CN105034411B - 快速成型复合材料用织物预制体制备装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种快速成型复合材料用织物预制体制备装置及方法，该装置包括上模、下模和用于控制上模、下模的温度、压力、开启、关闭的控制器，该种快速成型复合材料用织物预制体制备装置及方法，通过真空负压对带有定型剂的织物快速压实、加热、冷却并得到具有一定形状要求的织物预制体，通过高弹性薄膜的可变形性几乎可以实现任意厚度和几何形状的预制体，且所得预制体密实、厚度均匀且具有很好的抗变形能力。
Description
技术领域
本发明涉及一种快速成型复合材料用织物预制体制备装置及方法。
背景技术
低成本成型技术已经成为了复合材料发展的主要方向。在复合材料低成本技术方面，树脂传递模塑（RTM）、真空辅助树脂渗透成型（VARI）、树脂膜浸渗（RFI）等技术是当前先进复合材料低成本技术的主流。液体成型更容易实现结构整体化，尺寸大型化以提高结构效率和成型效率。目前在民用飞机的主承力结构上已广泛使用低成本的液体成型技术，如庞巴迪的C系列飞机机翼和MS-21的复合材料机翼均采用了这类技术。
对于复合材料制造来说，低的成本不仅包含了材料的低成本，而且最主要的是提高制造效率。在液体成型技术发展的过程中，提高预制体的制备效率显得尤为重要。
发明内容
本发明的目的是提供一种快速成型复合材料用织物预制体制备装置及方法，提高预制体的制备效率，通过快速开启、加热、加压的方式在高变形能力的薄膜下可以实现任何形状尺寸的预制体制备。
本发明的技术解决方案是：
一种快速成型复合材料用织物预制体制备装置，包括上模、下模和用于控制上模、下模的温度、压力、开启、关闭的控制器，所述上模采用桁架式结构，上模设有高变形薄膜，上模与高变形薄膜形成中空腔室一，腔室一内的顶部设有加热组件和热风循环系统，下模与上模的对接处设有压缩式密封条，下模设有可水平移动式工作平台，工作平台的台面采用多孔结构，下模的底部设有腔室二，工作平台的台面设有若干连通腔室二的通孔，腔室二设有真空装置，下模的底部设有用于移动下模的水平轨道。
进一步地，加热组件采用电阻丝热风循环、红外灯辐射或热油循环的加热组件，上模设有若干加热分区。
进一步地，上模采用环氧代木、密度板、铝合金、泡沫、复合材料、实木、石膏或模具钢制成，下模采用环氧代木、密度板、铝合金、泡沫、复合材料、实木、石膏或模具钢制成。
进一步地，高变形薄膜采用厚度为0.2~5mm、断裂伸长率为100~800%、耐热温度为20℃~300℃的薄膜，高变形薄膜采用天然橡胶、硅橡胶、丁晴橡胶或聚酰亚胺制成的薄膜。
一种快速成型复合材料用织物预制体制备方法，采用预制体制备装置，通过加热将铺叠在一起的织物通过真空负压将其压实、加热融化定型剂、冷却制备得到织物预制体；
预制体制备装置包括上模、下模和用于控制上模、下模的温度、压力、开启、关闭的控制器，所述上模采用桁架式结构，上模设有高变形薄膜，上模与高变形薄膜形成中空腔室一，腔室一内的顶部设有加热组件和热风循环系统，下模与上模的对接处设有压缩式密封条，下模设有可水平移动式工作平台，工作平台的台面采用多孔结构，下模的底部设有腔室二，工作平台的台面设有若干连通腔室二的通孔，腔室二设有真空装置，下模的底部设有用于移动下模的水平轨道；
织物预制体的制备具体为：
将铺放完成的带定型剂干织物放置在下模的工作平台上，水平移动下模至上模的下方时，上模下降至下模的压缩式密封条，上模与下模形成密封型腔，同时下模的腔室二设有真空装置，真空装置启动，使腔室二形成负压，对工作平台上的织物进行压实，待压实后，上模的加热组件对织物以升温速率2~20℃/min加热、真空压力0~0.09MPa进行定型，待定型完成后关闭加热组件，冷却至室温后关闭真空，开启上模，制备得到织物预制体。
进一步地，定型剂采用热固性定型剂或热塑性树脂定型剂，热固性定型剂采用环氧树脂、双马来酰亚胺树脂、热固性聚酰亚胺树脂、苯并恶嗪树脂、氰酸树脂中一种以上；热塑性树脂定型剂包括采用聚酰胺、聚醚砜、聚醚醚酮、聚苯硫醚中一种以上。
