CN112497786A - 一种碳纤维汽车零部件的成型方法及模具 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种碳纤维汽车零部件的成型方法及模具，所述模具包括上模和下模，上模和下模之间形成成型膜腔，下模的成型区内包括密封装置、抽真空系统和压力传感器；密封装置安装在成型区的边部，抽真空系统和压力传感器安装在密封装置的内侧；所述上模的凹部带有辅助流道。本发明在预成型工装和成型模具设计的基础上，采用HP‑TRM成型工艺，使得结构复杂的碳纤维汽车A立柱内板的一次成型成为可能，且有效缩短成型周期，生产效率高，所制得的纤维制品纤维体积含量达到60%左右，孔隙率低，机械性能优良，表面质量优异，可直接组装使用，大大提高生产效率。

Description

一种碳纤维汽车零部件的成型方法及模具

技术领域

本发明涉及汽车轻量化领域，特别是涉及一种碳纤维汽车零部件的成型方法及模具。

背景技术

传统燃油车对油耗法规及新能源车对续航里程的需求日益迫切，汽车轻量化已成为国内汽车主机厂的迫切需求。汽车轻量化可以降低整车质量，提高燃油效率，增加续航里程，从而降低汽车使用成本。

汽车A立柱内板是汽车侧围结构的重要部件之一，是侧面碰撞的传力路径之一。汽车A立柱内板由于结构较为复杂，其内有多处变径截面，厚度不一。传统汽车A立柱内板一般由钢材通过冲压和焊接工艺制成，制品不仅重量大，而且装配工序多，不利于汽车轻量化。碳纤维复合材料的密度仅为1.5～1.6g/cm³，是钢的五分之一，且具有轻质高强、耐化学腐蚀和抗疲劳性能优异等特点，同时可实现结构一体化设计，大大减少装配工序，因而在汽车轻量化领域备受关注。

现有碳纤维复合材料的成型方法大都采用RTM工艺成型。但国内外现有RTM工艺在成型过程中，普遍存在如下缺点：1、膜腔内的树脂流动不均衡，局部树脂冲模量不足，且无法有效监测，导致成品的质量稳定性差；2、树脂注射压力地，树脂注入后对碳纤维浸泡，易出现气泡、干纱等缺陷，导致成品孔隙率较高，降低产品质量；3、成型周期长，一般简单制品的成型时间在30～60分钟，难以满足大批量生产的需求。为了解决成型周期长和树脂注入压力低的问题，业界采用了HP-RTM(High Pressure Resin Transfer Molding)，即高压树脂传递模塑成型工艺。但该成型工艺仍不能有效监控膜腔内的树脂流动，且该成型工艺与RTM工艺类似，适合于成型结构简单，厚度均匀的产品，对于结构复杂，厚度不一的产品，如汽车A立柱内板，通常难以保证产品的成型质量，甚至不能制备出合格的产品。

发明内容

本发明主要解决的技术问题是提供一种碳纤维汽车零部件的成型方法及模具，能够一次性成型碳纤维复合汽车A立柱，解决现有技术存在的上述问题。

为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供一种碳纤维汽车零部件的成型模具，包括上模和下模，所述上模和下模之间形成碳纤维汽车零部件成型的膜腔，所述下模的成型区内包括密封装置、抽真空系统和压力传感器；所述密封装置安装在所述成型区的边部，所述抽真空系统和压力传感器安装在所述密封装置的内侧；所述上模的凹部带有辅助流道。

在本发明一个较佳实施例中，所述抽真空系统的数量为2个以上，对称式安装在所述下模成型区靠近边部的位置；所述压力传感器安装在所述成型区的中部，以及汽车A立柱内板的各个截面所在的区域。

