CN113733603A - 一种复合材料的成型方法及模具 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种复合材料的成型方法及模具,其特征在于阳模至少包含刚性上模、柔性模和刚性板三个部分,柔性模夹在上模板和刚性板之间,合模时柔性模的凸起与阴模凹槽直接接触,形成挤压面密封系统;柔性模具有弹性,阴模抬起小于柔性模竖向外壁的高度时,柔性模竖向外壁与阴模加料腔侧壁形成加料腔密封系统。本发明解决了传统RTM产品容易产生干斑、气泡等缺陷,提高材料的纤维体积含量,从而提高制品性能。通过刚性模与柔性模的组合使用形成的双密封系统,可成型多种厚度的制品,一模多用。

Description

一种复合材料的成型方法及模具
技术领域
本发明涉及复合材料成型及其制造领域,具体涉及一种高纤维体积含量的树脂基复合材料的成型方法及模具。
背景技术
目前,国防、化工、航空航天、汽车等领域对复合材料的性能要求日趋苛刻。连续纤维增强复合材料因其良好的机械性能,及较轻的质量,其应用领域越来越广泛。复合材料的性能不仅取决于基体和增强材料的选择,同时还取决于成型方法。目前已出现了大量的成型工艺来生产各种形状和尺寸的复合材料制品。树脂传递模塑成型(RTM)工艺起源于20世纪50年代的冷铸工艺,它已被广泛用于制造从简单形状的非结构部件到复杂几何形状的结构部件,其制造的轻质复合材料可以赋予强大机械性能与高强度重量比。在RTM工艺的过程中,纤维预成型体被预先放置在模具腔中,然后将树脂注入封闭模具中进行成型。这种成型工艺在生产高性能复合材料方面具有周期短、性能好、能够制造高度复杂形状的零件,并且有防止有害的挥发性材料排放的优点,被广泛应用于汽车和航空航天等领域。现有的RTM技术用途广泛,但存在下列弊端:
(1)RTM产品容易产生干斑、气泡等缺陷,孔隙率高,严重影响产品的性能和使用寿命;
(2)该产品纤维体积含量较低(通常为40%左右),不适合作为主要承重结构使用。
(3)高精度RTM模具价格昂贵,并且脱模时比较困难,低精度的模具会造成飞边、毛刺等现象,打磨需要耗费大量的时间,并且难以保证产品的质量。
发明内容
针对现有技术存在的问题,提高材料的纤维体积含量,解决传统RTM产品容易产生干斑、气泡等缺陷;克服由于传统RTM模具精度不足引起制品打磨、修边等浪费人力物力的工作,从而提出:一种复合材料的成型方法及模具,该方法可操作性强,可实现树脂淤积的消除与纤维体积含量为50%□75%复合材料的制备。
为实现上述目的,本发明提供的技术方案为:一种复合材料的成型模具,其特征在于模具由阳模和阴模组成,其中,阳模至少包含刚性上模、柔性模和刚性板三个部分,柔性模夹在刚性上模和刚性板之间,刚性上模与刚性板之间具有连接及限位装置,保证模具在使用过程中两者之间的距离不发生变化;阴模挤压面上含有密封用凹槽,柔性模对应阴模挤压面凹槽的位置具有凸起,且凸起高度大于凹槽的高度,合模时柔性模的凸起与阴模凹槽直接接触,形成挤压面密封系统;柔性模具有弹性,阴模抬起小于柔性模竖向外壁的高度时,柔性模竖向外壁与阴模加料腔侧壁形成加料腔密封系统。
所述的柔性模上的凸起,其特征在于:所述柔性模凸起具有双层或多层结构,此双层或多层结构至少含有外层和内芯,外层为非发泡的弹性材料,内芯为发泡的弹性材料,使阳模抬起小于柔性模竖向外壁的某个高度时,凸起能够嵌入到阴模凹槽内,接触并实现密封,而当阳模完全合模时,内芯产生较大压缩,在保证阴阳模密封的同时,阴模凹槽能够完全容纳凸起的体积,不发生挤夹现象。
所述的阴模,其特征在于:阴模加料腔拐角处为导圆角结构,从而防止应力集中,并保证柔性模与阴模较好的贴合,从而获得较好的密封效果。
