CN1018900B - 模制方法 - Google Patents

Abstract

一种模制具有注射了树脂的纤维表皮部分和一型芯部分的复杂复合制品的方法，包括在型芯中或纤维表皮中提供一个或多个通道，并将树脂注入一通道或多个通道，由此它能快速地传送到表皮的所有部分。通道克服了毛细管特性产生的流动阻力。且能采用较快的模制的周期，因而能模制更复杂的制品。

Description

本发明涉及一种模制方法，特别涉及一种模制可固化树脂的复杂制品的方法。

一种通常的模制复合材料制品的方法，如树脂输送模制工艺，包括将一增强纤维，例如玻璃纤维，碳纤维或Kevlar纤维的结构放入一模具中，然后将液态树脂注入该模具，这样，树脂便渗透到整个增强结构中。然后，树脂固化便产生了一个树脂/纤维复合物，这种复合物有良好的机械性能和较轻的重量。最终的机械性能取决于所采用的增强纤维和树脂的类型。一种通常的将树脂由树脂注射机输送到模具中的纤维中去的方案如图1所示。树脂注射机的喷嘴被夹紧在模具注射口，加压的树脂在注射口处由注射机流入增强纤维。在一个大的模具上，可以采用一个以上注射口，但这又带来一个问题，即树脂在供料系统中固化，因而需提供一个用于去除固化的树脂的手段。

今年，由于引入的预成型方法而产生的树脂输送模制工艺显著提高了可能的模制的复杂性，这种预成型方法使增强纤维复杂形状制件与例如发泡塑料填加剂结合使用于该工艺中。

由于纤维增强物限制流动，所以循环时间通常是相当长的并且复杂程度也受限制，这些主要限制了其他通用工艺。

聚合物基中纤维增强的复合物结构对解决许多工程问题提供了低重量，高强度的优点。它们的应用也迅速增长，尤其在军用和在汽车工业、航空工业中应用。典型的玻璃纤维或碳纤维增强的热固性或热塑性聚合物基复合物具有可与钢相比较的拉伸强度和低的模量，其密度是钢的20%～25%，正是这低模量，对设计者来说是主要问题之一，设计者必须通过增加截面尺寸来补偿，以获得更高值的截面的第二力矩。为了获得与钢相比等量的刚度，常常需要大大增加截面。而且这就要求经常是三维的复杂结构。

因此，复杂的三维结构就是设计者用来满足产品的结构要求而必须采用的形式。然而，对于生产来说，这在技术上并不是容易的，而且由于需要长的循环时间，费用过大。

因此，需要对可应用于复合物制品的模制工艺进行改进，从而在生产复杂结构时，降低循环时间和费用。本发明寻找提供这样一种改进的方法。

根据本发明，提供了一种模制复杂复合物制品的方法，该制品具有一注入了树脂的纤维层和一个树脂无法渗透的型芯部件，该方法包括在型芯部件或纤维层上带有一个或多个通道，并使树脂注入通道后很快被输送到纤维层的所有部位。

在一个不渗透树脂的型芯部件上采用了通道后，使用一个单一树脂注射喷嘴，就可以将树脂输 送到按照模具的形状要求所需的任何部位。优先选择的形式是注射喷嘴被插入型芯的通道。纤维层经常采取围绕型芯部件的“表皮”的形式，在这种情况下，最好是使喷嘴通过被模制的制品的表皮插入到通道中。当注射循环完成时，喷嘴在树脂固化前被拨下，并且将注射入口封住。本发明的方法可以生产非常复杂的结构并减少循环时间。

型芯部件的主要功能是将诸表皮隔开并防止树脂进入表皮之间的空腔。任何能承受当关闭模具时施加的力和树脂的注射压力的材料一般是足够的。这样，型芯部件被用于比较厚的模具内，通常是具有一种无孔泡沫塑料材料，例如，泡沫聚氨酯或方便起见采用轻的或使宜的泡沫聚酯。然而，它们可以用其他所需的材料，例如，灰泥，木头，蜡，和类似物。采用如蜡的型芯材料，当模压完成后，靠熔化有可能使其去掉。可以被加压的空心的聚合物型芯有可能将部件例如燃料桶模制到复合物制品中。然而，如果制件是相当薄的话，就不需要用作上述目的型芯。然后，“型芯”和通道可以是一个并且是相同的，这样，“型芯”可以被简单表示以定义为在纤维层上的一个或多个通道。