在本发明一个较佳实施例中，所述成型模具还包括压边条，所述压边条安装在所述下模成型区内，并位于所述密封装置和抽真空系统之间。

为解决上述技术问题，本发明采用的另一个技术方案是：提供一种碳纤维汽车零部件的成型方法，采用上述成型模具成型，包括如下步骤：

（1）裁切：将碳纤维干织物卷料吸附在裁切台面上，根据汽车零部件的结构裁切成所需形状的料片；

（2）铺层：将步骤（1）中裁切后的料片表面喷涂定型粉，然后按铺层顺序进行铺层；

（3）制备预成型体：将步骤（2）中得到的铺层料片整体放置到预成型工装中，使工装上模的各个压板按顺序压制料片，然后裁切掉边缘料片，得到碳纤维预成型体；

（4）HP-RTM成型：将步骤（3）中制备的预成型体放置到所述成型模具中，合模、抽真空，并在加热加压的条件下快速注射树脂，保温固化成型，脱模、切割，得到所述碳纤维汽车零部件。

在本发明一个较佳实施例中，所述步骤（2）中，所述铺层顺序为：各个料片自下向上按照其中心线与水平面之间的夹角为0°、-45°、90°、45°、0°、45°、90°、-45°和0°的顺序铺层。

在本发明一个较佳实施例中，所述步骤（3）中，所述预成型工装包括驱动机构、工装上模和工装下模，所述工装上模和工装下模的形状与所述汽车零部件的形状相同；其中，所述工装上模为分段模块，包括多个相互独立的压板，每个所述压板固定连接在所述驱动机构的动力输出轴上。

在本发明一个较佳实施例中，所述压板包括对应所述汽车零部件中部的第一压板以及对应所述汽车零部件右边部的第二压板和左边部的第三压板。

在本发明一个较佳实施例中，所述压制顺序为：位于中部的所述第一压板先压，然后位于右边的第二压板或位于左边的第三压板依次压制；所述压制的工艺为：温度160～180℃，时间30～60s。

在本发明一个较佳实施例中，所述步骤（4）中，所述HP-RTM成型的工艺条件为：模具温度120～130℃，合模压力10～14MPa，注射压力为13～15MPa，注胶量800～900g，保温时间3～5min。

为解决上述技术问题，本发明采用的另一个技术方案是：提供一种碳纤维汽车A立柱内板，采用上述汽车零部件的成型方法制备而成。

本发明的有益效果是：本发明一种碳纤维汽车零部件的成型方法及成型模具，通过工装上模独立压块的设计，使碳纤维预成型体压制密实，内部无鼓包等情况；通过成型模具的抽真空系统、压力传感器和辅助流道的设计，有效监测并确保树脂均匀填充到模腔内，充分浸润碳纤维预成型体，提高成型质量；在预成型工装和成型模具设计的基础上，采用HP-TRM成型工艺，使得结构复杂的碳纤维汽车零部件的一次成型成为可能，且有效缩短成型周期，生产效率高，所制得的纤维制品纤维体积含量达到60%左右，孔隙率低，机械性能优良，表面质量优异，可直接组装使用，大大提高生产效率。

附图说明

图1是本发明一种碳纤维汽车零部件的成型模具的下模的俯视结构示意图；

图2是本发明一种碳纤维汽车零部件的成型模具的上模的俯视结构示意图；

图3是本发明一种碳纤维汽车零部件的预成型工装的立体结构示意图；

图4是图3中预成型工装的工装上模的仰视结构示意图；

图5是碳纤维A立柱内板的结构示意图；

附图中各部件的标记如下：1.下模，2.成型区，3.密封装置，4.抽真空系统，5.压力传感器，6.顶出机构，7.压边条，8.第一加热管路，9.驱动机构，10.工装上模，11.工装下模，12.第二加热管路，13.上模，131.注胶口，132.注胶流道，133.辅助流道，91.固定板，92.气缸，101.第一压板，102.第二压板，103.第三压板。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。

请参阅图1-4，本发明实施例包括：

实施例1

本发明揭示了一种碳纤维汽车零部件的成型模具，以碳纤维汽车A立柱内板为例，所述成型模具包括上模13和下模1，所述上模13和下模1构成带有碳纤维汽车A立柱内板成型的膜腔。具体地，所述下模1的成型区2内安装有密封装置3、抽真空系统4、压力传感器5、顶出机构6和压边条7；所述下模1上位于所述成型区2以外的区域安装有第一加热管路8。

