CN114474779A - 一种纤维增强复合材料预制体的渐进成形方法 - Google Patents

一种纤维增强复合材料预制体的渐进成形方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种纤维增强复合材料预制体的渐进成形方法，采用热固性复合材料构件的渐进成形预成型+真空袋固化复合成形，包括以下步骤：S100：下料；S200：渐进成形坯料准备；S300：渐进成形预成型；S400：真空袋工艺固化；S500：固化完成后，获得复材构件。本发明先通过渐进成形工艺来预成型热固性复材预浸料，再通过真空袋工艺来固化预制体，此复合制造工艺避免了复杂结构模具的制造，实现复合材料的无模制造，显著缩短小批量制造周期，大大降低薄壁复材构件小批量制造的成本。

Description

一种纤维增强复合材料预制体的渐进成形方法
技术领域
本发明为纤维增强复合材料制造技术，具体为一种纤维增强复合材料预制体的渐进成形方法，尤其适用于板状复合材料构件的小批量制造，例如但不限于大尺寸蒙皮类复材构件的小批量生产或原型制造。
背景技术
纤维增强树脂基复合材料相较于传统轻质金属尤其是铝合金，具有更高的比强度，优异的抗冲击、抗腐蚀、隔热性能。所述复合材料使用的树脂按照固化特性分为热塑性和热固性，其中热固性树脂耐热性高，受压不易变形，已得到广泛应用，特别是在航空航天领域。纤维增强热固性树脂基复合材料(简称热固性复材)最经典也是目前国内应用最广泛的成形方法为热压罐工艺，其主要步骤包括：1)通过各种方法对未固化的复材预浸料赋型；2)将构件不与模具接触的一侧抽至真空，使其另一侧紧贴模具表面；3)将构件连同模具整体放置于具有高温高压气氛的热压罐内，按照特定固化工艺曲线升温、保温和降温，最终得到固化后的构件。另一种广泛使用的工艺称为树脂传递模塑成型(RTM)，首先通过模压使增强体与制品形状接近，再注入由树脂和催化剂等组成的带压液体，均匀浸润增强体，最后固化成形。事实上，对热固性复材在固化前的赋型工艺皆可以统称为预成型，而预成型工艺根据构件特点主要包括纤维缠绕、模压、手工铺贴、自动铺丝等。例如：
1.发明公开号为CN109910327A、CN103921453A和CN104755240A的中国发明专利中皆提到，通过闭合一对模具的方法得到预成型体。
2.发明公开号为CN106239941A的中国发明专利公开了一种复合材料预浸料的投影和铺贴方法。该方法通过在模具上逐层铺贴预浸料，得到预成型体。
3.发明公开号为CN102700151A和CN104608398A的中国发明专利皆提到通过自动铺丝装置将预浸丝铺设至模具表面(工作表面)。
上述发明专利提到的成形方法中，存在如下的技术问题，
1、模压预成型及固化工艺过程中均需要用到模具，模具的制造方法通常是块状坯料的机械加工，不仅带来大量原材料的浪费，而且导致制造成本高、周期长。
2、手工逐层铺贴工艺自动化程度低，需要人为将裁剪好的坯料逐层铺贴，铺贴时还需要利用激光定位等辅助措施，效率低。
3、由于铺贴层数多，所需制造周期长。
4、自动铺丝工艺在制造大尺寸零件时，对模具刚度要求较高，通常需要在模面的一侧焊接支撑框架提高刚度，带来焊接变形、内应力、模具重量大和配套装备要求高等新的问题。此外，由于模面厚度较大，制造工艺复杂。
针对以上提到的热固性复材制造工艺存在的不足，特提出本发明的纤维增强复合材料预制体的渐进成形方法，先通过渐进成形工艺来预成型热固性复材预浸料，再通过真空袋工艺来固化预制体，此复合制造工艺避免了复杂结构模具的制造，实现复合材料的无模制造，显著缩短小批量制造周期，大大降低薄壁复材构件小批量制造的成本。
发明内容
为解决现有技术存在的上述问题中的至少一个，本发明提供一种纤维增强复合材料预制体的渐进成形方法，采用热固性复合材料构件的渐进成形预成型+真空袋固化复合成形，此方法包括以下步骤：
S100：下料；裁剪垫板和热固性复合材料预制体至所需形状。
S200：渐进成形坯料准备；将步骤S100中裁剪后获得的热固性复合材料预浸料置于两个垫板之间作为渐进成形的坯料。
