CN115816869B

CN115816869B - 一种金属-纤维混杂材料波纹结构的快速成形装置及方法

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Publication number: CN115816869B
Application number: CN202310124272.1A
Authority: CN
Inventors: 翟瞻宇; 陈超; 江佰龙
Original assignee: Central South University
Current assignee: Central South University
Priority date: 2023-02-16
Filing date: 2023-02-16
Publication date: 2023-05-12
Anticipated expiration: 2043-02-16
Also published as: CN115816869A

Abstract

本发明提供了一种金属‑纤维混杂材料波纹结构件的快速成形装置及方法，属于轻质多材料复合构件制备成型技术领域。本发明基于爆炸‑注塑成型工艺，将金属板和碳纤维编织布作为嵌件，利用爆炸成型产生的可控均匀压力场，使金属板产生塑性变形形成波纹结构，同时完成注塑熔融聚合物对碳纤维编织布的浸渍，实现金属‑纤维混杂材料波纹结构件“成型‑连接”一体化制造。本发明解决了现有金属‑纤维混杂材料复杂结构成型质量低、成型周期长、生产效率低，对金属材料板预成形形状及尺寸精度要求较高，以及纤维浸润质量差影响波纹板的服役力学性能的问题。

Description

一种金属-纤维混杂材料波纹结构的快速成形装置及方法

技术领域

本发明涉及轻质多材料复合构件制备成型技术领域，特别涉及一种金属-纤维混杂材料波纹结构的快速成形装置及方法。

背景技术

随着全球温室效应与能源危机的出现，减轻结构重量、提高结构效率是各行各业的重要议题。波纹结构作为一种异形结构，其具有轻质、高刚度、高强度、外观美观和稳定性好等一系列优点，是实现结构轻质化的有效途径，在轨道交通、船舶与海洋工程和航空航天等重大工程领域得到了广泛应用。常用的波纹结构件常采用铝合金、钢等金属材料制造，质量大，保温效果及抗腐蚀性差，难以满足进一步轻量化的要求。目前也有一些采用轻质树脂基复合材料的波纹结构件，但是抗冲击性能较差。

金属-纤维混杂材料波纹板结构件综合了纤维增强树脂基复合材料和金属材料的优点，具有高的比强度和比刚度，优良的疲劳性能以及高的损伤容限。传统工艺中金属-纤维混杂材料波纹板结构件制造过程包括层压工艺和塑性成型工艺，制造工艺流程较长、工序多，而且碳纤维浸润质量差，直接影响波纹板的服役力学性能。专利“一种碳纤维增强热塑性复合材料-金属复合构件的快速成型方法与装置（CN114953511B）”针对碳纤维增强热塑性复合材料成型工艺与异质材料连接工艺分离的技术难题，基于注塑-压缩工艺，将预成型后的金属板和碳纤维编织布作为嵌件，利用碳纤维预制体自阻加热技术，实现碳纤维增强热塑性复合材料-金属复合构件的成型制造。但该方法需要分别通过金属预成型（塑性变形）、模内注塑-压缩两个独立步骤，成型周期长、生产效率低；且对金属材料板预成形形状及尺寸精度都具有较高要求，否则注塑过程中金属材料板受到周围高压熔体的冲击极易发生位移，与通电状态下的碳纤维接触，导致自阻加热回路短路，无法提供碳纤维浸润所需要的均匀温度场，影响复合构件成型质量。

因此，迫切需要发明一种工序简单、模具简单、可靠性强、抗冲击性能高的一种金属-纤维混杂材料波纹结构的快速成形装置及方法。

发明内容

本发明提供了一种金属-纤维混杂材料波纹结构的快速成形装置及方法，其目的是为了高效快速制备高性能轻质多材料波纹结构件，解决了现有金属-纤维混杂材料复杂结构成型质量低、成型周期长、生产效率低，对金属材料板预成形形状及尺寸精度要求较高，以及纤维浸润质量差影响波纹板的服役力学性能的问题。

