CN113400677B - 辅助模具及格栅结构增强泡沫夹芯复合材料制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种辅助模具及格栅结构增强泡沫夹芯复合材料制备方法，本发明通过定位块的设计，可精确控制泡沫芯材条的位置、格栅结构的厚度，并能够有效解决格栅结构增强泡沫夹芯复合材料成型过程中预成型体尺寸的精确控制、整体厚度的控制、预成型体稳定性以及成型质量一致性等问题，而且，通过对定位块的形状和相邻定位块之间间距的合理设计，可对格栅结构形状及厚度进行精确控制，实现不同类型格栅结构增强泡沫夹芯复合材料的制备。

Description

辅助模具及格栅结构增强泡沫夹芯复合材料制备方法

技术领域

本发明属于夹层结构复合材料成型工艺技术领域，具体涉及辅助模具及格栅结构增强泡沫夹芯复合材料制备方法。

背景技术

传统泡沫夹芯复合材料由强度、模量较大的上下复合材料面板和介于上下面板之间的低密度泡沫夹芯材料复合而成，具有较高的比强度、比刚度；同时，低密度泡沫夹芯材料具有防火、隔热、隔声、吸能等功能。因此，传统泡沫夹芯复合材料成为一种典型结构功能一体化材料，已广泛应用于轨道交通、高速列车、航空航天、船舶与海洋工程等领域。但是，随着工程应用对结构性能要求的不断提高，传统泡沫夹芯复合材料已经无法满足需求。而将复合材料格栅结构引入到传统泡沫夹芯复合材料的泡沫夹芯材料中，构建一种新型夹层结构复合材料——格栅结构增强泡沫夹芯复合材料，其主体部分为传统泡沫夹芯复合材料，增强部分为复合材料格栅结构，因此，格栅结构增强泡沫夹芯复合材料集成了传统泡沫夹芯复合材料和复合材料格栅结构的各自优势，既保留了传统泡沫夹芯复合材料较低密度、较高强度、较高模量等优点，又发挥了复合材料格栅结构出色的力学性能，即：在整体密度略微增加的前提下，格栅结构增强泡沫夹芯复合材料的平压、侧压、弯曲、剪切等力学性能显著提升，尤其是侧压性能，成倍数级增加。

由于复合材料格栅结构的引入，原本作为一个整体的泡沫芯材板被分割成一个个离散的泡沫芯材条。在制备夹层预成型体时，干态纤维织物(经树脂浸润成型后即为复合材料格栅结构)与泡沫芯材条交替铺放，干态纤维织物成波浪形穿插于离散的泡沫芯材条之间，泡沫芯材条被干态纤维织物“半包覆”，干态纤维织物几何形态为反对称结构。为了尽可能提高相邻泡沫芯材条之间以及泡沫芯材条与干态纤维织物之间贴合度，并尽可能减少干态纤维织物局部皱褶，需要对干态纤维织物施加一定张力，由于泡沫芯材密度较低(≤400kg/m³)，带有一定张力的反对称结构干态纤维织物会使紧贴于其上的泡沫芯材条崩出。此外，即使按照上述操作交替铺放泡沫芯材条和干态纤维织物，原本贴合较好的预成型体会再次发生“松弛”，导致制备的夹层预成型体排列不整齐、整体厚度不均匀、格栅结构厚度不均一，进而影响格栅结构增强泡沫夹芯复合材料外观尺寸及质量一致性。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提供一种辅助模具及格栅结构增强泡沫夹芯复合材料制备方法，以解决上述技术问题。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：辅助模具，包括外框体，该外框体为由两组相对设置的金属杆围成的矩形框状结构，泡沫芯材条在该矩形框状结构的内侧沿长度方向进行排列；其中，较长的一组金属杆上相对设置有两列定位组件，该定位组件包括多个沿金属杆的长度方向间隔设置的定位块，且定位块设置在金属杆的内侧，泡沫芯材条两个端部的横截面与定位块的形状及尺寸相同，且泡沫芯材条交替分布在相对设置的两个定位块之间和相邻的两个定位块之间。

进一步的，所述定位块靠近金属杆一侧的端面上具有耳座，金属杆上开设有与耳座相匹配的盲孔，定位块通过耳座安装在金属杆上。

进一步的，所述金属杆与耳座之间以及两组相对设置的金属杆之间均通过锁紧螺栓连接。

进一步的，至少一组相对设置的金属杆的底部设置有可拆卸且高度可调的销钉。

本发明格栅结构增强泡沫夹芯复合材料制备方法使用上述的辅助模具进行制备，包括以下步骤：

步骤1)、将两组相对设置的金属杆围成的矩形框状结构，形成外框体，并将两列定位组件和销钉安装在外框体上，形成所述的辅助模具；

步骤2)、将装配好的辅助模具居中放置于下面板上，按压辅助模具向下施加压力，使销钉在下面板上留下压痕，然后移除辅助模具，在压痕处开孔，然后将辅助模具通过销钉装配在下面板的上方；