S300：渐进成形预成型；将步骤S200准备好的坯料放置在渐进成形工作台，用压边装置压住垫板四周；利用通用的渐进成形工具，按照基于零件外形设定的数控轨迹运行，对板状坯料赋型；
S400：真空袋工艺固化；在步骤S300中预成型后的板状坯料外包裹真空袋，抽真空后根据固化需求进行固化。
S500：固化完成后，获得复材构件。
进一步的，在步骤S100中，所述垫板具有和热固性复材相匹配的热膨胀系数。
进一步的，在步骤S100中，裁剪后的热固性复合材料预浸料尺寸小于金属板，以保证压边装置能压住垫板四周而不限制热固性复合材料的流动。
进一步的，在步骤S200中，将步骤S100中裁剪后获得的垫板表面清理，喷涂脱模剂。
可选的，在步骤S300中，所述渐进成形工具为球头形工具。
进一步的，在步骤S400中，对预成型后的板状坯料外包裹真空袋前，在板状坯料外围施以必要的辅助材料，再进行抽真空操作。
可选的，辅助材料包括透气毡、无孔隔离膜和脱模布。
可选的，步骤S400中，抽真空后放置于热压罐中固化。
本发明相对于现有技术的优点：
1.预成型阶段，采用渐进成形的方式实现复合材料的无模成形，仅使用通用成形工具即可成形自由曲面复杂零件，在小批量成形、原型制造时能避免模具加工，缩短制造周期，节约成本。
2.渐进成形时，两垫板的使用一方面避免了成形工具直接作用在复材表面，对复材表面造成损伤；另一方面，通过选择垫板的厚度和材料来控制垫板的刚度，有效抑制了内层预浸料的起皱和分层，大大提高成形质量。
3.通过在垫板表面涂抹脱模剂，方便后续分离复材，同时可以降低复材和垫板接触表面摩擦力，有利于纤维的流动，提高了成形性。
4.固化阶段，利用已经被渐进成形赋型的两垫板作为支撑，给予复材均匀的压力，提高制件质量，同时避免了额外模具的制造。可以理解为，两垫板的使用避免了传统复材制造过程中模具和均压盖板的制造，显著缩短制造周期。
附图说明
图1是本发明纤维增强复合材料预制体的渐进成形方法的工艺流程示意图。
图2是本发明一种实施例的预浸料和垫板下料示意图。
图3是本发明一种实施例的渐进成形坯料示意图。
图4是本发明一种实施例的渐进成形示意图。
图5是本发明一种实施例的热压罐固化示意图。
图6是本发明一种实施例的真空袋组装示意图。
图中：1.复材预浸料；2.垫板；3.脱模剂；4.压边装置；5.支撑工具；6.成形工具；7.真空袋；8.袋内空气；9.透气毡；10.无孔隔离膜；11.脱模布；12.热压罐。
具体实施方式
下面结合附图和实施例进一步描述本发明，应该理解，以下所述实施例旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。
如图1所示，本发明的纤维增强复合材料预制体的渐进成形方法，采用热固性复合材料构件的渐进成形预成型+真空袋固化复合成形，此方法包括以下步骤：
S100：下料；裁剪垫板和热固性复合材料预浸料至特定形状。
S200：渐进成形坯料准备；在垫板表面喷涂脱模材料，将步骤S100中裁剪后获得的热固性复合材料预浸料置于两个垫板之间作为渐进成形的坯料。
S300:(1)渐进成形轨迹设计，借助渐进成形轨迹设计软件，生成两个渐进成形工具的数控轨迹。在该轨迹驱动下，两个渐进成形工具将按照特定的相对位置关系同步运动，使板料发生变形。
(2)渐进成形预成型；将步骤S200准备好的坯料放置在渐进成形工作台，用压边装置压住垫板四周；利用通用的渐进成形工具，按照基于零件外形设定的数控轨迹运行，对平板状坯料赋型；随着成形工具的运动，外层垫板和芯部复材将同步发生逐渐累积的变形，直至变形为目标构形。
S400：真空袋工艺固化；施以必要的辅助材料后，在步骤S300中预成型后的板料外包裹真空袋，抽真空后根据固化需求进行固化。
S500：固化完成后，将芯部复合材料与辅助材料分离，获得复材构件。
需要说明的是，在本发明中，特定形状是跟目标零件相适应的形状，例如为了成形出平头方锥形零件，就需要将复材预浸料1剪裁成如图2所示的复材预浸料1形状。在本发明中，热固性复合材料预浸料简称为复材预浸料。
