CN116442560A - 一种连续纤维热塑性复合材料板材成型模具及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种连续纤维热塑性复合材料板材成型模具及方法，涉及复合材料成型技术领域，所述成型模具包括：下底板；下凸台，设置于所述下底板上，所述下凸台两侧均为下陷区；上盖板，盖设于所述下底板的开口处；上凸台，设置于所述上盖板上，当安装时，所述盖板与所述下底板形成限位容纳腔。本发明通过上盖板和下底板的匹配，可以使得板材在成型过程中更加稳定，板材的形位尺寸及轮廓精度得到保证，从而提高成型精度，通过设置的容纳腔及工艺铺层设计方法，可以使得纤维在成型过程中更加整齐排列，避免纤维扭曲，从而避免内部疏松、分层等问题，提高制品内部质量。
Description
技术领域
本发明涉及复合材料成型技术领域，特别是指一种连续纤维热塑性复合材料板材成型模具及方法。
背景技术
随着现代科技的快速发展，对材料性能提出了更严苛的要求，传统的单一材料难以满足科学技术发展的需要，材料的复合化、功能化、生态化成为未来材料发展的必然，而连续纤维增强热塑性复合材料因其可循环使用，具有高比强度和比刚度，良好的耐腐蚀性、耐冲击性、耐热性以及制备成本低等特性。
而现有的用于制备连续纤维增强热塑性复合材料制件的设备，其成型后的板材尺寸精度较差，同时成型后的产品还容易造成纤维易扭曲，内部质量差，内部易疏松分层等质量问题。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种连续纤维热塑性复合材料板材成型模具及方法，通过上盖板和下底板的匹配，可以使得板材在成型过程中更加稳定，板材的形位尺寸及轮廓精度得到保证，从而提高成型精度，通过设置的容纳腔及工艺铺层设计方法，可以使得纤维在成型过程中更加整齐排列，避免纤维扭曲，从而避免内部疏松、分层等问题，提高制品内部质量。
为解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：
第一方面，一种连续纤维热塑性复合材料板材成型模具，包括：
下底板；
下凸台，设置于所述下底板上，所述下凸台两侧均为下陷区；
上盖板，盖设于所述下底板的开口处；
上凸台，设置于所述上盖板上，当安装时，所述上盖板与所述下底板形成限位容纳腔。
进一步的，所述下底板上设置有限位槽；
所述限位槽上设置有侧挡条，所述侧挡条通过连接件与所述下底板连接。
进一步的，所述上盖板、下底板和侧挡条上均设置有限位孔；所述连接件包括：
定位销，穿设所述上盖板、下底板和侧挡条上的限位孔。
进一步的，所述连接件包括：
设置于所述下底板和侧挡条上的螺纹孔；
用于与螺纹孔螺纹连接的螺栓。
进一步的，所述上盖板上设置有直角撬口。
进一步的，所述下底板上设置有吊环。
第二方面，一种连续纤维热塑性复合材料板材成型方法，所述方法包括以下步骤：
在成型模具的下底板上的容纳腔中铺放预浸料，所述预浸料为树脂基体在预设条件下浸渍连续纤维制成的树脂基体与增强体的组合物；
在铺放预浸料的下底板的短边和长边各放置一弹性体；
将成型模具的上盖板与所述下底板合模；
将合模后的成型模具置于热压机平台进行加热，并进行成型模具温度监测；
将成型模具温度达到一预设温度范围内，待预浸料固化成型，得到纤维热塑性复合材料板材；
将成型后的纤维热塑性复合材料板材进行脱模。
进一步的，在成型模具的下底板上的容纳腔中铺放预浸料，包括：
在用于安装侧挡条的下底板两侧的下陷区上各铺放预浸料，其中，铺层顺序为：分别铺放下底板上的两个凹陷区，再铺放整个容纳腔，再由宽至窄铺放对应上盖板上的两个凹陷区。
进一步的，将成型后的纤维热塑性复合材料板材进行脱模，包括：
于模具表面外接热电偶，并对固化过程中热板及模具温度参数每间隔0.5h进行记录，当温度升至325℃至335℃时加压至43吨，卸压排气3次后保压和保温25min至35min，当温度≤90℃后卸压、停机，并出压机；
