CN114986937B - 热固性复合材料-热塑性材料复合构件的快速成形方法 - Google Patents

热固性复合材料-热塑性材料复合构件的快速成形方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种热固性复合材料‑热塑性材料复合构件的快速成形方法，包括以下步骤：放置预浸料；合模施加压力场和微波场进行初步固化阶段；转移未完全固化的复合材料和放置下一组预浸料阶段；复合成形和下一组预浸料初步固化阶段：注射熔融热塑性树脂后在保压过程中通冷却液调整温度至预浸料的固化温度进行共固化，共固化成形后开模取件，得热固性复合材料‑热塑性材料复合构件；同时将下一组预浸料合模施加压力场和微波场，进行初步固化；重复阶段。本发明将热固性预浸料模压成形与热塑性特征结构注射成形集成到单一生产单元，并充分利用微波场靶向加热的节能、均匀等特性，实现热固性复合材料‑热塑性材料复合构件的成形‑连接一体化制造。

Description

热固性复合材料-热塑性材料复合构件的快速成形方法
技术领域
本发明涉及树脂基复合材料轻质构件成形技术领域，具体涉及一种热固性复合材料-热塑性材料复合构件的快速成形方法。
背景技术
减轻结构重量、提高结构效率是航空航天、交通运输、能源等领域高端装备性能跃升的根本。高性能连续碳纤维增强热固性树脂基复合材料（以下简称热固性复合材料）凭借其具有高比模量、高比强度和耐腐蚀性能好等特点，在航空航天、轨道交通、汽车工业等领域已获得广泛应用。随着轻质构件日益复杂化、服役工况不同，单一复合材料往往无法最大程度的满足设计的多方面要求。轻质构件材料的解决方案中，更倾向于热塑性树脂基材料、纤维增强树脂基复合材料、轻质金属等多种材料组合。其中，热塑性树脂（也可指短纤维、长纤维增强热塑性树脂）具有高韧性、高设计自由度、可回收等突出优势，如何将热固性复合材料结构与热塑性树脂基结构高效连接，最大程度的发挥各自材料的优势，是多材料轻质构件制造技术亟待解决的重要问题之一。由于热固性树脂基体固化后高度交联的分子结构，极大限制了分子链的移动能力，现有常用于连接热塑性树脂的熔融连接方法对其并不适用。目前能实现与热固性复合材料连接的方法主要有：机械连接技术、胶接技术、共固化-焊接技术，如图2所示。
机械连接主要采用螺栓、铆钉等实现热固性复合材料结构和热塑性树脂基结构的连接。由于复合材料的各向异性特性，机械连接会出现严重的应力集中，同时机械连接件也增加了整体结构的重量。
胶接技术主要用于异质材料的连接，可以满足连接界面力学性能的要求。但胶接时表面预处理工艺和较长的固化时间等缺陷使得连接效率较低。此外，胶接界面受服役环境的影响较大，在湿热的环境下难以保持稳定的界面连接性能。
焊接技术是将焊件的焊接表面聚合物基体加热到粘流态，然后在一定的压力下冷却，使两焊接件固结形成连接界面。热固性复合材料固化后高度交联的分子结构在加热后不能二次熔融，不能直接采用焊接的方法实现热固复合材料结构与热塑性树脂基结构的连接。需要首先将热固性复合材料表面进行塑化，即将热塑性树脂薄膜与热固性预浸料共铺层后热压成形，然后实现塑化后的热固性复合材料与热塑性树脂基结构的焊接。这种共固化-焊接技术可以实现热固性复合材料结构与热塑性树脂基结构的高强度连接，但工序较为繁琐、成形周期长，并且焊接过程中易在共固化界面形成较大的残余应力，影响连接界面的静态强度和疲劳强度。
