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樹脂注入之間的雙靈活模具:原型發(fā)展 J.R. Thagard, O.I. Okoli*, Z. Liang, H.-P. Wang, C. Zhang 段修濤譯 摘要: 樹脂輸入液的雙重柔性安裝(RIDFT)技術(shù)是一種新型的科研技術(shù), 其中包括潤濕、真空樹脂灌注成型。前者所注入的樹脂是二維流量,避開了樹脂在其他立體復(fù)合體中的流動(dòng)出現(xiàn)的不成熟現(xiàn)象。采用單面模具塑造,所提供的成本效益比樹脂模塑要高。 對(duì)正在進(jìn)行樣機(jī)的開發(fā)RIDFT進(jìn)程取得了積極成果。復(fù)合材料表面質(zhì)量好、微觀結(jié)構(gòu)特征、 力學(xué)性能與成本相比節(jié)約了24%。本文介紹RIDFT的過程,概述其優(yōu)點(diǎn),提出了其挑戰(zhàn)性,為了找出潛在效益產(chǎn)業(yè)。目前正在進(jìn)行的工作有:制造產(chǎn)物的提煉，建造一座大型原型機(jī)以全面反映其用于制造大型復(fù)合材料部件和紫外光固化技術(shù),以減少大量的制造周期時(shí)間。 關(guān)鍵詞:成形; 輸液。 1. 引言 運(yùn)輸部門為有著能夠減少重量， 耐蝕性及功能集成的優(yōu)點(diǎn)的高分子復(fù)合材料提供有意義的增長機(jī)會(huì)。然而,現(xiàn)有的生產(chǎn)工藝限制了復(fù)合材料在大規(guī)模生產(chǎn)部門的利用。由于本身較長的循環(huán)周期和有害揮發(fā)性有機(jī)物(VOCs)的排放，當(dāng)前許多過程并不容易融入到大規(guī)模生產(chǎn)當(dāng)中。不過,液態(tài)復(fù)合型 (lcm)技術(shù)是有前途的科技。 例如樹脂傳遞模塑(RTM)、樹脂傳遞模塑彈性(FRTM)、輸液的柔性模具樹脂(RIFT)。 這些成型技術(shù),也有著的能夠使VOCS的排放量減少90%的優(yōu)點(diǎn)。 成本是在復(fù)合生產(chǎn)過程的發(fā)展中首先需要考慮的事項(xiàng)。海洋產(chǎn)業(yè)廠商已經(jīng)致力于這有效的和便宜的公開的成型技術(shù),盡管美國環(huán)境保護(hù)局(環(huán)保局)法規(guī)。在雙重柔性模具(RIDFT)技術(shù)之間樹脂輸液的發(fā)展進(jìn)一步促進(jìn)了注入樹脂技術(shù)的發(fā)展，降低了關(guān)閉塑造方法的較高成本。 2. 液體復(fù)合成型工序 2.1 樹脂傳遞模塑(RTM注射) 傳統(tǒng)上, 樹脂傳遞模塑工藝已被用來制造復(fù)合材料零件。RTM工藝過程提供了許多優(yōu)勢，超過其它制造纖維增強(qiáng)熱固性高分子復(fù)合材料。 這些優(yōu)勢包括:包括改善元件厚度公差、表面光潔度好、并減少排放量揮發(fā)物。其中一個(gè)關(guān)鍵問題關(guān)于RTM工藝過程的成功是正確認(rèn)識(shí)和預(yù)測樹脂流動(dòng)在模子填充期間?？紤]這方面工作已經(jīng)被使用了好多這塊領(lǐng)域，一些模型和模擬工具可以利用。 盡管如此,有著復(fù)雜幾何形狀和滲透性變化的零件做出的樹脂流量分析目前仍然存在困難。但是預(yù)先的準(zhǔn)備和工裝成本可以禁止大都超過數(shù)公尺尺寸的部分、尤其對(duì)一次性或小生產(chǎn)經(jīng)營與手動(dòng)停止過程相比。圖1顯示了RTM的一個(gè)示意性的過程。lcm過程的進(jìn)一步發(fā)展已針對(duì)復(fù)雜和相關(guān)聯(lián)的成本費(fèi)用。其中一些的被討論在下列部分。圖 2.2在柔韌性加工下樹脂灌輸(RIFT) 在柔韌性加工下樹脂灌輸(RIFT)是一種較新的工藝,在八十年代引進(jìn)。 