压缩RTM:一种高效的复合材料工艺

作者:本刊编译(原文来自迪芬巴赫) 文章来源:AI《汽车塑化》 发布时间:2017-03-28
当涉及到大批量地生产碳纤维增强塑料制成的部件时,HP-RTM工艺已经证明了其特别的高效性。随着一种替代工艺的引入,现在可以实现更短的节拍时间和进一步改善的部件性能。

HP-RTM工艺能够被用于大批量地生产由纤维增强塑料如CFRPs制成的部件。在传统的RTM工艺开始时,一个预成型的纤维叠层——预成型件被放入模内;然后压机闭合,形成部件所需的精确厚度;接着,将树脂浇注到模具中浸润纤维层,并填充模具的剩余空间,从而在高达80bar(8000kPa)的压力下完成HP-RTM成型。

三维预成型件被放入模内,模具闭合

浇注树脂,纤维浸渍,树脂固化

压机打开,取出部件

压机打开,取出部件

这样的高压对于保证树脂到达模具轮廓(甚至拥有更复杂的形状)的每一个角落以及实现纤维的高度浸透是必要的。但这种方法的缺点是,纤维会在高压下移位,从而导致扭曲。这些扭曲可能会对部件内部力的分布带来负面影响,并降低整个部件的稳定性。

通过进一步开发RTM工艺,迪芬巴赫成功地找到了解决这一问题的办法。传统的做法是,压机闭合直到达到部件所需的厚度,而采用压缩RTM工艺,压机先是移动到“留出一个间隙用于浸渍”的位置,即比最终的厚度高出0.5~1mm,这样在模具内用于浇注树脂的流道就变得更宽,同时还降低了树脂流动的阻力,因此,浇注压力可以降低5~10bar(500~1000kPa),这样就不会引起预成型件的纤维复合材料发生扭曲。由于树脂的流动阻力明显降低,因此还可以更快速地浇注树脂。

三维预成型件被放入模内,模具部分闭合留出一个间隙

浇注树脂的速度是这项工艺的一个关键优势。更快速的树脂填充和更快速的纤维浸渍,意味着可以使用更快速的固化反应树脂系统。通过加速固化过程,可以实现更短的节拍时间。

然而,在压缩RTM工艺中采用的低浇注压力还不足以保证预成型件的纤维束完全被树脂涂覆,树脂与固化剂的液体混合物起初像一片纸一样遍布预成型件,而且只是渗透浅表。采用传统RTM工艺确保液体混合物完全浸透所需要的高压,是由压机的锁模力产生的。采用压缩RTM工艺时,压机闭合到部件所需的厚度,同时,压缩行程压迫树脂渗透预成型件,从而确保了所有的纤维都得到浸润。

浇注树脂,预成型件得到部分浸润

压机启动压缩行程,沿Z轴方向浸润纤维,同时形成压力,树脂固化

压机打开,取出部件

压缩RTM工艺的另一优势是,相比传统的RTM方法,可以用其制造出纤维体积含量更高的部件。压缩RTM工艺能够轻易地生产出纤维体积含量高达60%的部件,而这样的结果采用简单的浇注工艺是不可能实现的,这是因为有极高的流动阻力。增加的纤维体积含量最大程度地提高了部件的强度和刚性,并提高了其在轻量化结构中的应用潜力。

此外,压缩RTM工艺还有效地防止了干区残留在部件的表面。采用传统浇注工艺,干的预成型件必须通过模具轮廓的闭合而得到简单压制。在纤维层与模具轮廓内壁之间高的接触压力,使得在浇注阶段液体混合物完全浸透部件表面变得更加困难。

这种创新的压缩RTM工艺对压机提出了极高的要求,压机不仅必须施加保持模具轮廓闭合所需的压力,还必须确保间隙达到最高的准确度,且浸渍间隙要完全保持平行。当压机执行闭合行程时,必须保持闭合运动的平行度,即使运动中有最微小的偏差,都可能导致采用的低黏度树脂出现不对称和不良的流动性。

对高刚性CFRP的公差要求通常明显高于对常规纤维复合材料部件的公差要求。通过开发新的Compress Lite系列(DCL)这一特殊订制的压机,迪芬巴赫快速响应了这一现状。该压机配有一个压缩升降台,归功于其预变型的多缸布置,该压缩升降台可以得到动态调整。这种安排意味着升降台的预变型与压机运动部分的预变型相适应,因此而优化了厚度公差。为优化公差,只需将设置参数输入到压机的控制系统中,变化就将从下一周期开始,结果也可以从下一个部件得到验证。

传统的压机根本无法达到这种准确度。无论是从改变压力的角度,还是从安装不同尺寸的模具的角度,“模具变形的变化必须通过后处理工具而得到补偿”通常是过去的情况。归功于预变型的动态调整,还可以为不同压缩阶段的流动过程提供支持。积极改变模具变形,比如在浇注阶段,会影响流动模式,或者在压缩行程过程中促进物料的流动。

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