注射成形技术以其成本低、工艺流程简单且易于批量化生产等优势，受到业界的广泛关注，成为了聚合物-金属复合结构、热塑性复合材料复合结构成形加工中应用最为广泛的技术手段之一。目前也有少数研究者采用注射成形技术制造热固性复合材料-热塑性材料复合构件，但热固性树脂交联固化后与热塑性树脂结合条件苛刻，需要首先对热固性复合材料表面进行预处理（等离子处理、激光处理、硅烷偶联剂处理等），且制备过程需要分别通过热压成形与注射成形两个独立步骤，成形周期长、生产效率低。因此，有必要提供一种热固性复合材料-热塑性材料复合构件一体化成形方法，以减少生产工序、提高连接强度、降低生产能耗，实现异质轻质构件大批量自动化生产。
发明内容
鉴于目前存在的上述不足，本发明提供一种热固性复合材料-热塑性材料复合构件的快速成形方法，本申请采用一体化成形方法，具有生产工序少、连接强度高、生产能耗低，实现异质轻质构件大批量自动化生产的优点。
为了达到上述目的，本发明提供一种热固性复合材料-热塑性材料复合构件的快速成形方法，所述快速成形方法采用的模具为热固性复合材料-热塑性材料复合构件的旋转热压-注塑模具，所述模具包括旋转模具，所述旋转模具上设有第一透波模具和第二透波模具，所述快速成形方法包括以下步骤：
步骤（a），放置预浸料：
将预浸料按一定铺层顺序铺放在第一透波模具的表面；
步骤（b），初步固化阶段：
转动旋转模具使第一透波模具至热压固化成形模具工位，合模施加压力场和微波场，使预浸料达到目标固化度，获得未完全固化的热固性复合材料；
步骤（c），转移未完全固化的热固性复合材料和放置下一组预浸料阶段：
将未完全固化的热固性复合材料移至注射工位，并将下一组预浸料铺放在第二透波模具的表面；
步骤（d），复合成形和下一组预浸料初步固化阶段：
注射工位注射熔融热塑性树脂到未完全固化的热固性复合材料结构表面，注射完成后在保压过程中通冷却液调整温度至预浸料的固化温度进行热塑性结构与热固性复合材料结构共固化，共固化成形后开模取件，得到热固性复合材料-热塑性材料复合构件；同时将下一组预浸料合模施加压力场和微波场，使下一组预浸料达到目标固化度，获得未完全固化的热固性复合材料；
步骤（e），重复阶段：
再次转动旋转模具，将步骤（d）中的未完全固化的热固性复合材料转动至注射工位，并将刚完成开模取件的第一透波模具重新铺制预浸料，重复步骤（d）；
其中，所述预浸料为连续碳纤维增强热固性树脂基预浸料；所述热塑性树脂为聚酰胺树脂。
依照本发明的一个方面，所述热固性复合材料-热塑性材料复合构件的旋转热压-注塑模具由四大系统组成，分别为微波控制系统、模具位置控制系统、热压固化系统与注射共固化系统；
微波控制系统：用于调整热固性复合材料固化成形过程中的温度历程，该系统中的数据采集仪将成形过程中的时时温度反馈给微波控制仪；
模具位置控制系统：由液压缸和旋转轴共同组成，分别控制旋转模具的前后位置与圆周位置；
热压固化系统：热压固化模具、第一模芯、第一透波模具或第二透波模具共同组成，用于实现热固性预浸料固化所需要的温度与压力条件；
注射共固化系统：注射模具、第二模芯、第一透波模具或第二透波模具、注射料筒共同组成，用于实现热固性复合材料-热塑性材料复合构件的注射共固成形。
依照本发明的一个方面，所述热压固化成形模具工位与注射工位的相对位置与第一透波模具和第二透波模具的相对位置相同。
依照本发明的一个方面，所述步骤（b）中，预浸料的合模压力为0.1-1.0 MPa；升温速率为1-8 ℃/min；在固化温度下恒温保持30-60min;目标固化度为0.4-0.8。
依照本发明的一个方面，所述步骤（d）中，保压压力为5-15 MPa，保压时间为20-60s。
依照本发明的一个方面，所述步骤（d）中，共固化时间为30-60 min。
依照本发明的一个方面，所述步骤（a）中的微波场施加在预浸料上的温度为预浸料的固化温度。