步骤3)、依次在多组相对设置的定位块内侧间隔铺放泡沫芯材条；

步骤4)、将干态纤维织物铺敷于间隔铺放的泡沫芯材条的上方，然后用多个泡沫芯材条向下预压，使之挤入间隔铺放的泡沫芯材条的间隙之中，并在泡沫芯材条上放置重物以固定和压紧泡沫芯材条和干态纤维织物；

步骤5)、撤去重物，在泡沫芯材条和干态纤维织物的正上方铺敷上面板，形成预成型体；

步骤6)、按照VARI成型工艺在预成型体内依次进行脱模布、导流网铺放和注胶管路设置，然后用真空袋膜整体封装预成型体；

步骤7)、按照VARI成型工艺对封装好的预成型体注胶，待树脂完全固化后卸下增强泡沫夹芯复合材料制品周围的辅助模具，即可脱模。

进一步的，所述步骤4)中，若泡沫芯材条的截面不是矩形，则在多个泡沫芯材条挤入间隙之中后，还需要截取泡沫芯材条以填充辅助模具两端的空隙。

进一步的，所述步骤3)在铺放泡沫芯材条时，泡沫芯材条的两端分别与位于其两侧的定位块对齐。

进一步的，上面板和下面板的四周均相对于辅助模具向外延伸5mm以上。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

第一，通过定位块的设计，可精确控制泡沫芯材条的位置、格栅结构的厚度，并能够有效解决格栅结构增强泡沫夹芯复合材料成型过程中预成型体尺寸的精确控制、整体厚度的控制、预成型体稳定性以及成型质量一致性等问题；

第二，以格栅结构增强泡沫夹芯复合材料的面板厚度为基准，通过对金属杆底部可拆卸且高度可调的销钉的匹配设计，能够较好的控制下面板厚度及其与上面板的一致性；

第三，完成整个预成型体制备以后，按照VARI成型工艺常规步骤进行脱模布、导流网、注胶口、出胶口、注胶管路等敷设，然后即可整体封装，实现了上、下面板与夹层预成型体的一体化整体成型，拆卸格栅结构增强泡沫夹芯复合材料制品周围的辅助模具和销钉后脱模，即可得到格栅结构增强泡沫夹芯复合材料；

第四，该辅助模具制造成本较低，可反复使用，易脱模，易拆卸和装配，易保养维护；

第五，本发明的一体化整体成型工艺与常规VARI成型工艺无异，工艺技术成熟稳定，工艺流程简单，且一次成型即可得到制品，显著提高制备效率、外观质量及质量一致性；

第六，通过对定位块的形状和相邻定位块之间间距的合理设计，可对格栅结构形状及厚度进行精确控制，实现不同类型格栅结构增强泡沫夹芯复合材料的制备。

附图说明

图1是本发明辅助模具的结构示意图；

图2是预成型体在其中一个横截面处的剖视图；

图3是预成型体在另一个横截面处的剖视图；

图4是将下面板卸下后预成型体的剖视图；

图5是泡沫芯材条为矩形时，泡沫芯材条的铺放流程示意图；

图6是泡沫芯材条为非矩形，如等腰梯形时泡沫芯材条的铺放流程示意图；

图7是泡沫芯材条为矩形时，定位块在第一矩形截面金属杆上的分布示意图；

图8是泡沫芯材条为非矩形，如等腰梯形时定位块在第一矩形截面金属杆上的分布示意图；

图中标记：1、第一矩形截面金属杆，2、第二矩形截面金属杆，3、定位块，4、第一锁紧螺栓，5、第二锁紧螺栓，6、销钉，7、上面板，8、泡沫芯材条，9、干态纤维织物，10、下面板。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