一种利用该模具的复合材料成型方法,其特征在于:该成型方法包括以下步骤:第一,清理模具并涂脱模剂,组装阳模;第二,在阴模模腔内铺放干织物预成型体;第三,将阳模置于阴模上,不完全扣合,阳模抬起高度小于柔性模竖向外壁,且使柔性模的凸起与阴模凹槽直接接触;第四,出胶口处抽真空;第五,注胶口注射树脂;第六,预成型体浸润好树脂后,打开注胶口和出胶口,将阳模合紧,将多余的树脂挤出。第七,根据使用树脂的固化工艺参数调整温度,维持施压,固化成型。
本发明所述一种复合材料的成型方法借助于大吨位的热压台,模具包括阳模、阴模和刚性板三部分,其中阳模分为刚性上模、柔性模、刚性板三部分。在真空力作用下,柔性模与阴模模腔紧密贴合,保证密封的同时,防止树脂沿模具缝隙淤积;注射树脂时,阳模抬高,增大注射树脂的型腔空间,从而降低预成型体纤维布的紧密程度,大大降低注射阻力,提高注射树脂的效率;注胶完成后再借助于热压台,加压将模具合紧,型腔闭合到位,排出多余树脂,最终制得所需要厚度的复合材料。
所述阳模是刚性模、柔性模,刚性板组成。柔性模内侧尺寸与刚性模一致,工作时嵌套在刚性模上;刚性板上的螺纹导柱,通过柔性模和刚性模内部通孔进行定位,再进行螺栓紧锁,螺母内陷于沉头孔中。
所述阳模底面的刚性板形状尺寸与制件尺寸一致,模腔高度通过加压,控制阳模与阴模之间的距离进行调整。
所述柔性模通过真空力作用与模腔紧密贴合,可避免产生飞边、毛刺等缺陷;柔性模通孔中内嵌金属垫圈,防止加压压力过大破坏柔性模;柔性模外缘设置限位密封凸起,内部具有双层结构,通过内部填充发泡泡沫来抬高模腔,可根据所需抬高模腔的尺寸,来选择发泡泡沫的用量。
阴模与阳模接触的面为挤压面,挤压面上的密封槽与柔性模外缘凸起接触形成密封系统,同时,柔性模竖向外壁与阴模加料腔侧壁也形成了一套密封系统,双密封系统使阳模抬起小于加料腔任一高度时,都能保证型腔密封,同时可以实现高压竖向密封移动。另外,由于本发明所述模具的型腔可以在不同高度下实现密封,得到的意想不到的效果是,只要精确控制阳模抬起的高度本模具可以成型相同外形多种不同厚度的复合材料制品,也就是一套模具可以成型出多种厚度的复合材料制品,大大降低了模具的制造成本,实现一模多用。
为便于开模、脱模,柔性模竖向外壁与阴模加料腔之间可以存在小于1mm的间隙,由于柔性模具有弹性,该间隙可以在真空负压或正压的条件下合严,保证效果。
阴模模腔上方的加料腔拐角处设计成导圆角,可有效避免柔性模应力集中,并保证柔性模与阴模较好的贴合,从而获得较好的密封效果。
本发明所述的柔性模与刚性模的连接方法,是通过柔性模和刚性模内部通孔,进行螺栓连接。
刚性模材质为金属材料,可以是各种模具钢材,刚性模可以通过机加工或3D打印等方法制得。
柔性模主体材质可以是硅橡胶、氢化丁腈橡胶、丁腈橡胶或氟橡胶等弹性材料。内部填充材料可以是聚丙烯、聚氨酯、交联聚乙烯或聚苯乙烯等发泡材料。
柔性模可以通过浇筑或3D打印等技术制备而成,为现有技术。
本发明所述成型方法,成型过程中合模力施加是根据所需,通过液压机或者平板硫化机等提供压力的设备,在压力的作用下缓慢的下压,使增强纤维在成型的过程中受力均匀。也可避免加压速度过快导致两端的纤维被冲刷,降低制品强度。在加压合紧模具的同时打开两端阀门使树脂排出,可通过改变阳模与阴模之间的距离的方式,完成不同体积含量的复合材料的制备。
与现有技术相比,本发明成型模具,采用了可压缩的柔性密封模,通过抬高阳模模腔,增大在增强体中孔隙率来降低流动阻力,使树脂完全浸润。再通过最后加压合紧模具,排出多余树脂,可制备纤维体积含量高达75%的复合材料。在真空作用下,柔性模与模腔侧面紧密贴合,避免了RTM制品飞边、毛刺等现象,解决了由于模具配合不严造成的质量问题,降低了模具精度,节约制品的生产成本,具有显著的优越性。