为了达到上述目的，本发明的实施例提供了一种金属-纤维混杂材料波纹结构的快速成形装置及方法，基于爆炸-注塑成型工艺，将金属材料板和碳纤维编织布作为嵌件，利用爆炸产生的可控均匀压力场，使金属材料板产生塑性变形形成波纹结构，同时完成注塑熔融聚合物对碳纤维编织布的浸渍，实现金属-纤维混杂材料波纹结构件“成型-连接”一体化制造。本发明将具有结构特征的碳纤维增强热塑性复合材料构件成型、金属板材料波纹板塑性成形、碳纤维增强热塑性复合材料与金属材料粘结，在注塑模具中集成，实现了金属-纤维混杂材料波纹结构件一体化成型制造，解决了传统技术中将碳纤维增强热塑性复合材料成型工艺与金属材料塑性成型工艺分离导致的工序多、耗能高、连接强度低等难题。

根据本发明实施例的一方面，本发明提供了金属-纤维混杂材料波纹结构件的快速成型装置，包括加热部分、注塑模具部分、爆炸冲压部分和限位保压部分；

所述加热部分包括电源，所述电源通过输出功率调整碳纤维预制体的温度；

所述注塑模具部分包括动模板、动模镶块、动模腔、定模腔、活动镶块和定模板，用于提供熔融聚合物，所述熔融聚合物通过流道和浇口注入碳纤维预制体和金属材料板的间隙；所述动模腔的两端设置有固定支架和铜电极；所述铜电极用于固定和使得碳纤维预制体与电源相连；所述金属材料板设置在定模腔内；所述活动镶块底部设置有弹簧，以实现活动镶块复位；所述活动镶块和动模镶块内侧呈现波纹形状；

所述爆炸冲压部分包括储药腔底座，用于成型金属材料波纹结构和提供碳纤维预制体浸渍所需要的均匀压力；所述储药腔底座上设置有炸药；所述炸药上设置有引爆器；

所述限位保压部分包括位移传感器和限位气缸，用于维持碳纤维预制体浸渍过程中的压力；所述活动镶块通过限位气缸限位进行保压，以实现金属材料板的塑性变形和碳纤维预制体的浸渍。

进一步的，所述注塑模具部分还包括流道盖板。

进一步的，所述流道设置于定模腔和流道盖板面上。因为模具流道存在九十度角转弯，不方便加工，使用流道盖板封闭，利于熔融聚合物准确流进腔体内纤维预制体和金属材料板之间的间隙。

基于一个发明总的构思，本发明还提供了金属-纤维混杂材料波纹结构件的快速成型方法，利用上述金属-纤维混杂材料波纹结构件的快速成型装置实现，所述方法包括如下步骤：

将表面处理后的金属材料板放置于定模腔内，将碳纤维预制体采用铜电极固定在动模腔侧面；

将所述注塑模具合模，使碳纤维预制体与金属材料板之间形成浸渍间隙；接通电源，将所述碳纤维预制体升温；注塑机将熔融聚合物注射至所述浸渍间隙；

启动引爆器，经过爆炸产生的压力使所述金属材料发生塑性变形，形成波纹结构，同时推动间隙处的熔融聚合物浸渍碳纤维预制体；

进行保压处理，实现碳纤维增强热塑性复合材料浸润成型及波纹结构件中金属材料与复合材料之间的粘结；

保压结束后断电，冷却，开模获得金属-纤维混杂材料波纹结构件。

进一步的，所述铜电极可在固定支架上滑动。

进一步的，将所述碳纤维预制体升温至200~400℃，升温速率为80~350℃/min。

进一步的，所述熔融聚合物的温度为200~400℃。

进一步的，所述浸渍间隙为2~4mm；所述注射速度30~90mm/s，注射压力为30~150MPa。

进一步的，所述爆炸能量为10~50kJ，爆炸速度1200~1800m/s。

进一步的，所述保压压力为10~80MPa，保压时间为100~300s。

进一步的，所述熔融聚合物为热塑性树脂；所述热塑性树脂为PP、PA6、PA66、PEEK中的任一种。

进一步的，所述碳纤维预制体为碳纤维编织布。

本发明的上述方案有如下的有益效果：

（1）提高成型效率：本发明将金属板塑性成型与碳纤维增强树脂基复合材料成型工艺在注塑-压缩模具中集成，实现金属-纤维混杂材料波纹结构件成性与成型同步制造，解决了传统制造技术中层压工艺和塑性成型工艺分离导致的工序多、耗能高、性能差等难题。