辅助模具，包括外框体，如图1所示，该外框体为由两组相对设置的金属杆围成的矩形框状结构，泡沫芯材条8在该矩形框状结构的内侧沿长度方向进行排列；本发明中，两组相对设置的金属杆包括一组平行并相对设置的第一矩形截面金属杆1和一组平行并相对设置的第二矩形截面金属杆2，其中，第一矩形截面金属杆1为较长的金属杆，且较长的一组金属杆上相对设置有两列定位组件，该定位组件包括多个沿金属杆的长度方向间隔设置的定位块3，且定位块3设置在第一矩形截面金属杆1的内侧，如图2-图4所示，泡沫芯材条8两个端部的横截面与定位块3的形状及尺寸相同，且泡沫芯材条8交替分布在相对设置的两个定位块3之间和相邻的两个定位块之间，实现在矩形框状结构的内侧沿长度方向紧密排列。通过定位块及定位组件的设计，可精确控制泡沫芯材条的位置、格栅结构的厚度，并能够有效解决格栅结构增强泡沫夹芯复合材料成型过程中预成型体尺寸的精确控制、整体厚度的控制、预成型体稳定性以及成型质量一致性等问题；而且，通过对定位块的形状和相邻定位块之间间距的合理设计，可对格栅结构形状及厚度的精确控制，实现不同类型格栅结构增强泡沫夹芯复合材料制备。

进一步的，所述定位块3靠近第一矩形截面金属杆1一侧的端面上具有耳座，第一矩形截面金属杆1上开设有与耳座相匹配的盲孔，定位块3通过耳座安装在第一矩形截面金属杆1上。第一矩形截面金属杆1与耳座之间以及两组相对设置的金属杆之间分别通过第一锁紧螺栓4和第二锁紧螺栓5连接。

进一步的，至少一组相对设置的金属杆的底部设置有可拆卸且高度可调的销钉6。

该辅助模具制造成本较低，可反复使用，易脱模，易拆卸和装配，易保养维护。

本发明格栅结构增强泡沫夹芯复合材料制备方法使用上述的辅助模具进行制备，具体包括以下步骤：

(1)金属杆的预处理，第一矩形截面金属杆1和第二矩形截面金属杆2的外表面、底面圆形盲孔、侧面矩形盲孔等均用酒精或丙酮擦拭干净，晾干5分钟左右，然后均匀涂抹3次脱模蜡，每次间隔15分钟左右。

(2)销钉装配，销钉6采用圆形金属销钉，数量不少于3个，其表面用酒精或丙酮擦拭干净，晾干5分钟左右，然后均匀涂抹3次脱模蜡，每次间隔15分钟左右。最后，将处理好的销钉6缓缓插入第一矩形截面金属杆1底面的圆形盲孔中，确保二者咬合较好。

(3)定位块装配，定位块3(包括侧面呈矩形的耳座)的外表面在安装之前用酒精或丙酮清洗，晾干5分钟左右，然后均匀涂抹3次脱模蜡，每次间隔15分钟左右，每一个定位块3都需要按照上述步骤处理。然后将处理好的定位块3依次缓缓插入第一矩形截面金属杆1侧面的矩形盲孔中，确保耳座与矩形盲孔咬合较好。第一锁紧螺栓4为沉头螺栓，其穿过定位块3宽度方向上的通孔后拧到第一矩形截面金属杆1侧面的盲孔中。第一锁紧螺栓4安装时，不宜过拧，以定位块3不晃动为准。

(4)矩形框状结构装配，矩形框状结构由一组完全相同的第一矩形截面金属杆1和一组完全相同第二矩形截面金属杆2组合而成。本实施例中，第一矩形截面金属杆1两端加工有榫头，与第二矩形截面金属杆2通过类似榫接方式进行连接和固定，第二锁紧螺栓5也为沉头螺栓，用于锁紧第一矩形截面金属杆1和第二矩形截面金属杆2。

(5)下面板铺敷，根据面板目标厚度和所选增强纤维织物类型，确定需要铺敷的纤维织物层数、铺设方式等，纤维织物长度、宽度较装配好的矩形框状结构的外围尺寸大5mm以上。

(6)下面板开孔处理，将装配好的矩形框状结构居中放置于下面板10上，略微施加压力，使销钉6在下面板10上留下压痕，然后移除矩形框状结构，用铳子或其它工具在压痕处开孔，孔径比销钉6的直径大1mm以上。

(7)泡沫芯材条的铺放，泡沫芯材条8的横截面与定位块3的形状及尺寸完全相同，铺放泡沫芯材条8时，自一侧向另一侧间隔铺放，第一个泡沫芯材条8两端与位于其两侧的第一对定位块3对齐，以此类推直至铺完与所有成对的定位块3匹配的泡沫芯材条8。