所述密封装置3安装在所述成型区2的边部，为两圈密封条，其中，外圈密封条主要起到真空密封的作用，使上模和下模合模后，膜腔内形成密封环境；内圈密封条能有效避免树脂外溢，防止造成环境污染。

所述抽真空系统4和压力传感器5位于所述密封装置3的内侧。其中，所述抽真空系统4的数量为2个，呈对角线对称安装在所述成型区2靠近边部的位置。通过抽真空系统4的设计，可以确保树脂注射阶段膜腔内保持一定的真空度，以降低产品的孔隙率，提高成型质量。

所述压力传感器5安装在所述成型区2的中部及汽车A立柱内板的各个截面所在的区域，一方面用于监测树脂的灌注压力，另一方面用于监测模腔内，尤其是变截面区域树脂的灌注情况。

所述顶出机构6均匀分布在所述成型区2内，用于将固化成型后的产品顺利顶出、脱模。

所述压边条7安装在所述成型区2内，并位于所述密封装置3和抽真空系统4之间，用于固定预成型体，防止树脂高压灌注时将预成型体冲散。

所述上模13上开设有注胶口131、注胶流道132和辅助流道133，其中，所述注胶口131和注胶流道132位于所述膜腔的中部（对应于成型零件的中间位置），所述注胶口131与所述注胶流道132连通。所述辅助流道133为两条平行圆柱状流道，且流道半径为3mm,间距90mm；所述辅助流道133位于所述上模13的凹部，对应于成型零件的凸台造型位置，可以确保在复杂造型位置处树脂可以充分浸润碳纤织物，降低产品的孔隙率，提高成型质量。

实施例2

本发明揭示了一种用于成型碳纤维汽车零部件的预成型工装，以成型碳纤维汽车A立柱内板的预成型体为例，包括驱动机构9、工装上模10和工装下模11；所述驱动机构9包括固定板91和安装在固定板91下表面上的多个气缸92。

所述工装上模10和工装下模11的形状与汽车A立柱内板的形状相同。所述工装上模10和工装下模11内均嵌置有第二加热管道12，使工装上模10和工装下模11能够均匀受热。

所述工装上模10为铝合金分段模块，所述工装下模11为铝合金整体模块。具体地，所述工装上模10包括多个相互独立的压板，分别为对应所述汽车A立柱内板中部的第一压板101，对应所述汽车A立柱内板右边部的第二压板102和对应所述汽车A立柱内板左边部的第三压板103。作业过程中，所述工装上模10的各个压板的压制顺序为：位于中部的所述第一压板101先压，然后位于右边的第二压板102或位于左边的第三压板103依次压制。

进一步地，如图3所示，所述第一压板101还可进一步分成两个独立的压块，编号为②和③，且编号②和编号③的压块自下向上布置；

所述第三压板103还可以进一步分成三个独立的压块，编号为④、⑤和⑥，且编号⑥和编号④的压块自左向右并排设置，编号⑤的压块位于编号④和⑥压块的下方。

所述第二压板102为1个长条形的压板，编号为①。

各个编号的压块分别独立地连接在驱动机构9上的气缸92的动力输出轴上，并在气缸92的带动下作独立的下压动作。

实施例3

本发明揭示了一种碳纤维汽车零部件的成型方法，具体以成型碳纤维汽车A立柱内板为例，采用上述成型模具和预成型工装成型，具体制备方法包括如下步骤：

（1）裁切：选用T700单向布作为碳纤维干织物，通过玻纤纱和PET细纱编织成卷料，织物面密度为300g/m²，其中，上表面为PET绑缚纱面，下表面为玻纤纱编织面；将上述编织处理后的碳纤维干织物放置到裁切机料架上，在织物表面覆盖一层PP薄膜，使碳纤维干织物真空吸附在裁切台面上，然后将碳纤维干织物根据汽车A立柱内板的结构裁切成所需形状的料片，裁切的料片的数量为9张，其中一张为局部加强料片；

