CN110103488B - 一种风机叶片热塑性复合材料梁帽的连续模压制造工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种风机叶片热塑性复合材料梁帽的连续模压制造工艺,该制备过程为在沿梁帽的长度方向上,连续的完成热塑性预浸料的裁剪,预浸料铺层,对铺层后的预浸料进行加温预定型,模具热压成型后冷却固化脱模,最终得到成品。利用本发明的工艺方法可以连续成型得到变截面的风机叶片复合材料梁帽,梁帽纤维体积含量均一且质量稳定,梁帽的尺寸形状灵活,同时本工艺仅需通过一套模具即可完成梁帽的连续热压成型制造,不仅提高了生产效率,而且有效的降低了生产的成本,缩短了制造周期,满足市场需求的同时带来了极大的便利。

Description

一种风机叶片热塑性复合材料梁帽的连续模压制造工艺
技术领域
本发明涉及一种风机叶片热塑性复合材料梁帽的连续模压制造工艺,属于复合材料设备制造工艺技术领域。
背景技术
风能被全世界认为是目前可获得的最清洁、最具商业潜力和最具活力的可再生能源之一,复合材料风机叶片是风力发电机组捕获风能的核心部件,其性能的好坏直接影响到整个机组的运行特性和成本。
风机叶片的叶壳是由两个复合材料半壳组成的结构件,叶片在长度方向上是通过梁帽结构作为主要的承力部件,因此梁帽是风电叶片结构件中重要的部件之一,其设计和制造质量水平十分重要。
现有技术中,大型复合材料梁帽结构件的成型工艺主要有拉挤成型、液体成型和预浸料真空吸附成型等工艺。拉挤成型工艺中,增强材料通过树脂浸胶槽,固化成型,是一种具有生产不变横截面的复合材料产品的连续工艺,拉挤制品的纤维含量高,质量稳定。尽管拉挤成型工艺具备很多优势,但工艺的尺寸形状灵活性较差,对于制造大尺寸变截面的梁帽来说具有一定的局限性。液体成型方法的缺陷是纤维在铺放过程中存在效率低,铺放工艺一致性差,材料废料率高等不利因素,严重影响了制品的性能和成本。大多数叶片制造商更倾向于采用预浸料真空吸附工艺来保证大长度尺寸叶片梁帽的制备工艺效果,但是随着梁帽的厚度和宽度尺寸的逐渐增加,采用传统预浸料真空吸附工艺难以满足市场需求,其工艺效率和工艺质量也越来越难以保证。专利CN201210261878.1提出了一种改进的真空吸附工艺来制备复合材料梁帽,这一工艺可以用来有效提高大厚度尺寸梁帽的制造效率和质量,但在用于制备大宽度尺寸梁帽时仍存在工艺效率低、工艺质量风险大等消极因素。
因此,为了满足市场需求,提供一种高效的、产品质量稳定性高、重复性能好的风机叶片复合材料梁帽制造工艺,是目前亟待解决的问题。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术的上述不足,提供一种风机叶片热塑性复合材料梁帽的连续模压制造工艺,通过本发明提供的工艺方法可以连续成型得到变截面的风机叶片复合材料梁帽,梁帽纤维体积含量具有均一性且质量稳定,同时本工艺仅需通过一套模具即可完成梁帽的连续热压成型制造,不仅提高了生产效率,而且有效的降低了生产成本,缩短了制造周期,满足市场需求的同时带来了极大的便利。
本发明的上述目的主要是通过如下技术方案予以实现的:一种风机叶片热塑性复合材料梁帽的连续模压制造工艺,该工艺方法为在沿梁帽的长度方向上,连续的完成热塑性预浸料的裁剪,预浸料铺层,对铺层后的预浸料进行加温预定型,通过模具对其进行热压成型后冷却固化脱模,最终得到变截面的风机叶片复合材料梁帽完整制品。
上述的一种风机叶片热塑性复合材料梁帽的连续模压制造工艺,具体包括如下步骤:
步骤1、根据预先设计完毕的风机叶片梁帽的尺寸准备定量的热塑性预浸料线材或预浸料带;
