CN110774610A - 一种多通路复合材料异型管及其成型方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种多通路复合材料异型管及其成型方法，涉及管道技术领域，多通路复合材料异型管成型方法包括：将形状记忆聚合物材料通过3D打印技术获得具有形状记忆性能的多通路异型管芯模的雏形件；加热后放入刚性模具中，进行吹胀后，得到多通路异型管芯模；加入填充物，直至多通路异型管芯模实心化后进行烘干、密封和固化；粘贴树脂基复合材料预浸料，抽真空后，再次固化，得到带有多通路异型管芯模的多通路复合材料异型管；倒出所述填充物，加热多通路复合材料异型管，得到多通路复合材料异型管成型件。与现有技术比较，本发明在多通路异型管芯模大型化时质量更轻、便于使用、污染小、表面精度高，更加适用于大型化的多通路异型管的制备。

Description

一种多通路复合材料异型管及其成型方法

技术领域

本发明涉及管道技术领域，具体而言，涉及一种多通路复合材料异型管及其成型方法。

背景技术

现有技术中复合材料管材，制作过程中需使用芯模做为内膜，并在管材成型后脱出芯模。在多通路复合材料管异型管芯模制作中，现有技术水溶性芯模无法重复使用，制作周期长；刚性组合式芯模结构较重、脱模损伤较大、无法适用于多通路管材；气囊芯模成型不均匀，成型件率低。

发明内容

本发明解决的问题是现有管道无法解决复杂工况下管道的安装、更换和维修问题且连接和修复不方便，增加工作难度中的至少一个方面。

为解决上述问题，本发明提供了一种多通路复合材料异型管的成型方法，包括如下步骤：

步骤S1，将形状记忆聚合物材料通过3D打印技术获得具有形状记忆性能的多通路异型管芯模的雏形件；

步骤S2，将所述具有形状记忆性能的多通路异型管芯模的雏形件加热后放入刚性模具中，进行吹胀，得到多通路异型管芯模；

步骤S3，向所述多通路异型管芯模内加入填充物，直至所述多通路异型管芯模实心化后进行烘干、密封和固化；

步骤S4，将固化后的多通路异型管芯模上粘贴树脂基复合材料预浸料，将粘贴所述树脂基复合材料预浸料的多通路异型管芯模抽真空后，再次固化，得到带有多通路异型管芯模的多通路复合材料异型管；

步骤S5，倒出所述填充物，加热所述带有多通路异型管芯模的多通路复合材料异型管，以使所述多通路异型管芯模恢复成所述雏形件的形状，抽出所述多通路异型管芯模，得到多通路复合材料异型管成型件。

可选地，步骤S3中，所述填充物包括填充剂和胶粘剂，且所述填充剂和所述胶粘剂的重量比为100：(1-10)。

可选地，所述填充剂为耐高温塑料粉或塑料颗粒。

可选地，所述填充剂为聚苯硫醚、聚酰亚胺、聚醚醚酮、液晶聚合物或聚砜。

可选地，步骤1中，所述形状记忆聚合物材料包括聚乳酸、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯塑料、环氧树脂和氰酸脂树脂中的至少一种。

可选地，步骤S3中，所述密封采用的材料为非液态型胶水。

可选地，步骤S3中，所述烘干的温度为40-80℃，所述烘干的时间为 10-30h。

可选地，步骤S3中，所述固化的时间为12-24h。

可选地，步骤S4中，所述树脂基复合材料预浸料为碳纤维复合材料预浸料、氨纶纤维复合材料预浸料或玻璃纤维复合材料预浸料。

与现有技术比较，本发明所述多通路复合材料异型管的成型方法，使用的3D打印具有形状记忆功能的芯模，加工成本低，表面精度高，可打印不同尺寸和不同厚度的管状芯模，且形状记忆性能是可逆的，芯模可重复使用，降低成本，且本方法采用在形状记忆芯模内加入填充物的方式，在芯模大型化时质量更轻、便于使用，相对可溶性芯模具有可重复使用，芯模质量轻，污染小的特点；相对气囊芯模具有表面精度高，不会发生气囊芯模受热胀大以及气囊破损漏气影响试件尺寸等问题，更加适用于大型化的多通路异型管的制备。