依照本发明的一个方面，所述聚酰胺树脂包括纯聚酰胺树脂、短纤维增强的聚酰胺树脂、长纤维增强的聚酰胺树脂的任意一种或两种以上的组合。
依照本发明的一个方面，所述注射工位的注射模具温度为200 ℃。
本发明的有益效果：
（1）提高成形效率：将热固性预浸料模压成形与热塑性特征结构注射成形集成到单一生产单元中，实现热固性复合材料-热塑性材料复合构件的成形-连接一体化制造。
（2）提高连接强度：未注射前，半固化的预浸料已经具有一定的强度，可以防止在注射过程中被熔融热塑性树脂冲压变形。另外未完全固化的热固性复合材料具有更多的环氧基，可以与热塑性材料上的酰胺基团在特定高温下（注射模具温度为200℃，相较于传统的温度为高温，如200℃相较于对比例1的传统的注射模具温度100 ℃为高温）温度下形成更多的化学键合，有效提高热固性复合材料与注射的热塑性特征结构之间异质界面间的连接强度。
（3）节省能耗：成形过程中半固化的热固性复合材料表面已经具有较高的温度，更容易升至与热塑性材料上的酰胺基团的可以快速反应的温度，不用二次加热，可提升能源利用率，而且反应过程迅速，在快速反应温度保持数秒就可以迅速降至预浸料的固化温度，对预浸料成形后的热固性复材的力学性能影响较小。同时该发明采用微波加热技术固化热固性预浸料，微波加热选择性较强，可以对特定材料进行靶向加热，有效提高能源利用率，高效节能。而且由于微波加热的电磁波属于厘米波，具有较强的穿透能力，可以实现整体同时加热，成形过程中构件内部温度差异小，材料内的温度梯度并不明显，因此成形后的构件残余应力小，进而可以提高整体构件的力学性能和成形精度。
（4）本申请采用注射共固成形工艺充分利用预浸料固化过程中时间和温度资源，在提高成形效率，降低资源消耗的同时，还可以大幅度提高热固性复合材料-热塑性材料复合构件成形过程中的连接质量。
附图说明
图1为本发明的热固性复合材料-热塑性材料复合构件的成形工艺流程；
图2为现有的热固性复合材料结构与热塑性树脂基结构的常规连接方式树状图；
图3为本发明的热固性复合材料-热塑性材料复合构件的旋转热压-注塑模具的结构示意图；
图4为本发明的热固性复合材料-热塑性材料复合构件的立体示意图；
图5（a）为实施例3制得的复合构件中热固性复合材料与热塑性材料的界面形貌图；图5（b）为对比例1制得的复合构件中热固性复合材料与热塑性材料的界面形貌图；
图6为实施例3和对比例1的两种界面的单搭接剪切强度对比图。
附图说明：1.旋转轴；2.微波控制仪；3.温度数据采集仪；4.液压缸；5.通信线路；6微波功率控制模块；7.微波发生装置；8.第一透波模具；9.热压固化模具；10.第一模芯；11.注射模具；12.加热棒；13.注射料筒；14.第二模芯；15.冷却流道；16.第二透波模具；17.裂缝天线；18.旋转模具；19.预浸料；20.热固性复合材料-热塑性材料复合构件； 21.热塑性结构；22.热固性复合材料结构。
具体实施方式
为使本发明更加容易理解，下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，显然，所描述的实施例仅仅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做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。除非另有定义，下文所用专业术语和本领域专业技术人员所理解的含义一致；除非特殊说明，本文所涉及的原料、试剂均可从市场购买，或通过公知的方法制得。
