CN113665034A - 一种复合材料成型模具及成型方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种复合材料成型模具及成型方法。包括上底座，下底座，芯棒，列边棒和行边棒；芯棒包括横截面呈正六边形的主体和位于主体两端的横截面为多边形的端头，相邻的两列芯棒沿蜂窝蜂格正六边形斜边相错排布；下、上底座上设有用于固定芯棒两端端头的脱模槽，列边棒为沿对边中线的1/2尺寸的正六边形，行边棒为沿对角线的1/2尺寸的正六边形，使得成品复合材料边界留下一半蜂窝结构。本发明模具采用上下双层式固定底座，使得定位精度准确，保证成型过程中无间隙，提高内部真空度，成型质量好，精度高；且在上下底座内设置波浪形深度不同固定脱模槽，配合芯棒上深度不同脱模孔，方便脱模。

Description

一种复合材料成型模具及成型方法

技术领域

本发明属于复合材料领域，具体涉及一种复合材料成型模具及成型方法。

背景技术

随着通信技术的不断发展，对天线的精度提出了更高的要求，对天线反射器的型面精度要求已达到微米甚至纳米级别。目前国内反射面结构以碳纤维面板- 铝蜂窝芯为主，因铝材料热膨胀系数高，热变形大，以致其型面误差较大。

采用三维编织制备的碳纤维蜂窝结构，热膨胀系数低，一定程度提高了材料匹配性，但三维编织蜂窝的成型依然存在很多问题，成型精度不高，蜂窝壁厚误差大，还需进一步研究并制备一体化成型的蜂窝复合材料。现有的成型方法主要有以下几种：

CN106739009A公开了一种整体成型蜂窝状立体织物复合材料及其制备方法。根据蜂窝状立体织物的孔洞选择适宜尺寸的模具并放入其中，使树脂完全浸润立体织物进行复合成型，放入烘箱固化成型，待冷却后脱模取出蜂窝状立体织物，并切割修整至最终成品。但是此种方法没有固定模具装置，无法保证蜂窝的结构整体性，且脱模难度大。

CN102343680A公开了一种纤维增强六角蜂窝结构芯材的一体化成型模具及成型方法。其模具的上下端面均呈连续梯形波纹状，由硅橡胶软膜及下托片、上托片组成硅橡胶软膜组件。在下模具上铺设纤维增强预浸料，在凹槽中放置多条硅橡胶软膜组件，并在其上表面随形铺放与相同层数和铺设角度的预浸料直至所需的尺寸，再次铺设纤维增强预浸料，最终固化成型。但是此种方法制备蜂窝层间差别性大，成品易分层，其复合材料剪切性能和弯曲性能有降低。

CN111674058A公开了一种碳纤维三维编织蜂窝复合材料的制备装置和方法。包括模具、第一芯棒、第二芯棒和树脂导流和抽真空装置；模具上有固定孔和脱模孔，每个孔对应安装一个芯棒，固定孔和脱模孔的位置和间距根据拟成型的碳纤维蜂窝复合材料的孔格大小设定，以固定孔和脱模孔的位置和间距控制蜂窝孔格间距；装配好后选用常规型环氧树脂或聚酰亚胺树脂，抽真空以浸润树脂完成导流，固化成型后采用“钉耙”状脱模工具从模具反面进行脱模；切除蜂窝四周余料，最终得到碳纤维蜂窝。