(8)干态纤维织物铺敷，干态纤维织物9经树脂浸润成型后即为复合材料格栅结构，干态纤维织物9铺敷于间隔铺放的整齐泡沫芯材条8之上，然后用多个泡沫芯材条8向下预压，使之挤入间隔铺放的泡沫芯材条8的间隙之中，并及时在其上放置条形重物以固定和压紧泡沫芯材条8和干态纤维织物9。图5和图6分别为：泡沫芯材条为矩形和等腰梯形时泡沫芯材条的铺放流程示意图；相应的，图7和图8分别为：泡沫芯材条为矩形和等腰梯形时定位块在第一矩形截面金属杆1上的分布示意图。

(9)上面板铺敷，撤去条形重物，铺敷上面板7，其铺敷要求与下面板10相同，形成预成型体。

(10)对于非矩形截面泡沫芯材条，还需要截取泡沫芯材条8以填充矩形框状结构两端的空隙部分，使矩形框状结构内充满预成型体；对于矩形截面泡沫芯材条，则忽略该步骤。

(11)预成型体封装，按照VARI成型工艺进行脱模布、导流网铺放、注胶管路设置，然后用真空袋膜整体封装预成型体。

(12)注胶和脱模，按照VARI成型工艺对封装好的预成型体注胶，待树脂完全固化后拆卸格栅结构增强泡沫夹芯复合材料制品周围的第一矩形截面金属杆1、第二矩形截面金属杆2以及销钉6后即可脱模。

本实施例中，所述第一矩形截面金属杆1和第二矩形截面金属杆2的材质为45#钢、更高牌号钢、铝合金或钛合金等金属，第一矩形截面金属杆1的长度与格栅结构增强泡沫夹芯复合材料目标长度相同即长度≤5m、宽度与所选材质模量有关，保证矩形截面金属杆挠度≤2mm，一般不小于20mm，高度与泡沫芯材厚度相同(≤200mm)；第二矩形截面金属杆2的长度与格栅结构增强泡沫夹芯复合材料目标宽度相同即宽度≤5m，宽度、高度均与第一矩形截面金属杆1相同。此外，第一矩形截面金属杆1底面圆形盲孔直径为金属杆宽度四分之一至二分之一，加工公差为±0.1mm，圆形盲孔圆心位置为矩形截面金属杆1宽度中点，数量不少于3个且沿第一矩形截面金属杆1的底面长度方向均匀分布。

所述销钉6的规格为M4-M16，材质为45#钢、更高牌号钢、铝合金或钛合金等金属，直径比第一矩形截面金属杆1底面圆形盲孔直径小0.1-0.2mm，加工公差为±0.1mm，露出第一矩形截面金属杆1底面的长度与格栅结构增强泡沫夹芯复合材料的面板厚度相同。以格栅结构增强泡沫夹芯复合材料的面板厚度为基准，通过对金属杆底部可拆卸且高度可调的销钉的匹配设计，能够较好的控制下面板厚度及其与上面板的一致性。

所述定位块3的数量必须是2N个(2≤N≤100且N为整数)，长度范围为10mm-100mm、宽度范围为8mm-50mm、高度范围为10mm-70mm，相邻定位块3的间距为定位块3的长度±1mm；此外，所有定位块3的外观尺寸、材质完全相同，材质为45#钢、更高牌号钢、铝合金或钛合金等金属，加工公差为±0.1mm。定位块3用于第一锁紧螺栓4贯通的通孔位置为定位块3宽度方向的几何中心，通孔直径为定位块3宽度四分之一至二分之一，加工公差为±0.1mm，与第一矩形截面金属杆1上开设的矩形盲孔加工公差为±0.1mm，且第一矩形截面金属杆1的盲孔尺寸比定位块3的耳座大0.1-0.2mm。定位块3横截面几何形状可根据复合材料结构设计需求确定，可选矩形、梯形、三角形等简单几何形状，也可根据需要选择其它形状。

所述定位块3的耳座以及与之匹配的第一矩形截面金属杆1侧面矩形盲孔的加工公差均为±0.1mm，且第一矩形截面金属杆1侧面矩形盲孔尺寸比定位块3的“耳座”尺寸大0.1-0.2mm。

所述第一锁紧螺栓4和第二锁紧螺栓5为标准件或非标准件，规格为M6-M12，材质为40#铬钢、42#铬锰钢、12.9级高强度钢或钛合金等高强度金属，也可为45#钢等低强度钢，但需要进行退火处理。

