CN104159725A - 一种用于通过复合材料制造模压部件的设备和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种通过复合材料制造模压部件的设备(1)，该复合材料包括强化纤维(2)和树脂(3)的混合物，所述设备(1)包括：具有空腔(5)的模具(4)，其设置用于处置纤维(2)；反凸模具(6)，该反凸模具(6)配备有至少一个通道(9)用于将树脂(3)引入到空腔(5)中，且用于挤压模具(4)来封闭空腔(5)；装置，该装置将反凸模具(6)定位和固定在模具(4)上；至少一个装置(7)，其用于降低空腔(5)的压力；模具(4)和反凸模具(6)包括各自围绕着空腔(5)的支持区域，所述支持区域包括两个封闭件，用于界定封闭腔室(22)。本发明还涉及一种使用设备(1)通过复合材料制造模压部件的方法。

Description

一种用于通过复合材料制造模压部件的设备和方法
技术领域
本发明涉及一种用于通过复合材料来制造模压部件的设备和方法。
背景技术
在本发明的上下文中，应该理解的是复合材料包括树脂(热塑性或热固性的)和强化纤维(例如玻璃纤维)。树脂组成复合材料的基质。该基质确保强化纤维的凝聚和定向。另外，该基质允许模压部件受到的机械应力的传导。强化纤维有助于提高模压部件的机械强度和刚度。
由复合材料模压的部件应用广泛，例如制造集装箱、船体、自行车架、车体零件、罐体、多种清洁用品，甚至更通常的任意具有多种且或多或少复杂形状的工业部件。
已知一些由复合材料制造模压部件的技术，其中涉及的包括：
-注射模塑(更常称为“RTM”：树脂传递模塑)，和
-灌注。
RTM技术能够制造小或大尺寸的模压部件。使用刚性模具和反凸模具进行注射模塑。强化纤维设置在具有空腔的模具中。由于通过压力机或高压釜获得的封闭压力，反凸模具被固定在模具上。随后，通过低压泵(约1-5bar)将树脂注射穿过强化纤维，直到完成空腔的填充。树脂固化后，打开模具将部件脱模。
RTM技术的优点如下：
-模压部件的质量恒定；
-高生产速度；
-(高达约7m2)模压部件尺寸大；
-制造过程的自动化。
然而，RTM技术的具有如下缺点：
-模压部件具有轻微或普遍的复杂形状；
-在脱模后需要进行抛光；
-模压部件的制造重复性好；
用于通过复合材料制造模压部件的灌注技术由在织物和耗材叠放覆盖的模具中的真空操作构成，这些织物和耗材构成覆盖的模塑，且其最后的层为真空袋，干燥强化纤维，然后通过注射浸渍它们并且在保持真空在强化纤维中移动树脂。树脂随后被通过真空袋和模具之间建立的低压吸入，从而浸入强化纤维。随后，在树脂聚合反应期间保持真空，来确保强化纤维的密封。在树脂注入之前进行真空处理以压缩强化纤维并确保没有空气渗入。一旦树脂热固化完成，除去覆盖的模塑且模压部件随后从模具中移除。
覆盖的模塑通常由下列成分构成：剥离织物和脱模织物、分散网格、分散管、引流织物、真空袋和黏胶料，以确保向强化纤维中树脂的最佳注入。
灌注特别地以强化纤维的渗透性的物理性质为基础。
强化纤维的渗透性包括：
-宏观渗透性(纤维之间的空间)；
-微观渗透性(毛细作用)。
宏观渗透性随强化纤维的压缩性而变化。微观渗透性取决于注入树脂的表面张力。表面张力越强，毛细作用对纤维渗透性的降低越显著。
注入树脂的粘性也是灌注中非常重要的参数：树脂粘性越低，灌注越快。
灌注技术的优点如下：
-模压部件的制造重复性好；
-在单个步骤中操作大尺寸且复杂形状的部件；
-将增强容积率优化和控制在容积的50-60％，通过灌注获得的部件表现出非常好的机械性能；
然而，灌输技术的困难和缺点如下：
-需要一次性材料，该材料构成了覆盖的模塑的织物和耗材，且它们需要小心且非机械化布置。这意味着随之而来的材料和人力的成本，且该成本取决于模压部件的尺寸；
-生产速度低，因为布置覆盖的模塑的操作需要小心；
