CN112454941B - 一种复合材料电池盒制作工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种复合材料电池盒制作工艺，包括以下步骤：制作电池盒骨架，所述电池盒骨架包括四周法兰，所述法兰内侧经厚度渐变的法兰R角部位连接有立面R角部位；将制得的电池盒骨架进行喷砂处理，然后清洗晾干，备用；制备铺料治具；在铺料治具上铺放大面料，然后将电池盒骨架置入铺料治具并压紧；在电池盒骨架上再铺放余下的大面料，并再次压紧，形成电池盒预型体；将铺好材料的铺料治具转入低温冷藏2~15min；完成预型体的脱模，并快速置入高温产品模具中，进行产品的固化成型；开模后，经后加工之后，得到最终的电池盒成品。该工艺不受电池盒产品尺寸的限制，可行性高、通用性强，生产效率高；避免产品成型后局部缺料空化、性能弱化等现象的产生。
Description
技术领域
本发明涉及一种复合材料电池盒制作工艺。
背景技术
电池盒是新能源汽车动力电池包的外覆盖件，对电池包内的电芯及附件系统起到了防水、防尘、支撑和绝缘防护作用，是新能源汽车的重要部件之一。
目前新能源电池盒因需求不同，主要分为钢构件（钣金件）、铝合金件和高分子复合材料构件。其中，高分子复合材料构件又因其质轻高强、结构设计自由度大、成型工艺过程简便高效、减震效果优良等优势，而受到新能源汽车市场的青睐。
PCM(Prepreg Compression Molding)，即（高分子复合材料）预浸料模压工艺。由于采用了连续纤维作为增强材料，PCM产品的力学性能明显优于SCM（短切纤维增强片状模塑料）和主要的热塑性高分子复合材料制品。采用PCM制作的电池盒产品，也由于其力学性能优势而能够实现更薄、更轻的产品目标，极大地迎合了新能源汽车的轻量化的市场需求，成为当下快速提升新能源汽车续驶里程，解决“里程烦恼”的重要手段之一。
然而，相比于SMC等复合材料在成型过程中的高流动性、易成型的特点，由于连续纤维的存在使PCM预浸料在成型过程中无法流动，从而使其工艺难度大大增加，同时易因工艺的复杂性而使得产品存在质量一致性差、合格率低、不良性状多等问题。以下为目前PCM电池盒产品生产所采用的两种成型制造工艺。
（一）预型体直接转移成型法
该工艺方法通过在铺料治具上逐层铺贴预浸料料片，形成PCM预型体，（如图2），而后将PCM预型体脱除铺料治具，转移置入液压机中的高温模具中，合模加压，一定时间后开模取出，得到PCM电池盒产品初坯，再经冷却定型、去边、开孔等后加工过程后，得到最终的PCM电池盒成品。
该工艺的主要缺点是：
（1）由于预浸料在成型固化前所具有的粘性和软性，PCM预型体在脱除铺料治具、移动、置入产品模具的转移过程中发生了较大程度的变形，甚至出现预型体解构、材料连接处开裂等现象，导致预型体在置入产品模具后预浸料中的纤维不再处于有序状态，预型体各部位在产品模具中的铺放位置也偏离了设计要求，极大地影响了PCM力学性能和结构设计目的的实现，也影响电池盒产品功能的实现。
（2）由于PCM电池盒法兰（见图1）等部位具有较大的厚度（通常在2mm以上)，是由多层预浸料料片铺贴而成的（以400gsm玻纤面密度、40%左右树脂含量的单层预浸料为例，则法兰处需铺贴6层以上的预浸料料片）。在预型体置入高温产品模具后，由于预型体在转移过程中发生了变形，且预浸料中的树脂在高温下迅速软化或融化，使得预型体法兰R角等部位或其它结构设计特征部位的材料在模具合模过程中由于缺乏有效的力传递而无法与模具紧密贴合（材料无法有效充实模具型腔并实现合模压力的有效传递），且这种不紧密贴合的状态在模具完全闭合后得到维持，从而使成型后的PCM产品局部存在严重的缺料、空化及性能弱化等现象，产品质量一致性差。