尽管上述讨论引用到了“树脂”，本发明的工艺也同样可以被运用于其它形式的模制复合物，例如金属基复合物，其中陶瓷纤维被放在一个模具内，并且，熔化的金属被注入在含有陶瓷纤维的空腔内。由此，便解释了“树脂”的含义。

除了在型芯中使用诸通道外，还可在制造表皮的纤维中设置诸条通道，或者，两种方法中选择一种。这些通道可以是实体性的通道，例如插入的管子，或钻通纤维层的孔，或最好是可以在纤维层的实际编织过程中包括进去。例如，编织时省略一排或多排粗纬纱或粗经纱，留下一个缝隙，该缝隙即为一有效的通道。还可供选择的是，个别或少量的粗纬纱或粗经纱显著小于主粗纱以留出一用作引入树脂的通道的空隙。然而，特别地在后一种情况下，除了在模具型芯上形成的通道外，采用这样的通道是最可取的。正是用作增强复合物的纤维的这种性能，即它们的较大的刚度，使在模压情况下编织成的这种空隙或通道保持了它们的完整性。压缩的程度和维维被限制在模具中的事实强调了这个性能。

为了生产可以用作结构件的复合物制品，这种产品具有高的强度与重量之比并能取代钢组件，必须遵照下列准则，即增强纤维必须是长的，最好是连续的;纤维的取向是可行的;和纤维的比重是高的，其最好占复合物重量的60%，或更高些。

为了达到上述目的，必须将纤维紧紧地填入模具。这就大大限制了树脂的流动，事实上，实用水平的增强纤维，其纤维间的空隙事实上小得可以将它们看作是毛细管。这就是说，空隙是遵守流动于毛细管的流体流动定律的。简单地说，这意味着表面张力显著大于迫使聚合物穿过纤维层的压力，且这些表面张力控制着流体流动的速率。

可以看到，当一个管子内径变小时，管内施加于流动于管子中的流体的力也变得非常小并趋向于零。这是因为所施加的力是压力乘面积的函数，因为面积随着直径的平方降低而降低，所以直径减小时，面积更急刷减小。流过一狭窄管子的粘滞阻力如下所示。

施加的力P+表面张力P＝粘滞阻力P

如果施加的力P小，即当有效直径小时，它可被急略，故

O + (4Tcos θ)/(d) = (32 μlv)/(d²)

式中，V＝流体速度

T＝表面张力

θ＝接触角

d＝管子直径

l＝管子长度

μ＝粘度

解V，可得

V (Td cos θ)/(8μl)

在任何给定的情况下，T，d和θ是常数，因此，树脂的流动速度与粘度及管子长度成反比。对一种给定材料而言，有一在降低粘度时可以达到的极限。对聚合物而言，加热使粘度降低但只能降到一个有限的程度。因此，如果V，即液体速度保持在尽可能高则1，管子长度必须被保持在最小值。这就是本发明的方法中通道的构造，该构造使得1在纤维层中被保持在最小值。

下面是进一步的考虑，当树脂注射嘴与纤维增 强层接触时，实际上只有伸入喷嘴区域的纤维层中的毛细管区域可用于将液体输入纤维中的。由于纤维层的特性，实际上大多数进入纤维层的流体是流过围绕喷嘴周围的毛细管的。因此，存在一环形渗透带，通过该环形带液体进入纤维层，正是该环形带的长度比喷嘴面积重要得多。