RIFT的一版追溯到50年代,當(dāng)它被用來制造漁船船體。圖2展示了RIFT過程被ciba和geigy發(fā)展。20世紀(jì)80年代, 橡皮工具袋的使用作為柔性的工具被調(diào)查并且很多專利被申請(qǐng)。 在90年代有過被重新發(fā)現(xiàn),并且還發(fā)現(xiàn)特別是在船運(yùn)和汽車的產(chǎn)業(yè)。 RIFT是一種被用于增強(qiáng)碳纖維強(qiáng)化海洋結(jié)構(gòu) 在RIFT過程,纖維是第一個(gè)被替用在柔弱的放在典型涂了脫模劑的模子。接著,一個(gè)靈活的加工層被替用在纖維和未知的邊緣被真空緊閉。然后纖維被真空地注入在模子和靈活的加工層之間放置在真空密封緊圍繞優(yōu)勢，從而形成了該部分的形狀。 RIFT保有RTM的許多環(huán)境優(yōu)勢,但加工成本低廉得多、從此一半傳統(tǒng)的僵化封閉模具被一個(gè)包所替代。目前模具要適應(yīng)到RIFT過程或許是可行的。 在大規(guī)模生產(chǎn)中這變得非常重要, 有著節(jié)省數(shù)百萬美圓的加工和制造費(fèi)用的潛能 。 和rtm過程相比，RIFT有一些優(yōu)點(diǎn)。 RIFT提供有限直接控制的厚度或纖維含量最后的碾壓在RIFT過程。 這些參數(shù)取決于在壓力作用下加固的壓縮和緩和，而套袋薄饃揣息和其他輔助材料的相互關(guān)系。 干纖維集合的壓縮研究受諸多研究的影響。 皮爾斯和薩默斯注意到一個(gè)干的粗成品的反應(yīng)是動(dòng)態(tài)的。 時(shí)間依靠壓縮和松弛被觀察，反復(fù)被裝卸加固達(dá)到高的一個(gè)給定的壓力壓緊。 在RIFT中加固的壓縮進(jìn)一步被流動(dòng)樹脂的到來所復(fù)合。這為纖維和可能影響在真空膠膜袋下碾壓的變形提供潤滑。此外,有效壓力作用在加固上的不是持續(xù)的在整個(gè)過程中。 桑德等。調(diào)查了不同面料的可壓縮性(平紋、斜紋、緞、 非卷曲)并且確認(rèn)壓縮型面料的可壓縮性取決于它的種類。 斜紋編織織物在干和濕的情況下最難壓縮。 樹脂在一給定的點(diǎn)到來之前，干膠膜受大氣壓的影響。 當(dāng)樹脂流過這點(diǎn)時(shí),樹脂里面的壓力就上升、 這樣新的壓縮在加固上就減少了。 主要的是流動(dòng)引誘的缺點(diǎn)有著在部分幾何學(xué)的復(fù)合上增長的可能性。一個(gè)理論和和現(xiàn)實(shí)的理解對(duì)于這些機(jī)制是被需求為了評(píng)定是否模型碾壓能一貫性地，可再生的和可預(yù)言的纖維含量和質(zhì)量被制造。 在這過程中膠膜及配套材料之間的相互作用必須被量化。 Summerscales表明RIFT過程降低工人接觸液態(tài)樹脂當(dāng)增長組成的機(jī)械特性和纖維含量通過減少空隙度與手動(dòng)停止相比。 此外,RIFT提供與當(dāng)前被應(yīng)用的加工（RTM或者模壓）相比能夠降低加工成本的費(fèi)用的潛能。 2.3柔性樹脂傳遞模塑(FRTM) RIFT的一個(gè)類似的過程是FRTM。 FRTM是一個(gè)創(chuàng)新的復(fù)合制造過程,基于詳細(xì)的成本分析上發(fā)展, 被確定為成本效益設(shè)計(jì)。FRTM是一個(gè)混合過程,它結(jié)合了技術(shù)特性和各自有利的橫隔膜形成及rtm的經(jīng)濟(jì)效益。分開的數(shù)張干燥纖維和固體樹脂被擺放在橡膠隔板、加熱之間使樹脂液化。纖維和樹脂然后被畫一個(gè)真空在橫隔膜及形成的通過畫橫隔膜集合通過困難加工所壓榨。圖3所示顯示了FRTM進(jìn)程的示意性。 FRTM過程被優(yōu)化為了生產(chǎn)出高質(zhì)量低的零件厚度變化，低無用的量和高纖維數(shù)量。 最后,FRTM過程的經(jīng)濟(jì)效益通過小型生產(chǎn)經(jīng)營被驗(yàn)證。