（二）金属衬套成型法
现有专利CN201811374318.0公开了一种电池壳体阳模及热压工艺，通过在金属衬套上铺贴预浸料，再将衬套套入芯模（下模）上，合下阴模（上模），加热加压成型（如图3）。由于材料与金属衬套紧密贴合，且预型体在整个转移和成型过程中并未脱离金属衬套，因此将很好地解决“预型体直接转移成型法”中预型体转移变形、产品局部严重缺料、空化及性能弱化等质量问题。
然而，从该专利公开的内容可以知道：⑴相比于“预型体直接转移成型法”中材料直接与上下高温模具接触，金属衬套成型法由于有金属衬套这一夹层的存在，使其成型过程中材料的升温效率更低；⑵虽然金属衬套极大地减轻了阳模的重量，但由于金属衬套本身仍具有一定重量，需采用机械手臂进行出入模的转运。当电池盒（电池壳体）产品的规格尺寸增大后，金属衬套的尺寸及重量都将增大，并可能超出机械手臂等自动化设备的搬运重量负荷范围，从而制约了金属衬套成型法在大尺寸电池盒产品生产中的应用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种复合材料电池盒制作工艺，该工艺不受电池盒产品尺寸的限制，工艺可行性高、通用性强，生产效率高，产品质量一致性好；并可避免电池盒产品成型后局部缺料、空化及性能弱化等不良现象的产生。
本发明的技术方案在于：一种复合材料电池盒制作工艺，包括以下步骤：
（1）制作电池盒骨架；
（2）将制得的电池盒骨架进行喷砂处理，然后清洗晾干，备用；
（3）制备铺料治具；
（4）在铺料治具上铺放至少一层大面料，然后将电池盒骨架置入铺料治具相应位置并压紧；
（5）在电池盒骨架上再铺放余下的大面料，并再次压紧，大面料在电池盒骨架的四个立面R角部位处进行材料的连接，形成电池盒预型体；
（6）将铺好材料的铺料治具转入低温冷藏2~15min；
（7）完成预型体的脱模，并快速置入高温产品模具中，进行产品的固化成型；
（8）产品模具开模后，将成型得到的电池盒产品初坯经过后加工之后，得到最终的电池盒成品。
优选地，所述电池盒骨架包括四周法兰，所述法兰内侧连接有厚度渐变的法兰R角部位，所述法兰R角部位的四个拐角处分别连接有立面R角部位。
优选地，所述电池盒骨架由多层预浸料经铺贴后模压而得，所述预浸料包括法兰增厚料和立面R角补强料。
优选地，所述预浸料由纤维增强树脂基复合材料制成。
优选地，制备电池盒骨架专用模具时，在专用模具相应的R角位置不同高度处刻线，法兰增厚料根据刻线在不同高度处贴料，模压后形成厚度渐变的法兰R角。
优选地，制备电池盒骨架专用模具时，电池盒骨架的内径尺寸比相应的电池盒成品内径尺寸和电池盒骨架下侧的大面料厚度之和略大；电池盒骨架的法兰面宽度比铺贴后的大面料的法兰面宽度大，也比电池盒成品的法兰面宽度大。
优选地，将铺贴完法兰增厚料和立面R角补强料的模具合模，送入多承板液压机中，所述多承板液压机带有蒸汽加热和循环水冷却系统，为电池盒骨架专用模具提供循环加热/冷却；之后将冷却后的电池盒骨架脱模。
优选地，所述铺料治具四周的法兰部分可拆卸，铺料治具的的表面喷涂有铁氟龙。
优选地，所述预型体脱模时，先将铺料治具四周法兰部分拆除，再通过机械夹持或手工拿取的方式将预型体抬升，使预型体脱除铺料治具。
优选地，步骤（5）中，大面料铺贴后，其法兰面宽度比电池盒成品的法兰面大，而比电池盒骨架的法兰面宽度小。
优选地，所述步骤（6）中的低温为5~15℃；所述步骤（7）中的高温为120~160℃。