但是上述专利还存在如下问题：(1)以往制备蜂窝结构均为单层模具插入芯模，采用真空导流工艺抽真空以灌注入树脂，成型工艺方式单一。 CN111674058A所用装置形式单一，且后续复合成型只能采用真空导流工艺灌注入树脂制备，形式单一。(2)芯模与底层模具间是相对固定方式，存有空隙，造成复合成型过程中真空度不好，出现气泡等现象；芯模插入蜂窝织物，通过单层模具固定的方式是不稳定的，在真空袋压作用下会产生相对位移，造成芯模带动蜂窝产生角度倾斜，使得蜂窝变形，蜂格尺寸不准确；同时由于角度的存在，使得芯模间除蜂窝壁外存在空隙，在导流过程中真空度降低，出现气泡的现象。 (3)芯模之间间距为树脂的流动通道，因单层固定方式其间距无法保证，造成蜂窝壁厚控制不均匀，部分出现树脂聚集，形位误差较大，成型精度不高；芯模之间间距为树脂的流动通道，在真空袋压条件下，因单层固定方式无法保证每列蜂格受到的挤压力是均匀的，两端受力会向内部挤压，以至其上下层和左右层间距无法均匀控制，造成蜂窝壁厚控制不均匀，部分出现树脂聚集，形位误差较大，成型精度不高。(4)脱模难度大，筒锤敲击的方法会造成蜂窝复合材料的内部损伤，降低其力学性能和完成整体性；插入芯模时蜂窝织物是柔软的，但固化成型后内壁与芯模有相对挤压力，造成脱模困难，耗费大量人力。CN111674058A 采用的钉耙状结构，以筒锤敲击的方法将芯模拔出，这种方法会造成蜂窝复合材料的内部损伤，部分壁厚较薄的地方易发生脆性断裂，降低了蜂窝复合材料的力学性能和完成整体性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种复合材料成型模具及成型方法，模具设计为上下双层结构配有固定的芯模，控制定位精度，保证蜂窝结构的正六边外形，解决成型过程中壁厚控制难题，制备出连续的蜂窝结构，提高蜂窝复合材料的成型精度。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种复合材料成型模具，包括上底座，下底座，芯棒，列边棒和行边棒；

所述芯棒包括横截面呈正六边形的主体和位于主体两端的横截面为多边形的端头，相邻的两列芯棒沿蜂窝蜂格正六边形斜边相错排布；

所述下底座和上底座上设有用于固定芯棒两端端头的脱模槽，且脱模槽的形状和端头形状相匹配，插入脱模槽的芯棒间间距为树脂流动通道，同时保证蜂窝壁厚。

列边棒为沿对边中线的1/2尺寸的正六边形，列边棒为两列，两列列边棒相对的设置在模具列芯棒的最外侧，行边棒为沿对角线的1/2尺寸的正六边形，行边棒为两行，两行行边棒相对的设置在模具行芯棒的最外侧，使得成品复合材料边界留下一半蜂窝边长。

进一步的，所述芯棒为中空结构，将端头插入底座上固定脱模槽内进行连接固定。同时在底座上的列中部的和列两侧可采用螺钉进行辅助紧固。

进一步的，所述列边棒为实心结构，行边棒为空心结构，位于底座列中部和列两侧的行边棒的端部设有螺纹孔，可通过螺钉与底座安装紧固。

进一步的，所述上底座的上表面和下底座的下表面分别设有可拆卸折叠把手。

进一步的，上底座上的脱模槽的深度不同，且深度差≥3mm；下底座上的脱模槽的深度不同，且深度差≥3mm；芯棒两端的端头的外部形状和高度均与脱模槽相匹配。

进一步的，芯棒包括奇数列芯棒和偶数列芯棒，奇数列芯棒和偶数列芯棒的主体长度相同，且两端端头的长度不同；相应的奇数列脱模槽和偶数列脱模槽的深度不同；

芯棒两端的端头横截面形状为三角形、四边形或六边形。

进一步的，所述芯棒主体的横截面还可以为三角形、四边形或五边形。

一种上述的模具的用途，用于真空灌注成型或RTM成型。

一种采用上述的模具成型复合材料的方法，包括如下步骤：

步骤(1)：模具处理：上底座、下底座、芯棒和边棒表面用脱模剂或脱模蜡处理；

步骤(2)：织物裁剪：根据产品需求裁剪织物；

步骤(3)：将奇数列芯棒和偶数列芯棒按照列次依次插入蜂窝织物的孔格中；将插入完成的芯棒一端安装到下底座上的脱模槽中，根据芯棒上端头的高低位置不同，整理蜂窝结构在芯棒中的相对位置；

步骤(4)：在蜂窝内插入芯棒完成后，将边棒按照行和列方向，依次沿着蜂窝结构最外层排列，并插入到下底座脱模槽中，修整边角尺寸，符合模具安装要求；

步骤(5)：将上底座与完成上述步骤的芯棒和边棒固定安装，使芯棒和边棒另一端的端头完全插入上底座的脱模槽中，并在中间列和两侧列用螺钉将芯棒和边棒紧固；

步骤(6)：成型准备：选择平台，在平台上涂脱模剂、铺脱模布；将模具放置于平台上，在成型装置上端依次铺设脱模布、导流网，并布置真空系统，检验真空系统真空度；

步骤(7)：配置树脂，并进行消泡处理后进行树脂的灌注及浸润；

步骤(8)：按照树脂工艺固化曲线进行加热固化成型；

步骤(9)：固化成型后的产品冷却至室温后，进行脱模处理，去除表面的辅助材料，拆除掉上底座和下底座，露出包含芯棒和蜂窝主体部分；通过平压机构将深度不同、高低分布排列的芯棒沿蜂窝高度方向施加压力，利用剪切力使得所有芯棒与蜂窝复合材料分离；通过引出机构将全部芯棒一次从蜂窝格中取出，实现蜂窝的脱模；