-模压部件有限的厚度，因为仅通过真空吸引器，厚度必须足够低从而树脂恰好渗入到所有强化纤维占用的容积中；
-真空控制。的确，用于密封强化纤维的真空会被灌注的树脂破坏。必须维持强化纤维保持的压力直至聚合反应结束，以避免损害模压部件期望得到的机械性能和几何结构。然而，树脂可能破坏真空的拉伸点；
-需要聚合反应温度在整个模压部件上保持一致；达到该目标更加困难，因为与覆盖的模塑接触的模压部件的表面受到外部空气温度影响；
-与覆盖的模塑接触的模压部件的表面不是光滑无缺陷的表面，因为覆盖的模塑由弹性元件构成，不能获得均匀表面。
因此灌注技术获得了具有光滑无缺陷单一外表面的模压部件。
本发明意图克服使用已知技术通过复合材料制造模压部件的内在缺点，该已知技术具体为上文详述的RTM和灌注。
的确，本发明首先提出通过复合材料制造模压部件的设备，从而摆脱了在制作模压部件期间，使用一次性和昂贵的材料，例如在灌注技术的情形中的织物和耗材，对于灌注技术也是如此，并且同时保证了模压部件的机械性能与灌注技术获得的同样好。
本发明的设备还具有涉及RTM技术的优点，其不需要用于将反凸模具封闭在的压力或高压釜型模具的装置，该装置增加了通过复合材料制造模压部件的成本。
本发明也提出使用所述设备通过复合材料制造模压部件的方法。
由复合材料制造模压部件的设备，其中复合材料包括本发明所述的强化纤维和树脂的混合物，该设备包括：
-一个模具，在该模具中配置用于处置强化纤维的空腔；
-一个反凸模具，该反凸模具用于挤压模具来封闭空腔，所述反凸模具安装有至少一个通道用于将所述树脂引入到所述空腔中，该引入通道被调节连接至少一个树脂供应源；
-将反凸模具定位和固定在模具上的装置；
-至少一个装置，其用于降低空腔的压力以确保向其中的引入树脂，和至少一个通道，其用于将过量的树脂引出空腔，
且其特征在于，所述模具和所述反凸模具包括各自围绕着空腔的支持区域，这些支持区域包括两个相对彼此补充的边缘封闭，它们从内到外的界定连接到真空源的封闭腔室，所述真空源降低封闭腔室的压力确保所述反凸模具在模具上的贴合。
有利地，根据压模部件需要的尺寸制定封闭腔室的尺寸，压力是期望用于纤维和注射压力的。
本发明具有封闭腔室的设备包括，在注射树脂之前，布置在空腔中的强化纤维的压力范围为0.25MPa：这对应于封闭腔室产生的累计力，该压力可以升高达0.15MPa且通过该空腔产生。且一旦树脂被注射到空腔中，仅封闭腔室的力持续。
因此，封闭腔室能够摆脱用于将反凸模具封闭到压力或高压釜型模具上的装置，该装置具有以下缺点：
-由于自身的高成本，增加了由复合材料制造模压部件的成本；
-不容易操作且需要大量的处理步骤；
-在用于制造模压部件而且没有正确设定参数时，有破坏模具和反凸模具的风险；
-体积庞大；
-需要重大资金投入。
本发明具有封闭腔室的设备包括，一旦反凸模具被放置在模具上，其足以真空化来封闭腔室：其使用简单迅速，且该使用没有破坏模具和反凸模具的风险。
我们可以轻易理解根据本发明的设备的所有优点，其包括以创新的方式，封闭腔室取代了在压力或高压釜型模具上的反凸模具的封闭装置。
该树脂可以是热固性树脂或热塑性树脂。优选，其是热固性树脂。
在本发明的上下文中，降低空腔压力的装置是指调节该装置在模具空腔中建立剩余真空为至少200mbar，其相当于约800mbar的低压。优选地，空腔中剩余真空为至少50mbar，其相当于约950mbar的低压。
当空腔压力降低时，来自于供应源的树脂通过引入通道被引入到空腔中，所述供应源有利地由配料泵***构成。该树脂随后浸透在被布置在空腔中的强化纤维中，且由于空腔的减压该树脂随后通过引出通道被吸出。树脂被引入空腔直到过多的树脂通过引出通道流出：在该阶段，由于存在强化纤维宏观和微观的渗透率这个物理现象(在上文灌注中已详述)所有的强化纤维被树脂浸透。
