半时，组装法兰边二区预成型体，并进行三角区填纱，直至所有铺贴工作；然后进行模具预合模，合模后翻转模具并打开模具，将直角台阶一区和直角台阶二区处进行填纱操作，最后完成预成型体制备，模具合模；
（iv）将模具和加热至所需温度，采用RTM工艺将树脂注入模具里，待树脂充分浸润碳纤维织物，按材料固化制度进行固化成型，获得碳纤维复合材料整流罩制件。
（v）产品脱模后处理：将模具打开，脱出产品，并进行修边切割打磨，得到碳纤维复合材料整流罩成品。
本发明的进一步改进在于：进出胶流道布置时，进胶流道不能贯穿产品首尾，并在距离产品边缘50mm-120mm的位置终止，出胶流道不能延伸至产品边缘，并在距离产品边缘10mm-40mm位置终止，所述注胶口设计在模具下模上，与进胶流道中间位置对应，所述出胶口分别设计在上模左右两侧对应出胶流道中间位置。
本发明的进一步改进在于：步骤（i）中，所述碳纤维定型织物包括单向织物、平纹织物、斜纹织物和缎纹织物，且裁剪前需对纤维织物进行定型处理，在法兰边一区和法兰边二区设计减层过渡，根据减层过渡区尺寸设计该区域料片尺寸。
本发明的进一步改进在于：步骤（ii）中，所述热压定型是将预成型体在一个真空袋压下进行加热定型，热定型工艺要求真空度不低于0.85bar，温度110℃-130℃，时间30min-60min。
本发明的进一步改进在于：步骤（ii）中，制备维形蒙皮预成型体时，仅在法兰边一区进行铺贴粘结，其他位置不进行层间粘结。
本发明的进一步改进在于：步骤（iii）中，整流罩预成型体组装时，上模在下，上模设计为定位模，预制体和芯模在上模上完成组装，预合模时，将下模与上模锁紧，并实现模具翻转，合模完成后保持下模和注胶口在下，上模和出胶口在上。
本发明的进一步改进在于：步骤（iv）中，所注射树脂为热固性树脂，其基体类型为不饱和聚酯树脂、环氧树脂、乙烯基树脂、酚醛树脂或双马树脂中的一种或两种以上组合。
本发明的进一步改进在于：步骤（iv）中，所述热固性树脂在注射温度下粘度为10cps-500cps，且所述热固性树脂在工艺温度和粘度下适用时间为30min-500min。
本发明的进一步改进在于：步骤（iv）中，树脂注入模具前，需对模具进行气密性检测，要求5分钟压降不大于17mbar，所述热固性树脂进行真空脱泡，时间为5min-15min，注入模具内树脂初始流速控制在50cc/min-200cc/min，注射初始压力控制在-1bar-2bar，完成注射后保压压力为4bar-10bar，保持注射压力时间为30min-180min。
本发明的进一步改进在于：步骤（iv）中，为保证产品内部质量和外形轮廓，控制固化设备升温速率在0.1℃/min-3℃/min，降温时随模具室温自然冷却。
与现有技术相比，本发明具有如下显著的效果：
（1）本发明利用复合材料RTM成型工艺，使用相比于传统的热压罐成型，使用干织物铺贴异形曲面比预浸料铺贴要容易实现，且减少了物料的浪费和料片不必要的剪口，增强了纤维的连续性和工艺铺覆性，提高结构强度，降低了制造成本。
（2）本发明通过设计模具分块、合理布置进出胶流道等，在保证产品工艺铺覆简易的要求下，满足产品易脱模，一模两腔成型，具有效率高，产品质量稳定、低成本、适宜批产等特点。
（3）本发明实现了复材产品直角台阶的装配结合面成型，且有效减少了台阶处富树脂问题。
（4）本发明提供的一模两腔设计理念，可广泛推广应用类似对称复材结构RTM工艺成型，提高效率和产品质量稳定性。
附图说明：
图1空间曲面结构复材整流罩结构示意图
图2空间曲面结构复材整流罩结构剖视示意图
图3 模具分块及流道设计示意图
附图标记说明：
1-维形蒙皮，2-法兰边一区，3-腹板区，4-法兰边二区，5-三角区，6-直角台阶一区，7-直角台阶二区，8-出胶流道，9-出胶口。
具体实施方式
下面结合图示，详细描述本发明的优选实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似结构或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。
本实施例提供一种空间曲面结构复材整流罩RTM工艺一模两腔制备方法，其中该空间曲面结构复材整流罩，其结构组成如图1、图2所示，包括维形蒙皮（1），法兰边（1、4）和腹板区（3），其外形为空间曲面结构，产品内部半封闭，在台阶区（6、7）直角过渡，采用RTM工艺一模两腔进行工艺成型设计时，根据产品结构特点，将内部成型芯块分成五块，如图3，方便芯模组合和产品脱模，且将其型腔分隔为两个腔室，实现空间曲面结构产品一模两腔成型。