步骤(10)：切割打磨后处理：对脱模后得到的蜂窝复合材料边界多余尺寸进行切割，上下表面打磨平整。

进一步的，所述树脂为环氧树脂、酚醛树脂、聚酰亚胺树脂、硅芳炔树脂或聚芳炔树脂。

一种复合材料，采用上述的方法制备。

本发明与现有技术相比，其显著优点在于：

(1)本发明采用双底座的模具形式，待芯棒插入蜂窝织物后，将其垂直固定在上、下底座的脱模槽中，严格控制了蜂窝位置、蜂格间距、树脂流动通道；避免因成型工艺对蜂窝尺寸精度造成影响，保证蜂窝壁厚，整体真空度好，制备成品成型精度高。

(2)最外层蜂窝外侧如果没有芯模夹持，其在真空袋压成型后六边形的外形尺寸不明显，呈弧线形态；且制备完成的蜂窝需要切割使用，在多项测试条件中要求切割一个完整蜂格，实际切割一个完整正六边蜂格，周围蜂格均会被切开，成品蜂窝利用率很低；本发明的模具最外层设计为1/2正六边形芯棒，成品边界留下一半蜂窝边长，使得最外层蜂格可以直接使用。这种模具装置制备的蜂窝结构复合材料连续且废料少，成本利用率高。

(3)本发明在底座上设计排布深度不同的脱模槽，芯棒插在脱模槽中端口长度不同，采用平压机，利用芯棒端头参差长度，通过芯棒间剪切力进行脱模，脱模简单，且不损伤蜂窝复合材料内部结构。

(4)在双层底座加持下，整个模具是密闭且保证真空度的，可根据不同需求选用多种成型工艺，如真空灌注、RTM等。

(5)本专利所属芯模可以根据成型要求选择不同形状尺寸，如三角形、四边形、六边形等，用途广泛。

附图说明

图1为本发明复合材料模具整体结构示意图。

图2为本发明复合材料模具内部结构示意图。

图3为本发明复合材料模具内部结构局部展开示意图。

图4为本发明复合材料模具上底座示意图，其中图(a)为仰视图，图(b) 为图(a)的A-A向剖视图。

图5为本发明复合材料模具下底座示意图，其中图(a)为俯视图，图(b) 为图(a)的B-B向剖视图。

图6为本发明复合材料模具偶数列芯棒结构示意图。

图7为本发明复合材料模具长边排列边棒结构示意图。

图8为本发明复合材料模具短边排列边棒结构示意图。

附图标记说明：

1-可拆卸折叠把手，2-上底座，3-下底座，4-奇数列芯棒，5-偶数列芯棒， 6-行边棒，7-列边棒，8-脱模槽，9-脱模孔，10-螺钉，11-蜂格间距。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

如图1-8所示，一种复合材料成型模具，包括上下两层底座(上底座2、下底座3)、奇数列芯棒4、偶数列芯棒5、行边棒6、列边棒7、脱模槽8、脱模孔 9、螺钉10、可拆卸折叠把手1等。

其中上底座2、下底座3上均匀分布深度不同的固定脱模槽8，用来安装芯棒及边棒，芯棒上设有脱模孔9配合固定安装在底座脱模槽上，内部固定脱模槽用来安装奇数列芯棒4和偶数列芯棒5，其中奇数列芯棒4为奇数列，偶数列芯棒5为偶数列，底座最外一周固定脱模槽用来安装行和列边棒；底座上每个固定脱模槽对应一个芯棒，芯棒上的固定脱模孔9的形状可为多边形(三角形、四边形、六边形等)同时达到减重效果；固定脱模槽8的位置和蜂格间距11根据拟成型的蜂窝复合材料蜂格边长尺寸和壁厚尺寸进行设定，蜂格间距11为树脂流动通道。将等长但具有不同深度脱模孔的芯棒插入蜂窝织物，安装到底座固定脱模槽后，配合脱模孔形成错位排布，稳定固定；底座3的固定脱模槽垂直相对应，且上底座2和上底座3相互平行。