步骤2、使用预浸料切割机对热塑性预浸料按照所需尺寸进行批量切割裁剪;
步骤3、将裁剪后的热塑性预浸料通过分段延长式的方法进行铺层放置;
步骤4、对每一段不同铺层数的预浸料通过模具进行加温预定型处理;
步骤5、将最大尺寸段的预定型后的预浸料放置在模具模腔内进行热压固化成型。
步骤6、将步骤5中热压固化成型结束后移动该成型段,将下一段预定型的预浸料以及与上一成型段的连接处一同放置在模具模腔内进行热压固化成型;
步骤7、重复上道工序,如此往复,直至得到风机叶片梁帽完整制品。
优选的,所述步骤1中热塑性预浸料选自碳纤维预浸料和玻璃纤维预浸料中的一种或两种的组合。
优选的,所述步骤2中将热塑性预浸料裁剪为梯形,这种裁剪方式的效果为可以达到梁帽宽度渐变的结构特性。
优选的,步骤3中梁帽的铺层采用碳纤维预浸料和玻璃纤维预浸料混杂铺层的方式,具体为先铺一工段进行模压成型后,再在该工段的中部或末尾端再搭接铺设下一工段预浸料进行模压,使其成为一个整体,如此往复,直至完成整个梁帽的制备。
优选的,步骤3中分段延长式的方法是在沿梁帽的长度方向上,根据梁帽的厚度渐变的特性,将裁剪后的预浸料进行分段铺层,各段梁帽的铺层数量不同,导致不同标距段的梁帽厚度发生变化,达到梁帽厚度渐变的目的。
优选的,步骤4中对每一段铺层完成后的预浸料进行加温预定型处理,加温方式选自但不限于红外加热和空气对流加热;加温温度范围为30-50度。
优选的,步骤5中预浸料放置在模具内之前,在模具内表面平整铺设与模腔等尺寸的脱模布,然后铺放预定型的预浸料,铺放工序结束后,在预浸料表面铺设一层脱模布,合模后完成热压成型前的工作。
优选的,步骤5中热压固化成型工序可以使用大型热压机或有热压功能的设备实现。
优选的,步骤5中预浸料为热塑性预浸料,在热压固化成型过程中,对成型模具升温至120-180℃,固化2-4小时。
优选的,步骤5中可以先对最大尺寸段的预定型预浸料进行热压固化成型,也可以对任意尺寸段的预浸料做热压成型处理,无顺序限制。
优选的,步骤5中热压固化成型模具的阳模和阴模的模腔尺寸按照梁帽的最大尺寸段设计,模腔平面形状与风机叶片梁帽长度方向上的平面形状相同,只需一套热压成型模具即可实现梁帽的连续成型制造。
优选的,步骤5中热压成型后可通过水、冷却系统或风冷系统等方式对模具进行降温冷却,以达到对样件固化定型的目的。
优选的,所述步骤5和步骤6中热压固化成型条件为,采用热压机,温度设定在120~180度之间,压强设置为2MPa。热压成型条件根据不同的预浸料和制件尺寸各不相同,但局限于提供的热压参数范围内,热压程序结束后从热压压板上脱模即可。
优选的,步骤6中对热压固化成型后的制品进行脱模处理,样件出模后为满足设计要求,应进行修整加工。热压结束后的修正加工过程为常规过程,一般包括对制件进行打毛刺、修边,去除制件周围的溢出树脂或纤维束。
优选的,步骤6中某一段梁帽制备完毕后,对模具的模腔进行清理,去除残留的树脂和杂物,保持模腔的干净和光滑;再在模具的模腔内铺放脱模布,将下一段预定型的预浸料以及与上一段制备的梁帽的连接处一同铺设在模具内进行模压成型加工,如此往复,实现了热塑性复合材料梁帽的连续模压制造,得到了风机叶片梁帽的完整制品。
与现有技术相比,本发明的有益效果是:
本发明与现有技术相比具有如下的有益效果:
(1)本发明的连续模压制造工艺可实现连续一体成型制造变截面尺寸的风机叶片梁帽制品,制备的梁帽尺寸形状灵活,可以达到梁帽厚度渐变、宽度渐变、展向挠度渐变的目的,厚度渐变的效果是由于每一段梁帽工段的预浸料铺层层数不同,导致梁帽的厚度发生渐变,厚度不同,则梁帽某一截面在受到外载荷作用下中心偏离轴线的距离会发生变化,展向挠度就发生了渐变;通过分段延长式的铺层方式铺层和热压工艺,使剪裁后的梯形梁帽小块结合成一个牢固的梁帽的整体,本工艺制得的梁帽纤维体积含量均一,质量稳定。
(2)本发明极大的利用了复合材料比强度比模量高、可设计性强、耐腐蚀性优良等优势,并综合了碳纤维和玻璃纤维的优点,采用碳纤维/玻璃纤维预浸料混杂铺层的方法,很大程度上提升了叶片的结构刚度和承受载荷的能力,提高了碳纤维材料的使用效率,在满足需求的同时降低了生产成本,且本工艺采用的预浸料为热塑性预浸料而非热固性,当复合材料梁帽失效损坏后,便于回收循环使用,减少了对环境的破坏。
(3)本发明所述的工艺为连续模压制造,制品为连续成型,工艺全过程仅需一套热压成型模具且2-3人即可完成复合材料梁帽的制备,工艺装备精简,操作简便,极大的缩短了制造周期,降低了工艺成本。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解,本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明,并不构成对本发明的不当限定。
图1为本发明的工艺流程图;
图2为本发明的热塑性预浸料裁剪分段图;
图3为本发明的分段延长式铺层设计示意图;
图4为本发明的分段热压成型模具图。
图中,1-热压成型模具阴模,2-密封挡板,3-脱模布,4-热压成型模具阳模,5-最大铺层预定型段。
具体实施方式
应该指出,以下详细说明都是示例性的,旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明,本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
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发明的示例性实施方式。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。
实施例1:
上述的一种风机叶片热塑性复合材料梁帽的连续模压制造工艺,具体包括如下步骤:如图1所示,
步骤1、根据预先设计完毕的风机叶片梁帽的尺寸准备定量的热塑性预浸料线材或预浸料带;
步骤2、使用预浸料切割机对热塑性预浸料按照所需尺寸进行批量切割裁剪,裁剪成表面形状为梯形的结构,裁剪形状如图2所示,图2为单个预浸料铺层的俯视图;
步骤3、将裁剪后的热塑性预浸料通过分段延长式的方法进行铺层放置;如图3所示,图3下方为同一延长线上多个预浸料铺层的俯视图,图3上方为对应的预浸料铺层的侧视图,其中中间为最大铺层预定型段,其他铺层预定型段的铺层数目逐渐减少;分段延长式的铺层方法是在沿梁帽的长度方向上,根据梁帽的厚度渐变特性,将裁剪后的预浸料进行分段铺层,某一段梁帽的铺层数量不同,则这一标距段的梁帽厚度发生变化,梁帽的铺层采用碳纤维预浸料和玻璃纤维预浸料混杂铺层,即先铺放碳纤维预浸料,再在上面铺放玻璃纤维预浸料,再放置碳纤维预浸料,如此累积,实现混杂铺层。
步骤4、对每一段不同铺层数的预浸料通过模具进行加温预定型处理;
步骤5、将最大尺寸段的预定型后的预浸料放置在模具模腔内进行热压固化成型,模具剖视结构如图4所示,所述模具包括热压成型模具阴模1、热压成型模具阳模4、热压成型模具阳模4上方铺设的脱模布3,在热压成型模具阴模1和热压成型模具阳模4外侧设置的密封挡板2;在模具阳模4的表面平整铺设与模腔等尺寸的脱模布3,然后铺放预定型的预浸料,铺放工序结束后,在预浸料表面铺设一层脱模布,合阴模1完成热压成型前的工作;采用大型热压机或有热压功能的设备对成型模具升温至120℃,固化4小时;
