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        復合材料快速成型技術概述

        2023-11-14 123


        目前,復合材料結構制造工藝較多,可以適用不同結構的生產制造,但考慮到航空領域尤其是民用飛機的工業化生產效率及生產成本,改進固化工藝以減少時間、降低成本迫在眉睫??焖俪尚图夹g(Rapid Prototyping)是一種基于離散、堆積成型原理的新型制造方法,是一種低成本快速成型技術,常見的有模壓快速成型技術、液體成型技術、熱塑性復合材料成型技術等。


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        1.模壓快速成型技術
        模壓快速成型技術是將預先鋪貼好的預浸料毛坯放置在模壓模具中,合模之后通過升溫加壓使得毛坯密實固化的工藝方法,模壓成型速率快、制品尺寸準確、成型質量穩定均一,結合自動化技術,可實現碳纖維復合材料結構件在民用航空領域的批量化、自動化、低成本制造。
        模壓成型步驟:
        ①獲得一個高強度金屬模具,該模具與生產所需零件的尺寸完全匹配,然后將模具安裝在壓力機中并加熱。
        ②將所需的復合材料預成型為模具的形狀。預成型是至關重要的一步,有助于提高成品零件的性能。
        ③將預成型的零件插入加熱的模具中。然后將模具在非常高的壓力下壓縮,通常范圍為800psi2000psi(取決于零件的厚度和所用材料的類型)。
        ④釋放壓力后,將零件從模具上卸下。然后將毛邊清除
        模壓成型的優點:
        出于多種原因,模壓成型是一種流行的技術。它之所以受歡迎,部分原因是它使用了先進的復合材料。與金屬零件相比,這些材料往往更堅固,更輕并且更耐腐蝕,從而產生出機械性能更好的物體。
        模壓成型的另一個優點是它能夠制造非常復雜的零件。盡管該技術不能完全達到塑料注射成型的生產速度,但與典型的層壓復合材料相比,它確實提供了更多的幾何形狀。與塑料注塑相比,它還允許更長的纖維,從而使材料更堅固。因此,模壓成型可以看作是塑料注射成型和層壓復合材料制造之間的中間地帶。
        1.1 SMC成型工藝
        SMC是板材成型復合材料的縮寫,即板材成型復合材料。主要原料由SMC特種紗線、不飽和樹脂、低收縮添加劑、填充劑及各種添加劑組成。20世紀60年代初,它首次出現在歐洲。1965年前后,美國和日本相繼開發了這項技術。上世紀80年代末,中國引進國外先進的SMC生產線和生產工藝。SMC具有優越的電氣性能、耐腐蝕、重量輕、工程設計簡單靈活等優點。其機械性能可與某些金屬材料相媲美,因此被廣泛應用于交通工具、建筑、電子電氣等行業。
        1.2 BMC成型工藝
        1961年,德國拜爾公司開發的不飽和樹脂片狀模塑料(Sheet Molding Compound,SMC)面市。20世紀60年代,團狀模塑料(Bulk Molding Compound,BMC)開始推廣,其在歐洲也被稱為DMCDough Molding Compound),其早期(20世紀50年代)是不增稠的;而按美國定義,BMC就是增稠的BMC。日本在接受歐洲技術后在BMC應用及發展上頗有成績,到20世紀80年代,技術已十分成熟。迄今BMC所用基體一直是不飽和聚酯樹脂。
        BMC屬于熱固性塑料,基于材料特性,注塑機的料筒溫度不能太高,便于材料流動即可。因此,在BMC的注塑成型過程中,控制料筒溫度十分重要,必須有一套控制系統來確保溫度的適宜性,以使加料段到噴嘴的溫度達到最佳狀態。
        1.3聚雙環戊二烯(PDCPD)模壓
        聚雙環戊二烯(PDCPD)模壓大部分是純基體而非增強塑料。1984年出現的PDCPD模壓工藝原理與聚氨酯(PU)模壓同屬反應注射成型一類,由美國、日本率先研發。
        日資古河公司(Zeon Corporation)旗下的Telene公司(在法國Bondues)在PDCPD的研發與商貿方面甚有所成。PDCPD成型(RIM)原理示意圖如下圖所示。
        RIM成型工藝本身比FRP噴射、RTMSMC等工藝更容易實現自動化,勞動力成本更低。PDCPD RIM采用的模具費用比SMC的低很多,例如肯沃斯W900L的引擎罩模具使用鎳殼和鑄造鋁芯,只有1.03比重的低密度樹脂,不僅減少了費用,也減輕了重量。