优选地，所述电池盒为封闭或不封闭的曲面结构；所述电池盒骨架采用金属或非金属硬质材料制作，但需确保与大面料间的有效粘接。
优选地，所述产品模具下模的法兰面上设置有一圈宽度尺寸与电池盒骨架之法兰宽度相等的模具型槽。
与现有技术相比较，本发明具有以下优点：
⑴由于电池盒骨架所具有的刚性和硬度，可为预型体提供支撑作用，结合低温冷藏使树脂因粘度增加而使预浸料产生“硬化效应”，使得预型体在脱除铺料治具、搬运及置入产品模具的过程中，都很好地保持了结构造型；
⑵由于电池盒骨架具有的刚性和硬度，使预型体各部位在模具合模及加压过程中都很好地实现了力传递，从而使整个预型体的材料在固化过程都能够紧贴模具（有效充实模具型腔），避免了产品成型后局部产生缺料、空化及性能弱化等的不良现象；
⑶由于电池盒骨架的刚性和硬度，且不会在高温模具中软化，结合产品模具下模法兰面上的模具型槽设计，使预型体各部位能够准确置入模具设计位置，入模准确性大大提高，极大地保证了产品结构设计的实现；
⑷由于本工艺中预浸料直接与上下高温模具接触，与“金属衬套成型法”相比，传热效率大大提高。同时由于预型体在置入产品模具前，电池盒骨架已完成了固化成型，预型体在置入产品模具后仅需完成大面料的固化成型，从而使电池盒产品的固化成型节拍时间大大缩短，生产效率大大提高；
⑸本工艺的应用不受电池盒产品尺寸的限制，工艺可行性高、通用性强；
⑹本专利工艺由于材料直接接触高温模具，树脂在高温下迅速熔融，流动性迅速增强，对材料中纤维的浸润和穿透效果好，产品外观效果佳，不良性状少。
附图说明
图1为现有电池盒产品的剖视图；
图2为PCM预型体成型示意图；
图3为金属衬套成型法示意图；
图4为本发明的电池盒骨架的结构示意图；
图5为本发明的电池盒骨架剖视示意图；
图6为本发明的大面料示意图；
图7为本发明的法兰增厚料示意图；
图8为本发明的多承板液压机的结构示意图；
图9为本发明的铺料治具与预型体配合示意图；
图10为本发明的铺料顺序示意图；
图11为本发明的电池盒产品初坯示意图；
图中：10-电池盒产品初坯 11-预型体 12-大面料 12a-第一层大面料 12b-第二层大面料 12c-第三层大面料 13-法兰增厚料 20-电池盒骨架 21-法兰 22-厚度渐变的法兰R角部位 23-立面R角部位 30-铺料治具 31-铺料治具四周法兰可拆卸部分 40-多承板液压机 41-循环冷却水路 42-热蒸汽管路。
具体实施方式
为让本发明的上述特征和优点能更浅显易懂，下文特举实施例，并配合附图，作详细说明如下，但本发明并不限于此。
一般地，为满足结构设计要求，PCM电池盒所采用的预浸料可设计大面积铺贴的大面料、四周法兰及其R角增厚的法兰增厚料，立面R角补强料，和其它具有结构设计意义的用料。以法兰厚度2.5mm左右、立面R角厚度1.6mm左右，其余部位厚度0.9mm左右的PCM电池盒为例，在采用玻璃纤维面密度为400gsm、树脂含量40%左右的预浸料料片时，其大面料为3层料，法兰增厚料为5层料，立面R角补强料为3层料。
参考图4至图10
该PCM电池盒的成型工艺，包括以下步骤：
（一）、一次成型：电池盒骨架的成型
（1）制作电池盒骨架20，所述电池盒骨架包括四周法兰21，所述法兰内侧连接有厚度渐变的法兰R角部位22，所述法兰R角部位的四个拐角处分别连接有立面R角部位23（如图4所示）；且该电池盒骨架是由多层预浸料经铺贴后模压而得，所述预浸料包括法兰增厚料13和立面R角补强料，其中有5层法兰增厚料和3层立面R角补强料。