奇数列芯棒4和偶数列芯棒5间沿蜂窝蜂格正六边形斜边相错排布。

奇数列芯棒4和偶数列芯棒5主体为等长度的正六边形、两端为多边形形状的端头形成深度不同的脱模孔；正六边形部位尺寸为蜂窝单胞内腔尺寸，两端的多边形脱模孔与底座上固定脱模配合安装使用；芯棒中间为空心，用于装置减重。

行边棒6和列边棒7为1/2尺寸的正六边形，端头为实心脱模孔，用于安装固定在脱模槽中；其中沿行边棒6为正六边形沿水平轴切割而成，沿列边棒7 为正六边形沿垂直轴切割而成，两个方向边棒尺寸不同；

底座上排布深度不同的固定脱模槽，其深度差≥3mm。

中间芯棒用来固定蜂窝复合材料的外形形状；芯棒两端脱模孔配合底座固定脱模槽通过螺钉连接；螺钉只做辅助固定拧紧装置，在中间和两端配备即可；

上底座2和下底座3上安装有可拆卸折叠把手1，用于装置的搬运与转移。

采用上述模具制备蜂窝复合材料的方法，包括如下步骤：

步骤(1)模具处理：上底座、下底座、所有芯棒和边棒表面用脱模剂或脱模蜡处理；织物裁剪：根据任务计划预先裁剪比规定尺寸稍大的织物；

步骤(2)将芯棒4和芯棒5按照列次依次插入蜂窝织物的孔格中；将插入完成的芯棒一端安装到下底座3上的固定脱模槽中，根据芯棒上固定脱模孔的高低位置不同，整理蜂窝结构在芯棒中的相对位置；

步骤(3)在蜂窝内插入芯棒完成后，将边棒按照水平和垂直方向，依次沿着蜂窝结构最外层排列，并插入到下底座固定脱模槽中，修整边角尺寸，使之符合模具安装要求；

步骤(4)将上底座2与完成上述步骤的芯棒和边棒固定安装，使芯棒和边棒另一端的脱模孔准确且完全的插入上底座2的所有固定脱模槽8中，并在中间和两端用螺钉10将其紧固；

步骤(5)成型准备：选择尺寸合适且具备加热条件的平台，平台上涂脱模剂、铺脱模布；将准备好的模具放置于平台上，在成型装置上端依次铺设脱模布、导流网，并布置真空系统，检验真空系统真空度；

步骤(6)配置树脂，并进行消泡处理后进行树脂的灌注及浸润；

步骤(7)按照树脂工艺固化曲线进行加热固化成型；

步骤(8)固化成型后的产品冷却至室温后，进行脱模处理，去除表面的辅助材料，拆除掉上底座2和下底座3，露出包含芯棒和蜂窝主体部分；通过平压机构将深度不同、高低分布排列的芯棒沿蜂窝高度方向施加压力，利用剪切力使得所有芯棒与蜂窝复合材料分离；通过引出机构将全部芯棒一次从蜂窝格中取出，实现蜂窝的方便快捷脱模。

步骤(9)切割打磨后处理：对上述脱模后得到的蜂窝复合材料边界多余尺寸进行切割，上下表面打磨平整。

所述的树脂可为环氧树脂、酚醛树脂、聚酰亚胺树脂、硅芳炔树脂、聚芳炔树脂等树脂。

本发明模具设计采用上下双层式固定底座，使得定位精度准确，保证成型过程中无间隙，提高内部真空度，成型质量好，精度高。且在上下底座内设置波浪形深度不同固定脱模槽，配合芯棒上深度不同脱模孔，方便脱模。

本发明双层模具提供一种完整的密闭空间，保证蜂窝外形整体一致性的同时，为多种成型工艺的选择提供便利，尤其可适用于RTM成型工艺。

Claims (10)