拆除上盖板及侧挡条，将产品从下底板上脱模。
进一步的，所述弹性体宽度为5mm，厚度≤板材厚度。
本发明的上述方案至少包括以下有益效果：
本发明的上述方案，通过下凸台和上凸台的匹配，可以使得板材在成型过程中更加稳定，板材的形位尺寸及轮廓精度得到保证，从而提高成型精度，通过设置的容纳腔及工艺铺层设计方法，可以使得纤维在成型过程中更加整齐排列，避免纤维扭曲，从而避免内部疏松、分层等问题，提高制品内部质量。
附图说明
图1是本发明的实施例提供的连续纤维热塑性复合材料板材成型模具立体图。
图2是本发明的实施例提供的连续纤维热塑性复合材料板材成型模具拆去上盖板后示意图。
图3是本发明的实施例提供的连续纤维热塑性复合材料板材成型模具拆去上盖板和侧挡条后示意图。
图4是本发明的实施例提供的连续纤维热塑性复合材料板材成型模具的上盖板结构示意图。
附图标记说明：
1.下底板；11.限位槽；2.侧挡条；3.螺栓；4.定位销；5.上盖板；51.上凸台；6.下凸台；7.限位孔；8.螺纹孔。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。
如图1至图4所示，本发明的实施例提出一种连续纤维热塑性复合材料板材成型模具，包括：
下底板1；
下凸台6，设置于所述下底板1上，所述下凸台6两侧均为下陷区；
上盖板5，盖设于所述下底板1的开口处；
上凸台51，设置于所述上盖板5上，当安装时，所述上盖板5与所述下底板1形成限位容纳腔。
在本发明实施例中，所述下底板1是成型模具整体的支撑平面，用于承载其他零部件，以便进行制品的成型。所述下凸台6是位于下底板1上的一个结构，两侧均为下陷区，该结构可以满足复合材料板材变厚度的成型性，保证制品尺寸和形状的准确性，从而提高成型精度。所述容纳腔设置于下底板1上方的一个开放式结构，用于容纳并固定热塑性复合材料板材。其内部结构应采用符合材料物理特性的设计，可以通过不同的结构形式控制材料的流动及压力变化，保证制品内部质量。所述上盖板5用于覆盖下底板1开口处的结构，在制品成型过程中与下底板1一起固定纤维复合材料板材，所述上凸台51为设置于上盖板5上的一个凸出结构，当安装时，上盖板5与下底板1共同作用形成限位型腔，可保证板材的形位尺寸成型精度。因此，本发明的各个部件紧密配合，协同工作，能够提高热塑性复合材料板材的成型质量和制品的内部质量。同时，这种制备模具结构合理，易于制造和操作，生产的产品质量稳定，并且制备成本低。
如图1至图4所示，所述下底板1上设置有限位槽11；
所述限位槽11上设置有侧挡条2，所述侧挡条2通过连接件与所述下底板1连接；所述上盖板5、下底板1和侧挡条2上均设置有限位孔7；所述连接件包括：定位销4，穿设所述上盖板5、下底板1和侧挡条2上的限位孔7；设置于所述下底板1和侧挡条2上的螺纹孔8；用于与螺纹孔8螺纹连接的螺栓3。
在本发明实施例中，所述限位槽11为在下底板1上加工出的一定长度和宽度的槽状区域，用于固定侧挡条2，确保侧挡条2位置不发生移动；所述侧挡条2设置于限位槽11内，用于防止产品在成型过程中因受到压力而移动，从而保证制品的尺寸精度；所述连接件用于将侧挡条2和下底板1紧密连接的装置，能够增加模具的结构稳定性；通过在所述上盖板5、下底板1和侧挡条2上均设置限位孔7，可以增加模具的固定点数，维护模件的稳定性；当所述上盖板5关闭时，所述定位销4插入相应的限位孔7，以固定上盖板5和下底板1，同时通过定位销4的位置来控制板材的成型位置。所述螺栓3与螺纹孔8螺纹连接，用于将模具各个部分连接在一起，形成一个固定的整体，从而保证模具的使用稳定性。因此，本发明的制备模具采用多种组合方式，通过多个连接件来固定和加固各个部分，使整个模具成为一个高度紧密的整体结构，可以有效地保证制品的成型精度和内部质量。
如图1至图4所示，所述上盖板5上设置有直角撬口，所述下底板1上设置有吊环。