图1所示为热固性复合材料-热塑性材料复合构件的成形工艺流程；图3所示为用于成形热固性复合材料-热塑性材料复合构件的旋转热压-注塑模具的结构示意图。本申请包括图1中的以下步骤：（A）：将预浸料19（本申请预浸料为连续碳纤维增强热固性树脂基预浸料）按一定铺层顺序铺放在第一透波模具8的表面；（B）：然后转动至热压固化模具9工位，合模施加压力场与微波场，让预浸料19在一定的温度、压力下达到目标固化度；（C）：打开模具，转动旋转模具18，将未完全固化的热固性复合材料移至注射工位，并将下一组预浸料19铺放在第二透波模具16的表面；（D）：合模热压固化第二透波模具16内预浸料，同时，注射高温熔融热塑性树脂（本申请热塑性树脂为指聚酰胺树脂、短纤维增强聚酰胺树脂或长纤维增强聚酰胺树脂，例如PA6、PA66、PA610等），注射完成并保压短暂时间让热塑性树脂基材料与第一透波模具8内的未完全固化的热固性复合材料连接在一起，在注射完成后通冷却液体使注射模具11冷却至预浸料固化温度，随后利用微波控制系统维持固化温度至热固性复合材料完全固化，最后开模取件得到热固性复合材料-热塑性材料复合构件20；（E）：再次转动旋转模具18，让上一步未完全固化的热固性复合材料移至注射工位，重复（D）。
图3所示为用于成形热固性复合材料-热塑性材料复合构件的旋转热压-注塑模具，它主要由四大系统组成，分别是微波控制系统、模具位置控制系统、热压固化系统与注射共固化系统。微波控制系统用于调整热固性复合材料固化成形过程中的温度历程，该系统中的数据采集仪3将成形过程中的时时温度反馈给微波控制仪2，微波控制仪2根据实际数据与目标温度数据间的差值调整信号发出强度，微波功率控制模块6获得不同的信号强度后时时调整微波发生装置7的输出功率，最后由裂缝天线17在旋转模具18的型腔中产生均匀的微波场，数据采集仪3、微波控制仪2、微波功率控制模块6、微波发生装置7、裂缝天线17通过通信线路5电性连接。由于不同材料对微波呈现不同的特性（吸收、穿透、反射），微波穿过穿透性较强的第一透波模具8或第二透波模具16到达热固性预浸料，由于热固性树脂对微波呈现良好的吸收作用，大量的微波能被预浸料吸收而产生热量，实现预浸料固化所需要的温度条件。模具控制系统由液压缸4和旋转轴1共同组成，分别控制旋转模具18的前后位置与圆周位置。热压固化系统由热压固化模具9、第一模芯10、第一透波模具8或第二透波模具16共同组成，实现热固性预浸料固化所需要的温度与压力条件。注射共固化系统由注射模具11、第二模芯14、第一透波模具8或第二透波模具16、注射料筒13共同组成，实现热固性复合材料-热塑性材料复合构件的注射共固成形，此外，第二模芯14上设有供热塑性树脂熔融的加热棒12和用于输送冷却液体（如：水）的冷却流道15。
图4为热固性复合材料-热塑性材料复合构件20，热固性复合材料-热塑性材料复合构件20由热塑性结构21和热固性复合材料结构22连接而成。
实施例1
1.材料选择
预浸料：连续碳纤维增强环氧树脂基预浸料UIN10000
热塑性树脂基材料：短纤维增强PA6粒料
2.工艺流程及参数
通过差示扫描量热分析法（DSC）对微波固化的热固性复合材料进行测试，并基于测试数据建立热固性复合材料微波固化动力学模型，确定不同升温速率下微波固化复合材料的固化度随固化温度的变化机制，初步筛选固化工艺窗口。
（a）将预浸料裁成210 mm3140 mm 的尺寸，并按[0°/90°]30交替铺层顺序铺成U型，铺层厚度约3mm，将铺好的预浸料放入第一透波模具8中。其中，[0°/90°]30为行业术语，其表示：相邻层之间互相垂直，一共有30层。