优选地，降低空腔压力的装置包括真空泵，通道，其设置在反凸模具或模具中用于降低空腔压力和将树脂引出空腔的通道，和导管形式的减压回路，该回路将真空泵连接到通道上。
有利地，连接设置在反凸模具或模具中的通道和真空泵的导管装有密封罐以收集流出空腔的树脂。因此，密封罐能够避免树脂浸入真空泵。
根据本法明的一个实施方案，引入通道和引出通道具有截锥形状。这使其具有易于通过“脱模”从反凸模具中移除的优点，模压部件制造的结尾，该树脂依然储存在这些在通道中且还是已经聚合过的。因此当移除依然存在这些设置在反凸模具通道中的少量树脂后，设备再次准备好模压由复合材料制成的其他部件。
根据本发明优选的实施方案，封闭腔室通过导管形式的真空回路和设置在反凸模具或模具中的通道连接到真空源上。
优选地，该真空源是真空泵。这个真空也被叫做“封闭真空”，获得所述密闭真空的真空泵与降低空腔压力使用的真空泵相同。有利地，这就是空腔减压回路和封闭腔室的真空回路被平行设置且在相同的真空泵上汇合的原因。
进一步地，空腔减压回路和封闭腔室的真空回路可以安装有测量装置和调节压力和流速的装置。
有利地，封闭真空为至少300mbar，其相当于减压约700mbar。优选地，封闭真空为200mbar(相当于减压800mbar)。
模具和反凸模具由复合材料、金属材料或其它适用于制造模具的材料制成，该材料是本领域技术人员能够获得的。
根据本发明设备的特别有利的实施方案，其进一步包括至少一个用于将反凸模具定位于模具中心的装置。
该空腔可以包括树脂通过引入通道被引入的区域。在由复合材料制造模压部件的步骤期间，强化纤维不在该区域处置，这确保了在强化纤维中树脂浸渍的均匀性。
本发明也涉及一种通过复合材料制造模压部件的方法，该复合材料包括强化纤维和树脂的混合物，树脂实施如上述设备，该方法包括下列步骤：
a)在设备的空腔中配置强化纤维；
b)在模具上放置反凸模具；
c)使用所述空腔减压装置在所述空腔中建立低压，且在封闭腔室中建立封闭真空；
d)向所述空腔中引入树脂，同时保持所述空腔中的低压和在封闭腔室中的封闭真空；
e)当过量的树脂通过通道流出所述空腔时，停止降低空腔的压力；
f)将所述树脂热固化；
g)将所述反凸模具与所述模具分离；
h)将模压部件脱模；
i)任选地，在步骤h)中获得切割模压部件。
封闭真空以这种方式选择，即模具和反凸模具在制造方法的步骤d)到f)期间相接触。该封闭真空参数将具体取决于封闭设备的本质、强化纤维的膨胀性、以及封闭腔室的尺寸。当然，封闭真空的参数能够被本领域技术人员精确的获得。
优选地，在封闭腔室建立的真空至少为300mbar，优选至少200mbar。
优选地，使用降低空腔压力的装置，在空腔中建立的低压为至少800mbar，优选至少950mbar。
根据本发明制造方法的一个实施方案，通过在空腔中使用降低空腔压力的装置实施步骤c)，在空腔中建立的低压为至少800mbar，且在封闭腔室建立的封闭真空至少为300mbar。
与灌注技术不同，本发明的制造方法不需要昂贵且一次性材料的织物或耗材。根据本发明的方法制造模压部件的成本因此通过摆脱这些内在材料和人力成本对它们细致的操作而降低。根据本发明的制造方法可以是自动化的。
根据本发明的制造方法，树脂可以是热固性树脂。其有利地选自：
-不饱和聚酯树脂(任选地与例如碳酸钙的载体混合，从而提高模压部件的外形且降低制造成本)；
-乙烯基酯树脂。有利地，乙烯基酯树脂与载体、催化剂和加速剂一起应用；
-环氧树脂。从环氧树脂中获得的聚合部分具有优越的抗疲劳性；
-酚醛树脂；
-聚氨酯和聚脲；
-聚酰亚氨。
根据本发明制造方法的其它实施方案，该树脂是热塑性树脂。其有利地选自聚醚醚酮、聚酰胺、聚醚酰亚胺、聚乙烯、聚丙烯、聚苯硫醚组成的组。
非常优选地，本发明制造方法使用的树脂是热固性树脂。
