TW201836828A - 真空輔助樹脂轉注成型法及其裝置 - Google Patents

Abstract

本發明提出一種真空輔助樹脂轉注成型法，包括下列步驟：在一具幾何形狀的模具表面鋪設一纖維材料層疊結構；形成一導膠槽；將該纖維材料層疊結構以及該導膠槽密封成一密閉空間；對該密閉空間抽真空；利用真空壓力灌注樹脂進入該密閉空間，其中該樹脂在該導膠槽流通以及滲入該纖維材料層疊結構中；樹脂固化形成纖維樹脂複合材料。

Description

真空輔助樹脂轉注成型法及其裝置

本發明係關於真空輔助樹脂轉注成型法及真空輔助樹脂轉注裝置，尤其是關於具有提升樹脂流動速度的真空輔助樹脂轉注成型法及真空輔助樹脂轉注裝置。

纖維強化複合材料係常用於需要高強度及/或低重量之應用的高性能結構材料，如航太工業的飛機組件(例如，機尾、機翼、機身、螺旋槳)、艇的外殼、自行車框架及機械建築業等，纖維強化複合材料經常提供相較金屬為重量輕及/或強度高的優點。纖維強化複合材料包含基質材料(例如聚合物樹脂)以及纖維材料。纖維材料可強化基質材料，纖維材料負擔大部分的負荷支撐，纖維強化複合材料較單獨的纖維材料或基質材料具有較高的負荷支撐度。

纖維強化複合材料常用製造方法係由纖維製造的二或三維組態形狀之紡織半成品，再經由輸注或注射，同時施加真空而引入合適的基質材料，繼而將基質材料在高溫及高壓硬化成為纖維強化複合材料。已知的基質材料輸注或注射方法為所謂的液體模塑(LM)法，樹脂轉移模塑(RTM)、真空輔助樹脂轉移模塑(Vacuum Assistant Resin Transfer Molding，簡稱VARTM)、樹脂膜輸注(RFI)、液態樹脂輸注(LRI)、或樹脂輸注撓性工 具(RIFT)等。

其中纖維強化複合材料大多使用VARTM，上述紡織半成品可由一纖維材料、多層預浸漬纖維或預浸材組裝而成，紡織半成品為疊層結構，再合併基質材料，經受熱、真空及壓力以使疊層加固及成形成纖維強化複合材料。VARTM的原理，是在外加真空輔助條件下，液態、具有反應活性的低黏度樹脂在閉合模具裡流動並排除氣體，同時浸潤並浸漬乾態紡織半成品。在完成浸潤浸漬後，樹脂在模具內通過熱引發交鏈反應完成固化，得到成型的製品。整個過程可以分解成兩個平行的子過程，一為樹脂流動、浸潤、滲透、充模等物理過程；一為樹脂由低黏度液態樹脂轉變成固體材料的化學反應過程。

然而，習知VARTM需要準備各式的導膠佈、導膠管、注膠口和離型布等材料，不論是單次使用即丟棄耗材，或是可重覆使用的矽膠裝置，都需要花費材料的準備、裁剪、疊放和成化後耗材去除和廢棄物的處理工時，不僅增加製造的工時和成本，更難以提升製造效率，不符合經濟效益。

有鑑於上述問題，本發明提出一種真空輔助樹脂轉注成型法，包括下列步驟：在一具幾何形狀的模具表面鋪設一纖維材料層疊結構；形成一導膠槽；將該纖維材料層疊結構以及該導膠槽密封成一密閉空間；對該密閉空間抽真空；利用真空壓力灌注樹脂進入該密閉空間，其中該樹脂在該導膠槽流通以及滲入該纖維材料層疊結構中；樹脂固化形成纖維樹脂複合材料。

在本發明之一實施例中，上述樹脂在該導膠槽流通的速度大於該樹脂滲入該纖維材料層疊結構的速度。

在本發明之一實施例中，上述導膠槽形成在該纖維材料層疊結構的內部。

在本發明之一實施例中，上述導膠槽形成在該纖維材料層疊結構的表面。

在本發明之一實施例中，上述樹脂固化形成纖維樹脂複合材料後，將該導膠槽移除。

本發明提出一真空輔助樹脂轉注裝置，包括一氣密裝置，具有一真空抽氣口以及一樹脂灌注口；一具幾何形狀的模具；鋪設在該具幾何形狀的模具的一纖維材料層疊結構；一導膠槽，從該樹脂灌注口向該真空抽氣口延伸。