（b）第一次合模，打开微波控制仪，基于热固性复合材料微波固化动力学模型，将预浸料以1℃/min的升温速率从室温上升到固化温度130℃，合模压力为0.2 MPa，预浸料进入初步固化阶段，在130℃下恒温45 min后达到目标固化度0.5。
（c）打开模具，转动旋转模具18，将未完全固化的热固性复合材料转至高温注射模具11，在第二透波模具16中重新铺制预浸料。
（d）第二次合模，按照（b）的参数将第二透波模具16中的预浸料进行初步固化；同时在注射工位注射熔融短纤维增强PA6树脂到未完全固化的热固性复合材料表面，注射压力30MPa，注射速率30cm3/s，熔体温度260℃，注射模具温度200℃，保压时间30s，保压压力15MPa，在保压过程中通冷却液体，将模具在30s内冷却至130℃。随后利用微波控制系统将未完全固化的热固性复合材料在130℃下继续固化，直至固化度到0.95以上。透波模具基座16中的预浸料完成初步固化后开模，将第一透波模具8中制备好的热固性复合材料-热塑性材料复合构件顶出脱模。
（e）转动旋转模具18，将步骤（d）中未完全固化的热固性复合材料转动至注射工位，并在刚完成脱模的第一透波模具8中重新铺制预浸料，重复步骤（d）。
实施例2
1.材料选择
预浸料：连续碳纤维增强环氧树脂基预浸料UIN10000
热塑性树脂基材料：短纤维增强PA66粒料
2.工艺流程及参数
（a）将预浸料裁成210 mm×140 mm的尺寸，并按[0°/90°]30交替铺层顺序铺成U型，铺层厚度约3 mm，将铺好的预浸料放入第一透波模具8中。
（b）第一次合模，打开微波控制仪，基于实施案例1中建立的热固性复合材料微波固化动力学模型，将预浸料以5℃/min的升温速率从室温升到固化温度130 ℃，合模力为0.6 MPa, 预浸料进入初步固化阶段，在130 ℃下恒温保持40 min 后达到目标固化度0.6。
（c）打开模具，转动旋转模具18，将未完全固化的热固性复合材料转至高温注射模具11，在第二透波模具16中重新铺放预浸料。
（d）第二次合模，按照（b）的参数将第二透波模具16中的预浸料进行初步固化，同时在注射工位注射熔融短纤维增强PA66树脂到未完全固化的热固性复合材料表面，注射压力为30 MPa, 注射速率30 cm3/s，熔体温度280 ℃，注射模具温度200℃，保压时间为45 s，保压压力15 MPa, 在保压过程中通入冷却液体，将模具在30 s 内冷却至130 ℃。随后利用微波控制系统将未完全固化的热固性复合材料在130 ℃下继续固化，直至固化度到0.95以上。透波模具基座16中的预浸料完成初步固化后开模，将第一透波模具8中制备好的热固性复合材料-热塑性材料复合构件顶出脱模。
（e）转动旋转模具18，将步骤（d）中未完全固化的热固性复合材料转动至注射工位，并在刚完成脱模的第一透波模具8中重新铺制预浸料，重复步骤（d）。
实施例3
1.材料选择
预浸料：连续碳纤维增强环氧树脂基预浸料UIN10000
热塑性树脂基材料：PA6粒料
2.工艺流程及参数
（a）将预浸料裁成210 mm×140 mm的尺寸，并按[0°/90°]30 交替铺层顺序铺成U型，铺层厚度约3 mm，将铺好的预浸料放入第一透波模具8中。
（b）第一次合模，打开微波控制仪，基于实施案例1中建立的热固性复合材料微波固化动力学模型，将预浸料以2℃/min的升温速率从室温升到固化温度130 ℃，合模力为0.6 MPa, 预浸料进入初步固化阶段，在130 ℃下恒温保持60 min后达到目标固化度0.7。
（c）打开模具，转动旋转模具18，将未完全固化的热固性复合材料转至高温注射模具11，在第二透波模具16中重新铺放预浸料。
