CN111231367A - 一种曲面复合材料制件的成型方法 - Google Patents

一种曲面复合材料制件的成型方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于材料成型技术领域，特别是涉及一种曲面复合材料制件的成型方法。该技术方案包括以下步骤：首先设计具有真空加热底座、充压顶盖、成型模腔三个部分的密封组合模具，其中真空加热底座预留导气排胶槽和排气口，并预埋有冷却水路、测温传感器和电热元件；充压顶盖预留充气口，内侧铺贴有加压隔膜；成型模腔按需成型的复合材料制件形状进行加工。然后在成型模腔内铺放复合材料预浸料或坯料，并做脱模处理，将成型模腔放入真空加热底座后在空隙处填塞柔性填充物，最后模具密封合模，并进行加热、加压抽真空，固化生成符合材料制件。本发明可成型复杂外形、结构的复合材料制件，与传统工艺相比，更易控制成品质量、且生产效率高，成本低。

Description

一种曲面复合材料制件的成型方法
技术领域
本发明属于材料成型技术领域，特别是涉及一种曲面复合材料制件的成型方法。
背景技术
复合材料的可设计性强、重量轻、比强度高，耐腐蚀及独特的电磁穿透性能优良，使其被广泛应用于航空航天、汽车工业、运动器材、医疗器材、电子产品等各个尖端工业领域。随着技术的发展，复合材料的成型工艺方法也在不断的发展和改进。
现有的树脂基复合材料的成型方法包括手糊成型、喷射成型、纤维缠绕成型、模压成型、拉挤成型、RTM成型、热压罐成型、隔膜成型、迁移成型、反应注射成型、热膨胀模塑成型、冲压成型等。其中常用于高性能热固性树脂的复合材料成型工艺主要是热压罐成型工艺，此工艺制品尺寸稳定，重复性好，可固化不同厚度的层合版及制造复杂曲面的零件，但此方法也存在热压罐建设费用大，制件大小受罐体尺寸限制，单次生产生产效率低，耗能高，运行成本高等问题。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种曲面复合材料制件的成型方法，利用密封组合模具替代热压罐实现对复合材料坯料的抽真空、加压及加热固化，大幅降低建设和能耗运行成本，显著提高生产效率。
本发明的实现过程如下：
一种曲面复合材料制件的成型方法，包括如下步骤：
(1)设计具有真空加热底座、充压顶盖、成型模腔三个部分的密封组合模具，模具各部分之间可以紧固并密封；
(2)在预制的成型模腔内按设计要求铺放复合材料坯料；
(3)将成型模腔放入真空加热底座，并在真空加热底座内侧面与成型模腔的外围空隙处填塞柔性填充物；
(4)在充压顶盖下方设置加压隔膜，加压隔膜与成型模腔内的复合材料坯料对齐，盖好充压顶盖，合模紧固密封；
(5)复合材料固化前先对真空加热底座抽真空，并对加压隔膜充气，使加压隔膜挤压复合材料坯料进行加压；
(6)根据复合材料的固化条件进行加热加压固化，待固化完成后加压隔膜停止充压，真空加热底座停止抽真空并通冷却液降温，待冷却后取出复合材料制件。
进一步，所述复合材料坯料需通过喷涂脱模剂或使用防粘布或使用防粘膜或使用吸胶毡进行脱模处理；所述柔性填充物，由防粘布或防粘膜或吸胶毡包裹橡胶块制成，用于吸胶并防止由于局部间隙大于两倍加压隔膜厚度导致加压隔膜局部过度拉伸撕裂。
进一步，所述真空加热底座可以分区域控温加热、保温和降温，通过控制不同区域的固化顺序，可以有效控制大型复合材料制件铺层错位和脱模后变形，实现截面面积变化较大的复合材料制件的成型。
进一步，所述真空加热底座内侧凹陷并预留导气排胶槽和排气口，底部预埋有冷却水路，所述冷却水路的上层或同层布置电热元件。
进一步，所述真空加热底座设置定位凹槽，定位凹槽的周边为底座密封对接面，底座密封对接面均布螺纹孔，与充压顶盖密封对接后用连接螺栓连接，真空加热底座的内侧底面的导气排胶槽为网格凹槽。
进一步，所述充压顶盖的内侧凹陷，所述凹陷面的尺寸根据复合材料制件需加压表面形状放大1mm至50mm加工而成，所述加压隔膜沿凹陷的内侧面铺贴，所述充压顶盖预留有用于加压隔膜充压的充气口，所述充压顶盖的周边为顶盖密封对接面，合模时所述顶盖密封对接面与真空加热底座之间设置密封圈。
进一步，所述成型模腔可以是单块结构或若干块组合而成的结构，相邻两块成型模腔之间设置隔热膜，实现不同段成型模腔的独立控温加热。