步骤6、步骤5中热压固化成型结束后移动该成型段,具体移动过程为:在热压成型结束后,操作人员将该工段脱模后移动至大型压机旁边的辅助托盘或托辊设备上,再将下一段预定型的预浸料以及与上一成型段的连接处一同放置在模具模腔内进行热压固化成型;
步骤7、重复上道工序,如此往复,直至得到风机叶片梁帽完整制品。
如图2所示,以最长方向为横向,以横向的垂直方向为纵向,步骤5中所述的最大尺寸段为纵向的最大尺寸段,即是指梁帽各工段中最宽的工段,也指梁帽的根部段。
所述步骤1中热塑性预浸料选自碳纤维预浸料和玻璃纤维预浸料中的一种或两种的组合,作为一个典型的实施例,玻璃纤维预浸料采购的是泰安市捷宜复合材料科技有限公司型号为HW-V2550A/B玻璃纤维/环氧乙烯基酯预浸料,其中环氧乙烯基酯树脂的含量为20%-40%;碳纤维采购的是中复神鹰碳纤维有限责任公司型号USN125B预浸料。
步骤2中将热塑性预浸料裁剪为梯形,这种裁剪方式的效果为可以达到梁帽宽度渐变的结构特性。
步骤3中梁帽的铺层采用碳纤维预浸料和玻璃纤维预浸料混杂铺层的方式,具体的铺层方式为:按照已设计图纸,根据梁帽不同工段下的尺寸,将裁切完毕的玻璃纤维预浸料和碳纤维预浸料进行混杂铺层,即三层玻纤预浸料,一层碳纤维预浸料,如此铺层,直至达到所需铺层厚度。根据不同规格梁帽所需厚度尺寸设置铺层层数。单独使用碳纤维预浸料进行铺层存在一定的缺点,如成本增加等。碳纤维和玻璃纤维混杂铺层制造的复合材料风机叶片梁帽不仅不会影响整体的叶片重量,而且很大程度上提升了叶片的结构刚度和承受载荷的能力,在满足需求的同时降低了成本。
所述步骤3中分段延长式铺层放置方式即为先铺一工段进行模压成型后,再在该工段的中部或末尾端再搭接铺设下一工段预浸料进行模压,使其成为一个整体,如此往复,直至完成整个梁帽的制备;通过混杂铺层的各段铺层再通过分段延长式方法搭接,通过后期热压实现牢固连接。
步骤4中对每一段铺层完成后的预浸料进行加温预定型处理,加温方式可采用红外加热,空气对流加热等多种形式。作为一个典型的实施例,设定预定型处理加温的温度为30℃,使预浸料变软,时间根据不同尺寸不同厚度的梁帽而定,一般为一小时左右。加热方法是将铺层完毕的预浸料放置在带有红外加热的设备上或空气对流加热功能的这一类型设备上进行加温预定型处理。不局限于这两类加热方式,但常用这两种方式加热预定型。
步骤5中预浸料放置在模具内之前,在模具内表面平整铺设与模腔等尺寸的脱模布,然后铺放预定型的预浸料,铺放工序结束后,在预浸料表面铺设一层脱模布,合模后完成热压成型前的工作。
在本实施例中,步骤5中热压固化成型工序可以使用大型热压机或有热压功能的设备实现。根据不同尺寸不同规格的梁帽选取不同型号的热压机进行制备,在本实施例中采用的是一千吨大型智能压机。压机厂商为山东威力重工机床有限公司,产品型号为YW32-1000T。
步骤5中可以先对最大尺寸段的预定型预浸料进行热压固化成型,也可以对任意尺寸段的预浸料做热压成型处理,无顺序限制。
步骤5中热压固化成型模具的阳模和阴模的模腔尺寸按照梁帽的最大尺寸段设计,模腔平面形状与风机叶片梁帽长度方向上的平面形状相同,只需一套热压成型模具即可实现梁帽的连续成型制造。
步骤5中热压成型后可通过水、冷却系统或风冷系统等方式对模具进行降温冷却,以达到对样件固化定型的目的。
实施例2:
在另一个典型的实施例中,在步骤3中,将裁切完毕的玻璃纤维预浸料和碳纤维预浸料进行混杂铺层,即五层玻纤预浸料,一层碳纤维预浸料,如此铺层,直至达到所需铺层厚度。所述步骤4中,采用热压机,预加温温度设置为40℃;所述步骤5和步骤6中热压固化温度为130℃,压强设置为2MPa,固化时间4小时。其他制备步骤与实施例1相同。
实施例3:
在另一个典型的实施例中,在步骤3中,将裁切完毕的玻璃纤维预浸料和碳纤维预浸料进行混杂铺层,即两层玻纤预浸料,一层碳纤维预浸料,如此铺层,直至达到所需铺层厚度。所述步骤4中,预加温温度设置为50℃;所述步骤5和步骤6中热压固化温度为150℃,压强设置为2MPa,固化时间3小时。其他制备步骤与实施例1相同。
实施例4:
在另一个典型的实施例中,在步骤3中,将裁切完毕的玻璃纤维预浸料和碳纤维预浸料进行混杂铺层,即三层玻纤预浸料,两层碳纤维预浸料,如此铺层,直至达到所需铺层厚度。所述步骤4中,预加温温度设置为50℃;所述步骤5和步骤6中热压固化温度为180℃,压强设置为2MPa,固化时间2小时。其他制备步骤与实施例1相同。
热压成型条件根据不同的预浸料和制件尺寸各不相同,但局限于提供的热压参数范围内,热压程序结束后从热压压板上脱模即可。
步骤6中对热压固化成型后的制品进行脱模处理,样件出模后为满足设计要求,应进行修整加工,具体为热压结束后对制件进行打毛刺、修边,去除制件周围的溢出树脂或纤维束。
步骤6中某一段梁帽制备完毕后,对模具的模腔进行清理,去除残留的树脂和杂物,保持模腔的干净和光滑;再在模具的模腔内铺放脱模布,将下一段预定型的预浸料以及与上一段制备的梁帽的连接处一同铺设在模具内进行模压成型加工,如此往复,实现了热塑性复合材料梁帽的连续模压制造,得到了风机叶片梁帽的完整制品。
本发明提供的一种风机叶片热塑性复合材料梁帽的连续模压制造工艺,在一个工段内,根据设计的梁帽的厚度确定该工段的厚度,然后在该工段内铺一定层数的玻纤预浸料,再在玻纤预浸料上面叠铺一定层数的碳纤维预浸料,累积铺层,直至达到所需设计厚度。通过分段延长式的铺层方式铺层和热压,使单个梯形铺层牢固地成为一个整体。
复合材料梁帽承担了风机叶片工作过程中的主要载荷,因此其力学性能十分重要。由于梁帽主要的破坏方式是受载弯曲破坏及各铺层间的受载剪切破坏,故进行了弯曲和各铺层间剪切(简称为层剪)这两种力学性能的测试。
其中,梁帽弯曲性能检测的方法为:复合材料弯曲性能的测试参照标准ASTMD7264/D7264M-07。试样的厚度为4mm,宽度为13mm。使用高特威尔公司生产的电子万能材料试验机进行测试,在试验机固定横梁和移动横梁上安装三点弯曲夹具,放置试样后,将力学试验机的加载速度设定为1mm/min,持续加载,直至试样破坏,读出数据,试验结束。
梁帽各铺层间受载剪切性能检测的方法为:复合材料的短梁强度测试参照标准ASTM D2344/D23441M-13。短梁强度测试的试样长度是厚度的6倍,宽度是厚度的2倍。使用高特威尔公司生产的电子万能材料试验机进行测试,在试验机固定横梁和移动横梁上安装试验夹具,试样放置完毕后,将力学试验机的加载速度设定为1mm/min,持续加载,直至试样破坏,读出数据,试验结束。
预浸料的单层厚度一般为0.2mm,根据风机叶片产品不同位置的厚度进行铺层。
玻纤预浸料层和碳纤维预浸料层的层数可以是(1~10):1;玻纤预浸料中树脂含量在20%-40%,实施例1中树脂含量为35%。
以本发明提供的碳纤维预浸料和玻璃纤维预浸料混杂铺层(A)、对比纯玻纤铺层(B)和纯碳纤铺层(C)制作样件进行了力学性能测试,其中,碳纤维预浸料和玻璃纤维预浸料混杂铺层(A)采用不同层数比例的碳纤维预浸料和玻璃纤维预浸料混合铺层,按照实施例1~4所述工艺制作样件,纯玻纤铺层(B)和纯碳纤铺层(C)采用实施例1工艺制作样件,并对以上样件进行性能检测,所得产品检测其性能检测结果如下:
Figure BDA0002064062070000091
根据以上结果可见,采用本发明提供的碳纤维预浸料和玻璃纤维预浸料混杂铺层(A)制作的产品层剪强度、抗弯强度及模量远高于玻纤预浸料制作的产品,与纯碳纤维预浸料制作产品相比接近,而碳纤维预浸料和玻璃纤维预浸料混杂铺层(A)成本低于碳纤维材料,综合考虑,碳纤维预浸料和玻璃纤维预浸料混杂铺层(A)的产品性能和成本较碳纤维有明显优势。
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 (4)

1.一种风机叶片热塑性复合材料梁帽的连续模压制造工艺,其特征在于,包括如下步骤:
步骤1、根据预先设计完毕的风机叶片梁帽的尺寸准备定量的热塑性预浸料线材或预浸料带;
步骤2、使用预浸料切割机对热塑性预浸料按照所需尺寸进行批量切割裁剪;
步骤3、将裁剪后的热塑性预浸料通过分段延长式的方法进行铺层放置;
步骤4、对每一段不同铺层数的预浸料通过模具进行加温预定型处理;
步骤5、将最大尺寸段的预定型后的预浸料放置在模具模腔内进行热压固化成型;
步骤6、步骤5中热压固化成型结束后移动该成型段,将下一段预定型的预浸料以及与上一成型段的连接处一同放置在模具模腔内进行热压固化成型;
步骤7、重复上道工序,如此往复,直至得到风机叶片梁帽完整制品;
步骤1中热塑性预浸料为碳纤维预浸料和玻璃纤维预浸料的组合;
步骤2中将热塑性预浸料裁剪为梯形;
步骤3中分段延长式的方法是在沿梁帽的长度方向上,根据梁帽的厚度渐变的特性,将裁剪后的预浸料进行分段铺层,具体为先铺一工段进行模压成型后,再在该工段的中部或末尾端再搭接铺设下一工段预浸料进行模压,各段梁帽的铺层数量不同,相邻工段成为一个整体,如此往复,直至完成整个梁帽的制备;
步骤3中梁帽的铺层步骤为:在分段延长式铺层前先采用碳纤维预浸料和玻璃纤维预浸料混杂铺层方式铺层,所述混杂铺层方式为先铺碳纤维预浸料,再在上面铺放玻璃纤维预浸料,再放置碳纤维预浸料,如此累积反复;
玻璃纤维预浸料层和碳纤维预浸料层的层数为(1~10):1,玻璃纤维预浸料中树脂含量在20%-40%;
步骤4中对每一段铺层完成后的预浸料进行加温预定型处理;加温温度范围为30-50℃;
步骤5和步骤6中热压固化成型条件为,采用大型热压机或有热压功能的设备对成型模具升温至120-180℃,固化2-4小时,压强设置为2MPa。
2.根据权利要求1所述的一种风机叶片热塑性复合材料梁帽的连续模压制造工艺,其特征在于,所述模具包括热压成型模具阳模、热压成型模具阴模,热压成型模具阴模上方铺设脱模布,在热压成型模具阳模和热压成型模具阴模外侧设置密封挡板;步骤5中预浸料放置在模具内之前,在模具内表面平整铺设与模腔等尺寸的脱模布,然后铺放预定型的预浸料,铺放工序结束后,在预浸料表面铺设一层脱模布,合模后完成热压成型前的工作。
3.根据权利要求2所述的一种风机叶片热塑性复合材料梁帽的连续模压制造工艺,其特征在于,步骤5中先对最大尺寸段的预定型预浸料进行热压固化成型,或对任意尺寸段的预浸料做热压成型处理,无顺序限制。
4.根据权利要求3所述的一种风机叶片热塑性复合材料梁帽的连续模压制造工艺,其特征在于,步骤5中热压成型后通过水冷却系统或风冷系统方式对模具进行降温冷却。
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