在本发明实施例中，所述直角撬口是平直边缘的开口，在本发明中用于方便用户拆卸和移动模具，同时也可以在成型过程中方便工人观察加工情况，并在需要时更换材料和清理。所述吊环是用于吊挂或固定物体的金属环形结构。在本发明中，吊环可以方便使用者使用吊具来悬挂和移动整个模具，从而方便快捷地完成制造多个制品的任务，提高生产效率。因此，通过上盖板上的直角撬口和下底板上的吊环都是为了方便操作和移动整个模具，以达到有效提高生产效率和使用方便性的目的。
一种连续纤维热塑性复合材料板材成型方法，所述方法包括以下步骤：
步骤11，在成型模具的下底板1上的容纳腔中铺放预浸料，所述预浸料为树脂基体在预设条件下浸渍连续纤维制成的树脂基体与增强体的组合物；
步骤12，在铺放预浸料的下底板1的短边和长边各放置一弹性体；
步骤13，将成型模具的上盖板5与所述下底板1合模；
步骤14，将合模后的成型模具置于热压机平台进行加热，并进行成型模具温度监测；
步骤15，将成型模具温度达到一预设温度范围内，待预浸料固化成型，得到纤维热塑性复合材料板材；
步骤16，将成型后的纤维热塑性复合材料板材进行脱模。
在本发明实施例中，在步骤11中，用树脂基体浸渍连续纤维制成预浸料，并将其铺满下底板的容纳腔，预浸料中含有一定比例的树脂，其能够有效地增加纤维的黏着力和密度，使得后续加工过程中的纤维排列更加紧密。在步骤12中，在铺满预浸料的下底板上放置宽度为5mm、厚度不大于板材厚度的弹性体，这种弹性体能够在固化成型过程中充当柔性模具，缓冲降温过程中因容纳腔体积减小对板材产生的挤压，避免对板材内部质量产生损伤。在步骤13中，将上盖板与下底板合模，并使用螺栓来固定模具，防止运输至加热平台过程中因颠簸、晃动等外力因素对料片位置产生影响，以便进行有效的成型操作。在步骤14中，通过监测模具温度，可以调整加热和加压过程中的参数，使得整个成型过程更加精准和有效。在步骤15中，对模内的预浸料进行固化成型，这个过程主要包括控制成型温度、时间和压力等参数，确保复合材料结构紧密、无气泡、无缺陷，并且符合设计要求和产品质量标准。在步骤16中，卸除压力并将温度降至90℃以下，然后进行卸压和停机，可以避免因过早卸载而导致因内部应力产生变形，同时还能够保证操作过程的安全性和效率性。
在本发明一优选的实施例中，上述步骤11，可以包括：
在用于安装侧挡条的下底板容纳腔中铺放预浸料（定义容纳腔的长度方向为90°方向，宽度方向为0°方向），其中，铺层顺序为：
先铺放下底板上的两个凹陷区（各铺放13层），再铺放整个容纳腔（共12层），再由宽至窄铺放对应上盖板上的两个凹陷区（各铺放13层）。
在本发明一优选的实施例中，上述步骤16，可以包括：
步骤161，于模具表面外接热电偶，并对固化过程中热板及模具温度参数每间隔0.5h进行记录，当温度升至325℃至335℃时加压至43吨，卸压排气3次后保压和保温25min至35min，当温度≤90℃后卸压、停机，并出压机；
步骤162，拆除上盖板6及侧挡条2，将产品从下底板1上脱模。
在本发明实施例中，在步骤161中，将热电偶连接到模具表面，用于测量模具的温度，监测固化过程中热板和模具的温度，并记录温度数据。这些数据是确定加热和加压参数优化的基础，当模具温度达到325℃至335℃时，施加43吨的压力，进一步压实预浸料中的纤维并使其与树脂更加牢固结合，卸压排气3次以确保复合材料中不存在空气泡，空气泡会降低复合材料的结构性能和质量，在保持恒定温度下保压和保温25min至35min，以确保树脂能够充分流动、融合，当温度降至90℃以下时，卸压并出压机，这个步骤是为了避免过早卸除压力带来的内部应力，并确保复合材料的安全性和质量。在步骤162中，拆卸上盖板和侧挡条，以便将制成的复合材料板材从下底板上取下，将复合材料板材从下底板上脱模，在这个优选实施例中，通过使用热电偶监测温度、记录数据，以及对加压时间和温度进行精确控制，可以有效地提高复合材料的质量和性能。
需要说明的是，当在进行温度控制的过程中，所述热电偶与控制模块电连接，通过控制模块调控从而实现对加压时间和温度进行精确控制，其中，具体包括以下步骤：
