CN113119502A - 一种复合材料曲管及制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种批产复合材料曲管及制备方法。本复合材料曲管的制备涉及水溶性芯模制备、三维编织预制体制备、HP‑RTM固化成型三种核心技术，芯模的外轮廓由模具成型，非机械加工，效率高，有利于实现量产。通过在水溶性芯模两端固定金属定位接头，解决在芯模制备时，产品HP‑RTM模具中固化时难以单靠型面定位；以及三维编织过程中需要机械手抓取制品，而制品上很难找到抓取点及编程找正点的问题，通过使用自主研制开发的水溶性芯模替代传统金属芯模拼接，有效解决曲管脱模难题。基本实现全自动化生产，实现年产10万件的批量生产。

Description

一种复合材料曲管及制备方法

技术领域

本发明属于航空航天、轨道汽车、石油船舶等技术领域，具体涉及一种变截面、变曲率、中空封闭的复合材料曲管及其制备方法。

背景技术

中空封闭复合材料曲管根据其结构特点，可应用于航空航天、轨道汽车、石油船舶等领域，比如空中客车A350-XWB机身框架、宝马新7系的侧围顶边梁，空间相机的遮光罩、军用飞机的进气道，石油管道等等。

常规的固化方式(真空导入、LP-RTM、预浸料成型)周期都在数小时以上，除去前期准备时间，24小时最多成型2-3件，难以满足批产量级。截止目前，只有HP-RTM和WCM成型工艺能够实现连续纤维复合材料制品成型件/3-5min的生产节拍，而WCM只能成型2D或者2.5D的板壳类结构。综上，只有HP-RTM成型工艺能满足本专利复合材料管量产要求。HP-RTM技术源于德国宝马，用于其量产I系列车型，2019年才被引进国内，国内尚不具备独立开发HP-RTM成型模具的能力。

对于变截面曲管结构，如何取出芯模是关键难题。如果芯模材质选择PMI、PET等高强低密度泡沫，可以不取出，但是PMI、PET材料昂贵，外轮廓需要数控加工，原材料成本、机械加工成本高，相比之下，成型效率并不高。再者，有用金属内衬做芯模案例，首先，如果不取出金属芯模，则无法实现结构轻量化；如果金属芯模是一体的，则没有办法脱模，如果想取出芯模，则芯模必为多分瓣拼接，在芯模设计上、装配、拆卸上有很大难度，无法实现批产；

在芯模制备时，产品HP-RTM模具中固化时难以单靠型面定位；其次，三维编织过程中需要机械手抓取制品，而制品上很难找到抓取点及编程找正点。

发明内容

本发明为了解决国内生产复合材料封闭曲管处于人工单件小批量制造水平，无法批量化生产的问题，提出了一种复合材料曲管及其制备方法，该方法将水溶性芯模、三维编织预制体、HP-RTM固化成型三种核心技术串联形成研制产线，实现单条产线年产数万件的批量生产能力。为实现上述目的，本发明采用以下具体技术方案：

一种复合材料曲管制备方法，包括如下步骤：

S1、制备带有金属定位接头的水溶性芯模；

S2、制备三维编织预制体；

S3、HP-RTM固化成型：注胶前，开启抽真空装置，控制树脂出高压注胶头的温度为60-70℃，树脂粘度低于200cps，注胶压力为15-20Mpa，注胶工艺窗口控制在2min左右；注胶浸润固化过程中，采用模温机对模具进行加热，模具温度控制在120℃±5℃，工艺周期维持在3-5min。

优选地，步骤S1包括：

S101、将配好的原料倒入两端置有金属定位接头的芯模成型模具中，反复压制至压实；

S102、通过液压顶出装置顶出金属定位接头，将水溶性芯模从芯模成型模具中顶出；

S103、置于固化炉中硬化氧化处理。

优选地，步骤S101中，原料包括：聚乙烯吡咯烷酮PVP与可溶性树脂MERKA2405混合后的30％水溶液、经硅烷偶联剂KH550预处理的70-140目石英砂。

优选地，水溶液与经硅烷偶联剂KH550预处理的70-140目石英砂的质量比为1.5:10。

优选地，步骤S2中，机器人抓手通过连接金属定位接头抓取水溶性芯模。

优选地，还包括步骤S4：修整表观毛刺及富树脂区域，用水将细砂溶解掏出，取下金属定位接头，得到复合材料中空曲管。

优选地，金属定位接头用于实现工艺串联及精准定位。

优选地，复合材料曲管的编织体材料为碳纤维、玻璃纤维、玄武岩纤维、芳纶纤维或高分量聚乙烯纤维；复合材料曲管的树脂基体为满足高压注射浸润、快速固化的环氧基树脂、氰酸酯树脂、双马树脂或聚氨酯树脂。