（2）简化成型模具：本发明利用爆炸冲击波实现金属板塑性成形的同时，冲击力可压缩型腔内熔体实现碳纤维预制体的浸润，无需常规成型模具中的压缩碟簧系统，大大简化了生产条件。此外，爆炸冲击产生的热能可补偿型腔内熔体的热量耗散，有利于金属与树脂在界面处的高质量粘结。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明金属-纤维混杂材料波纹结构件的快速成型装置的A-A截面示意图；

图2是本发明金属-纤维混杂材料波纹结构件的快速成型装置的B-B和C-C截面示意图，其中图2（a）是B-B截面示意图，图2（b）是C-C截面示意图；

图3是本发明金属-纤维混杂材料波纹结构件的快速成型方法的工艺流程图，图3（a）为定位升温阶段，图3（b）为合模注塑阶段，图3（c）为爆炸成型，图3（d）为保压阶段，图3（e）为脱模阶段；

图4是本发明金属-纤维混杂材料波纹结构件的示意图。

【附图标记说明】

1.电源；2.碳纤维预制体；3.动模镶块；4.动模板；5.开关；6.动模腔；7.固定支架；8.位移传感器；9.铜电极；10.限位气缸；11.活动镶块；12.炸药；13.储药腔底座；14.引爆器；15.定模板；16.弹簧；17.定模腔；18.金属材料板；19.浇口；20.流道盖板；21.流道；22.金属-纤维混杂材料波纹结构件；22a.碳纤维增强复合材料波纹结构板；22b金属材料波纹结构板。

具体实施方式

为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。

除非另有定义，下文中所使用的所有专业术语与本领域技术人员通常理解含义相同。本文中所使用的专业术语只是为了描述具体实施例的目的，并不是旨在限制本发明的保护范围。

除非另有特别说明，本发明中用到的各种原材料、试剂、仪器和设备等均可通过市场购买得到或者可通过现有方法制备得到。

本发明针对现有的问题，提供了一种金属-纤维混杂材料波纹结构的快速成形装置及方法。

本发明的实施例提供了金属-纤维混杂材料波纹结构的快速成型方法（工艺流程图，如图3所示），利用上述金属-纤维混杂材料波纹结构件的快速成型装置（如图1~2所示）实现；

所述装置包括加热部分、注塑模具部分、爆炸冲压部分和限位保压部分；

所述加热部分包括电源1，所述电源1通过输出功率调整碳纤维预制体2的温度；

所述注塑模具部分包括动模板4、动模镶块3、动模腔6、定模腔17、活动镶块11和定模板15，用于提供熔融聚合物，所述熔融聚合物通过流道21和浇口19注入碳纤维预制体2和金属材料板18的间隙；所述动模腔6的两端设置有固定支架7和铜电极9；所述铜电极9用于固定和使得碳纤维预制体2与电源1相连；所述金属材料板18设置在定模腔17内；所述活动镶块11底部设置弹簧16，以实现活动镶块11复位；所述活动镶块11和动模镶块3内侧呈现波纹形状；

所述爆炸冲压部分包括储药腔底座13，用于成型金属材料波纹结构和提供碳纤维预制体浸渍所需要的均匀压力；所述储药腔底座13上设置有炸药12；所述炸药12上设置有引爆器14；

所述限位保压部分包括位移传感器8和限位气缸10，用于维持碳纤维预制体浸渍过程中的压力；所述活动镶块11底部设置限位气缸10进行保压，以实现金属材料板18的塑性变形和碳纤维预制体2的浸渍。

所述注塑模具部分还包括流道盖板20。所述流道21设置于定模腔17和流道盖板20面上（如图2（b）中C-C视图所示）。因为模具流道存在九十度角转弯，不方便加工，使用流道盖板封闭，利于熔融聚合物准确流进腔体内碳纤维预制体2和金属材料板18之间的间隙。