步骤1611，建立加热过程的预测模型，包括预浸料的物理参数、控制参数和输出参数等，根据不同的加热过程需求，确定需要建立的预测模型的输入项、控制项和输出项，获取预浸料相应的物理参数，确定模型的结构和参数。
步骤1612，利用建立的预测模型进行温度预测，并结合当前的温度和加热过程的历史数据，预测未来一段时间内的温度变化趋势，当预测时，具体包括：设置目标温度、比例系数、积分时间和微分时间；读取当前温度和加热过程中的历史数据，计算温度误差，温度误差为目标温度与当前温度之间的差异，可以使用传感器等设备对温度进行实时监测；根据温度误差计算比例项、积分项和微分项，具体地，比例项反映了当前误差对输出的直接影响，积分项表示历史误差的累积影响，而微分项则反映了误差变化速率对输出的影响；因此，如果输出为正值，则需要增加加热功率或者加长加热时间；反之则需要减少功率或者缩短加热时间，以确保控制模块的响应速度和稳定性；根据物理参数、比例项、积分项和微分项，预测未来一段时间内温度的变化趋势；不断重复上述步骤，直到加热过程结束或者温度误差降至可以接受的水平，其中，目标温度、比例系数、积分时间和微分时间需要根据实际情况不断调整，以确保控制模块的稳定性和精度。
在本发明另一实施例中，为实现对温度的预警，可以在所述控制模块中设置有预警模块，其中，当在固化过程中时，具体包括：
设定模具工作温度为325℃~335℃，且设定预警温度上限为335℃，下限为325℃；利用热电偶对模具温度进行实时监测，并将监测结果输入到预警模块中进行处理；预警模块通过比较当前温度值与预设的上限、下限，判断当前温度是否需要触发预警，当检测到温度已经超过预警温度上限，触发预警信号，一旦接收到预警信号，操作人员应及时响应，确认温度是否超出正常范围，并采取相应措施进行调整，例如，操作人员可以暂停模具，并检查模具的散热装置，确保其正常运行，以降低模具温度。通过以上步骤，预警模块可以对加热过程中的温度变化进行实时监测和预警，提高了控制模块的安全性和稳定性。
需要说明的是，所述预警模块在对监测结果进行处理时，为了提高温度监测的准确性和及时性，具体包括以下步骤：
获取模具的第一个温度监测数据点，并将第一个温度监测数据点作为初始平滑值：S 0 =Y 1 ，其中，S 0 为初始平滑值，Y 1 为第一个数据点；
从第二个数据点开始，按照一定的平滑因子计算当前的平滑值，其计算公式为：S t =α×Y t +(1-α)×S t－1 ，其中，S t 为当前平滑值，Y t 为当前数据点，α为平滑因子，S t－1 为上一个平滑值；
在得到平滑值之后，对所述平滑值进行校准，以提高温度测量的准确性，具体来说，就是根据标准温度源采集的数据对平滑值进行修正，修正公式为：
=St +C+D+E，其中，/>为修正后的平滑值，C为常数偏差值，代表传感器本身的测量误差；D为动态偏差值，代表温度监测系统与外界环境的交互效应；E为误差估计值，代表对修正值和实际值之间的偏差进行估计和校正的影响因素；
根据修正后的平滑值，更新平滑值，即不断将每个数据点的平滑值计算、校准和更新，以适应温度变化的实时监测需求，其中，更新的计算公式为：
=α×Yt＋1 +(1-α)×/>，其中，St＋1为下一个平滑值，Yt＋1为下一个数据点；
不断将每个数据点的平滑值计算、校准和更新，直到处理完所有数据点；在校准后的平滑值与预设阈值相差超过一定范围时，及时发出报警，以保证温度监测系统的安全性，提高报警的准确度和及时性；控制模块将测量数据实时存储，并进行分析、处理和展示，以便用户及时了解温度变化趋势和异常情况，并进行针对性的控制和调整，同时，本发明还可以对历史数据进行分析，以提高控制模块的性能和效率。