本实施例中，上述预浸料可由纤维增强树脂基复合材料制成，其中所述树脂包括环氧树脂、不饱和聚酯树脂、聚氨酯树脂等热固性树脂，和聚丙烯、聚乙烯等热塑性树脂；所述纤维包括玻璃纤维、碳纤维、玄武岩纤维等无机纤维，和芳纶纤维等有机纤维。为实现预浸料的铺贴作业，其树脂在一定温度（通常为室温23±2℃）下通常要维持较高粘度（但粘性适中），从而既实现材料的可操作性（不会粘性过大）。同时预浸料料片之间在铺贴过程中也有效初粘合。在凝胶温度以下，温度趋低将促使树脂粘度增大而使预浸料产生“硬化效应”，而温度趋高则正相反。在一定的高温下（通常在90℃以上）树脂将迅速受热熔融或软化。
上述电池盒骨架还可以采用复合材料、木质、金属、陶瓷、硬质塑料等具有较高刚性和硬度的金属或非金属材料来制作，但需确保与大面料间的有效粘接。
（2）制备电池盒骨架专用模具时，电池盒骨架的内径尺寸比相应的电池盒成品内径尺寸和电池盒骨架下侧的大面料12厚度之和略大；同时，为便于电池盒产品的质量控制，电池盒骨架的法兰面宽度比铺贴后的大面料的法兰面宽度要大5~10mm、比电池盒成品的法兰面宽度要大10~15mm。
（3）考虑到法兰R角厚度渐变的特性，所述电池盒专用模具在相应的R角位置不同高度处刻线，法兰增厚料根据刻线在不同高度处贴料，模压后形成厚度渐变的法兰R角。
（4）将铺贴完法兰增厚料和立面R角补强料的模具合模，送入多承板液压机40（如图8所示）中，所述多承板液压机带有蒸汽加热和循环水冷却系统。该多承板液压机可为电池盒骨架专用模具提供循环加热/冷却，多承板液压机可一次完成多套模具、多个电池盒骨架的加压加热固化成型，并将其冷却至低温（50℃以下）。
（5）将冷却后的电池盒骨架脱模。与热脱模相比，模内冷却后脱模避免了电池盒骨架在模外冷却过程中所产生的变形。同时，冷却后的模具为下一次铺料做好了准备。
（6）将脱模后的电池盒骨架的两面进行喷砂处理，以去除其表面残留的油污及脱模剂。
（7）将喷砂后的电池盒骨架清洗，自然晾干，备用。喷砂处理及清洗的目的在于促进在下一步的电池盒成型过程中电池盒骨架与大面料间的有效粘接。
本实施例中，所述电池盒骨架根据结构设计的不同可以一次整体成型，也可以在确保力学性能得以实现的前提下，分模块成型后通过有效粘合形成整体。
（二）、二次成型：电池盒的成型
（1）制备铺料治具30（如图9所示），所述铺料治具四周的法兰部分31可拆卸，铺料治具的表面喷涂有铁氟龙，以利于预型体的快速剥离。
（2）在铺料治具上铺放两层预浸料大面料12，即第一层大面料12a和第二层大面料12b；然后利用产品的拔模斜度，将电池盒骨架置入铺料治具并压紧。
（3）在电池盒骨架上再铺放一层预浸料大面料，即第三层大面料12c，并再次压紧。大面料在电池盒骨架的的四个立面R角部位进行材料的连接，形成电池盒预型体11。大面料铺贴后，其法兰面宽度比电池盒成品的法兰面大5~10mm，而比电池盒骨架的法兰面宽度小5~10mm。
（4）将铺好材料的铺料治具转入低温5~15℃左右，冷藏2~15min。
（5）完成预型体的脱模：预型体脱模时，先将铺料治具四周法兰部位拆除；再利用电池盒骨架的刚性和硬度，通过机械夹持或手工拿取的方式将预型体抬升，使预型体脱除铺料治具。电池盒骨架的刚性和硬度所提供的支撑作用，以及低温冷藏使树脂因粘度增加而使预浸料产生的“硬化效应”，确保了预型体在脱除铺料治具、搬运和置入产品模具的过程中其结构造型保持稳定，也确保了预型体与产品模具能够紧密贴合。
（6）将预型体快速置入高温（120~160℃）产品模具中，进行产品的固化成型。