在本發明之一實施例中，上述導膠槽設置在該纖維材料層疊結構的內部。

在本發明之一實施例中，上述導膠槽設置在該纖維材料層疊結構的表面。

在本發明之一實施例中，上述導膠槽結構具有複數的流通道。

如在本發明之一實施例中，上述流通道的斷面形狀為ㄇ型。

在本發明之一實施例中，上述流通道為具有複數滲出孔的管狀結構。

在本發明之一實施例中，上述流通道等間距排列。

在本發明之一實施例中，上述真空輔助樹脂轉注裝置，其中該些流通道為不等間距排列，在該樹脂灌注口方向的該些流通道的間距小於在該真空抽氣口方向的該些流通道的間距。..

1‧‧‧真空輔助樹脂轉注裝置

11‧‧‧氣密裝置

12‧‧‧真空抽氣口

13‧‧‧樹脂灌注口

14‧‧‧具幾何形狀的模具

15‧‧‧纖維材料層疊結構

圖1所示為本發明一實施方式之真空輔助樹脂轉注裝置的示意圖；圖2所示為本發明圖1實施方式中之纖維材料層疊結構由上往下看的示意圖；圖3所示為本發明圖1實施方式中之纖維材料層疊結構在另一方向上的剖面示意圖；圖4所示為本發明另一實施方式中之導膠槽設置在纖維材料層疊結構表面的示意圖；圖5所示為本發明又一實施方式中之導膠槽的流通道為不同間距的示意圖；圖6所示為本發明圖5實施方式中之在另一方向上的剖面示意圖。

以下實施方式所揭露之方法及裝置為代表性應用。在以下詳細描述中，請參看各圖所示，儘管此等實施例經足夠詳細地描述以使得熟習此項技術者能夠實踐所描述之實施例，但應理解的，此等實例並非限制性的；可使用其他實施例，且可在不偏離所描述實施例的精神及範疇的情況下進行改變。

本發明真空輔助樹脂轉注成型法係提出使樹脂快速流動的方式，依結構件的外形、厚度和強度，設計模具的幾何形狀和纖維材料的層疊結構，再以真空馬達將纖維材料內的空氣抽走，利用大氣和真空的壓力差將樹脂注入，並滲入該纖維材料層疊結構中，並依樹脂的物化性及注膠時間設計導膠槽的斷面形狀、在纖維材料層疊結構的排放位置及結構，使用導膠槽結構減少樹脂流動的壓降和阻力，同時控制導膠槽的間距，縮短樹脂滲透虹吸的距離和權注的時間，再將樹脂固化形成纖維樹脂複合材料。

本發明真空輔助樹脂轉注成型法包括下列步驟：在一具幾何形狀的模具表面鋪設纖維材料層疊結構；形成一導膠槽結構；將該纖維材料層疊結構以及該導膠槽密封成一密閉空間；對該密閉空間抽真空；利用真空壓力灌注樹脂進入該密閉空間，其中該樹脂在該導膠槽流通以及滲入該纖維材料層疊結構中；樹脂固化形成纖維樹脂複合材料。樹脂在該導膠槽流通的速度大於該樹脂滲入該纖維材料層疊結構的速度，有效縮短樹脂虹吸的距離和灌注的時間以達到減少工時之效益。同時導膠槽結構具有強度補強效益，可以強化結構件的強度和剛性。

請參閱下圖1所示，為本實施方式的真空輔助樹脂轉注裝置1，包括氣密裝置11，所述氣密裝置11具有真空抽氣口12以及樹脂灌注口13；具幾何形狀的模具14；鋪設在具幾何形狀的模具14的表面上的纖維材料層疊結構15，氣密裝置11和具幾何形狀的模具14之間形成氣體密閉空間，纖維材料層疊結構15置於該密閉空間中，樹脂灌注口13可以流入樹脂到纖維材料層疊結構15。