为解决上述技术问题，本发明还提供了一种多通路复合材料异型管，其通过上述的多通路复合材料异型管的成型方法制备。

本发明所述的多通路复合材料异型管相对于现有技术的优势与所述多通路复合材料异型管的成型方法相对于现有技术的优势相同，在此不再赘述。

附图说明

图1为本发明实施例中多通路复合材料异型管的成型方法流程图；

图2为本发明实施例中多通路异型管芯模的雏形件的结构示意图；

图3为本发明实施例中经过刚性模具吹制后的多通路异型管芯模的结构示意图；

图4为本发明实施例中加入填充物后固化后的多通路异型管芯模的结构示意图；

图5为本发明实施例中带有多通路异型管芯模的多通路复合材料异型管的断面结构示意图；

图6为本发明实施例中带有多通路异型管芯模的多通路复合材料异型管的结构示意图(多通路异型管芯模处于剥离状态)。

附图标记说明：

1-多通路异型管芯模、2-树脂基复合材料预浸料、3-钢性模具、4-堵头、 5-填充物、6-真空袋、7-密封胶、8-透气孔。

具体实施方式

现有技术中复合材料管材，制作过程中需使用芯模做为内膜，并在管材成型后脱出芯模。在多通路复合材料管芯模制作中，现有技术水溶性芯模无法重复使用，制作周期长；气囊芯模成型不均匀，成型件率低，而刚性组合式芯模结构较重、脱模损伤较大、为防止芯模变形，在不使用的时候一般需要采用专用的吊装工装将芯模沿着轴向竖直挂放，因此当结构大型化时，芯模较重，使用和维护不便，无法适应于大型化的多通路复合材料管的制备。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。

术语“实施例”的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施或实例。而且，描述的具体特征、结构、材料或特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

如图1所示，本发明实施例提供了一种多通路复合材料异型管的成型方法，包括如下步骤：

步骤S1，将形状记忆聚合物材料通过3D打印技术获得具有形状记忆性能的多通路异型管芯模1的雏形件，如图2所示，其中多通路异型管芯模1的雏形件的壁厚在2mm-5mm之间，变形能力不小于50％；且3D打印技术可采用叠层实体制造(LOM)、光固化成型(SLA)、选择性激光烧结(SLS)或熔融沉积成型(FDM)中的一种，可按需选取；在这里需要说明的是，形状记忆聚合物材料需要满足：当温度低于材料的玻璃化转变点时，形状记忆材料呈玻璃态，材料可以保持临时形状；当温度高于材料的玻璃化转变点时，形状记忆材料呈橡胶态，可进行二次赋性，降温后保持临时工作状态不回复，再次升温后，材料可以恢复原始形状，且不同形状记忆聚合物材料的玻璃化转变点对应的温度在50℃-150℃范围可调；

步骤S2，将所述具有形状记忆性能的多通路异型管芯模1的雏形件加热到温度高于材料的玻璃化转变点，此时材料为高弹性；在高温状态取出多通路异型管芯模1，在每个端口填充塑料堵头4，其中一个塑料堵头4连接充气管，进行首尾端密封后，将填充堵头4后的异型管端口使用胶带缠绕密封，防止吹制时漏气；将处理后的多通路异型管芯模1重新进行加热，当温度稳定在玻璃化转变点之上时，放入特定的刚性模具，进行吹制，吹制后保持气压，待异型管降至室温，冷却后撤去气压，多通路异型管芯模1保持临时工作状态不回复，去除端口的胶带，将堵头4取出，得到空心的多通路异型管芯模1，如图3所示；

其中，空心的多通路异型管芯模1的外表面根据功能分为三个部分：端部、中间段、过渡区。其中端部的作用是填充堵头4，保证吹制过程的气密性，既不发生形变、也不用来粘贴复合材料预浸料；过渡区的作用是进行形变的光滑过渡，降低吹制过程中的破裂程度和提高吹制精度，发生形变、但不用来粘贴复合材料预浸料；中间段的作用是进行复合材料预浸料的粘贴，中间段的形状直接决定的复合材料预浸料的成型形状，中间段的表面光洁度直接决定了复合材料预浸料的内表面光洁度，既发生形变、也用来粘贴复合材料预浸料，且芯模1中间段直径变形量不小于10％；