所述成型方法包括如下步骤：

（a）定位升温阶段：将金属材料板18放置在定模腔17内的活动镶块11上，碳纤维预制体2铺放在模具分型面上，碳纤维预制体2两端用铜电极9夹紧，铜电极9可在固定支架7上滑动；闭合开关5，碳纤维预制体2加热升温至目标温度（200~400℃），升温速率为80~350℃/min；

（b）合模注塑阶段：注塑机将熔融聚合物(热塑性树脂，主要是指PP/PA6/PA66/PEEK)加热至200~400℃，模具合模，使动模腔6与定模腔17紧贴碳纤维预制体2，形成密闭型腔；注塑机开始注射熔融聚合物，使熔融聚合物通过流道21向浇口19流出（如图2（a）中B-B视图所示），充满碳纤维预制体2和金属材料板18之间的间隙，间隙2~4mm（如图1中A-A视图所示），注射速度30~90mm/s，注射压力30~150MPa；

（c）爆炸成型：启动引爆器14，引燃储药腔底座13上的炸药12，爆炸能量10~50kJ，爆炸速度1200~1800m/s，瞬间产生压力，推动活动镶块11前进，与动模镶块3合模，碳纤维预制体2收缩，铜电极9在固定支架7上向模具方向滑动；腔体内的熔融聚合物在压力作用下对碳纤维预制体2浸渍，形成碳纤维增强复合材料波纹结构22a（如图4所示）；同时金属材料板18在冲压下塑性变形，形成金属材料波纹结构板22b（如图4所示）；

（d）保压阶段，活动镶块11与动模镶块3合模过程中，底部连接的弹簧16伸长，位移传感器8检测活动镶块11底部位置后，传递信号给控制器，控制限位气缸10活塞伸出，锁死活动镶块11位置，进行保压，保压压力10~80MPa,保压时间100~300s；

（e）脱模阶段：冷却结束后，限位气缸10活塞复位，活动镶块11在弹簧16拉力作用下复位，模具开模并取出，获得金属-纤维混杂材料波纹结构件22。

以下以具体实施例进行进一步说明。

实施例1

材料选择

碳纤维预制体：T500碳纤维编织布

热塑性树脂基材料：聚丙烯

金属材料板：1100铝合金板

工艺流程及参数

（1）金属材料板预处理：将1100型号铝合金板材裁剪成合适尺寸的金属材料板（总长为300 mm，宽为100 mm），并对其表面进行阳极氧化处理，使金属材料板18表面形成粗糙结构。

（2）定位升温阶段：裁剪尺寸为350 mm×120 mm的T500碳纤维编织布，对齐铺层，铺层数目为4层，铺层厚度约为0.9 mm，将铺好的碳纤维预制体2放置在动模腔6侧面上，采用铜电极9将其两端夹持，为了增加导电性，碳纤维预制体2两端分别粘贴宽为25 mm的铜箔胶。同时将金属材料板18放置于定模腔17内。闭合开关5，碳纤维预制体2开始通电升温，升温速率为200℃/min，升温至260℃。

（3）合模注塑阶段：模具进行合模，动模腔6和定模腔17压实碳纤维预制体2两端，锁模力5000N。碳纤维预制体2和金属材料18板之间形成3mm厚的预留浸渍间隙。注塑机开始注射熔融聚合物，熔融聚合物通过流道21在浇口19处流出，填充整个浸渍间隙。注射速度为30 mm/s，注射压力为30 MPa，熔体温度为250℃，模具温度为100℃。

（4）爆炸成型阶段：启动引爆器14，点燃炸药12，爆炸能量10kJ,储药腔底座13、活动镶块11、定模腔17形成的腔体内瞬间产生的巨大压力使活动镶块11带动金属材料板18向前运动，挤压熔融聚丙烯向碳纤维预制体2流动，浸渍，同时由于活动镶块11和动模镶块3的结构，使金属材料板18和碳纤维预制体2折弯，形成波纹结构，实现碳纤维预制体2与金属材料板18粘接。

（5）保压阶段：位移传感器8检测到活动镶块11底部位置后，控制器启动的限位气缸10活塞伸出，锁死活动镶块11，进入保压阶段，型腔内部温度维持稳定在260℃，保压压力为15 MPa，保压时间为150 s。