制造方法的一个实施方案中，树脂可以进一步包括载体和/或染料。在本发明的上下文中，载体表示任意惰性的、矿物的或植物的物质，其加入到碱性树脂中，来改善其机械的、电学的或热力学特性，提高表面外观，甚至降低模压部件的生产成本。
载体的选择取决于希望得到模压部件的机械性能。其可以是有机的载体例如纤维素载体、木粉、谷粒或果皮粉、植物纤维、淀粉、或矿物纤维例如碳酸盐、硅石、云母、粘土和硅酸铝、或氧化物(氧化锌、氧化镁、钛和锑的氧化物、氧化铍)、氧化铝、陶瓷、玻璃粉、中空玻璃珠、玻璃微球或炭黑。
强化纤维有利地选自从沙子(硅土)和添加剂(氧化铝、碳酸钙、氧化镁、氧化硼)获得的玻璃纤维。它们也可以是碳或芳香族聚酰胺纤维。
优选地，玻璃纤维被用作强化纤维。它们可以是粗品、预制件或最终织物形式(eventually tissues)。
根据本发明，强化容积率可以高达约65％。
因此，根据本发明的实施方案且不同于RTM技术，制造方法具有无需使用昂贵机械装置的优点，该装置例如为高压釜或压力机用于保持在模具上反凸模具的电镀。
根据制造方法的有利方法，封闭腔室的真空度和空腔的低压通过相同的真空泵实施，空腔降低压力和封闭腔室真空回路分别安装有测量装置(例如压力计)以及安装有压力和流速的调节装置(例如阀门)。其具有优点是根据制造方法的变化，能够分离和适当的管理称为“封闭真空”的真空和在空腔中存在的剩余真空。
根据本发明的制造方法的模压部件具有下述优点，这些优点与在灌注技术中获得的那些相似。它们是：
-大尺寸，高达约10米；
-复杂的形状；
-低厚度，从零点几毫米到几毫米；
另外，相对于灌注技术，根据本发明的制造方法获得的模压部件具有的优点为部件的两个外表面光滑且无缺陷。
根据本发明的制造方法具体适用于集装箱、船体、自行车架、车体零件、罐体、多种清洁用品，甚至更通常的任意具有多种且复杂性状的工业部件。
附图说明
根据下文展示的详细说明，并参考附图的描述，以及非限制性实施例，和通过本发明的复合材料制造模压部件的设备的实施方案，将更好地理解本发明。
图1表示由根据本发明的复合材料制造模压部件的设备的示意图，其中设备表示模具和反凸模具的设备部分在截面中显示。
图2a根据本发明的第一实施方案的模具的俯视图。
图2b根据本发明的第二实施方案的模具的俯视图。
具体实施方式
图1中，热固性树脂的树脂3被储存在储存罐13中。该热固性树脂3通过导管9被转移引入到设置在反凸模具6中的引入通道9中。
空腔5被设置在模具4中。强化纤维2配置在空腔5中。
模具4和反凸模具6包括分别围绕着空腔5的支持区域。这些支持区域包括两个界定封闭腔室22的边缘封闭11、12。封闭12也具有避免热固性树脂溢出空腔5的作用。
封闭腔室22通过导管21装置和设置在反凸模具6的通道8连接到真空泵7。
导管21安装有测量封闭真空的压力计16和能够调节压力和流速的阀门18。
反凸模具6安装有用于引出热固性树脂3的通道10。当空腔5降低压力且热固性树脂3被引入其中时，导管20将引出通道10连接到能够避免热固性树脂3淹没真空泵7的密封罐14上。
导管20安装有压力计15，用于测量空腔5中低压和能够调节压力和流速的阀门17。导管将真空泵7连接到通道10上。
因此，通过在由复合材料制造模压部件期间适当操作阀门18、17，在空腔5和封闭腔室22中以受控的方式建立真空。
附图2a和2b显示在空腔5中设置的区域23的两个不同的实施方案。强化纤维2在除了区域23的空腔5中处置。热固性树脂3被引入具有引入通道9的区域3。由于控制热固性树脂3的流量这两个实施方案能够使所有强化纤维2的浸渍均匀化，流量在空腔5(附图2a的实施方案)的整个宽度或在空腔5(附图2b的实施方案)的整个周长上移动。没有热固性树脂3的优选通道。

Claims (10)

1.一种用于通过复合材料制造模压部件的设备(1)，所述复合材料包括强化纤维(2)和树脂(3)的混合物，所述设备(1)包括：
