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樹脂導流成型工藝介紹和對材料的要求

放大字體  縮小字體 發布日期:2014-01-14  來源:贏創德固賽(中國)投資有限公司  作者:胡培  瀏覽次數:1443
核心提示:文章在提出新的復合材料工藝分類的基礎上,介紹了樹脂導流工藝,以及實現樹脂導流工藝對材料的要求。復合材料是基于結構設計和工藝設計基礎上的材料,結構設計和工藝設計也在材料上顯示出來。文章的最后探討了如何選用合適的材料,結合鋪層設計的基礎上,如何實現樹脂導流的工藝過程。


樹脂導流工藝概論
    關于復合材料工藝,可以按照壓力施加的方式、溫度施加的方式以及樹脂介入的方式,進行分類。小類的區分,可以結合模具的種類,例如單面模具,雙面模具,制造回轉體在芯?;A上采用的纏繞工藝或者船舶制造過程中采用的一次性板條法。目前復合材料領域常用的加壓方式主要有:熱壓罐加壓、真空加壓、壓機模壓等。加溫的方式有:烘箱加熱(空氣對流加熱)、熱傳導加熱(也就是模具加熱)以及紅外加熱等。樹脂介入的方式可以采用膠膜,液體樹脂手糊,液體樹脂導入,做成纖維和增強織物編織或者預浸等。

在不同的加熱、加壓和樹脂介入的途徑可以相互組合,形成一個復合材料的制造工藝。例如預浸料熱壓罐工藝,加壓方式上,結合了主動加壓和真空加壓兩種加壓方式,采用烘箱加熱,采用預浸介入樹脂方式。模壓RFI工藝采用壓機加壓,樹脂膜介入樹脂,模具熱傳導加熱。

對于某一種工藝,也可以采用多種加熱、加壓或者樹脂介入途徑。例如,NLR在飛機復合材料口蓋的研究中,采用了預浸料介入和樹脂液體導流RTM工藝相結合,模具加熱,模具加壓的方式。

真空導流(亦稱為VARTM,SCRIMP,VIP或各種其他縮寫)是一種用于生產纖維增強塑料(FRP)制件的層合工藝。將干性材料(氈,織物,縫合氈和泡沫芯)疊在一個陽?;蜿幠1砻?,使用薄的塑料真空袋或半剛性的對模沿著部件的周圍密封。采用真空泵抽真空,施加大氣壓力,壓實干性材料,并產生一個“真空間隙”。然后,通過按照策略放置樹脂注膠管道將樹脂注入間隙。真空間隙和外部大氣壓力之間的壓力差將樹脂壓入,注入多孔材料,直到完全浸潤。真空始終保持,直到該部件固化,確保密實。

真空導流工藝歷史
    真空導流并不是一種新工藝。各種不同的導流工藝已經存在了好多年,雖然他們的應用并不是非常廣泛。許多FRP生產廠家自主開發了導流方法,用于他們自己的工廠。這些工藝大多是即興發明的,也沒加以標準化或公之于眾。不過,也確實有一些人對他們的導流方面的技術申請專利保護。

馬克法(Marco Method)是首個具有專利的真空導流技術,該技術在二十世紀四十年代后期,用于生產40’的海岸防衛巡邏艇的船體。盡管缺乏廣泛的認可度,此方法還是應用了幾艘船只,這些船只一直服役到七十年代。加利福尼亞州的喬治.史密斯(George Smith)在1959年獲得了另一項用于制作FRP泳池的相關導流技術專利。史密斯的專利包括一個樹脂分布網絡通道,該網絡通道是一個主干體系,它能夠在整個部件范圍內,實現樹脂的更均勻分布。1964年,德克薩斯州沃思堡(Fort Worth)的米歇爾(Mitchell)和威廉姆斯(Williams)申請了首個包含芯材(例如PVC泡沫芯材和橫切巴薩木芯材)使用的專利技術。他們的工藝技術是為航空宇航結構設計的。

樹脂導流工藝和手糊工藝相比的優點
    所有的樹脂導流工藝在夾層結構構件生產過程中,都具有低揮發釋放的特點。如果使用的是聚酯樹脂或者乙烯基樹脂,相比手糊工藝的優點就顯而易見了。另外,利用真空導流工藝,也能提高部件生產的重復性,減少次品的數量。如果采用了真空導流,夾層結構纖維含量會提高,因而力學性能也會提高;夾層結構中干斑和氣孔的數量會減少,而且芯材和面板之間的粘接也會增強。制作大型夾層結構部件的勞動力成本也可以減少,實現合理成本制造。

導流理論
    樹脂為什么以及怎樣在干性材料上流動?要想讓樹脂流動到期望的地方,需要做哪些工作?這些問題的答案融匯于Henry D’Arcy推導出的一個關于液體通過多孔介質的簡單方程(該方程本來是為水利灌溉用途而開發的。)
 