步骤S3，向所述空心的多通路异型管芯模1的端口内缓慢注入填充物5，同时用短木棍进行夯实，直至多通路异型管芯模1实心化，然后对填充物5 扎透气孔8，防止填充物5烘干时，溢出的水蒸气涨坏多通路异型管芯模1以及涨裂填充物5，最后进行烘干、密封和固化，如图4所示；

步骤S4，将步骤S3固化后的多通路异型管芯模1上粘贴树脂基复合材料预浸料2，抽真空后，再次固化，得到带有多通路异型管芯模1的多通路复合材料异型管，如图5所示；

步骤S5，倒出所述填充物5，加热带有多通路异型管芯模1的多通路复合材料异型管，多通路异型管芯模1恢复成雏形件的形状，抽出多通路异型管芯模1，得到多通路复合材料异型管成型件。

在本实施例需要说明的是，通常管件为具有单通路的筒型，本实施例中将多通路的管件定义为异形管，可以为具有双通路的Y形或者多通路的其他形状。

本实施例中，多通路复合材料异型管的成型方法，使用的3D打印具有形状记忆功能的多通路异型管芯模1，加工成本低，表面精度高，可打印不同尺寸和不同厚度的多通路异型管芯模1，且形状记忆性能是可逆的，多通路异型管芯模1可重复使用，降低成本，且本方法采用在多通路异型管芯模1内加入填充物5的方式，在多通路异型管芯模1大型化时质量更轻、便于使用，相对可溶性多通路异型管芯模1具有可重复使用，多通路异型管芯模1质量轻，污染小的特点；相对气囊多通路异型管芯模1具有表面精度高，不会发生多通路异型管芯模1受热胀大以及气囊破损漏气影响试件尺寸等问题，更加适用于大型化的多通路异型管的制备。

优选地，步骤S3所述填充物5包括填充剂和胶粘剂，且填充剂和胶粘剂的重量比为100：(1-10)，使填充剂与胶粘剂混合更好。在一些优选的实施例中，填充剂和胶粘剂的重量比为100：1，混合更加均匀，更容易填充。

优选地，填充剂为耐高温塑料粉或塑料颗粒，可以为聚苯硫醚、聚酰亚胺、聚醚醚酮、液晶聚合物或聚砜中的一种，原料易得且加热时不发生反应。

优选地，步骤1中形状记忆聚合物材料包括聚乳酸、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯塑料、环氧树脂和氰酸脂树脂中的至少一种，原料来源广泛、成本低。

优选地，步骤S3中，对填充物5扎透气孔8包括：用细长的钢针从多通路异型管芯模1的每个端口对填充物5扎几个透气孔8，扎孔数量根据钢针粗细程度和多通路异型管的芯模1的大小进行调整，钢针不能太尖，防止扎坏芯模1，扎孔时也应避免扎到芯模1。

优选地，步骤S3中，烘干、密封和固化包括：将实心化的多通路异型管芯模1进行烘干，温度高于室温，低于多通路异型管芯模1回复至初始形状的温度，在一些优选的实施例中，烘干的温度为40-80℃，烘干的时间为10-30 h，将烘干后的实心多通路异型管芯模1的每个端口用膏状密封胶7糊实，在室温下固化12-24h，将固化完毕后的膏状密封胶7使用钢针在每个端口扎几个透气孔8，防止后期加热时多通路异型管芯模1胀气。

在一些优选的实施例中，密封胶7为非液态型胶水，防止密封胶7对塑料粉进行渗漏，污染多通路异型管芯模1，影响塑料粉的二次使用。并且固化完成的密封胶7应为高弹性，利于固化后的铲除，可选用的膏状密封胶7型号有卡夫特牌银胶、红胶、黑胶、蓝胶。