依不同結構件需求，可以設計不同的具幾何形狀的模具14，在具幾何形狀的模具14上鋪設有纖維材料層疊結構15，所述之纖維材料層疊結構15由纖維材料積層而成。透過真空抽氣口12將纖維材料層疊結構15內的空氣抽走，利用大氣和真空的壓力差將樹脂從樹脂灌注口13注入，樹脂漬滲入纖維材料層疊結構15內，再將樹脂固化形成纖維樹脂複合材料。。

在本實施方式中，為了縮短樹脂虹吸的距離和灌注的時間，利用建構導膠槽16減少樹脂流動的壓降和阻力，達到樹脂快速流動，減少加工的時間，導膠槽16可依結構件的需求，從該樹脂灌注口13向該真空抽氣口12延伸。在本實施方式中，請參閱圖2所示，為本實施方式中，纖維材料層疊結構15由上往下看的示意圖，導膠槽16為具有複數個間隔排列的流通道。請再參閱圖3，圖3為圖1沿垂直圖面方向的另一剖面圖，導膠槽16設置在纖維材料層疊結構15內部，在纖維材料積層時，埋入導膠槽16的結構，導膠槽16結構的目的為創造樹脂的流通道，樹脂在流通道時，具有較少的壓降和阻力，樹脂在該導膠槽16流通的速度大於該樹脂滲入該纖維材料層疊結構15的速度。

不同的結構件可以依實際需求將導膠槽16設置在纖維材料層疊結構15的表面或是內部，導膠槽16的目的為快速佈膠，若是在實心構件可以利用導膠槽16設置在纖維材料層疊結構15的表面，脫模時可以除去導膠槽16。如圖4所示，為本發明另一實施方式中，導膠槽16設置在纖維材料層疊結構15的表面，在纖維材料積層後，設置導膠槽16的結構，導膠槽16結構的目的為創造樹脂的流通道，樹脂在流通道時，具有較少的壓降和阻力，樹脂在該導膠槽16流通的速度大於該樹脂滲入該纖維材料層疊結構 15的速度。導膠槽16設置在纖維材料層疊結構15的內部也可以達到強化結構件的強度的剛性的目的，若結構件有要加大強度的需求時，導膠槽16可以選用強度較纖維樹脂複合材料更大的材料當作導膠槽16，且同時具有和纖維材料層疊結構15具有良好的結合性，可以同時達到增加樹脂流速以及增強結構件的目的。

導膠槽16設置在纖維材料層疊結構15的內部，若結構件表面有平整性需求時，可以在導膠槽16的間距中，局部補貼纖維材料，使其厚度剛好填平凸出的部分，使其結構件表面平整。

本發明纖維材料具有如熟習此項技術者已知之普通含義且可包括一或多種適於強化複合物之纖維材料。纖維可採用顆粒、薄片、晶鬚、短纖維、連續纖維、單絲、纖維束、束、片、層及其組合之形式。連續纖維可進一步採用單向、二維或三維、非織造、織造、針織、縫合、捲繞及編織構造、以及捲毛玻璃氈、氈墊及短切氈結構之任一者。纖維材料可包含具有小於約1000條單絲、小於約3000條單絲、小於約6000條單絲、小於約12000條單絲、小於約24000條單絲、小於約48000條單絲、小於約56000條單絲及小於約125000條單絲之複數個織造纖維束。在其他實施例中，纖維束可藉由跨纖維束縫線、緯編插入針織縫線或少量樹脂(例如熱塑性樹脂)保持在適當定位。纖維之組合物可包括(但不限於)玻璃、碳、芳族聚醯胺、石英、聚乙烯、聚酯、聚-對-伸苯基-苯并雙噁唑(PBO)、硼、聚醯胺、及石墨、碳化矽、氮化矽及其組合。

本發明所術樹脂具有如熟習此項技術者已知之其普通含義且可包括包含熱固性及/或熱塑性材料在內之一或多種化合物。實例可包括 (但不限於)環氧樹脂、環氧固化劑、酚醛類、酚類、氰酸酯類、聚醯亞胺類(例如，醯亞胺、聚醯亞胺、雙馬來醯亞胺(BMI)、聚醚醯亞胺)、聚酯類、苯并噁嗪類、聚苯并噁嗪類、聚苯并噁酮類、聚苯并咪唑類、聚苯并噻唑類、醯胺類、聚醯胺類、酯類、聚酯類、聚醯胺醯亞胺類、聚碸類、聚醚碸類、聚碳酸酯類、聚對苯二甲酸乙二酯類、及聚醚酮類(例如，聚醚酮(PEK)、聚醚醚酮(PEEK)、聚醚酮酮(PEKK)及諸如此類)及其組合。