进一步，所述成型模腔的底面与真空加热底座大面积贴合，确保成型模腔的单块结构内导热良好加热均匀，相同安装尺寸的成型模腔可更换安装，所述隔热膜采用耐温低热导率材料制成。所述耐温低热导率材料可以是聚四氟乙烯、耐温塑料、陶瓷、硅橡胶等均可。
进一步，所述加压隔膜设置有充压腔体，所述加压隔膜的充压腔体与成型模腔所处真空环境相互独立；所述加压隔膜的充压腔体可以是一个腔体或分隔为多个相互独立的密封腔体，通过控制多个腔体的充压压力和充压顺序，实现复杂曲面复合材料制件的成型。
进一步，所述加压隔膜为单腔体或多腔体的弹性耐温薄膜或胶囊，加压隔膜周圈边缘及各腔体之间密封处理，所述加压隔膜总覆盖区域不小于复合材料制件外形，所述加压隔膜根据使用温度和拉伸变形量可以选择厚度为0.05mm至50mm的真空袋、真空膜、硅橡胶、氟橡胶丁腈橡胶、氯丁橡胶、聚丙烯橡胶或聚氨酯橡胶材料制成。
本发明所述复合材料制件的材质可以为树脂基纤维增强复合材料，也可以为其他可以使用本成型工艺的材料。
本发明的积极效果：
(1)本发明的加压隔膜可以分开挤压多个不同区域，通过控制充压压力和顺序，满足复杂曲面复合材料制件生产要求，提高成型质量。
(2)本发明的真空加热底座可以分区域控温加热、保温和降温，合理控制不同区域的固化顺序，可以有效控制大型复合材料制件铺层错位和脱模后变形，有利于制造截面面积变化较大的复合材料制件。
(3)本发明可根据需要加强密封组合模具刚度和强度，从而实现远超热压罐的充压压力，从而提高复合材料制品密度和强度。
(4)本发明的密封组合模具的尺寸大小可按要求进行调节，实现不同尺寸、不同类型的复合材料制件在不同压力、不同温度下的同批次生产，有效提高模具使用效率，降低生产成本。
(5)本发明采用预埋的电热元件可实现大功率集中加热和冷却，对非加热区影响小，加热效率高，可有效缩短升温时间并降低运行成本。
(6)本发明采用预埋的冷却水路在固化完成后可加快模具降温速度，大幅缩短模具冷却时间，从而提高生产效率。
附图说明
图1为本发明具体实例所述预制成型的复合材料制件示意图；
图2为本发明具体实例所述真空加热底座结构示意图；
图3为本发明具体实例所述充压顶盖结构示意图；
图4为本发明具体实例所述加压隔膜结构示意图；
图5为本发明具体实例所述成型模腔结构示意图；
图6为本发明具体实例所述密封组合模具组合后结构分解状态示意图。
图中，010复合材料制件，011复合材料制件前段，012复合材料制件后段，020真空加热底座，021导气排胶槽，022排气口，023冷却水路，024前段测温传感器，025前段电热元件，026后段测温传感器，027后段电热元件，028底座密封对接面，030充压顶盖，031前段充气口，032后段充气口，033顶盖密封对接面，040加压隔膜，041前段腔体，042后段腔体，043前段通气管，044后段通气管，050成型模腔，051成型模腔前段，052成型模腔后段，053隔热膜，060复合材料胚料，070柔性填充物，080连接螺栓。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步说明。
本发明所述曲面复合材料制件的成型方法，具体包括如下步骤：
(1)设计具有真空加热底座、充压顶盖、成型模腔三个部分的密封组合模具，模具各部分之间可以紧固并密封，其中真空加热底座预留导气排胶槽和排气口，并预埋有冷却水路、测温传感器和电热元件；充压顶盖预留充气口，内侧铺贴有加压隔膜；成型模腔按需成型的复合材料制件形状进行加工。
(2)在预制的成型模腔内按设计要求铺放复合材料坯料，并做好脱模处理，如喷涂脱模剂或使用防粘布(膜)、吸胶毡等。
(3)将成型模腔放入真空加热底座，确保接触面贴合紧密导热良好，且不影响导气排胶槽工作；并在真空加热底座与成型模腔之间空隙处填塞柔性填充物；
(4)将充压顶盖内侧加压隔膜与成型模腔内复合材料坯料加压面对齐盖好，并在模具对接面安装密封垫并连接紧固，确保加压隔膜充压腔体和成型模腔所处真空环境相互独立。
(5)复合材料固化前先通过真空加热底座排气孔抽真空，除去空气和挥发物；再对充压顶盖充气，使加压隔膜挤压复合材料坯料进行加压。
(6)根据不同类型树脂的固化条件加热加压固化，待固化完成后加压隔膜停止充压，真空加热底座停止抽真空并通冷却液降温，待密封组合模具冷却后取出复合材料制件。
