复合材料制品主要制造技术

复合材料制品主要制造技术

为了满足市场需求,研究人员和行业正在开发大量制造技术。生产成本是总成本的相当一部分,通常决定了产品将遵循哪些工艺。不同的工艺通常需要低资本投资和高劳动力,或高资本投资和低劳动力。

最常见的技术是:

开放式模具上的手工铺层

这是一种应用最为广泛的简单而有效的工艺,所需资本投入相对较低,但人工成本较高。“开放式”模具是仅复制(或复制)产品或组件一侧的工具。对于另一侧,必须使用另一个模具,并制造另一个组件。将两个组件背对背粘合在一起,最终得到具有两个成品“面”(以及它们之间的接缝)的产品。铺层按以下步骤进行:首先用刷子或喷雾器涂抹着色胶衣凝胶涂层。胶衣凝胶涂层后,涂上一层薄薄的树脂(通常是聚酯)和一层薄薄的增强材料,并用刷子和滚筒手工操作,使树脂完全浸透织物。然后涂上其他层(通常是短切原丝毡),直到达到所需的厚度和强度。固化后,将组件从模具中拉出(或释放)并修剪。也可以在模具内或模具外在高温下进行后固化。模具被清洗、重新脱模(如果没有使用多重脱模剂)并重新使用。质量相对较差,主要是因为成品中采用了高树脂/增强材料比(较高的树脂/增强材料比意味着较低的强度/重量比)。

真空袋辅助手工铺层

真空袋装工艺可以大大改善以前的工艺,同时只需稍微增加资本投资。胶衣凝胶涂层和浸渍程序相同,但在固化之前,组件被密封在真空袋下的模具上。真空袋(充当“上部工具”)抽出空气,并通过大气压力将组件压向模具表面。这种加压将多余的树脂和大部分滞留空气从组件中排出。强度/重量比的改善如此之大,以至于产品甚至可以归类为“航空航天质量”。该工艺对于小批量生产和原型制作特别有用。

树脂灌注

与真空袋装类似,不同之处在于将钢筋干铺在模具上。模具和钢筋密封,并从一侧抽真空。一旦确保气密性,树脂和硬化剂就会混合,并通过真空的吸力引入干钢筋中。特殊的“流动织物”和“螺旋管”网络促进了这一过程,并确保树脂在模腔内快速流动,并充分浸渍所有层或干钢筋。结果是航空质量,可重复,具有极低的树脂含量和高强度。

喷射式

这种相对低资本投资的工艺是为大批量生产而开发的。短切纤维增强材料与树脂(通常是聚酯)以喷雾形式同时沉积在已脱模并涂有凝胶的开模表面上。所得结果与短切纤维毡非常相似。质量较差,主要是因为该部件的树脂比例较高,但这是一种非常经济的制造低价部件的方法。

RTM和VARTM

有时也称为注塑成型,这种资本密集型工艺采用加热的耦合(阳模和阴模)金属模具。将增强材料精确切割并放置在模腔中。通常不是逐一铺设增强织物,而是使用预制件(根据模具的形状,在“粘合剂”的帮助下,预先切割出许多不同的增强材料层,并将它们以特定的图案粘合在一起。这样,只需一次动作即可将增强材料装入模具。)装入增强材料后,将两个匹配的模具紧密关闭,并通过精心定位的开口或注射“浇口”将催化树脂压入内部。空气通过其他精心定位的开口(“通风口”)排出,增强材料被浸透。整个过程可以通过真空(真空辅助RTM)来辅助。当达到完全固化时,组件将从模腔中弹出。RTM用于大批量生产。质量非常好,重复性很高。

轻质RTM

该工艺是RTM和树脂灌注的结合。与RTM类似,我们有两个匹配的模具,但此处它们由复合材料制成。通常上部模具比下部模具更薄且更灵活。两个模具仅通过真空压力或真空和其他机械夹紧方式气密地关闭(或密封)。催化树脂被压入模具内。注射压力比使用金属模具的RTM低得多。可以施加热量,但通常也比RTM低得多。但是,使用RTM轻型模具可以制造更大的组件,主要是因为复合模具可以构造得更大。此外,它的资本密集程度低于RTM。

热压成型

与RTM一样,加热两个匹配的金属模具。使用预浸料或预浸预制件代替干增强材料。预浸料是用树脂(有时是树脂和填料)预浸的织物,并以一定温度处理,使其部分固化(即所谓的“B阶段”固化)。在热压成型中重新加热时,树脂再次变成液体,最终固化。

冷/温压成型

与热压相同,不同之处在于将增强材料放入模具中,并用刷子和滚筒手工浸渍。模具以较低的压力闭合。部分固化后,可以升高压力和温度。过早提高压力或温度会导致过多树脂从腔体中逸出,导致增强材料过干或“树脂不足”。对于较低的生产量,这是一种低资本密集型方法,因为在此过程中,模具可以由复合材料制成。

纤维缠绕

是一种资本密集型工艺,主要用于制造中高产量的小直径和大直径管道和压力罐。顾名思义,它涉及将连续的、预饱和的增强丝缠绕在旋转的心轴上,直到整个表面覆盖所需的深度。丝在与心轴接触之前通过树脂浴时被饱和。根据机器的复杂程度,缠绕可以以两个或更多角度进行。此外,可以使用预浸料或预浸渍的B阶段丝(预浸料缠绕)。固化后,在生产的最后阶段,必须移除心轴,通常借助液压提取器。新的计算机控制机器以及新的创新心轴(如充气或分段)和心轴形状的使用使得制造出令人惊讶的更复杂的组件成为可能。成品的质量通常非常好,因为丝增强是连续的并且价格相对较低。然而,大多数缠绕产品的树脂含量都比较高,并且缺乏纵向加固(心轴旋转禁止沿部件纵轴放置加固物)。

拉挤成型

是一种复杂、连续、高资本和材料密集型的复合材料型材制造工艺。与在芯轴横向(或圆周)方向安装增强材料的纤维缠绕不同,拉挤成型将主要增强材料放置在纵向。从原理上讲,它类似于铝型材的生产(尽管铝挤压是一种推动动作)。它是通过将连续纤维与短切纤维毡带一起通过树脂浴拉到具有所需横截面和形状的加热金属模腔中来完成的。该模具同时用作模具和固化炉。模具温度越高,拉动速度越快。也可以不使用树脂浴进行饱和,而是将树脂直接注入模腔中。与铝一样,生产的型材可能非常复杂。由于型材在拉出时已经固化,因此生产线末端的锯子会将其切割成所需的长度。当然,产品的长度是无限的。拉挤部件的质量非常好,价格非常低廉。它们主要用于建筑行业。它们的主要缺点是缺乏横向加固,因为拉动机制使其放置非常困难。

高压釜

在这个资本密集型的​​过程中,金属或复合材料模具要用多种脱模剂处理(这种物质需要经过特殊的烘烤周期才能投入使用),并装载多层预浸料。整个模具密封在真空袋中。将空气从袋子中抽出。将真空压制的模具和袋子放在密闭的加热室(或高压釜)中。高压釜的门关闭并加热(通常为120-180 oC)。加热后,树脂开始液化。此时引入压力(通常为3–8个大气压)。这样,空气和多余的树脂就会从组件中排出。在这些条件下几分钟后,组件就会固化。空气从机器中释放出来,冷却循环开始。在不到一个小时的时间内,机器就会冷却,门就可以打开。高压釜无与伦比的质量制造是一种独特的生产方法,它扩大了复合材料加工的范围。高压釜产品用于航空航天、军事和F1等行业,每个行业的质量和性能都非常重要。

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