优选地，步骤S4中所述树脂基复合材料预浸料2为碳纤维复合材料预浸料、氨纶纤维复合材料预浸料或玻璃纤维复合材料预浸料，原料来源广泛。

优选地，步骤S4具体包括，将步骤S3固化后的多通路异型管芯模1上粘贴树脂基复合材料预浸料2，在多通路异型管芯模1表面形成预浸料叠层，套上真空袋6抽真空，去除预浸料叠层的气泡，放入热压罐进行固化，得到带有多通路异型管芯模1的多通路复合材料异型管。其中，固化过程中真空袋6保留，并保持抽压状态加热。需要说明的是，根据所需多通路复合材料异型管设计叠层厚度，根据叠层厚度选择铺设复合材料预浸料的张数。

优选地，步骤S5具体包括：将带有多通路异型管芯模1的多通路复合材料异型管在常温下取出，去除真空袋6，将带有多通路异型管芯模1的多通路复合材料异型管两端进行封堵的密封胶7用小刀铲除，轻轻用木棍掏出塑料粉或塑料颗粒；将去除真空袋6和塑料粉或塑料颗粒的带有多通路异型管芯模1的多通路复合材料异型管进行加热，加热温度高于形状记忆材料的玻璃化转变点，吹胀的多通路异型管芯模1恢复成雏形件的形状，此时多通路异型管芯模1的外表面与多通路复合材料异型管的内表面剥离，如图6所示。此时多通路异型管芯模1呈高弹性，将剥离后的多通路异型管芯模1在高温状态下从多通路复合材料异型管的其中一个开口抽出，得到多通路复合材料异型管成型件。

将本实施例中的采用3D打印技术形成的形状记忆多通路异型管芯模1材料与现有技术中常用的可溶性多通路异型管芯模1和钢性组合多通路异型管芯模1材料及材料的密度进行对比，如表1。可以看出，本实施例中的采用 3D打印技术形成的形状记忆芯模1材料相较于可溶性多通路异型管芯模1和钢性组合多通路异型管芯模1材料的质量更轻，因此，本实施例采用在形状记忆芯模1内加入填充物5的方式，在多通路异型管芯模1大型化时质量更轻、便于使用，相对可溶性多通路异型管芯模1具有可重复使用，多通路异型管芯模1质量轻，污染小的特点；相对气囊多通路异型管芯模1具有表面精度高，不会发生气囊型多通路异型管芯模1受热胀大以及气囊破损漏气影响试件尺寸等问题，更加适用于大型化的多通路异型管的制备。且本实施例中，使用的3D打印具有形状记忆功能的多通路异型管芯模1，加工成本低，表面精度高，可打印不同尺寸和不同厚度的多通路异型管芯模1，且形状记忆性能是可逆的，多通路异型管芯模1可重复使用，降低成本。

表1

芯模种类	可溶性	钢性组合	形状记忆
				芯模主要材质	石英砂	304钢	塑料、形状记忆树脂
材质密度(g/cm<sup>3</sup>)	2.65	7.93	0.019～0.909

本发明的另一个实施例提供了一种复合材料Y型管成型方法，包括如下步骤：

步骤S1，对所需打印的“Y”型管芯模使用SolidWorks软件进行建模，其中“Y”型管直径30mm，管厚为3mm，使用Cura软件对模型切片，每个片层厚0.2mm，使用Printrun对片层自动生成打印轨迹，导入到3D打印机中，得到“Y”型芯模1整体打印轨迹。其中利用熔融沉积成型(FDM)原理，通过prusa i3型3D打印机进行打印，形状记忆聚合物材料为聚乳酸(PLA)，打印喷头温度为185℃，打印喷头移动速度为50mm/s，获得具有形状记忆性能的“Y”型管芯模的雏形件；