（d）第二次合模，按照（b）的参数将第二透波模具16中的预浸料进行初步固化，同时在注射工位注射熔融 PA6树脂到未完全固化的热固性复合材料表面，注射压力为25MPa, 注射速率20 cm3/s，熔体温度250 ℃，注射模具温度200℃，保压时间为30 s，保压压力10 MPa, 在保压过程中通入冷却液体，将模具在30 s 内冷却至130 ℃。随后利用微波控制系统将未完全固化的热固性复合材料在130 ℃下继续固化，直至固化度到0.95以上。透波模具基座16中的预浸料完成初步固化后开模，将第一透波模具8中制备好的热固性复合材料-热塑性材料复合构件顶出脱模。
（e）转动旋转模具18，将步骤（d）中未完全固化的热固性复合材料转动至注射工位，并在刚完成脱模的第一透波模具8中重新铺制预浸料，重复步骤（d）。
对比例1
1.材料选择
预浸料：连续碳纤维增强环氧树脂基预浸料UIN10000
热塑性树脂基材料：PA6粒料
2.工艺流程及参数
（a）将预浸料裁成210 mm×140 mm的尺寸，并按[0°/90°]30 交替铺层顺序铺成U型，铺层厚度约3 mm，将铺好的预浸料放入第一透波模具8中。
(b)第一次合模，打开微波控制仪，基于实施案例1中建立的热固性复合材料微波固化动力学模型，将预浸料以2℃/min的升温速率从室温升到固化温度130 ℃，合模力为0.6 MPa, 预浸料进入初步固化阶段，在130 ℃下恒温保持100 min 后达到目标固化度0.95以上。
(c)打开模具，转动旋转模具18，将完全固化的热固性复合材料转至高温注射模具11。
(d)第二次合模，在注射工位注射熔融 PA6树脂到未完全固化的热固性复合材料表面，注射压力为25 MPa, 注射速率20 cm3/s，熔体温度250 ℃，注射模具温度100 ℃，保压时间为30 s，保压压力10 MPa, 在保压过程中通入冷却液体，将模具在30 s 内冷却至130 ℃，将热固性复合材料-热塑性材料复合构件顶出脱模。
性能检查：
图5（a）和图5（b）分别为实施案例3和对比案例1得到的复合构件中热固性复合材料与热塑性材料的界面形貌图。从图5（a）可以看出，实施案列3的共固化阶段处于粘流态的热塑性树脂与未完全固化的环氧树脂相互挤压穿透而形成一个沿厚度方向梯度变化的界面，这种交互挤压穿透将原本近似二维的界面发展为三维区域，提高了界面承载能力。对比案例1中的界面（图5（b））轮廓清晰可见，并可以观察到界面处有裂纹，这是由于熔融树脂注射到热固性复合材料时，其已经完全固化，无法与热塑性树脂形成较好的连接。图6为两种界面的单搭接剪切强度对比，可以看出实施例3的界面粘结强度达到了18±2.1 MPa,远大于对比例1中的界面强度0.85±0.12 MPa,可以证明本发明提供的工艺路线可以大幅提升热固性复合材料与热塑性复合材料之间的连接强度。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本领域技术的技术人员在本发明公开的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种热固性复合材料-热塑性材料复合构件的快速成形方法，其特征在于，所述快速成形方法采用的模具为热固性复合材料-热塑性材料复合构件的旋转热压-注塑模具，所述模具包括旋转模具，所述旋转模具上设有第一透波模具和第二透波模具，所述快速成形方法包括以下步骤：
步骤（a），放置预浸料：
将预浸料按一定铺层顺序铺放在第一透波模具的表面；
步骤（b），初步固化阶段：
转动旋转模具使第一透波模具至热压固化成形模具工位，合模施加压力场和微波场，使预浸料达到目标固化度，获得未完全固化的热固性复合材料；预浸料的合模压力为0.1-1.0 MPa；升温速率为1-8℃/min；在固化温度下恒温保持30-60 min；目标固化度为0.5-0.8；