-一个模具(4)，在所述模具(4)中配置用于处置强化纤维(2)的空腔(5)；
-一个反凸模具(6)，所述反凸模具(6)用来挤压所述模具(4)来封闭所述空腔(5)，所述反凸模具(6)安装有至少一个通道(9)用于将所述树脂(3)引入到所述空腔(5)中，所述引入通道(9)被调节连接至少一个树脂(3)供应源(13)；
-用于将所述反凸模具(6)定位和固定在所述模具(4)上的装置；
-至少一个装置(7)，所述装置(7)用于降低所述空腔(5)的压力以确保向其中引入所述树脂(3)，和至少一个通道(10)用于将多余的所述树脂(3)引出所述空腔(5)，
其特征在于，所述模具(4)和所述反凸模具(6)包括各自围绕着所述空腔(5)的支持区域，这些支持区域包括两个相对彼此错开的边缘封闭(11、12)，它们从内到外的界定连接到真空源(7)封闭腔室(22)，所述真空源(7)降低所述封闭腔室(22)的压力以确保所述反凸模具(6)在所述模具(4)上的贴合。
2.根据权利要求1所述的设备(1)，其特征在于，降低所述空腔(5)压力的装置包括真空泵(7)，设置在所述反凸模具(6)或所述模具(4)中的通道(10)，所述通道(10)用于降低所述空腔(5)的压力且将多余的所述树脂(3)引出所述空腔(5)，和导管形式的减压回路(20)，所述回路(20)将所述真空泵(7)连接到所述通道(10)。
3.根据权利要求2所述的设备(1)，其特征在于，所述导管(20)将设置在所述反凸模具(6)或所述模具(4)中的所述通道(10)连接到所述真空泵(7)，所述导管(20)安装了一个密封罐(14)，所述密封罐用于收集从所述空腔(5)中引出的所述树脂(3)。
4.根据前述权利要求中任一项所述的设备(1)，其特征在于，引入通道(9)和引出通道(10)具有截锥形状。
5.根据前述权利要求中任一项所述的设备(1)，其特征在于，所述封闭腔室(22)通过真空回路(21)的装置连接到真空源，所述连接以设置在所述反凸模具(6)或所述模具(4)中的导管和通道(8)的形式。
6.根据权利要求5所述的设备(1)，其特征在于，所述空腔(5)减压回路(20)和所述封闭腔室(22)的真空回路(21)被平行设置且在相同的真空泵(7)的上游汇合。
7.根据权利要求6所述的设备(1)，其特征在于，所述空腔(5)减压回路(20)和所述封闭腔室(22)的真空回路(21)安装有用于测量的装置(15、16)和调节压力和流速的装置(17、18)。
8.根据前述权利要求1-7任一项所述的设备(1)，其特征在于，其还包括至少一个用于将所述反凸模具(6)定位到所述模具(4)中心上的装置。
9.一种使用根据权利要求1-8任一项所述的设备(1)的方法，所述方法用于通过复合材料制造模压部件，所述复合材料包括强化纤维(2)和树脂(3)的混合物，所述方法包括以下步骤：
a)在设备(1)的空腔(5)中配置强化纤维(2)；
b)在模具(4)上放置反凸模具(6)；
c)使用所述空腔(5)减压装置(7)在所述空腔(5)中建立低压，且在封闭腔室(22)中建立封闭真空；
d)向所述空腔(5)中引入树脂，同时保持所述空腔(5)中的低压和在所述封闭腔室(22)中的封闭真空；
e)当过量的树脂(3)通过通道(10)流出所述空腔(5)时，停止降低所述空腔(5)的压力；
f)将所述树脂(3)热固化；
g)将所述反凸模具(6)与所述模具(4)分离；
h)将模压部件脱模；
i)任选地，在步骤h)中获得切割的模压部件。
10.根据权利要求9所述的制造方法，其特征在于，将步骤c)执行如下：所述使用空腔(5)减压装置(7)在所述空腔(5)中建立至少800mbar的低压，且在所述封闭腔室(22)中建立至少300mbar的封闭真空。
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