復合材料LCM整體成型工藝發(fā)展及應用

馬俊龍

摘 要：復合材料LCM工藝經(jīng)過長久的發(fā)展，已經(jīng)形成了RTM、RIM以及連續(xù)纖維增強熱塑料性預浸料真空袋壓縮成型等多種類型的工藝方法。各種的工藝方法由于特點的不同，需要發(fā)展的技術(shù)內(nèi)容各有不同，RTM工藝向著高速成型的方向發(fā)展，RIM向著更大、更為復雜的結(jié)構(gòu)部件整體成型發(fā)展，連續(xù)纖維增強熱塑性預浸料真空袋壓成型需要開發(fā)更多的品種借以拓展應用的領(lǐng)域。

關(guān)鍵詞：復合材料；LCM RTM RIM；連續(xù)纖維

引言

較高的和比剛度、較好的抗疲勞性能以及較強的可設計性是纖維增強復合材料的主要特點，其在很多領(lǐng)域得以廣泛應用，如風力發(fā)電、航空以及車輛制造等。因為纖維增強復合材料是一種有著極強的設計性的材料，再加上簡單的工藝，這就使得其比較容易進行一次性整體成型，這便可以使得結(jié)構(gòu)效率更高，這針對多數(shù)大型結(jié)構(gòu)部件制造來說，具有很好的工藝優(yōu)勢。

1 RTM、VARTM以及HP-RTM介紹

1.1 RTM工藝模具

RTM成型模具是工藝得以成功的關(guān)鍵，為了使得模具投資得以降低，在一些大型部件制造中，通常會在母模型里面翻制的方式來進行模具的制造。模具結(jié)構(gòu)主要部分有注射口、導向定位結(jié)構(gòu)、成型面以及排氣口等。在對早期模型加工時，是木制模型，這是通過手工技術(shù)以及木工機場來進行實現(xiàn)的。由于當前代木膠泥材料的生產(chǎn)，使得大型數(shù)控多軸成為進行模型加工的關(guān)鍵部分。

為了有效提升模具表面的耐久性，將電鑄鎳殼模具技術(shù)廣泛應用到RTM技術(shù)中去，電鑄工作主要是根據(jù)金屬電解沉積的原理來進行的，用其來保證復制母模型的精確性，這在應用電鍍中是比較特殊的。在制作電鑄鎳殼模具的過程中，首先需要加工一個精確的母模型，在其上進行導電材料的覆蓋，之后在鎳電鑄槽內(nèi)將其復制，而且要在模型表面將鎳合金材料進行沉淀，在其厚度到5mm之上時，便取出模型，并制造剛度結(jié)構(gòu)個增強層在其后面，最后進行脫模，就此電鑄模具便完成了。在生產(chǎn)汽車軟質(zhì)內(nèi)飾的時候，廣泛運用了電鑄鎳模具。在比較大的生產(chǎn)量里面，RTM可以提供上萬次的模具使用壽命。

1.2 模具操作機構(gòu)

在RTM里面，模具操作機構(gòu)是非常重要的，一般模具操作機構(gòu)的完成是由大臺面低壓液壓機或者是氣動壓機來進行，為使得纖維材料更容易在模具中鋪放，下模一般能夠在模具臺面移出。或者是選擇下模結(jié)構(gòu)形式（可以移動），在這其中，一個要用來鋪放纖維材料，另一個要合模成型，這樣便極大了減短了周期。一些產(chǎn)品制造較為復雜，這便會對活塊和抽芯結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響，其實現(xiàn)一般是將特殊的運動機構(gòu)安裝在模具中。但是這些機構(gòu)必須要有極強的密封性，進而使得樹脂在進行充模注射的時候，在運動機構(gòu)不會有樹脂的進入，這樣使得當其出現(xiàn)真空輔助的時候不會出現(xiàn)泄漏情況。

1.3 VARTM工藝

生產(chǎn)大型產(chǎn)品的過程中，沒有實現(xiàn)降低模型剛度，且造成流動充模和浸漬纖維質(zhì)量得以提高的目的，我們便引入了真空輔助模型。進行樹脂注射的時候，為使得模腔具有真空環(huán)境，需要使得充模阻力得以降低，此外，還利于產(chǎn)品內(nèi)部空氣殘留孔隙率的的有效降低。Light-RTM是在VARTM技術(shù)的基礎上的深入發(fā)展。其主要通過真空來使得加壓和閉合實現(xiàn)，利用薄復合材料結(jié)構(gòu)來進行軟質(zhì)模具的制造，當然也能夠通過一定厚度的硅膠材料來完成。