附图说明
图1为本发明一种复合材料成型模具的结构示意图;
图2为本发明一种复合材料成型模具的阳模结构示意图;
图3为本发明一种复合材料成型模具的阳模剖面示意图;
图4为本发明一种复合材料成型模具的柔性模结构示意图;
图5为本发明一种复合材料成型模具的阴模示意图;
图6为本发明一种复合材料成型模具阳模抬高2mm剖面示意图;
图7为本发明一种复合材料成型模具合紧到极限位置剖面示意图;
图中附图标记:110阳模、120阴模、130金属板、111刚性模、112柔性模、113刚性板、114螺母、115螺纹导柱、116限位密封凸起、117金属垫圈、118竖向外壁、121注胶口、122出胶口、123挤压面、124环形密封凹槽、125模腔、126圆弧角、127加料腔、200纤维预制件
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行详细描述,一种复合材料成型模具100:包括阳模110、阴模120、金属板130,由于双密封系统,阳模110可在阴模120内实现高压竖向密封移动。
图2为阳模110的结构示意图,其中阳模是由刚性模111、柔性模112,刚性板113组成。刚性模111、刚性板113均为钢制材料,通过机加工的方式制得,柔性模112为硅橡胶材料,通过3D打印的方式制得。
在铺放预制体之前,需先行组装阳模110;第一步将柔性模112嵌套进刚性模111中,不得出现鼓包等现象;再用刚性板113配合,刚性板上螺纹导柱115与刚性模111上沉头孔对应,通过螺母114紧锁,螺母114内陷于沉头孔中,如图2所示。
图3为阳模剖面示意图,图4为柔性模结构示意图,为了柔性模可重复使用,设计了金属垫圈117内嵌于柔性模112通孔中,金属垫圈117尺寸与柔性模112通孔尺寸一致,目的在于防止加压压力过大破坏柔性模,以及限制刚性板113与刚性模111之间的距离,使阳模110为固定的尺寸,以保证精确的制品厚度;为了树脂注射阶段上模抬高不完全合紧的情况下,也保证模腔密封,柔性模112外缘为限位密封凸起116。所述限位密封凸起116具有双层结构,内部填充发泡泡沫,可根据需要抬高的模腔高度调整泡沫用量。
图5为阴模120的结构图,与阳模接触的面为阴模挤压面123,挤压面123含有密封用凹槽124,限位密封凸起116内嵌于环形密封凹槽124之中,且凸起高度大于凹槽的高度,使模腔抬高时也能保证型腔密封;阴模加料腔127与柔性模112竖向外壁118直接接触,阴模120抬起小于柔性模112竖向外壁118的高度时,柔性模112竖向外壁118与阴模加料腔127侧壁在真空的作用下能够自然合严,保证模腔125内的真空度;由于加料腔127和柔性模112直接接触,为避免压力下尖角对对柔性模112造成破坏,同时保证柔性模112与阴模120紧密贴合,阴模加料腔127拐角处为导圆角结构126;阴模120上设置有注胶口121、出胶口122。
图6为模具未完全合紧,阳模抬起2mm时的剖面图。第一步先对模具100抽真空,在真空力的作用下,柔性模112与加料腔127紧密贴合,避免了模具尺寸精度不够造成的树脂淤积;预制体200与刚性板113之间厚度大于最终制品厚度,降低了树脂注射过程中的流动阻力,方便树脂浸润预制件。
图7为模具完全合模后的剖面图。模腔被压至预定尺寸,预制体与刚性板113之间缝隙中的多余树脂被排出,经固化可得到高纤维体积含量复合材料。
本发明应用上述模具的复合材料的具体成型过程是:
第一,清理模具并涂脱模剂,组装阳模110。
第二,在阴模模腔125内铺放干织物预成型体200;