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        1.4纖維增強熱塑性復合材料直接在線成型(LFT-D
        1990年左右,LFTLong Fiber Reinforced Thermoplastics-Direct)在歐美引入市場。美國CPI公司是世界上第一家開發出直接在線復合長纖維增強熱塑性塑料模塑設備和相應技術(LFT-D,Direct In Line Compounding)的公司,其于1991年投入商業運營,是全球該領域的領導者。德國Diffenbarcher公司從1989年開始研究LFT-D技術,目前主要有LFT D、Tailored LFT(根據結構受力情況可實現局部增強)、advanced surface LFT-D(可視表面、表面質量高)技術。從生產線來看,Diffenbarcher的壓機水平甚高。德國Coperion公司D-LFT擠出系統在國際上處于領先地位。LFT-D模塑料制備流程如下圖所示。
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        1.5無模鑄型制造技術(PCM
        PCMPatternless Casting Manufacturing)是由清華大學激光快速成形中心開發研制。該將快速成形技術應用到傳統的樹脂砂鑄造工藝中來。首先從零件CAD模型得到鑄型CAD模型。由鑄型CAD模型的STL文件分層,得到截面輪廓信息,再以層面信息產生控制信息。造型時,第一個噴頭在每層鋪好的型砂上由計算機控制精確地噴射粘接劑,第二個噴頭再沿同樣的路徑噴射催化劑,兩者發生膠聯反應,一層層固化型砂而堆積成形。粘接劑和催化劑共同作用的地方型砂被固化在一起,其他地方型砂仍為顆粒態。固化完一層后再粘接下一層,所有的層粘接完之后就得到一個空間實體。原砂在粘接劑沒有噴射的地方仍是干砂,比較容易清除。清理出中間未固化的干砂就可以得到一個有一定壁厚的鑄型,在砂型的內表面涂敷或浸漬涂料之后就可用于澆注金屬。 
        PCM工藝通常的固化溫度點在170℃左右,PCM工藝實際采用的冷鋪冷脫,跟模壓成型還是有一定的區別的,冷鋪冷脫是在模具處于冷端的時候將預浸料按照產品結構要求逐步鋪層在模具上,再根據跟你鋪層結束之后將成型壓機合模,提供一定的壓力,這個時候利用模溫機對模具進行一個升溫,通常工藝是從常溫升溫到170℃,同時升溫速率需要按照3-5℃/min,這個可以根據不同產品進行調整,大多數都是這個塑料,等到模具溫度到達設定溫度的時候開始保溫保壓對產品進行高溫固化,固化完成之后同樣需要利用模溫機將模具的溫度降溫至常溫,同時升溫速率也按照3-5℃/min,然后再進行開模取件。
        2.液體成型技術
        液體成型技術(LCM)是指先將干纖維預制體鋪放于閉合模具型腔中,合模后將液體樹脂注射入模腔中,在壓力作用下樹脂流動并浸潤纖維的一系列復合材料成型技術,相比于熱壓罐成型工藝有很多優點,例如,適用于尺寸精度高、外形復雜的零件制造;制造成本低、操作簡單。
        特別是近些年發展起來的高壓RTM工藝,HP-RTMHigh Pressure Resin Transfer Molding),簡稱HP-RTM成型工藝。它是指利用高壓壓力將樹脂對沖混合并注入到預先鋪設有纖維增強材料和預置嵌件的真空密閉模具內,經樹脂流動充模、浸漬、固化和脫模,獲得復合材料制品的成型工藝。通過縮減注射時間,有望將航空結構件制造時間控制在幾十分鐘內,實現高纖維含量、高性能的零件制造。
        HP-RTM成型工藝是現在廣泛應用在多行業的復合材料成型工藝之一,它的優點在于可能實現相對于傳統RTM工藝的低成本、短周期、大批量、高質量生產(良好的制件表面),在汽車制造、造船、飛機制造、農業機械、鐵路運輸、風力發電、體育用品等多行業均有應用。
        3.熱塑性復合材料成型技術
        近年來,熱塑性復合材料已成為國內外復合材料制造領域的研究熱點,因其具有高抗沖擊性、高韌性、高損傷容限以及良好的耐熱性等優點。通過熱塑性復合材料焊接可以大幅降低飛機結構的鉚釘和螺栓連接數量,可大幅提高生產效率、降低生產成本。據飛機結構一級供應商Airframer Collins Aerospace報道,與金屬和熱固性復合材料組件相比,非熱壓罐成型的可焊接熱塑性結構有可能將制造周期縮短80%。
        采用最合適少量的材料,選用最經濟的工藝,將制品用在合適的部位,實現預定的設計目標,令產品達到理想的性能成本比,始終是復合材料從業者的努力方向。相信未來會發展出更多的成型工藝來滿足生產設計需求。


        參考文獻:

        [1]羅云烽,王高鵬,程文禮等.復合材料快速成型技術研究綜述[J].纖維復合材料,2023,40(02):96-102.

        [2]陳博.國內外復合材料工藝設備發展述評之六——模壓成型[J/OL].復合材料科學與工程:1-28[2023-11-10].https://doi.org/10.19936/j.cnki.2096-8000.20211128.032.


        此文由中國復合材料工業協會搜集整理編譯,文章不用于商業目的,僅供行業人士交流,引用請注明出處。


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