需要说明的是，本发明实施例对历史数据进行分析，其具体包括：对历史数据进行预处理，以得到预处理数据；将预处理数据进行离散傅里叶变换，得到复数形式的频谱系数；计算频谱系数的模值，得到幅度谱；计算频谱系数的相位角，得到相位谱；对幅度谱进行平滑处理，消除噪声引起的局部波动，寻找幅度谱中的局部最大值点，作为候选峰值，对候选峰值进行筛选，设定阈值或者比例，只保留幅度较大的峰值，得到主要峰值；根据主要峰值所对应的频率，计算数据的周期；周期=采样间隔×数据长度/峰值频率；根据主要峰值的高度，计算数据的振幅，振幅=幅度谱值/数据长度，对多个主要峰值进行排序，根据振幅大小和周期长度等特征参数，判断各个周期性成分的重要性和影响程度。通过预处理、离散傅里叶变换、计算幅度谱和相位谱等操作，能够得到历史数据中的周期性成分，并通过筛选和排序等方式找出重要的成分，从而可以更好地了解历史数据的特征和趋势。
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，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种连续纤维热塑性复合材料板材成型模具，其特征在于，包括：
下底板（1）；
下凸台（6），设置于所述下底板（1）上，所述下凸台（6）两侧均为下陷区；
上盖板（5），盖设于所述下底板（1）的开口处；
上凸台（51），设置于所述上盖板（5）上，当安装时，所述上盖板（5）与所述下底板（1）形成限位容纳腔。
2.根据权利要求1所述的连续纤维热塑性复合材料板材成型模具，其特征在于，所述下底板（1）上设置有限位槽（11）；
所述限位槽（11）上设置有侧挡条（2），所述侧挡条（2）通过连接件与所述下底板（1）连接。
3.根据权利要求2所述的连续纤维热塑性复合材料板材成型模具，其特征在于，所述上盖板（5）、下底板（1）和侧挡条（2）上均设置有限位孔（7）；所述连接件包括：
定位销（4），穿设所述上盖板（5）、下底板（1）和侧挡条（2）上的限位孔（7）。
4.根据权利要求3所述的连续纤维热塑性复合材料板材成型模具，其特征在于，所述连接件包括：
设置于所述下底板（1）和侧挡条（2）上的螺纹孔（8）；
用于与螺纹孔（8）螺纹连接的螺栓（3）。
5.根据权利要求4所述的连续纤维热塑性复合材料板材成型模具，其特征在于，所述上盖板（5）上设置有直角撬口。
6.根据权利要求5所述的连续纤维热塑性复合材料板材成型模具，其特征在于，所述下底板（1）上设置有吊环。
7.一种连续纤维热塑性复合材料板材成型方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
在成型模具的下底板（1）上的容纳腔中铺放预浸料，所述预浸料为树脂基体在预设条件下浸渍连续纤维制成的树脂基体与增强体的组合物；
在铺放预浸料的下底板（1）的短边和长边各放置一弹性体；
将成型模具的上盖板（5）与所述下底板（1）合模；
将合模后的成型模具置于热压机平台进行加热，并进行成型模具温度监测；
将成型模具温度达到一预设温度范围内，待预浸料固化成型，得到纤维热塑性复合材料板材；
将成型后的纤维热塑性复合材料板材进行脱模。
8.根据权利要求7所述的连续纤维热塑性复合材料板材成型方法，其特征在于，在成型模具的下底板（1）上的容纳腔中铺放预浸料，包括：
在用于安装侧挡条的下底板两侧的下陷区上各铺放预浸料，其中，铺层顺序为：分别铺放下底板上的两个凹陷区，再铺放整个容纳腔，再由宽至窄铺放对应上盖板上的两个凹陷区。
9.根据权利要求8所述的连续纤维热塑性复合材料板材成型方法，其特征在于，将成型后的纤维热塑性复合材料板材进行脱模，包括：
于模具表面外接热电偶，并对固化过程中热板及模具温度参数每间隔0.5h进行记录，当温度升至325℃至335℃时加压至43吨，卸压排气3次后保压和保温25min至35min，当温度≤90℃后卸压、停机，并出压机；
拆除上盖板（6）及侧挡条（2），将产品从下底板（1）上脱模。
10.根据权利要求9所述的连续纤维热塑性复合材料板材成型方法，其特征在于，所述弹性体宽度为5mm，厚度≤板材厚度。
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