步骤（c），转移未完全固化的热固性复合材料和放置下一组预浸料阶段：
将未完全固化的热固性复合材料移至注射工位，并将下一组预浸料铺放在第二透波模具的表面；
步骤（d），复合成形和下一组预浸料初步固化阶段：
注射工位注射熔融热塑性树脂到未完全固化的热固性复合材料结构表面，注射完成后在保压过程中通冷却液调整温度至预浸料的固化温度进行热塑性结构与热固性复合材料结构共固化，共固化成形后开模取件，得到热固性复合材料-热塑性材料复合构件；同时将下一组预浸料合模施加压力场和微波场，使下一组预浸料达到目标固化度，获得未完全固化的热固性复合材料；
步骤（e），重复阶段：
再次转动旋转模具，将步骤（d）中的未完全固化的热固性复合材料转动至注射工位，并将刚完成开模取件的第一透波模具重新铺制预浸料，重复步骤（d）；
其中，所述预浸料为连续碳纤维增强热固性树脂基预浸料；所述热塑性树脂为聚酰胺树脂。
2.根据权利要求1所述的热固性复合材料-热塑性材料复合构件的快速成形方法，其特征在于，所述热固性复合材料-热塑性材料复合构件的旋转热压-注塑模具由四大系统组成，分别为微波控制系统、模具位置控制系统、热压固化系统与注射共固化系统；
微波控制系统：用于调整热固性复合材料固化成形过程中的温度历程，该系统中的数据采集仪将成形过程中的实时 温度反馈给微波控制仪；
模具位置控制系统：由液压缸和旋转轴共同组成，分别控制旋转模具的前后位置与圆周位置；
热压固化系统：热压固化模具、第一模芯、第一透波模具或第二透波模具共同组成，用于实现热固性预浸料固化所需要的温度与压力条件；
注射共固化系统：注射模具、第二模芯、第一透波模具或第二透波模具、注射料筒共同组成，用于实现热固性复合材料-热塑性材料复合构件的注射共固成形。
3.根据权利要求1所述的热固性复合材料-热塑性材料复合构件的快速成形方法，其特征在于，所述热压固化成形模具工位与注射工位的相对位置与第一透波模具和第二透波模具的相对位置相同。
4.根据权利要求1所述的热固性复合材料-热塑性材料复合构件的快速成形方法，其特征在于，所述步骤（d）中，保压压力为5-15MPa，保压时间为20-60s。
5.根据权利要求1所述的热固性复合材料-热塑性材料复合构件的快速成形方法，其特征在于，所述步骤（d）中，共固化时间为30-60 min。
6.根据权利要求1所述的热固性复合材料-热塑性材料复合构件的快速成形方法，其特征在于，所述步骤（a）中的微波场施加在预浸料上的温度为预浸料的固化温度。
7.根据权利要求1所述的热固性复合材料-热塑性材料复合构件的快速成形方法，其特征在于，所述聚酰胺树脂包括纯聚酰胺树脂、短纤维增强的聚酰胺树脂、长纤维增强的聚酰胺树脂的任意一种或两种以上的组合。
8.根据权利要求1所述的热固性复合材料-热塑性材料复合构件的快速成形方法，其特征在于，所述注射工位的注射模具温度为200 ℃。
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CN105235241A (zh) * 2015-10-26 2016-01-13 南京诺尔泰复合材料设备制造有限公司 热固性复合材料与热塑性材料抽油杆制备方法及装置
CN107662352A (zh) * 2016-07-29 2018-02-06 汉达精密电子(昆山)有限公司 热塑性复合材料产品的制作方法及其相应的产品
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