在本发明的一个实施例中，以双面渐进成形作为预成型工艺。如图2所示，为了成形出平头方锥形零件，首先根据零件尺寸确定复材预浸料1和垫板2的初始形状和尺寸。使用的复合材料为环氧树脂基碳纤维增强平纹织物预浸料，选取的垫板材料为具有优良成形性能的深冲钢(本实例以DC04为例，实际生产可根据需求，考虑热膨胀系数、成形性、回弹大小等因素选取其他材料)，将复材预浸料1和垫板2裁剪出预定的形状和尺寸。将垫板2表面清理光洁，在其与复材预浸料1接触的一侧表面均匀涂覆脱模剂3，再将复材预浸料1放置于两垫板2之间，如图3所示。
准备工作结束后，将层板四周夹持在双面渐进成形工作台的压边装置4上，使垫板2四周材料固定而不限制复材预浸料1边界流动。随后，两球头形成形工具(5,6)(其中一个工具称为成形工具6或主工具，另一个工具称为支撑工具5或从工具)按照设定的双面渐进成形轨迹同步运动，对局部接触区域造成局部变形。随着变形的累积，初始平板最终变形成目标零件，如图4所示。
最后，在热压罐12中固化复材。在复材预浸料外围施加真空袋工艺必须的材料，如无孔隔离膜10、脱模布11、透气毡9、真空袋7等。两垫板2作为真空袋工艺中的盖板，或称均压板，可以保证复合材料受到的压力均匀，提高制件表面质量。将组装后的真空袋组件放入热压罐12，按照固化工艺需求设定温度和压力参数，同时用真空泵不断抽取袋内空气8，以降低孔隙率。热压罐内固化过程如图5所示，详细的真空袋组装方式如图6所示。如果固化时会出现树脂溢出，则在复材预浸料外围施加真空袋工艺必须的材料还包括吸胶层。
固化结束后，取出复材构件，再进行下游工艺过程。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，并非用来限定本发明的实施范围。但凡在本发明的保护范围内所做的等效变化及修饰，皆应认为落入了本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种纤维增强复合材料预制体的渐进成形方法，其特征在于，采用热固性复合材料构件的渐进成形预成型+真空袋固化复合成形，包括以下步骤：
S100：下料，裁剪垫板(2)和热固性复合材料预浸料(1)至所需形状；
S200：渐进成形坯料准备，将裁剪后获得的热固性复合材料预浸料(1)置于两个垫板(2)之间作为渐进成形的坯料；
S300：渐进成形预成型，将坯料放置在渐进成形工作台，用压边装置(4)压住垫板四周；利用渐进成形工具，按照基于零件外形设定的数控轨迹运行，对板状坯料赋型；
S400：真空袋工艺固化，在预成型后的板状坯料外包裹真空袋(7)，抽真空后进行固化；
S500：固化完成后，获得复材构件。
2.如权利要求1所述的纤维增强复合材料预制体的渐进成形方法，其特征在于，所述步骤S100，所述垫板(2)具有和热固性复合材料相匹配的热膨胀系数。
3.如权利要求1所述的纤维增强复合材料预制体的渐进成形方法，其特征在于，所述步骤S100，裁剪后的热固性复合材料预浸料(1)尺寸小于垫板(2)。
4.如权利要求1所述的纤维增强复合材料预制体的渐进成形方法，其特征在于，所述步骤S200还包括，将裁剪后获得的垫板(2)表面清理，喷涂脱模剂(3)。
5.如权利要求1所述的纤维增强复合材料预制体的渐进成形方法，其特征在于，所述步骤S300，所述渐进成形工具为球头形工具(5,6)。
6.如权利要求1所述的纤维增强复合材料预制体的渐进成形方法，其特征在于，所述步骤S400，对预成型后的板状坯料外包裹真空袋(7)前，在板状坯料外围施以辅助材料，再进行抽真空操作。
7.如权利要求6所述的纤维增强复合材料预制体的渐进成形方法，其特征在于，所述辅助材料包括透气毡(9)、无孔隔离膜(10)和脱模布(11)。
8.如权利要求1-7任一项所述的纤维增强复合材料预制体的渐进成形方法，其特征在于，所述步骤S400，抽真空后放置于热压罐(12)中进行固化。
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