所述上面板7和下面板10为玻璃纤维、碳纤维、碳/玻混杂纤维、石英纤维、Kevlar纤维、超高分子量聚乙烯纤维或PBO纤维等纤维织物，面密度≥100g/m²。

所述格栅用的干态纤维织物9为玻璃纤维、碳纤维、碳/玻混杂纤维、石英纤维、Kevlar纤维、超高分子量聚乙烯纤维或PBO纤维等纤维织物，面密度≥100g/m²。

此处需要说明的是，格栅用的干态纤维织物9(经树脂浸润成型后即为复合材料格栅结构)与上、下面板用的纤维织物可以相同，也可以不同。

所述泡沫芯材条8为聚氯乙烯(PVC)、聚甲基丙烯酰亚胺(PMI)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)或聚氨酯(PU)等发泡型材料，密度≤400kg/m³，泡沫芯材条8两个端部的截面几何形状与定位块3的形状及尺寸相同，可根据复合材料结构设计需求确定，可选矩形、梯形、三角形等简单几何形状，也可选其它形状。本发明的一体化整体成型工艺与常规VARI成型工艺无异，工艺技术成熟稳定，工艺流程简单，且一次成型即可得到制品，显著提高制备效率、外观质量及质量一致性。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (4)

1.格栅结构增强泡沫夹芯复合材料制备方法，该制备方法使用辅助模具进行制备，辅助模具包括外框体，其特征在于，该外框体为由两组相对设置的金属杆围成的矩形框状结构，泡沫芯材条在该矩形框状结构的内侧沿长度方向进行排列；其中，较长的一组金属杆上相对设置有两列定位组件，该定位组件包括多个沿金属杆的长度方向间隔设置的定位块，且定位块设置在金属杆的内侧，泡沫芯材条两个端部的横截面与定位块的形状及尺寸相同，且泡沫芯材条交替分布在相对设置的两个定位块之间和相邻的两个定位块之间，至少一组相对设置的金属杆的底部设置有可拆卸且高度可调的销钉，所述辅助模具通过销钉装配在下面板的上方；所述定位块靠近金属杆一侧的端面上具有耳座，金属杆上开设有与耳座相匹配的盲孔，定位块通过耳座安装在金属杆上；所述金属杆与耳座之间以及两组相对设置的金属杆之间均通过锁紧螺栓连接；所述制备方法包括以下步骤：

步骤1)、金属杆的预处理，第一矩形截面金属杆和第二矩形截面金属杆的外表面、底面圆形盲孔、侧面矩形盲孔均用酒精或丙酮擦拭干净，晾干5分钟，然后均匀涂抹3次脱模蜡，每次间隔15分钟；将两组相对设置的金属杆围成的矩形框状结构，形成外框体，并将两列定位组件和销钉安装在外框体上，形成所述的辅助模具；

步骤2)、销钉装配，销钉采用圆形金属销钉，数量不少于3个，其表面用酒精或丙酮擦拭干净，晾干5分钟，然后均匀涂抹3次脱模蜡，每次间隔15分钟，将处理好的销钉插入第一矩形截面金属杆底面的圆形盲孔中，确保二者咬合，将装配好的辅助模具居中放置于下面板上，按压辅助模具向下施加压力，使销钉在下面板上留下压痕，然后移除辅助模具，在压痕处开孔，然后将辅助模具通过销钉装配在下面板的上方；所述销钉露出第一矩形截面金属杆底面的长度与格栅结构增强泡沫夹芯复合材料的面板厚度相同；

步骤3)、依次在多组相对设置的定位块内侧间隔铺放泡沫芯材条；

步骤4)、将干态纤维织物铺敷于间隔铺放的泡沫芯材条的上方，然后用多个泡沫芯材条向下预压，使之挤入间隔铺放的泡沫芯材条的间隙之中，并在泡沫芯材条上放置重物以固定和压紧泡沫芯材条和干态纤维织物；

步骤5)、撤去重物，在泡沫芯材条和干态纤维织物的正上方铺敷上面板，形成预成型体；

步骤6)、按照VARI成型工艺在预成型体内依次进行脱模布、导流网铺放和注胶管路设置，然后用真空袋膜整体封装预成型体；

步骤7)、按照VARI成型工艺对封装好的预成型体注胶，待树脂完全固化后卸下增强泡沫夹芯复合材料制品周围的辅助模具，即可脱模；

其中，所述上面板和下面板为玻璃纤维、碳纤维、碳/玻混杂纤维、石英纤维、Kevlar纤维、超高分子量聚乙烯纤维或PBO纤维之一，面密度≥100g/m²。

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤4)中，若泡沫芯材条的截面不是矩形，则在多个泡沫芯材条挤入间隙之中后，还需要截取泡沫芯材条以填充辅助模具两端的空隙。

3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤3)在铺放泡沫芯材条时，泡沫芯材条的两端分别与位于其两侧的定位块对齐。

4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，上面板和下面板的四周均相对于辅助模具向外延伸5mm以上。

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