（2）铺层：将步骤（1）中裁切后的料片表面喷涂定型粉，然后以玻纤纱编织面为下表面，将各个料片自下向上以其中心线与水平方面的夹角为0°、-45°、90°、45°、0°、45°、90°、-45°和0°的顺序铺层；其中，局部加强料片为第五层；

其中，所述定型粉为本领域常用的可固化的预成型粘结剂；

（3）制备预成型体：将步骤（2）中铺层后的料片整体放置到预成型工装的工装下模11上，工装上模10和工装下模11提前加热至180℃，启动驱动机构9，使工装上模10的第一压板101、第二压板102和第三压板103在气缸的带动下，按照先压中间再压两边的顺序进行压制，具体地，各个压板对应的压块在相应的气缸的带动作用下按照②/③/①/④/⑥/⑤的顺序依次下压料片，恒温保压30～60s，将铺层后的料片压制成汽车A立柱内板的形状，压制定型后，将其取出室温放置冷却，并采用超声波切割机器人裁切掉边缘的料片，得到碳纤维汽车A立柱内板的预成型体；

通过将工装上模10设计为3个独立控制的压板，再通过控制压板的下压顺序，实现先压制铺层料片的中部，再压制铺层料片的边部的压制方式，解决了结构复杂的预成型体预压成型困难的问题，避免整体式压制造成的中部充气鼓包、压制不实等缺点；

（4）HP-RTM成型：将步骤（3）中制备的预成型体放置到实施例1的成型模具的膜腔内，上模和下模提前预热至130℃，合模，并在上模和下模的间隙为5～10mm时启动抽真空系统4抽真空，抽真空10s至模腔内的空气被抽干净，合模后施加4MPa的压力，压边条7将预成型体压置固定，然后利用高压注射机在13MPa的压力下将树脂混合并注入到模具型腔内，注入量为800g，并通过压力传感器5监测树脂的注射情况，使其均匀填充到模腔内，充分浸润碳纤维预成型体，注射结束后，加压至12MPa，并恒温保压240s，待树脂固化后，泄压、开模，并通过顶出机构6将成型件顶出、脱模，将脱模后的成型件进行切割、钻孔和胶接金属件，得到所述碳纤维汽车A立柱。

其中，所述树脂为双组份环氧树脂，包括A组分和B组分，所述A组分的注胶量为640g，B组分的注胶量为153.6g，A组分在混合前存储在温度为70℃的料罐中，B组分在混合前存储在温度为35℃的料管中。

上述方法采用高压混合和注射树脂，将固化时间缩短至3～5min，大大缩短了成型周期，提高了生产效率，满足大批量生产的要求；所得的碳纤维汽车A立柱内板的纤维体积含量达到60%左右，树脂在真空环境下浸润充分，制品的孔隙率低。

上述方法制备的碳纤维汽车A立柱内板，按照ISO527和ISO14130测试标准测试，结果显示，其拉伸强度为1120MPa，拉伸模量为97.8GPa，层间剪切强度为32.8MPa。

本发明一种碳纤维汽车A立柱内板的成型方法及成型模具，具有如下优点：

1、通过预成型工装的设计，尤其是带有独立的压块的工装上模的设计，使压制好的碳纤维预成型体压制密实，内部无鼓包等情况；

2、通过带有抽真空系统、压力传感器和辅助流道的成型模具的设计，确保树脂注射阶段膜腔内保持一定的真空度，以降低产品的气孔率，提高成型质量；通过压力传感器监测树脂的填充情况，使其均匀填充到模腔内，充分浸润碳纤维预成型体，提高成型质量；

3、在预成型工装和成型模具设计的基础上，采用高压注射成型，使结构复杂的碳纤维零部件的成型成为可能，且固化成型周期短，可实现5min内固化成型，生产效率高，可满足自动化批量生产的要求；