（6）脱模阶段：保压结束后，模具进入冷却阶段，型腔内部温度冷却至80℃时，模具开模，取出金属-纤维混杂材料波纹结构件22，限位气缸10活塞后退，活动镶块11在弹簧16拉力下复位。

实施例2

材料选择

碳纤维预制体：T500碳纤维编织布

热塑性树脂基材料：聚酰胺6（PA6）

金属材料板：5052铝镁合金板

工艺流程及参数

（1）金属材料板预处理：将5052铝镁合金板材裁剪成合适尺寸的金属材料板18（总长为200 mm，宽为80 mm），并对其表面进行阳极氧化处理，使金属材料板18表面形成粗糙结构。

（2）定位升温阶段：裁剪尺寸为250 mm×100 mm的T500碳纤维编织布，对齐铺层，铺层数目为6层，铺层厚度约为1.4 mm，将碳纤维预制体2放置在动模腔6侧面上，采用铜电极9将其两端夹持；为了增加导电性，碳纤维预制体2两端分别粘贴宽为25 mm的铜箔胶。同时将金属材料板18放置于定模腔17内。闭合开关5，碳纤维预制体2开始通电升温，升温速率为220℃/min，温度升高至280℃。

（3）合模注塑阶段：模具进行合模，动模腔6和定模腔17压实碳纤维预制体2两端，锁模力5000N。碳纤维预制体2和金属材料18板之间形成3mm厚的预留浸渍间隙。注塑机开始注射熔融聚酰胺6（PA6），熔融聚酰胺6（PA6）通过流道21在浇口19处流出，填充整个浸渍间隙。注射速度为50 mm/s，注射压力为50 MPa，熔体温度为350℃，模具温度为120℃。

（4）爆炸成型阶段：启动引爆器14，点燃炸药12，爆炸能量15kJ，储药腔底座13、活动镶块11、定模腔17形成的腔体内瞬间产生的巨大压力使活动镶块11带动金属材料板18向前运动，挤压熔融聚酰胺6（PA6）向碳纤维预制体2流动，浸渍，同时由于活动镶块11和动模镶块3的结构，使金属材料板18和碳纤维预制体2折弯，形成波纹结构，实现碳纤维预制体2与金属材料板18粘接。

（5）保压阶段：位移传感器8检测到活动镶块11底部位置后，控制器启动的限位气缸10活塞伸出，锁死活动镶块11，进入保压阶段，型腔内部温度维持稳定在280℃，保压压力为20 MPa，保压时间为200 s。

（6）脱模阶段：保压结束后，模具进入冷却阶段，型腔内部温度冷却至100℃时，模具开模，取出金属-纤维混杂材料波纹结构件22，限位气缸10活塞后退，活动镶块11在弹簧16拉力下复位。

实施例3

材料选择

碳纤维预制体：T700碳纤维编织布

热塑性树脂基材料：聚醚醚酮（PEEK）

金属材料板：Ti-6A1-4V 钛合金板

工艺流程及参数

（1）金属材料板预处理：将Ti-6A1-4V 钛合金板裁剪成合适尺寸的金属材料板18（总长为500 mm，宽为300 mm），并对其表面进行阳极氧化处理，使金属材料板18表面形成粗糙结构。

（2）定位升温阶段：裁剪尺寸为600 mm×400 mm的T500碳纤维编织布，对齐铺层，铺层数目为6层，铺层厚度约为1.4 mm，将铺好的碳纤维预制体2放置在动模腔6侧面上，采用铜电极9将其两端夹持，为了增加导电性，碳纤维预制体2两端分别粘贴宽为25 mm的铜箔胶。同时将金属材料板18放置于定模腔17内。闭合开关5，碳纤维预制体2在开始通电升温，升温速率为300℃/min，温度升高至380℃。

（3）合模注塑阶段：模具进行合模，动模腔6和定模腔17压实碳纤维预制体2两端，锁模力5000N。碳纤维预制体2和金属材料18板之间形成3mm厚的预留浸渍间隙。注塑机开始注射熔融聚醚醚酮（PEEK），熔融聚醚醚酮（PEEK）通过流道21在浇口19处流出，填充整个浸渍间隙。注射速度为80 mm/s，注射压力为50 MPa，熔体温度为380℃，模具温度为180℃。