1.一种复合材料成型模具，其特征在于，包括上底座(2)，下底座(3)，芯棒，列边棒和行边棒；

所述芯棒包括横截面呈正六边形的主体和位于主体两端的横截面为多边形的端头，相邻的两列芯棒沿蜂窝蜂格正六边形斜边相错排布；

所述下底座(3)和上底座(2)上设有用于固定芯棒两端端头的脱模槽(8)，且脱模槽(8)的形状和端头形状相匹配，插入脱模槽(8)的芯棒间间距为形成树脂流通通道，保证蜂窝壁厚；

列边棒为沿对边中线的1/2尺寸的正六边形，列边棒为两列，两列列边棒相对的设置在模具列芯棒的最外侧，行边棒为沿对角线的1/2尺寸的正六边形，行边棒为两行，两行行边棒相对的设置在模具行芯棒的最外侧，使得成品复合材料边界留下一半蜂窝边长。

2.根据权利要求1所述的模具，其特征在于，所述芯棒为中空结构，将端头插入底座上固定脱模槽(8)内进行连接固定；同时在底座上的列中部的和列两侧采用螺钉进行辅助紧固。

3.根据权利要求2所述的模具，其特征在于，所述列边棒为实心结构，行边棒为空心结构，位于底座列中部和列两侧的行边棒的端部设有螺纹孔，通过螺钉与底座安装紧固。

4.根据权利要求3所述的模具，其特征在于，所述上底座(2)的上表面和下底座(3)的下表面分别设有可拆卸折叠把手(1)。

5.根据权利要求4所述的模具，其特征在于，上底座(2)上的脱模槽(8)的深度不同，且深度差≥3mm；下底座(3)上的脱模槽(8)的深度不同，且深度差≥3mm；芯棒两端的端头的外部形状和高度均与脱模槽(8)相匹配。

6.根据权利要求5所述的模具，其特征在于，芯棒包括奇数列芯棒(4)和偶数列芯棒(5)，奇数列芯棒(4)和偶数列芯棒(5)的主体长度相同，且两端端头的长度不同；相应的奇数列脱模槽和偶数列脱模槽的深度不同；

芯棒两端的端头横截面形状为三角形、四边形或六边形。

7.根据权利要求6所述的模具，其特征在于，所述芯棒主体的横截面还可以为三角形、四边形或五边形。

8.一种权利要求1-7任一项所述的模具的用途，其特征在于，用于真空灌注成型或RTM成型。

9.一种采用权利要求7所述的模具成型复合材料的方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤(1)：模具处理：上底座、下底座、芯棒和边棒表面用脱模剂或脱模蜡处理；

步骤(2)：织物裁剪：根据产品需求裁剪织物；

步骤(3)：将奇数列芯棒(4)和偶数列芯棒(5)按照列次依次插入蜂窝织物的孔格中；将插入完成的芯棒一端安装到下底座(3)上的脱模槽(8)中，根据芯棒上端头的高低位置不同，整理蜂窝结构在芯棒中的相对位置；

步骤(4)：在蜂窝内插入芯棒完成后，将边棒按照行和列方向，依次沿着蜂窝结构最外层排列，并插入到下底座(3)脱模槽(8)中，修整边角尺寸，符合模具安装要求；

步骤(5)：将下底座(3)与完成上述步骤的芯棒和边棒固定安装，使芯棒和边棒另一端的端头完全插入上底座(2)的脱模槽(8)中，并在中间列和两侧列用螺钉(10)将芯棒和边棒紧固；

步骤(6)：成型准备：选择平台，在平台上涂脱模剂、铺脱模布；将模具放置于平台上，在成型装置上端依次铺设脱模布、导流网，并布置真空系统，检验真空系统真空度；

步骤(7)：配置树脂，并进行消泡处理后进行树脂的灌注及浸润；

步骤(8)：按照树脂工艺固化曲线进行加热固化成型；

步骤(9)：固化成型后的产品冷却至室温后，进行脱模处理，去除表面的辅助材料，拆除掉上底座(2)和下底座(3)，露出包含芯棒和蜂窝主体部分；通过平压机构将深度不同、高低分布排列的芯棒沿蜂窝高度方向施加压力，利用剪切力使得所有芯棒与蜂窝复合材料分离；通过引出机构将全部芯棒一次从蜂窝格中取出，实现蜂窝的脱模；

步骤(10)：切割打磨后处理：对脱模后得到的蜂窝复合材料边界多余尺寸进行切割，上下表面打磨平整。

10.一种复合材料，其特征在于，采用权利要求9所述的方法制备。

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