2 RIM工藝

RIM工藝是可以看做為VARTM工藝的進一步發(fā)展，在成型工藝中，下模主要使用金屬模具或玻璃鋼，上模主要是硅膠軟膜或尼龍。在進行增強型材料的鋪放時，會在其上面和下面來鋪設導流網(wǎng)，亦或是進行芯材時尚的開槽，這樣一來，便較容易形成樹脂快速充模流道，在將上模軟膜放置完畢之后，我們就把真空進行抽去，進而形成負壓，在壓力較低的時候，樹脂便能注入模腔。

2.1 流道與導流介質(zhì)的布置

為了能夠達到在反應活性期內(nèi)完成樹脂充模的目的，就要十分重視倒流介質(zhì)和流道，一些產(chǎn)品如風電葉片船體具有較大的面積，其成型面積一般多是很大的，這就要求一次性進行樹脂的導入，約1-2t，因此布置流道便非常重要。在進行流道的布置的時候，需要產(chǎn)品結(jié)構(gòu)為依據(jù)，來進行方法的選擇，比如說魚骨式布置方式多用在船體制造方面，并且參照一定的間距，將橫向流道在中間主流道給以分出，這就造成了樹脂有交匯在橫向流道中間出現(xiàn)。

在布置流道風電葉片的時候，我們一般選擇的方式便是將流道同軸喚醒，向流道結(jié)合的方法，對于環(huán)形流道，則要在較厚的葉根纖維增強層進行使用，當樹脂供給較為充分的時候，多個軸向流道是葉片葉身位置所使用的，其主要以樹脂流動前鋒的流動狀態(tài)為依據(jù)進行充模，將軸向流道一次打開，按其順序完成充模。

2.2 增強材料的鋪放

當前，制造大型產(chǎn)品主要使用的便是手工鋪放法，該種方式就極大的影響著陳品的可靠性以及穩(wěn)定性。增強材料的鋪放通過手工鋪放方式，這就讓纖維織物能夠?qū)⑺沙跔顟B(tài)進行保持，這樣會造成纖維間的波浪以及褶皺的出現(xiàn)。這樣對于布局可以較大的降低力學的特點，這便能夠整體上對長期疲勞性能進行降低。

在使用自動鋪放設備的時候，能夠?qū)w維鋪放進行有效解決，利用自動鋪放設備能夠在進行纖維織物鋪放的時候增加一些張力，就是可以很好的防止波浪與褶皺，同時還可以提高負荷材料結(jié)構(gòu)的力學性能。龍門是可以進行運動的，其在運動時沿模具方向進行，移動機構(gòu)安裝在龍門中，可以讓纖維紡織物移動，這便使得纖維織物在模具上的鋪放位置更加的精確，而且還能夠?qū)伔旁O備進行自動使用，進而使得鋪層人員數(shù)量得以較大限度的降低，使得鋪層時間減少。

2.3 RIM工藝的典型應用

在風電葉片以及游艇中RIM工藝有著非常廣泛的應用，此外，其能夠更廣泛的應用于復合材料車輛整體車身。在纖維織物以及輕質(zhì)芯材中，RIM工藝能夠完成混合鋪放，這樣便利于其進行一次灌注成型。

3 結(jié)束語

在多年的發(fā)展之后，復合材料LCM成型工藝類型已發(fā)展的極為豐富，其產(chǎn)品應用也更加廣泛。隨著科學以及技術(shù)的發(fā)展，RTM工藝的成型也更加高效和快速，快速流動充模技術(shù)、纖維自動鋪放技術(shù)以及更優(yōu)性能的結(jié)構(gòu)材料的應用，這是其在發(fā)展的主要方向所在。針對熱塑性預浸料真空袋壓成型這種技術(shù)來看，因為這種工藝和材料的環(huán)保性更高，在今后的發(fā)展中，該種工藝會得到更為廣泛的應用。

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