如图3所示，该空间曲面结构复材整流罩RTM成型模具采用一模两腔流道设计方案，沿产品维形蒙皮一侧在其对称轴线上设置进胶流道，在其中间位置设置注胶口，沿其法兰边一区（2）、腹板区（3）、法兰边二区（4）设置出胶流道（8），其出胶口（9）分别设计在腹板区（3）出胶流道（8）的中间位置。
如图3所示，设置进出胶流道时，其中进胶流道不能贯穿产品首尾，且在距离产品边缘80mm的位置终止，出胶流道（8）不能延伸至产品边缘，且在距离产品边缘25mm位置终止，注胶口设计在模具下模上，与进胶流道中间位置对应，出胶口分别设计在上模左右两侧对应出胶流道中间位置，采取由下向上注射树脂。
具体工艺实施时，主要包括以下步骤：
（i）预制体制备：将已完成定型的碳纤维织物在自动裁剪机上裁剪出所需要的形状，并逐一编号，在法兰边区根据减层过渡设计尺寸裁剪，制备整流罩预成型体时，分别在芯模模具上进行铺贴，分别完成法兰边一区（2）和法兰边二区（4）设计减层过渡区铺贴，送入烘箱设备中进行热压定型，其中维形蒙皮在法兰边一区（2）的铺贴，其他位置不进行层间粘结，完成铺贴后备用；
（ii）预成型体组装、铺贴、合模：将已制备的维形蒙皮（1）完成铺贴粘结的一侧装入模具，并组装相应芯模，再进行铺贴，继续铺贴至一半时，组装法兰边二区（7）预成型体，并进行三角区（5）填纱，直至所有铺贴工作；合模时先进行模具预合模，预合模时不装入密封条，锁紧螺栓后翻转模具，再打开模具，将直角台阶一区（6）和直角台阶二区（7）处进行填纱操作，最后完成预成型体制备，模具合模。
（iii）将模具和加热至所需温度，采用RTM工艺将树脂从下方注入模具内，树脂为环氧树脂，待树脂充分浸润碳纤维织物，按材料固化制度进行固化成型后，将模具打开，脱出产品，并进行修边切割打磨，得到碳纤维复合材料整流罩成品。
在步骤（i）中，为控制预制体厚度和密实程度，便于组装和提高产品纤维体积含量，采取热压定型，即在一个真空袋压下进行加热定型，热定型工艺要求真空度不低于0.85bar，温度120℃，时间45min；制备维形蒙皮预成型体时，仅在法兰边一区（2）进行铺贴粘结，其他位置不进行层间粘结：
在步骤（ii）中，为便于预制体组装，将上模设计为定位模，在预成型体组装时，上模在下，预制体和芯模在上模上完成组装，预合模时，将下模与上模锁紧，并实现模具翻转，合模完成后保持下模和注胶口在下，上模和出胶口在上，采取由下向上注射树脂。
在步骤（iii）中，控制热固性树脂的温度，保持树脂粘度为10cps-500cps，适用工艺窗口时间要求在30min-500min；树脂注入模具前，确保模具气密性满足5分钟压降不大于17mbar，并对树脂进行真空脱泡，时间为10min；注射时，控制树脂初始流速在150cc/min，初始压力在-1bar-2bar，完成注射后保压压力为6bar，保持注射压力时间为100min；且为保证产品内部质量和外形轮廓，控制固化设备升温速率在0.1℃/min-3℃/min，降温时随模具室温自然冷却。
本实施例实现了半封闭空间曲面结构产品的产品顺利脱模和一模两腔成型，提高制造效率，降低成本；同时所提供的制备方法成型产品具有直角台阶，便于装配，且表面光洁度高、制品孔隙率低、树脂含量和产品气动外形轮廓能精确控制。经检测，根据以上方法成型的复合材料整流罩，其外形容差合格率98%以上，满足气动维形要求，且厚度和重量指标满足5%的容差要求，脱模操作简易可行，一模两腔成型的方案有利于产品质量稳定性、高效率批产性。
本发明实例里的所采用的模具一模两腔设计理念，所使用的增强材料和热固性树脂及其固化剂，是本领域所属技术人员的公知常识，它所代表的是一种RTM工艺一模两腔成型创新性思路，及增强材料和热固性树脂下的各类纤维材料和各类树脂及其固化剂。
本发明的实施方式不限于此，根据本发明的上述内容，按照本领域的普通技术知识和惯用手段，在不脱离本发明上述基本技术思想前提下，本发明做出其他多种形式的修改，替换或变更，均落在本发明权利保护范围之内。

Claims (10)