FRTM被設(shè)計(jì)和發(fā)展,以便慮及相比傳統(tǒng)的方法例如rtm更便宜和更快的部分被制造。對(duì)于新的成本效益的需求意味著生產(chǎn)通常是一個(gè)起點(diǎn)對(duì)于一種新的過程的發(fā)展例如FRTM來自古典的rtm過程。 通過FRTM的真空成型和許多其它當(dāng)前可利用的過程（例如RIFT被顯示在表1里）的比較。 在概念上,FRTM是一種混合的過程,結(jié)合了rtm和橫隔膜成型有利的特性。像rtm，F(xiàn)RTM使用最低的成本構(gòu)成未加工的材料可能是(干纖維和樹脂)，但是排除了勞動(dòng)強(qiáng)度典型的和三維空間含纖維的預(yù)制品被用在了rtm。在FRTM,面料被形成在一步雙膜片成形過程中。 這降低勞動(dòng)強(qiáng)度,減少周轉(zhuǎn)時(shí)間。 FRTM也可以減少加工成本典型地與rtm聯(lián)系在一起,因?yàn)闆]有重的匹配加工被需要。 FRTM過程的第二優(yōu)勢是從出現(xiàn), 橫隔膜系統(tǒng)，本質(zhì)上，可變形的、并提供低成本重構(gòu)裝置加工邊緣出現(xiàn)的。 通過多種多樣成型方法的使用，如真空成型、匹配模具沖壓成型，它可能減少加工費(fèi)用與專注的匹配加工在窗同的rtm過程想聯(lián)系。降低加工成本可以來自較輕,片面工具 或通過一個(gè)柔性的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢,重組成型機(jī)制。 FRTM也減輕或消除工具的清理,這是典型的勞動(dòng)密集型。 FRTM過程的第三個(gè)優(yōu)勢是注入過程重復(fù)性，這使得更快、更容易被控制。 這一結(jié)果來自引導(dǎo)樹脂注入沿著厚的方向的部分，這是和其他兩個(gè)平面方向相比較短的。 此外,平面注入口和通風(fēng)孔在最后的幾何部分不受約束。傳統(tǒng)的昂貴的實(shí)驗(yàn)有必要最優(yōu)化處理可變的和重新設(shè)計(jì)的加工以便完成任務(wù), 而新零件的開發(fā)時(shí)間大大減少,因?yàn)槿狈π碌膶W(xué)習(xí)。 假定樹脂開始時(shí)在一個(gè)非常接近最后的位置,這過程與橫向的方法相比典型地于rtm相關(guān)聯(lián)。 表1顯示FRTM過程的缺點(diǎn)。 在許多幾何構(gòu)件形成的過程中存在很多缺陷。 所切削的底部不能產(chǎn)生真空形成機(jī)制原理。在FRTM過程中控制厚度變化和可完成的構(gòu)造體積受到了是潛在的限制。控制厚度變化是封閉的循環(huán)過程,和徹底的明智的選擇樹脂 ，其性能最適合FRTM獨(dú)特的工藝要求。 構(gòu)造體積是在加工處理的時(shí)候接近涉及熱氣壓成型施加結(jié)構(gòu),因此, 他是依靠所成型的方法來決定的。 2.4 真空袋模具成型(VBM)和混合樹脂注入模具成型(SCRIMP) VBM技術(shù)是一個(gè)封閉的模具技術(shù)和經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的開模過程。 SCRIMP是VBM流行的詮釋。 在這個(gè)過程中,一個(gè)組成凹槽或者通溝的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),被用作分散樹脂和減少流量阻力及延遲時(shí)間。樹脂在真空壓力下首先填滿凹槽或者溝通道， 然后樹脂注入纖維組織,在VBM,單方面的硬性塑一個(gè)袋裝物被用來形成模具型腔。 VBM過程可分為五個(gè)步驟。 首先,在預(yù)成型模具表面清洗、 然后用釋放劑、模具膠在在表面噴涂。 接下來,在加入填充劑的時(shí)候，把纖維墊弄干按入模型表面，用一個(gè)柔軟的袋子掩蔽好，第三步，真空腔的模具和樹脂的纖維墊被注入到真空力。 后腔充滿樹脂開始固化樹脂和復(fù)合固化成部分,稱為樹脂固化步驟。 