本发明所述密封组合模具分为真空加热底座、充压顶盖、成型模腔三个部分，每个部分可根据加工需要进一步分解为若干零件，并最终可组合成为完整的密封结构体，而其内部由加压隔膜分隔为若干个相互独立的密封空间；
所述真空加热底座预留导气排胶槽和排气口，并预埋有测温传感器、电热元件和冷却水路，分别用于真空腔体部分导气、排胶、温度监测、加热及降温。
所述充压顶盖内侧面根据复合材料制件需加压表面形状放大1mm至50mm加工而成，并沿内侧面铺贴加压隔膜；充压顶盖预留用于加压隔膜充压的充气口。
所述加压隔膜为单腔体或多腔体的弹性耐温薄膜或胶囊，其可以较好的贴合复合材料制件曲面而不产生褶皱，加压隔膜周圈边缘及各腔体之间密封处理，防止腔体内压力泄露。加压隔膜总覆盖区域不小于复合材料制件外形。加压隔膜根据使用温度和拉伸变形量可以选择厚度为0.05mm至50mm的真空袋(膜)、硅橡胶、氟橡胶丁腈橡胶、氯丁橡胶、聚丙烯橡胶、聚氨酯橡胶等材料制成。
所述柔性填充物，由防粘布(膜)、吸胶毡等材料包裹橡胶块制成，用于吸胶并防止由于局部间隙大于两倍加压隔膜厚度导致加压隔膜局部过度拉伸撕裂：
所述成型模腔可以是单体结构或组合体结构，其底面与真空加热底座大面积贴合，确保成型模腔单块体内导热良好加热均匀，相同安装尺寸的成型模腔可更换安装。
本发明所述真空加热底座整体以金属块加工而成，上表面用于安装成型模腔，为便于定位可以加工定位凹槽(配图中为方形凹槽)；由于排气口数量有限，为提高排气量并防止多余树脂溢出堵塞排气口，底面加工网格凹槽作为导气排胶槽；上表面四周为底座密封对接面，底座密封对接面均布螺纹孔，与顶盖密封对接面对接后用连接螺栓连接。真空加热底座底部预埋测温传感器、电热元件和冷却水路；电热元件根据其尺寸开槽或孔进行安装(图中为圆柱形加热棒为开孔安装，若使用方块形的加热片则开方形槽嵌入安装)；测温传感器安装时，在要求位置打螺纹孔后拧入即可；冷却水路可以是开槽或打孔安装金属管(图中所示方式为打孔穿管)，或直接加工焊接水箱(加工为空芯方盒或者S型流道，这个结构类型特别多，不做限制)；一般情况下电热元件在冷却水路上层，如果冷却水路采用焊接水箱结构时，可以两者同层混合布置。
具体实例
本发明实施例所述预制成型的复合材料制件010外形如图1所示，复合材料制件前段011截面为弧形薄壁结构，经连续平滑过渡，复合材料制件后段012变为加厚平板结构。
真空加热底座020结构如图2所示，其内侧凹陷并预留导气排胶槽021和排气口022，底部预埋有冷却水路023、前段测温传感器024、前段电热元件025和后段测温传感器026、后段电热元件027，周边为底座密封对接面028。
充压顶盖030结构如图3所示，其内侧凹陷用于铺贴有硅橡胶制成的双腔体加压隔膜，顶面预留有前段充气口031和后段充气口032，周边为顶盖密封对接面033。
加压隔膜结构040如图4所示，其分为前段腔体041和后段腔体042，两个腔体相互独立，分别通过前段通气管043和后段通气管044进行充压。
成型模腔050结构如图5所示，其分为成型模腔前段051和成型模腔后段052，两者之间采用聚四氟乙烯制成的隔热膜053隔开，便于复合材料制件前段011和复合材料制件后段012相互独立控温加热。
先在成型模腔内050放入复合材料胚料060并做好脱模处理，然后将其整体放入真空加热底座020，在真空加热底座020与成型模腔050之间空隙处用柔性填充物070填充；将安装好加压隔膜040的充压顶盖030与真空加热底座020对齐盖好，用连接螺栓080连接紧固。密封组合模具合模后结构的分解状态如图6所示。
合模后通过排气口022将真空加热底座020抽真空至-85kP以下，加压隔膜040的前段腔体041充压200kPa，加压隔膜040的前段腔体042充压100kP；压力稳定后真空加热底座020的后段电热元件027开始加热，待后段测温传感器026达至80℃时前段电热元件025再开始加热，待前段测温传感器024达到80℃并保持30min后，前段电热元件025与后段电热元件027同步加热使前段测温传感器024和后段测温传感器026均达到130℃后保持60min；保温结束后，加压隔膜040两个腔体均卸载至常压，真空加热底座020停止抽真空且在冷却水路023内通冷却水降温并，待真空加热底座020的前段测温传感器024和后段测温传感器026输出低于60℃后，开模取出复合材料制件010。