步骤S2，将所述具有形状记忆性能的Y型管芯模的雏形件加热到100℃，此时材料为高弹性；在高温状态取出Y型管芯模，在每个端口填充塑料堵头4，其中一个塑料堵头4连接充气管，进行首尾端密封后，将填充堵头4后的Y 型管端口使用胶带缠绕密封，防止吹制时漏气；将处理后的Y型管芯模重新进行加热到100℃，稳定后放入铁质的刚性模具，进行吹制，其中刚性模具中间段直径为45mm，保证吹制过程中芯模1具有50％的形变，其中“Y”型管芯模每个端口无形变，防止堵头4失去密闭作用，吹制后迅速用自然水冲洗冷却2分钟，直至芯模1完全降至室温，去除“Y”型管状芯模1端口的胶带，将堵头4取出，得到空心的“Y”型管状芯模；

步骤S3，选用细度为500目的耐高温聚苯硫醚(PPS)粉用作“Y”型管芯模的填充剂，选用纯净水作为胶粘剂；其中塑料粉和水的重量比为100：1，将水对塑料粉进行喷雾加湿，充分搅拌混合，得到半干状态的聚苯硫醚粉填充物5，对“Y”型管状芯模进行填充；将半干状态的聚苯硫醚粉缓缓从“Y”型管状芯模端口倒入，选用直径为5mm的短木棍进行夯实，然后再倒入塑料粉并夯实，重复步骤，直至“Y”型管状芯模实心化；使用直径约为1mm的钢钉对“Y”型管状芯模进行扎孔，本实施例中“Y”型管直径为30mm，“Y”型管状芯模的每个端口扎10个透气孔8，透气孔8应对“Y”型管状芯模进行贯通，扎孔时防止划伤“Y”型管状芯模内壁；将扎孔完毕的实心的“Y”型管状芯模放入干燥箱中进行烘干，烘干温度为50℃，烘干时间为24小时；将烘干后的“Y”型管状芯模1的每个端口涂抹密封胶7，将其密封，密封胶7 选用卡夫特牌银灰胶，涂抹完毕后进行室温固化，固化时间为10小时，固化后使用钢针对密封胶7扎透气孔8，对每个端口的密封胶7扎孔5次，不需要扎穿塑料填充物5。

步骤S4，将步骤S3固化后的Y型管芯模上粘贴树脂基复合材料预浸料2，抽真空后，再次固化，得到带有Y型管芯模的复合材料Y型管，具体包括：

步骤S41,将碳纤维预浸料裁剪成细长条，卷制于Y型管芯模之上，由于预浸料带有粘性，卷制预浸料长条时施加拉力，在张力作用下挤出预浸料片成气泡，提高成品力学性能。卷制后进行预浸料片层厚度测量，根据制作碳纤维管厚度需要进行重复卷制，形成碳纤维预浸料叠层，直至厚度达到需求。卷制段为Y型管芯模外表面上具有形变的中部，以便固化后进行热刺激，Y型管芯模中间段回复，与复合材料管内壁剥离，完成主动脱模的过程；

步骤S42,将包裹有碳纤维叠层的形状记忆Y型管芯模套上真空袋6，进行抽真空，挤出预浸料叠层的气泡。将其一并放入热压罐进行固化加热，固化过程中真空袋6保留，并保持抽压状态加热，加热固化历程为150℃加热 10h,得到带有Y型管芯模的Y型碳纤维管；

步骤S5，倒出所述填充物5，加热带有Y型管芯模的Y型碳纤维管，Y型管芯模恢复成雏形件的形状，抽出Y型碳纤维管的Y型管芯模，得到Y型碳纤维管成型件，具体包括：

将带有Y型管芯模的Y型碳纤维管冷却至室温取出，去除真空袋6，将带有Y型管芯模的Y型碳纤维管两端进行封堵的密封胶7用小刀铲除，倒出塑料粉，并对塑料粉进行回收，下次使用；

将去除真空袋6和塑料粉的带有Y型管芯模的Y型碳纤维管进行加热，加热温度为120℃，Y型管芯模的中间段恢复初始形状，此时Y型管芯模的外表面与Y型碳纤维管内表面剥离，此时Y型管芯模呈高弹性，将剥离后的Y 型管芯模在120℃从Y型碳纤维管的其中一个开口将Y型管芯模缓慢抽出；得到Y型碳纤维管，对Y型碳纤维管表面稍微打磨，切割掉多余的尺寸，得到所需的Y型碳纤维管成型件。