1.一种空间曲面结构复材整流罩RTM工艺一模两腔制备方法，其特征在于：模具采用芯块分块组合方式，将其型腔分隔为左右两个腔室，复材整流罩包括维形蒙皮、法兰边一区、腹板区和法兰边二区，沿产品维形蒙皮一侧在其对称轴线上设置进胶流道，在其中间位置设置注胶口的方式注射，出胶流道沿其法兰边一区、腹板区、法兰边二区设置，且保持连续贯通，两个模腔的出胶口分别设计在腹板区出胶流道中间位置；
制备该模具具体包括以下步骤，
（i）裁剪碳纤维定型织物并标号：将已完成定型的碳纤维织物在自动裁剪机上裁剪出所需要的形状，并逐一编号，其中在法兰边一区和法兰边二区裁剪时，根据减层过渡区设计料片尺寸；
（ii）制备整流罩预成型体：将裁剪完成的织物在模具上进行铺贴，分别完成法兰边一区和法兰边二区设计减层过渡区铺贴后，送入烘箱设备中进行热压定型，同时完成维形蒙皮在法兰边一区的铺贴，其他位置不进行层间粘结，备用；
（iii）整流罩预成型体组装、铺贴、合模：将完成的维形蒙皮预成型体组装模具中，继续铺贴至一半时，组装法兰边二区预成型体，并进行三角区填纱，直至所有铺贴工作；然后进行模具预合模，合模后翻转模具并打开模具，将直角台阶一区和直角台阶二区处进行填纱操作，最后完成预成型体制备，模具合模；
（iv）将模具和加热至所需温度，采用RTM工艺将树脂注入模具里，待树脂充分浸润碳纤维织物，按材料固化制度进行固化成型，获得碳纤维复合材料整流罩制件；
（v）产品脱模后处理：将模具打开，脱出产品，并进行修边切割打磨，得到碳纤维复合材料整流罩成品。
2.根据权利要求1所述的一种空间曲面结构复材整流罩RTM工艺一模两腔制备方法，其特征在于：进出胶流道布置时，进胶流道不能贯穿产品首尾，并在距离产品边缘50mm-120mm的位置终止，出胶流道不能延伸至产品边缘，并在距离产品边缘10mm-40mm位置终止，所述注胶口设计在模具下模上，与进胶流道中间位置对应，所述出胶口分别设计在上模左右两侧对应出胶流道中间位置。
3.根据权利要求1所述的一种空间曲面结构复材整流罩RTM工艺一模两腔制备方法，其特征在于：步骤（i）中，所述碳纤维定型织物包括单向织物、平纹织物、斜纹织物和缎纹织物，且裁剪前需对纤维织物进行定型处理，在法兰边一区和法兰边二区设计减层过渡，根据减层过渡区尺寸设计该区域料片尺寸。
4.根据权利要求1所述的一种空间曲面结构复材整流罩RTM工艺一模两腔制备方法，其特征在于：步骤（ii）中，所述热压定型是将预成型体在一个真空袋压下进行加热定型，热定型工艺要求真空度不低于0.85bar，温度110℃-130℃，时间30min-60min。
5.根据权利要求1所述的一种空间曲面结构复材整流罩RTM工艺一模两腔制备方法，其特征在于：步骤（ii）中，制备维形蒙皮预成型体时，仅在法兰边一区进行铺贴粘结，其他位置不进行层间粘结。
6.根据权利要求1所述的一种空间曲面结构复材整流罩RTM工艺一模两腔制备方法，其特征在于：步骤（iii）中，整流罩预成型体组装时，上模在下，上模设计为定位模，预制体和芯模在上模上完成组装，预合模时，将下模与上模锁紧，并实现模具翻转，合模完成后保持下模和注胶口在下，上模和出胶口在上。
7.根据权利要求1所述的一种空间曲面结构复材整流罩RTM工艺一模两腔制备方法，其特征在于：步骤（iv）中，所注射树脂为热固性树脂，其基体类型为不饱和聚酯树脂、环氧树脂、乙烯基树脂、酚醛树脂或双马树脂中的一种或两种以上组合。
8.根据权利要求7所述的一种空间曲面结构复材整流罩RTM工艺一模两腔制备方法，其特征在于：步骤（iv）中，所述热固性树脂在注射温度下粘度为10cps-500cps，且所述热固性树脂在工艺温度和粘度下适用时间为30min-500min。
9.根据权利要求7所述的一种空间曲面结构复材整流罩RTM工艺一模两腔制备方法，其特征在于：步骤（iv）中，树脂注入模具前，需对模具进行气密性检测，要求5分钟压降不大于17mbar，所述热固性树脂进行真空脱泡，时间为5min-15min，注入模具内树脂初始流速控制在50cc/min-200cc/min，注射初始压力控制在-1bar-2bar，完成注射后保压压力为4bar-10bar，保持注射压力时间为30min-180min。
10.根据权利要求1所述的一种空间曲面结构复材整流罩RTM工艺一模两腔制备方法，其特征在于：步骤（iv）中，为保证产品内部质量和外形轮廓，控制固化设备升温速率在0.1℃/min-3℃/min，降温时随模具室温自然冷却。
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