（7）产品模具开模后，将成型得到的PCM电池盒产品初坯经冷却定型、去边、开孔等后加工过程后，得到最终的PCM电池盒成品。
本实施例中，所述产品模具下模的法兰面上设置有一圈深度1.5mm、宽度尺寸与电池盒骨架之法兰宽度相等的模具型槽。由于电池盒骨架的法兰面宽度比铺贴后的大面料的法兰面宽度要大5~10mm，当夹贴有电池盒骨架的整体预型体置入产品模具后，在合模加压过程中，通过对电池盒骨架的力传递使其法兰四周边缘贴紧模具型槽，从而确保预型体整体置入设计位置，达到使材料在产品模具内铺放准确、充分实现结构设计要求的目的。
上述电池盒为能够为电池包组件提供包容、覆盖、承载和/或防护空间的封闭或不封闭的曲面结构。
本实施例中，制作的电池盒可为上盖或下盖。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，对于本领域的普通技术人员而言，根据本发明的教导，设计出不同形式的电池盒成型工艺并不需要创造性的劳动，在不脱离本发明的原理和精神的情况下凡依本发明申请专利范围所做的均等变化、修改、替换和变型，皆应属本发明的涵盖范围。
Claims (8)
1.一种复合材料电池盒制作工艺，其特征在于，包括以下步骤：
（1）制作电池盒骨架；所述电池盒骨架包括四周法兰，所述法兰内侧连接有厚度渐变的法兰R角部位，所述法兰R角部位的四个拐角处分别连接有立面R角部位；
（2）将制得的电池盒骨架进行喷砂处理，然后清洗晾干，备用；
（3）制备铺料治具；
（4）在铺料治具上铺放至少一层大面料，然后将电池盒骨架置入铺料治具相应位置并压紧；
（5）在电池盒骨架上再铺放余下的大面料，并再次压紧，大面料在电池盒骨架的四个立面R角部位处进行材料的连接，形成电池盒预型体；
（6）将铺好材料的铺料治具转入低温冷藏2~15min；所述低温为5~15℃；
（7）完成预型体的脱模，并快速置入高温产品模具中，进行产品的固化成型；所述高温为120~160℃；
（8）产品模具开模后，将成型得到的电池盒产品初坯经过后加工之后，得到最终的电池盒成品。
2.根据权利要求1所述的一种复合材料电池盒制作工艺，其特征在于，所述电池盒骨架由多层预浸料经铺贴后模压而得，所述预浸料包括法兰增厚料和立面R角补强料。
3.根据权利要求2所述的一种复合材料电池盒制作工艺，其特征在于，所述预浸料由纤维增强树脂基复合材料制成。
4.根据权利要求1或3所述的一种复合材料电池盒制作工艺，其特征在于，制备电池盒骨架专用模具时，在专用模具相应的法兰R角位置不同高度处刻线，法兰增厚料根据刻线在不同高度处贴料，模压后形成厚度渐变的法兰R角。
5.根据权利要求2所述的一种复合材料电池盒制作工艺，其特征在于，将铺贴完法兰增厚料和立面R角补强料的模具合模，送入多承板液压机中，所述多承板液压机带有蒸汽加热和循环水冷却系统，为电池盒骨架专用模具提供循环加热/冷却；之后将冷却后的电池盒骨架脱模。
6.根据权利要求1所述的一种复合材料电池盒制作工艺，其特征在于，所述铺料治具四周的法兰部分可拆卸，铺料治具的表面喷涂有铁氟龙。
7.根据权利要求6所述的一种复合材料电池盒制作工艺，其特征在于，所述预型体脱模时，先将铺料治具四周法兰部分拆除，再通过机械夹持或手工拿取的方式将预型体抬升，使预型体脱除铺料治具。
8.根据权利要求1所述的一种复合材料电池盒制作工艺，其特征在于，所述电池盒为封闭或不封闭的曲面结构；所述电池盒骨架采用金属或非金属硬质材料制作，但需确保与大面料间的有效粘接。
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