本发明的另一个实施例提供了一种三通路复合材料异型管的成型方法，与上述复合材料Y型管的成型方法的区别之处在于，填充物5包括填充剂和胶粘剂，且填充剂和胶粘剂的重量比为100：5，混合更加均匀，更容易填充。

本发明的另一个实施例还提供了一种多通路复合材料异型管，通过上述的多通路异型管成型方法制备。

本实施例的多通路复合材料异型管相对于现有技术的优势与多通路复合材料异型管的成型方法相对于现有技术的优势相同，在此不再赘述。

本实施例采用在形状记忆的多通路异型管芯模1内加入填充物5的方式，在多通路异型管芯模1大型化时质量更轻、便于使用，相对可溶性多通路异型管芯模1具有可重复使用，多通路异型管芯模1质量轻，污染小的特点；相对气囊型多通路异型管芯模1具有表面精度高，不会发生气囊型多通路异型管芯模1受热胀大以及气囊破损漏气影响试件尺寸等问题，更加适用于大型化的多通路异型管的制备。

虽然本发明公开披露如上，但本发明公开的保护范围并非仅限于此。本领域技术人员在不脱离本发明公开的精神和范围的前提下，可进行各种变更与修改，这些变更与修改均将落入本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种多通路复合材料异型管的成型方法，其特征在于，包括：

步骤S1，将形状记忆聚合物材料通过3D打印技术获得具有形状记忆性能的多通路异型管芯模(1)的雏形件；

步骤S2，将所述具有形状记忆性能的多通路异型管芯模(1)的雏形件加热后放入刚性模具中，进行吹胀，得到多通路异型管芯模(1)；

步骤S3，向所述多通路异型管芯模(1)内加入填充物(5)，直至所述多通路异型管芯模(1)实心化后进行烘干、密封和固化；

步骤S4，将固化后的多通路异型管芯模(1)上粘贴树脂基复合材料预浸料(2)，将粘贴所述树脂基复合材料预浸料(2)的多通路异型管芯模(1)抽真空后，再次固化，得到带有多通路异型管芯模(1)的多通路复合材料异型管；

步骤S5，倒出所述填充物(5)，加热所述带有多通路异型管芯模(1)的多通路复合材料异型管，以使所述多通路异型管芯模(1)恢复成所述雏形件的形状，抽出所述多通路异型管芯模(1)，得到多通路复合材料异型管成型件。

2.根据权利要求1所述的多通路复合材料异型管的成型方法，其特征在于，步骤S3中，所述填充物(5)包括填充剂和胶粘剂，且所述填充剂和所述胶粘剂的重量比为100：(1-10)。

3.根据权利要求2所述的多通路复合材料异型管的成型方法，其特征在于，所述填充剂为耐高温塑料粉或塑料颗粒。

4.根据权利要求3所述的多通路复合材料异型管的成型方法，其特征在于，所述填充剂为聚苯硫醚、聚酰亚胺、聚醚醚酮、液晶聚合物或聚砜。

5.根据权利要求1所述的多通路复合材料异型管的成型方法，其特征在于，步骤1中，所述形状记忆聚合物材料包括聚乳酸、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯塑料、环氧树脂和氰酸脂树脂中的至少一种。

6.根据权利要求1所述的多通路复合材料异型管的成型方法，其特征在于，步骤S3中，所述密封采用的材料为非液态型胶水。

7.根据权利要求1所述的多通路复合材料异型管的成型方法，其特征在于，步骤S3中，所述烘干的温度为40-80℃，所述烘干的时间为10-30h。

8.根据权利要求7所述的多通路复合材料异型管的成型方法，其特征在于，步骤S3中，所述固化的时间为12-24h。

9.根据权利要求1所述的多通路复合材料异型管的成型方法，其特征在于，步骤S4中，所述树脂基复合材料预浸料(2)为碳纤维复合材料预浸料、氨纶纤维复合材料预浸料或玻璃纤维复合材料预浸料。

10.一种多通路复合材料异型管，其特征在于，通过权利要求1-9任一项所述的多通路复合材料异型管的成型方法制备。

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