在本发明的方法中，采用的通道类型将在下文中详细描述，渗透带是非常长的，因而是有效的。这就增加了流体流入纤维结构的速率，这在上述讨论中将会明了。用于将树脂输送到整个将要被模制的复合物中去的“通道”应该有足够大的尺寸，从而避免和毛细管流动情况有关的流速受限制，这样就使树脂能迅速地被输送到整个复合物中去，使生产复杂三维复合物制品时大大缩短了循环时间。而且，本发明方法不需要采用高的压力。如上所述，即使高压也不能在存在毛细管流动的情况下足以降低循环时间。此外，高压需要笨重的模具和辅助设备，因而增加了模制成本。典型的本发明工艺所采用的压力不超过6巴，通常小于3巴。

本发明将参照附图通过实例进一步描述。

图1为用于通常的树脂传输模制法的模具的剖面示意图。

图2与图1相似，是为实施本发明方法所采用的一种模具。

图3为按照本发明方法所能制造的一种复杂形状的样品的示意图。

图4表示本发明的另一实施例的模具局部视图;和

图5为表示一个不同类型的通道的模具局部视图。

参照诸附图，特别是图2和图3，可以看见，用于制造如图2所示的形状的一种模具10，包括分别在16处分开的上、下两个半模12和14和一单一的注射孔18。将例如采用无孔泡沫塑料材料的不渗透的树脂型芯20放置在模具的空腔中，空腔的四周被诸如玻璃、碳或Kevlar（聚对苯二甲酰对苯二胺）纤维的增强纤维层包围，该纤维层将以与通常模制工艺相似的方法形成最终复合物的“表皮”。然而按照本发明，型芯20中有一位于上表皮24与下表皮26之间，且与型芯20同心的空洞或通道22。一个注射嘴28经过注射孔18插入通道22。树脂注进通道22后能使同时均匀地分配在上表皮24与下表皮26之间。分布在分模面16附近的边孔（未显示）保证被树脂排开的空气能离开模腔。

在型芯20中提供通道22这一显然简单的权宜之计保证树脂被同时输送到上下表皮24、26，并且减少了树脂必须经过上、下表皮大致流到模具的宽度或圆弧处的最大长度。此外，由于通道宽度大于注射嘴出口直径，再由于现有两个出口进入纤维层而不是一个，渗透路径可观地增加近四倍，所以使树脂以四倍的速率注入纤维层。所以采用本发明的方法，利用单一的注射口28，比采用在模具的一边一个共两个注射口，有了一个可观的改进，采用两个注射口在通常的树脂传输模制法中使用，带来了相应的成本与复杂度的增加。如果要求进一步减少循环次数，可以采用附加的通道，如图5所示的，和下面将讨论到的类型。在树脂传输速率上的改进可能是大于一般方法所能达到的一种数量级。

一旦树脂的注射完成，注射嘴28被抽出，孔18被堵住，随后树脂凝固或使其凝固。以通常方法的脱模制造了一种几乎明显区别于用一般模具生产的产品，且注射时间已经可观地比不提供通道所必需的时间减少。

图3中图示了一种相当复杂形状的模制产品，这种产品利用一般的方法将难以或不可能满意地成型。产品30包括一个泡沫芯32和外表皮34。芯32有一垂直通道36和四个和垂直通道36连通的水平通道38。通道36、38保证从单一的注射嘴传送进来进入通道36的树脂被输送到模具的远端，并使均匀而快速地注入树脂。自然地，在注射后通道36、38中的树脂的固化不是一个缺点，因为树脂在产品外部的通道或通路中硬化，在下次注塑前必须从产品上将其清理。

本发明工艺的一个特殊的优点是允许经实验非常简便地发现通道系统的最佳形式。在通常的模具中，起决定作用的是：如果一单一的树脂输入，或再加上另外的多个注入孔，或再加上开入模具体中的几条外通路或通道，这样的模制形状就太复杂了。不用说，如果在最优能发现前几种结构方案必需被试一试的话，这是既费时又费钱的事。利用本发明方法，通道只需要开在泡沫塑料芯中，这种操作非常简单、快速、便宜。所以，最佳的形状可以 很快很便宜地被发现。已有一个现成的被称为“Taguchi”方法的优化设计的经验统计技术，这一技术可用于通道设计。由于形状的变化很快很便宜，本发明的方法可赞赏地引出这样一条途径。通道网和流动特性可在计算机上模仿和模拟，以达到优化设计。