    從本方程中,我們可以看到粘度與樹脂的流速成反比,或者說,樹脂粘度越高,部件浸潤的時間則越長。反之,材料的孔隙越多(K值越高),壓力差越大,樹脂流動越快。因此,理論上來說,要想優化導流過程,需要樹脂需要非常?。ㄕ扯鹊停?,材料孔隙非常多,壓力差需要盡可能的大。

真空導流工藝的分類
    存在不同的方法可以實現真空導流工藝。他們主要的區別是樹脂注入干織物鋪層的方式以及是不是需要在樹脂上再加壓力。下面的表格中給出了不同的方法和工藝參數。


    樹脂加壓的壓力越大,要求模具的剛性越好。RTM工藝的模具采用鋼或者鋁。他們通常都配有加熱系統,確保生產過程快速、穩定。真空導流模具通常采用木質或者玻璃鋼制成,當然可以加熱。

軟膜真空導流

    這種方法特別適合從手糊轉換成真空導流的客戶,以及單件或者打樣的情況?,F有的模具仍然可用,只在凸緣位置做一些必要的改進,使得真空袋可以鋪放在模具上。另外,還需要準備真空泵,低密度聚乙烯管道(或者其他半硬質的塑料),樹脂收集罐和制作真空袋的標準材料(密封膠帶,真空袋和剝離層等),然后就可以開始真空導流工藝了。

SCRIMP方法
    SCRIMP™工藝在夾層結構外采用另外的樹脂流動介質。SCRIMP樹脂流動介質是一個置于部件表面的多孔層,在導流過程中,樹脂流動介質快速地把樹脂分布到部件的表層,然后從表層浸入夾層結構部件。樹脂分布網絡是把樹脂更好的均勻分布到部件中,提供樹脂流動通道。流動介質和樹脂分布網絡在使用后,通常都被拿掉。

因為樹脂流動介質不能作為夾層結構的一部分,所以在夾層結構部件的表面和流動介質之間,需要放置剝離層或者透氣膜。這兩種材料都是設計一次性使用,需要在樹脂固化以后拿掉。

下面的圖表表示出了SCRIMP™工藝實現真空輔助導流的鋪設示意圖。樹脂流動介質(綠色)被剝離層(紅色)和夾層結構的表面分開。真空泵讓膜產生表面壓力以及對樹脂的吸力。這里的例子是采用開孔的泡沫芯材。允許樹脂從芯材的一面流到另外一面,形成一個密閉的樹脂體系。
 



    但是SCRIMP™工藝也有一些缺點。流動介質和其他工藝層產生了很多的浪費。另外制件需要使用更多的樹脂。

新的可重復使用的有機硅真空袋已經開發出來,降低浪費。但是,模具需要重新設計,在流道模具上加上一種特殊生產的襯膜。事實上,這個襯膜可重復使用,為小批量或者中等批量產品的制造帶來優勢。

除了使用夾層結構部件外的流動介質,還可以使用樹脂導流氈,它直接起到流動介質的作用。連續纖維氈,或者玻璃纖維和聚酯纖維的混合氈。使用這些類型的氈將降低浪費,但是增加復合材料中的樹脂含量,也即減少纖維含量。

下面的圖表給出了使用樹脂導流氈(深綠色)的鋪設示意圖。和SCRIMP™工藝相似,泡沫芯材必須打孔,使夾層結構的兩面都能均勻地浸潤。
    樹脂導流氈的缺點是夾層結構形成富樹脂面板,纖維含量降低到20%,甚至更低。
 


 

FRP閉模真空導流 (輕型RTM)

閉模真空輔助導流工藝能夠一步法生產具有兩個光潔表面的復合材料制件。正這個工藝里,使用幾毫米厚的FRP對模代替柔性真空袋。模具必須在基模的邊緣位置固定,可以使用夾具,或者使用另外一套獨立真空系統。鋪層加壓原理和柔性真空袋樹脂導流工藝相類似。

很容易透過FRP模具面板,檢查樹脂的流動。所加的真空可以吸入樹脂,并在模具內部分布。如果真空度太高,鋪層中的縫隙會密閉,樹脂流動明顯減緩。這就是該工藝真空度不能超過0.5 bar的原因,具體大小和纖維鋪層的規格型號相關。也可以通過對樹脂少許加壓注射,減少樹脂的導流時間。在加壓導流的過程中,對模不能損壞或者移位。
 

RTM-工藝
    樹脂轉移模塑工藝是采用高壓力將樹脂注入模具。模具可以是針對單獨的層板或者夾層結構。該工藝伴隨的高溫度和高壓力環境,要求泡沫具有高力學和耐溫性能。
 

 
關鍵詞: 樹脂導流 真空 RTM
 
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