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作出的进一步详细说明，非对本发明权利要求保护范围的限制。对于本发明所属领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术方案实质的前提下，还可以作出若干简单推演或替换，均视为属于本发明权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种曲面复合材料制件的成型方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)设计具有真空加热底座、充压顶盖、成型模腔三个部分的密封组合模具，模具各部分之间可以紧固并密封；
(2)在预制的成型模腔内按设计要求铺放复合材料坯料；
(3)将成型模腔放入真空加热底座，并在真空加热底座内侧面与成型模腔的外围空隙处填塞柔性填充物；
(4)在充压顶盖下方设置加压隔膜，加压隔膜与成型模腔内的复合材料坯料对齐，盖好充压顶盖，合模紧固密封；
(5)复合材料固化前先对真空加热底座抽真空，并对加压隔膜充气，使加压隔膜挤压复合材料坯料进行加压；
(6)根据复合材料的固化条件进行加热加压固化，待固化完成后加压隔膜停止充压，真空加热底座停止抽真空并通冷却液降温，待冷却后取出复合材料制件。
2.根据权利要求1所述曲面复合材料制件的成型方法，其特征在于：所述复合材料坯料需通过喷涂脱模剂或使用防粘布或使用防粘膜或使用吸胶毡进行脱模处理；所述柔性填充物，由防粘布或防粘膜或吸胶毡包裹橡胶块制成，用于吸胶并防止由于局部间隙大于两倍加压隔膜厚度导致加压隔膜局部过度拉伸撕裂。
3.根据权利要求1所述曲面复合材料制件的成型方法，其特征在于：所述真空加热底座可以分区域控温加热、保温和降温，通过控制不同区域的固化顺序，可以有效控制大型复合材料制件铺层错位和脱模后变形，实现截面面积变化较大的复合材料制件的成型。
4.根据权利要求3所述曲面复合材料制件的成型方法，其特征在于：所述真空加热底座内侧凹陷并预留导气排胶槽和排气口，底部预埋有冷却水路，所述冷却水路的上层或同层布置电热元件。
5.根据权利要求4所述曲面复合材料制件的成型方法，其特征在于：所述真空加热底座设置定位凹槽，定位凹槽的周边为底座密封对接面，底座密封对接面均布螺纹孔，与充压顶盖密封对接后用连接螺栓连接，真空加热底座的内侧底面的导气排胶槽为网格凹槽。
6.根据权利要求1所述曲面复合材料制件的成型方法，其特征在于：所述充压顶盖的内侧凹陷，所述凹陷面的尺寸根据复合材料制件需加压表面形状放大1mm至50mm加工而成，所述加压隔膜沿凹陷的内侧面铺贴，所述充压顶盖预留有用于加压隔膜充压的充气口，所述充压顶盖的周边为顶盖密封对接面，合模时所述顶盖密封对接面与真空加热底座之间设置密封圈。
7.根据权利要求1所述曲面复合材料制件的成型方法，其特征在于：所述成型模腔可以是单块结构或若干块组合而成的结构，相邻两块成型模腔之间设置隔热膜，实现不同段成型模腔的独立控温加热。
8.根据权利要求7所述曲面复合材料制件的成型方法，其特征在于：所述成型模腔的底面与真空加热底座大面积贴合，确保成型模腔的单块结构内导热良好加热均匀，相同安装尺寸的成型模腔可更换安装，所述隔热膜采用耐温低热导率材料制成。
9.根据权利要求1所述曲面复合材料制件的成型方法，其特征在于：所述加压隔膜设置有充压腔体，所述加压隔膜的充压腔体与成型模腔所处真空环境相互独立；所述加压隔膜的充压腔体可以是一个腔体或分隔为多个相互独立的密封腔体，通过控制多个腔体的充压压力和充压顺序，实现复杂曲面复合材料制件的成型。
10.根据权利要求9所述曲面复合材料制件的成型方法，其特征在于：所述加压隔膜为单腔体或多腔体的弹性耐温薄膜或胶囊，加压隔膜周圈边缘及各腔体之间密封处理，所述加压隔膜总覆盖区域不小于复合材料制件外形，所述加压隔膜根据使用温度和拉伸变形量可以选择厚度为0.05mm至50mm的真空袋、真空膜、硅橡胶、氟橡胶丁腈橡胶、氯丁橡胶、聚丙烯橡胶或聚氨酯橡胶材料制成。
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