（4）爆炸成型阶段：启动引爆器14，点燃炸药12，爆炸能量20kJ，储药腔底座13、活动镶块11、定模腔17形成的腔体内瞬间产生的巨大压力使活动镶块11带动金属材料板18向前运动，挤压熔融聚醚醚酮（PEEK）向碳纤维预制体2流动，浸渍，同时由于活动镶块11和动模镶块3的结构，使金属材料板18和碳纤维预制体2折弯，形成波纹结构，实现碳纤维预制体2与金属材料板18粘接。

（5）保压阶段：位移传感器8检测到活动镶块11底部位置后，控制器启动的限位气缸10活塞伸出，锁死活动镶块11，进入保压阶段，型腔内部温度维持稳定在380℃，保压压力为30 MPa，保压时间为300s。

（6）脱模阶段：保压结束后，模具进入冷却阶段，型腔内部温度冷却至120℃时，模具开模，取出金属-纤维混杂材料波纹结构件22，限位气缸10活塞后退，活动镶块11在弹簧16拉力下复位。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims

1.一种金属-纤维混杂材料波纹结构件的快速成型装置，其特征在于，包括加热部分、注塑模具部分、爆炸冲压部分和限位保压部分；

所述注塑模具部分包括动模板、动模镶块、动模腔、定模腔、活动镶块和定模板，用于提供熔融聚合物，所述熔融聚合物通过流道和浇口注入碳纤维预制体和金属材料板的间隙；所述动模腔的两端设置有固定支架和铜电极；所述铜电极用于固定和使得碳纤维预制体与电源相连；所述金属材料板设置在定模腔内；所述活动镶块底部设置弹簧，以实现活动镶块复位；所述活动镶块和动模镶块内侧呈现波纹形状；

所述限位保压部分包括位移传感器和限位气缸，用于维持碳纤维预制体浸渍过程中的压力；所述活动镶块通过限位气缸限位进行保压，以实现金属材料板的塑性变形和碳纤维预制体的浸渍；

一种金属-纤维混杂材料波纹结构件的快速成型方法采用所述成型装置实现，所述成型方法包括如下步骤：

启动引爆器，经过爆炸产生的压力使所述金属材料板发生塑性变形，形成波纹结构，同时推动间隙处的熔融聚合物浸渍碳纤维预制体；

2.一种金属-纤维混杂材料波纹结构件的快速成型方法，通过权利要求1所述的装置实现，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

3.根据权利要求2所述的金属-纤维混杂材料波纹结构件的快速成型方法，其特征在于，所述铜电极可在固定支架上滑动。

4.根据权利要求2所述的金属-纤维混杂材料波纹结构件的快速成型方法，其特征在于，将所述碳纤维预制体升温至200~400℃，升温速率为80~350℃/min。

5.根据权利要求2所述的金属-纤维混杂材料波纹结构件的快速成型方法，其特征在于，所述熔融聚合物的温度为200~400℃。

6.根据权利要求2所述的金属-纤维混杂材料波纹结构件的快速成型方法，其特征在于，所述浸渍间隙为2~4mm；所述注射速度30~90mm/s，注射压力为30~150MPa。

7.根据权利要求2所述的金属-纤维混杂材料波纹结构件的快速成型方法，其特征在于，所述爆炸能量为10~50kJ，爆炸速度1200~1800m/s。

8.根据权利要求2所述的金属-纤维混杂材料波纹结构件的快速成型方法，其特征在于，所述保压压力为10~80MPa，保压时间为100~300s。

9.根据权利要求2~8任一项所述的金属-纤维混杂材料波纹结构件的快速成型方法，其特征在于，所述熔融聚合物为热塑性树脂；所述热塑性树脂为PP、PA6、PA66、PEEK中的任一种。

10.根据权利要求2~8任一项所述的金属-纤维混杂材料波纹结构件的快速成型方法，其特征在于，所述碳纤维预制体为碳纤维编织布。