一种复合材料曲管，利用上述方法制备，复合材料曲管为变截面、变曲率、等壁厚中空封闭复合材料曲管。

本发明能够取得以下技术效果：

1、通过使用自主研制开发的水溶性芯模替代传统金属芯模拼接，有效解决曲管脱模难题。

2、通过将水溶性芯模、三维编织预制体、HP-RTM固化成型三种核心技术串联形成研制产线，实现单条产线年产数万件次的批量生产。

3、芯模的外轮廓由模具成型，非机械加工，效率高，有利于实现量产。

4、通过在水溶性芯模两端固定金属定位接头，解决在芯模制备时，产品HP-RTM模具中固化时难以单靠型面定位；以及三维编织过程中需要机械手抓取制品，而制品上很难找到抓取点及编程找正点的问题。

附图说明

图1是本发明一个实施例的一种复合材料曲管制备方法的流程图；

图2是本发明一个实施例的复合材料曲管示意图；

图3是本发明一个实施例的三维编织芯模；

图4是本发明一个实施例的芯模成型模具示意图；

图5是本发明一个实施例的三维编织制备预制体装置示意图；

图6是本发明一个实施例的HP-RTM成型模具示意图。

附图标记：

水溶性芯模1、芯模主体11、金属定位接头12、三维编织机2、机器人抓手3、高压注胶头4、压力传感器5、温度传感器6、抽真空装置7、液压顶出装置8。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，而不构成对本发明的限制。

本发明的目的是提供一种复合材料曲管及制备方法，能够实现复合材料中空封闭曲管的稳定高效量产。下面将对本发明提供的一种复合材料曲管及制备方法，通过具体实施例来进行详细说明。

如图1所示的流程图，本发明从批产工艺设计思路出发，首先制备水溶性芯模1，其次对制备好的水溶性芯模1进行三维编织得到三维编织预制体、最后通过HP-RTM固化成型得到一种如图2所示的变截面、变曲率、等壁厚中空封闭复合材料曲管。

如图3所示，水溶性芯模1包括芯模主体11和固定在芯模主体11两端的金属定位接头12，在本发明的一个优选实施例中，将金属定位接头12预先放在芯模成型模具中，并将模具置于压机上固定芯模成型模具的上下模，将配好的聚乙烯吡咯烷酮PVP和可溶性树脂MERKA2405水溶液与经硅烷偶联剂KH550预处理的70-140目石英砂原料按照质量比1.5：10混合均匀后，按照理论型腔体积倒入到芯模成型模具中，反复压制直到压实。与此同时，上下模具外接模温机持续水浴加热，水浴温度控制在90℃±5℃。为保证芯模结构状态稳定，压机压力为5Mpa，保温保压5min。压制完毕后，通过液压顶出机构顶出金属定位接头12，从而顶出水溶性芯模1，置于型架上，完成预处理。将上述预处理后的水溶性芯模1置于固化炉中，130℃保温4h完成硬化养化处理后备用。此时，芯模主体11与金属定位接头12已经连接在一起，具有一定强度刚度，满足后续工艺要求；且水溶性芯模1的外轮廓由芯模成型模具成型，非机械加工，效率高。

在本发明的一个优选实施例中，将制备好的水溶性芯模1进行三维编织，制备三维编织预制体，如图5所示，将水溶性芯模1的金属定位接头12与机器人抓手3定位连接，机器人抓手3中心置于三维编织机2中心位置，同时，纤维纱筒均匀布满三维编织机2上，每团都连接到水溶性芯模1上的同一起始位置，按照预先编好的程序，机器人抓手3的运动轨迹与三维编织机2的编织动作协同联动，完成三维编织预制体的制备。编织完毕后，将三维编织预制体连同水溶性芯模1一同卸下，置于型架上备用。

将三维编织预制体通过机器人抓手3放于HP-RTM成型模具中，并通过金属定位接头12固定。HP-RTM成型模具通过压机使模具闭合，此时开启抽真空装置7，维持30s；然后，将上模具模抬起0.3mm，同时，树脂、固化、内脱模剂混合后通过高压注胶头4快速注入模具型腔，浸润三维编织预制体，完成固化。