第三,将阳模110置于阴模120上,不完全扣合,阳模110抬起高度小于柔性模112竖向外壁,且使柔性模的凸起116与阴模凹槽124直接接触,如图6所示;
第四,出胶口122处抽真空;
第五,注胶口121注射树脂;
第六,预成型体200浸润好树脂后,打开注胶口121和出胶口122,将阳模110合紧,将多余的树脂挤出。
第七,根据使用树脂的固化工艺参数调整温度,维持施压,固化成型。
至此需要说明的是,以上实施例仅用以说明本发明的技术方案并非对权利要求保护范围限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明,本领域的普通技术人员应当理解,对本发明技术方案进行的非本质修改或者同等替换,并不能脱离本发明技术方案的实质,且均应在本发明权利要求的保护范围。

Claims (6)

1.一种复合材料的成型模具,其特征在于模具由阳模和阴模组成,其中,阳模至少包含刚性上模、柔性模和刚性板三个部分,柔性模夹在上模板和刚性板之间,刚性上模与刚性板之间具有连接及限位装置,保证模具在使用过程中两者之间的距离不发生变化;阴模挤压面上含有密封用凹槽,柔性模对应阴模挤压面凹槽的位置具有凸起,且凸起高度大于凹槽的高度,合模时柔性模的凸起与阴模凹槽直接接触,形成挤压面密封系统;柔性模具有弹性,阴模抬起小于柔性模竖向外壁的高度时,柔性模竖向外壁与阴模加料腔侧壁形成加料腔密封系统。
2.根据权利要求1所述的柔性模上的凸起,其特征在于:所述柔性模凸起具有双层或多层结构,此双层或多层结构至少含有外层和内芯,外层为非发泡的弹性材料,内芯为发泡的弹性材料,使阳模抬起小于柔性模竖向外壁的某个高度时,凸起能够嵌入到阴模凹槽内,接触并实现密封,而当阳模完全合模时,内芯产生较大压缩,在保证阴阳模密封的同时,阴模凹槽能够完全容纳凸起的体积,不发生挤夹现象。
3.根据权利要求1所述的阴模,其特征在于:阴模加料腔拐角处为导圆角结构,从而防止应力集中,并保证柔性模与阴模较好的贴合,从而获得较好的密封效果。
4.一种复合材料的成型方法,其特征在于:该成型方法包括以下步骤:
第一,清理模具并涂脱模剂,组装阳模,其中阳模至少包含刚性上模、柔性模和刚性板三个部分,柔性模夹在上模板和刚性板之间,刚性上模与刚性板之间具有连接及限位装置,保证模具在使用过程中两者之间的距离不发生变化;阴模挤压面上含有密封用凹槽,柔性模对应阴模挤压面凹槽的位置具有凸起,且凸起高度大于凹槽的高度,合模时柔性模的凸起与阴模凹槽直接接触,形成挤压面密封系统;柔性模具有弹性,阴模抬起小于柔性模竖向外壁的高度时,柔性模竖向外壁与阴模加料腔侧壁形成加料腔密封系统;
第二,在阴模模腔内铺放干织物预成型体;
第三,将阳模置于阴模上,不完全扣合,阳模抬起高度小于柔性模竖向外壁,且使柔性模的凸起与阴模凹槽直接接触;
第四,出胶口处抽真空;
第五,注胶口注射树脂;
第六,预成型体浸润好树脂后,打开注胶口和出胶口,将阳模合紧,将多余的树脂挤出。
第七,根据使用树脂的固化工艺参数调整温度,维持施压,固化成型。
5.根据权利要求4所述的柔性模上的凸起,其特征在于:所述柔性模凸起具有双层或多层结构,此双层或多层结构至少含有外层和内芯,外层为非发泡的弹性材料,内芯为发泡的弹性材料,使阳模抬起小于柔性模竖向外壁的某个高度时,凸起能够嵌入到阴模凹槽内,接触并实现密封,而当阳模完全合模时,内芯产生较大压缩,在保证阴阳模密封的同时,阴模凹槽能够完全容纳凸起的体积,不发生挤夹现象。
6.根据权利要求4所述的阴模,其特征在于:阴模加料腔拐角处为导圆角结构,从而防止应力集中,并保证柔性模与阴模较好的贴合,从而获得较好的密封效果。
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