尽管在这里使用了术语“通道”，树脂流通道不必全部包含在芯内，这将会被理解的。所以，一些或全部“通道”可在模具芯的表面和被构成表皮的加强纤维层限制。这样一种结构在图5中已表示。在这种情况下，“通道”足够狭窄以使表皮部分不致偏移或弯进这些“通道”内，这样是最好的。采用的纤维的韧性应能使它们能“跨越”窄缝。通道仍然形成的芯中，而不是在模具中，以便本发明仍具优点。这些表面通道最好是呈扇形的或网状的相互连通的槽，而且可以连接到一个或多个内部通道上。图5所示类型的通道可使树脂遍布制品，而同时提供许多使树脂进入纤维结构的渗透路径。结构构成中含有的诸通道显示出相同的特性。

现在来看图4，图中表示了一个实施例，其中通道40有效地在纤维层24中形成。在这个情况下，通道40包括一管状芯，其上具有一系列入孔42能使树脂沿它的长度以及它的每一端扩散到纤维层24中。

虽然该工艺已经被描述为关于树脂传输模制法，然而可理解：该工艺更广的实用性可用于任何模制工艺，这些工艺采用一内部芯体仅仅将一设定的结构限制与分配到特定的区域。尽管它决不被限制在这一用途中，本发明工艺尤其适用于制造在公布号为0147050的欧洲专利中描述和要求保护的产品。

为了模制一个按上述欧洲专利的检查孔盖，可用一个公称尺寸为600mm×600mm×76.5mm的模具。在该模具中设置13个用玻璃纤维层包围的无孔聚氨酯泡沫塑料芯，以其所占份量大致为孔盖制品的复合部分的62%。

中心芯体具有一与图2所示的类似的通道，且树脂被注入通道，以便同时进入模具的上下表面。十公斤间对苯二酸聚酯树脂在40度温度下注射七分钟以上。凝固和脱模后，一个坚固的整体制品被制造出来，该制品能够支持作为一个检查孔盖所需支持的重量。该产品不可能用通常的方法在实际的模制时间中成功地制造出来。如果引自中心通道22在芯体20的每个顶面和底面上设置四条表面通道，用这个方法使通道网扩展开。这样，注入时间可以进一步减少到接近两分钟。本发明方法提供一种简单的、比较价廉的、快速的利用树脂注入生产相当复杂形状的产品的方法。

Claims (10)

1、一种模制用作结构件的复杂复合物制品的方法，所述制品有一注入了树脂的纤维层，和一型芯部件，其特征在于还包括在型芯或纤维层中的一条或多条通道，而且通过一穿过注射入口而插入该通道的注射喷嘴将树脂直接注入该通道或诸通道，由此，树脂被迅速地输送到纤维层的各个部位，随后，在树脂固化或使其固化之前，将注射喷嘴拨出并封住注射入口。

2、如权利要求1所述的方法，其特征在于，型芯是一种不渗透的泡沫树脂塑料。

3、如权利要求2所述的方法，其特征在于在，型芯中至少有一个通道。

4、如权利要求1至3中任一权利要求所述的方法，其特征在于，纤维层中至少有一个通道。

5、如权利要求1至3中任一权利要求所述的方法，其特征在于，通道处于模具型芯的表面，且被构成表皮的增强纤维层所限制。

6、如权利要求1至3中任一权利要求所述的方法，其特征在于，纤维层中的纤维包括玻璃纤维，碳纤维，Kevlar（聚对苯甲酰对苯二胺）纤维或类似物。

7、如权利要求1至3中任一权利要求所述的方法，其特征在于，型芯为一种无孔泡沫聚酯或无孔泡沫聚氨酯塑料。

8、如权利要求1至3中任一权利要求所述的方法，其特征在于，复合物产品的模制部分中的纤维密度至少是60%。

9、如权利要求1至3中任一权利要求所述的方法，其特征在于，纤维是长的，且最好是连续的。

10、如权利要求1至3中任一权利要求所述的方法，其特征在于，通道提供一条或多条进入纤维层的渗透路径，而同时能迅速传输树脂。

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