在本发明的一个优选实施例中，整个注胶浸润固化过程中，采用模温机加热，模具温度控制在120℃±5℃，而在注入前，树脂出高压注胶头4的温度为60-70℃，树脂粘度低于200cps，注胶压力15-20Mpa，注胶工艺窗口控制在2min左右。工艺实施过程中，通过压力传感器5、温度传感器6对关键工艺参数进行实时监测，固化完毕后，利用金属定位接头12作为受力点，通过液压顶出装置8将固化成型后的产品顶出，整个工艺周期维持在3-5min。

产品取出后，修整表观毛刺及富树脂区域，然后用水将细砂溶解掏出，取下金属定位接头12，得到最后的复合材料中空封闭曲管。

在本发明的一个优选实施例中，由于三维编织预制体在HP-RTM模具中固化时难以单靠型面定位；以及三维编织过程中需要机器人抓手3抓取水溶性芯模1，而在水溶性芯模1上很难找到抓取点及编程找正点，因此在水溶性芯模1两端设计两个金属定位接头12，解决上述两个问题。

如图3所示，金属定位接头12为一端带有圆柱凸台的立方体结构，制备水溶性芯模1时，圆柱凸台部分充分浸入原料中，与芯模主体11一体成型，用于连接到水溶性芯模1并固定；立方体部分既作为机器人抓手3抓取的抓取点，也作为编程的找正点，同时在HP-RTM固化成型时，用于定位三维编织预制体，从而实现在工艺串联时上下工序的快速找正连接及精准定位。

通过本发明提供的水溶性芯模1的批产工艺，为能够实现批量的HP-RTM固化成型提供三维编织预制体，同时利用金属定位接头12实现从水溶性芯模1的制备到最终复合材料曲管的机械化生产，从而实现复合材料曲管的批产而非单一工序的单批产。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者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必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

以上本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所作出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。

Claims (9)

1.一种复合材料曲管制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、制备带有金属定位接头的水溶性芯模；

S2、制备三维编织预制体；

S3、HP-RTM固化成型：注胶前，开启抽真空装置，控制树脂出高压注胶头的温度为60-70℃，树脂粘度低于200cps，注胶压力为15-20Mpa，注胶工艺窗口控制在2min左右；注胶浸润固化过程中，采用模温机对模具进行加热，模具温度控制在120℃±5℃，工艺周期维持在3-5min。

2.根据权利要求1所述的复合材料曲管制备方法，其特征在于，步骤S1包括：

S101、将配好的原料倒入两端置有所述金属定位接头的芯模成型模具中，反复压制至压实；

S102、通过液压顶出装置顶出所述金属定位接头，将所述水溶性芯模从所述芯模成型模具中顶出；

S103、置于固化炉中硬化氧化处理。

3.根据权利要求2所述的复合材料曲管制备方法，其特征在于，所述步骤S101中，所述原料包括：聚乙烯吡咯烷酮PVP与可溶性树脂MERKA2405混合后的30％水溶液、硅烷偶联剂KH550预处理的70-140目石英砂。

4.根据权利要求3所述的复合材料曲管制备方法，其特征在于，所述水溶液与所述经硅烷偶联剂KH550预处理的70-140目石英砂的质量比为1.5:10。

5.根据权利要求1所述的复合材料曲管制备方法，其特征在于，步骤S2中，机器人抓手通过连接金属定位接头抓取所述水溶性芯模。

6.根据权利要求1所述的复合材料曲管制备方法，其特征在于，还包括步骤S4：修整表观毛刺及富树脂区域，用水将细砂溶解掏出，取下金属定位接头，得到复合材料中空曲管。

7.根据权利要求4所述的复合材料曲管制备方法，其特征在于，所述金属定位接头用于实现工艺串联时快速找正连接及精准定位。

8.根据权利要求1所述的复合材料曲管制备方法，其特征在于，所述复合材料曲管的编织体材料为碳纤维、玻璃纤维、玄武岩纤维、芳纶纤维或高分量聚乙烯纤维；所述复合材料曲管的树脂基体为满足高压注射浸润、快速固化的环氧基树脂、氰酸酯树脂、双马树脂或聚氨酯树脂。

9.一种复合材料曲管，其特征在于，利用如所述权利要求1-8任意一项制备，所述复合材料曲管为变截面、变曲率、等壁厚中空封闭复合材料曲管。

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