某些該等樹脂(例如，聚醯胺及聚醯亞胺樹脂)之加工可藉由使用反應性或非反應性封端劑得以改良。封端劑之實例可包括(但不限於)納迪克(nadic)及經取代納迪克化合物(例如納迪克醯亞胺及烯丙基納迪克醯亞胺)、乙炔基化合物及經取代乙炔基化合物(例如，苯基乙炔基及鄰苯二甲酸苯基乙炔基化合物)及烯烴化合物。

如圖5所示，在本發明另一實施方式中，導膠槽16的排佈方式可以從樹脂灌注口13向該真空抽氣口12放射的延伸，也就是說，導膠槽16具有複數個流通道，該等流通道不呈等間距分布。可參閱圖6所示，為纖維材料層疊結構15在另一個方向上的剖面圖，流通道並不具有相同的間距。可以理解的，在不同的實施方式中，樹脂灌注口13向該真空抽氣口12可以是收斂的延伸，接近樹脂灌注口13的流通道其間距大於該真空抽氣口12流通道的間距。上述導膠槽16的排佈方式不以此為限，只要能達到樹脂在該導膠槽16流通的速度大於該樹脂滲入該纖維材料層疊結構15的速度，達到縮短樹脂虹吸的距離和灌注的時間，減少樹脂流動的壓降和阻力，達到樹脂快速流動，進而減少加工的時間都為本發明所述導膠槽16的排佈方式所欲保護的範圍。

Claims (13)

1. 一種真空輔助樹脂轉注成型法，包括下列步驟：在一具幾何形狀的模具表面鋪設一纖維材料層疊結構；形成一導膠槽結構；將該纖維材料層疊結構以及該導膠槽密封成一密閉空間；對該密閉空間抽真空；利用真空壓力灌注樹脂進入該密閉空間，其中該樹脂在該導膠槽流通以及滲入該纖維材料層疊結構中；該樹脂固化形成纖維樹脂複合材料。
2. 如申請專利範圍第1項所述之真空輔助樹脂轉注成型法，該樹脂在該導膠槽流通的速度大於該樹脂滲入該纖維材料層疊結構的速度。
3. 如申請專利範圍第1項所述之真空輔助樹脂轉注成型法，其中該導膠槽形成在該纖維材料層疊結構的內部。
4. 如申請專利範圍第1項所述之真空輔助樹脂轉注成型法，其中該導膠槽形成在該纖維材料層疊結構的表面。
5. 如申請專利範圍第5項所述之真空輔助樹脂轉注成型法，該樹脂固化形成纖維樹脂複合材料後，將該導膠槽移除。
6. 一種使用如申請專利範圍第1項所述之真空輔助樹脂轉注成型法之真空輔助樹脂轉注裝置，包括一氣密裝置，具有一真空抽氣口以及一樹脂灌注口；一具幾何形狀的模具；鋪設在該具幾何形狀的模具的一纖維材料層疊結構；一導膠槽，從該樹脂灌注口向該真空抽氣口延伸。
7. 如申請專利範圍第6項所述之真空輔助樹脂轉注裝置，其中該導膠槽設置在該纖維材料層疊結構的內部。
8. 如申請專利範圍第6項所述之真空輔助樹脂轉注裝置，其中該導膠槽設置在該纖維材料層疊結構的表面。
9. 如申請專利範圍第7項或第8項所述之真空輔助樹脂轉注裝置，其中該導膠槽結構具有複數的流通道。
10. 如申請專利範圍第9項所述之真空輔助樹脂轉注裝置，其中該些流通道的斷面形狀為ㄇ型。
11. 如申請專利範圍第9項所述之真空輔助樹脂轉注裝置，其中該些流通道為具有複數滲出孔的管狀結構。
12. 如申請專利範圍第9項所述之真空輔助樹脂轉注裝置，其中該些流通道等間距排列。
13. 如申請專利範圍第9項所述之真空輔助樹脂轉注裝置，其中該些流通道為不等間距排列，在該樹脂灌注口方向的該些流通道的間距小於在該真空抽氣口方向的該些流通道的間距。..