最后,從模具中取出固化復(fù)合物，以及下一個(gè)循環(huán)開始。 2.5樹脂注入雙重易曲模具(RIDFT) RIDFT想要聯(lián)合其它LCM技術(shù)解決問題。 這些問題包括可完成的纖維量達(dá)體積部分厚度的堅(jiān)硬性,制造周期時(shí)間和工藝的復(fù)雜性。 雖然目前并非所有問題都已經(jīng)解決, 據(jù)這項(xiàng)研究的表明使用RIDFT的LCM技術(shù)克服缺點(diǎn)和局限性等。 圖4顯示了該RIDFT進(jìn)程。 與FRTM過程不同的是,RIDFT過程不使用干燥的樹脂片，但是通常使用低粘度室溫消除熱固樹脂。在室溫下，熱固性樹脂能允許部分的消除在分鐘內(nèi)完全被注入的固化劑含量，既允許部分地消除被移動(dòng)的部分，此外，低粘度樹脂可以進(jìn)一步提高高纖維的潤滑性，以此方式提高表面的變化過程。 RIDFT過程的有利條件是以往的RTM經(jīng)驗(yàn)，即以流出的兩寸樹脂消除錯(cuò)綜復(fù)雜的三寸樹脂。RIDFT的另一個(gè)有利條件是：與RTM比較時(shí)，它的花費(fèi)教少，縮短了生產(chǎn)時(shí)間，結(jié)合了UV的消除技術(shù)，并且達(dá)到了潛在的高纖維的容量，固有的限定了零件的幾何形狀成為“成型模具”。 與RIFT相比，RIDFT的一個(gè)有利條件是在使用過程中的一個(gè)第二柔韌的工具，即減少了清潔和制造的預(yù)備工作，關(guān)于RIDFT，樹脂不接觸模塊表面，并且在每個(gè)循環(huán)周期之前消除需要的準(zhǔn)備模塊，另一方面，減少生產(chǎn)步驟，從連續(xù)使用的RTM過程來看也不提供工具磨損經(jīng)驗(yàn)。 在RIDFT過程中，多孔的鋁模塊工藝技術(shù)（應(yīng)用技術(shù)）能夠被利用。在國際上模塊鋼建造的多孔模塊用于RIDFT，如圖5所示，瑞士制造，PORTEC,介紹了一個(gè)商業(yè)名為METAPOR的獨(dú)特專利材料。這個(gè)由鋁顆粒組成的商業(yè)的可利用產(chǎn)品被還氧化物的樹脂包裹,并且在高壓力下被壓縮。材料的結(jié)合和制造過程導(dǎo)致了出現(xiàn)澆注塊和探索了固化金屬,當(dāng)微觀孔和具有滲透性的空氣被完成。 METAPOR技術(shù)允許RIDFT技術(shù)去克服他潛在的問題。真空成型驅(qū)動(dòng)RIDFT進(jìn)步的關(guān)鍵組成部分的過程形狀。 微孔隙模具在模具內(nèi)部所有范圍內(nèi)的真空被破壞，其意思就是允許斷裂不必要的增加，同樣空隙的問題將不在發(fā)生。 圖片6顯示了在使用非多孔模具時(shí)真空層無法形成柔性進(jìn)入V形槽。 一旦撤離真空非結(jié)晶和多孔硅板之間時(shí),所形成不會(huì)發(fā)生改變。然而，由于與多空模具表面的的空隙是為了排出在模具表面所有范圍的空氣和因硅樹脂成片狀而進(jìn)入V形槽。 由于成形壓力低、在樹脂和模具表面 之間缺乏接觸，RIDFT模具成本大大低于其他液態(tài)成型過程。 3. 結(jié)論 建造該樣機(jī)是基于RIDFT要進(jìn)一步推進(jìn)樹脂注入技術(shù)。 作為變化過程中的空隙,RIDFT提供更多的優(yōu)勢,同時(shí)保持了有助于加工的空隙。由于附加的底座靈活的模具表面上清理和再生產(chǎn)準(zhǔn)備工作已經(jīng)被還原。 隨著RIDFT進(jìn)程， 樹脂與模具表面接觸，在每個(gè)周期之前并沒有發(fā)生和剔除準(zhǔn)備好的模具。 除了制造業(yè)逐步減少,他并沒有以刀具磨損而被連續(xù)使用。 在確定RIDFT有效的費(fèi)用期間，在RIDFT和SCRIMP進(jìn)行了比較。 初步結(jié)果顯示, RIDFT進(jìn)程的費(fèi)用節(jié)省約24%。 RIDFT不斷的發(fā)展過程證實(shí)RIDFT制造大型復(fù)合組件和減少生產(chǎn)周期時(shí)間的能力。