4、在密闭的真空模腔中实现树脂浸润和固化，生产过程中不会导致环境污染及树脂溢出浪费等情况，所得制品的纤维体积含量达到60%左右，且制品孔隙率低，机械性能优良；

5、所得的制品两面光滑，表面质量优异，无需过多打磨处理即可直接组装使用，提高生产效率。

前述对本发明的具体示例性实施方案的描述是为了说明和例证的目的。这些描述并非想将本发明限定为所公开的精确形式，并且很显然，根据上述教导，可以进行很多改变和变化。对示例性实施例进行选择和描述的目的在于解释本发明的特定原理及其实际应用，从而使得本领域的技术人员能够实现并利用本发明的各种不同的示例性实施方案以及各种不同的选择和改变。本发明的范围意在由权利要求书及其等同形式所限定。

Claims (10)

1.一种碳纤维汽车零部件的成型模具，包括上模和下模，所述上模和下模之间形成碳纤维汽车零部件成型的膜腔，其特征在于，所述下模的成型区内包括密封装置、抽真空系统和压力传感器；所述密封装置安装在所述成型区的边部，所述抽真空系统和压力传感器安装在所述密封装置的内侧；所述上模的凹部带有辅助流道。

2.根据权利要求1所述的一种碳纤维汽车零部件的成型模具，其特征在于，所述抽真空系统的数量为2个以上，对称式安装在所述下模成型区靠近边部的位置；所述压力传感器安装在所述成型区的中部，以及汽车零部件的各个截面所在的区域。

3.根据权利要求2所述的一种碳纤维汽车零部件的成型模具，其特征在于，所述成型模具还包括压边条，所述压边条安装在所述下模成型区内，并位于所述密封装置和抽真空系统之间。

4.一种碳纤维汽车零部件的成型方法，其特征在于，采用权利要求1-4任一项所述的成型模具成型，包括如下步骤：

（1）裁切：将碳纤维干织物卷料吸附在裁切台面上，根据汽车零部件的结构裁切成所需形状的料片；

（2）铺层：将步骤（1）中裁切后的料片表面喷涂定型粉，然后按铺层顺序进行铺层；

（3）制备预成型体：将步骤（2）中得到的铺层料片整体放置到预成型工装中，使工装上模的各个压板按顺序压制料片，然后裁切掉边缘料片，得到碳纤维预成型体；

（4）HP-RTM成型：将步骤（3）中制备的预成型体放置到所述成型模具中，合模、抽真空，并在加热加压的条件下注射树脂，保温固化成型，脱模、切割，得到所述碳纤维汽车A立柱内板。

5.根据权利要求4所述的一种碳纤维汽车零部件的成型方法，其特征在于，所述步骤（2）中，所述铺层顺序为：各个料片自下向上按照其中心线与水平面之间的夹角为0°、-45°、90°、45°、0°、45°、90°、-45°和0°的顺序铺层。

6.根据权利要求4所述的一种碳纤维汽车零部件的成型方法，其特征在于，所述步骤（3）中，所述预成型工装包括驱动机构、工装上模和工装下模，所述工装上模和工装下模的形状与所述汽车零部件的形状相同；其中，所述工装上模为分段模块，包括多个相互独立的压板，每个所述压板固定连接在所述驱动机构的动力输出轴上。

7.根据权利要求6所述的一种碳纤维汽车零部件的成型方法，其特征在于，所述压板包括对应所述汽车零部件中部的第一压板以及对应所述汽车零部件右边部的第二压板和左边部的第三压板。

8.根据权利要求7所述的一种碳纤维汽车零部件的成型方法，其特征在于，所述压制顺序为：位于中部的所述第一压板先压，然后位于右边的第二压板或位于左边的第三压板依次压制；所述压制的工艺为：温度160～180℃，时间30～60s。

9.根据权利要求4所述的一种碳纤维零部件的成型方法，其特征在于，所述步骤（4）中，所述HP-RTM成型的工艺条件为：模具温度120～130℃，合模压力10～14MPa，注射压力为13～15MPa，注胶量800～900g，保温时间3～5min。

10.一种碳纤维零A立柱内板，其特征在于，采用权利要求1-9任一项所述的成型方法制备而成。

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