进一步地，定型剂的面密度通常为织物面密度的2%~20% wt。
进一步地，在木质下模的工作平台上铺放带定型剂的织物，通过胶带固定，其中，定型织物表面用了2%~15%wt 的环氧树脂粉；将下模移至上模的下方，并下降上模，开启真空装置对腔室二进行抽真空，待真空达到设定时加热自动启动进行加热，定型温度为80~140℃，制备得到环氧树脂粉末定型剂织物C型梁预制体。
进一步地，在双曲面模具上预铺放定型织物形成夹层结构的外蒙皮，定位铺放泡沫夹层，最后铺放剩余铺层并完成固定，其中选用5~15g无纺布的定型织物，采用该预制体制备装置进行压实，以定型温度90~260℃进行加热定型，冷却得到无纺布定型织物制备双曲面夹层结构预制体。
本发明的有益效果是：该种快速成型复合材料用织物预制体制备装置及方法，通过真空负压对带有定型剂的织物快速压实、加热、冷却并得到具有一定形状要求的织物预制体，通过高弹性薄膜的可变形性几乎可以实现任意厚度和几何形状的预制体，且所得预制体密实、厚度均匀且具有很好的抗变形能力。
附图说明
图1是本发明实施例的结构示意图；
其中：1-上模，2-下模，3-控制器，4-高变形薄膜，5-加热组件，6-密封条，7-工作平台，8-真空装置。
具体实施方式
下面结合附图详细说明本发明的优选实施例。
实施例
一种快速成型复合材料用织物预制体制备装置，如图1，包括上模1、下模2和用于控制上模1、下模2的温度、压力、开启、关闭的控制器3，所述上模1采用桁架式结构，上模1设有高变形薄膜4，上模1与高变形薄膜4形成中空腔室一，腔室一内的顶部设有加热组件5和热风循环系统，下模2与上模1的对接处设有压缩式密封条6，下模2设有可水平移动式工作平台7，工作平台7的台面采用多孔结构，下模2的底部设有腔室二，工作平台7的台面设有若干连通腔室二的通孔，腔室二设有真空装置8，下模2的底部设有用于移动下模2的水平轨道。
预制体的制备通过密封条6密封上模1、下模2形成闭腔结构，通过真空装置8抽取气体，高变形薄膜4实现压实织物，加热融化定型剂、冷却定型，形成最终的织物预制体。
实施例中，上模1主要为桁架结构的大梁，用于支持加热、高变形薄膜4和密封条6。这样做的目的是固定上模1庞大的加热组件5，以保证整个上模1的刚度，保证密封。上模1仅执行抬升和下降两个动作即可完成模具的开合，实现了快速锁模、开模。
加热组件5采用电阻丝热风循环、红外灯辐射或热油循环的加热组件5，上模1设有若干加热分区。上模1内部的加热组件5可以通过分区进行控制，每个控制区可实现单独加热，根据产品的大小可以选择加热区间的进行。加热方式可采用电阻丝热风循环、红外灯辐射、热油循环等。
高变形薄膜4采用天然橡胶、硅橡胶、丁晴橡胶、聚酰亚胺以及其改性产品的薄膜。薄膜厚度为0.2~5mm，断裂伸长率为100~800%，耐热温度20℃~300℃。
下模2设有具有一定承载能力的多孔结构工作平台7，真空装置8通过多孔结构的台面快速抽除封闭腔室的空气实现负压。下模2通过垂直于模具方向的水平轨道平行移动，方便多个模具的交替使用和大型工装的吊装。
上模1采用环氧代木、密度板、铝合金、泡沫、复合材料、实木、石膏或模具钢制成，下模2采用环氧代木、密度板、铝合金、泡沫、复合材料、实木、石膏或模具钢制成。
当将铺放完成的带定型剂干织物放置在下模2的工作平台7上，水平移动下模2至固定位置时，上模1下降形成密封型腔，同时真空泵启动对织物进行压实，待压实后快速加热进行定型，待定型完成后关闭加热源，冷却至室温后关闭真空，开启上模1。
一种快速成型复合材料用织物预制体制备方法，采用预制体制备装置，通过加热将铺叠在一起的织物通过真空负压将其压实、加热融化定型剂、冷却制备得到织物预制体；织物预制体的制备具体为：
将铺放完成的带定型剂干织物放置在下模2的工作平台7上，水平移动下模2至上模1的下方时，上模1下降至下模2的压缩式密封条6，上模1与下模2形成密封型腔，同时下模2的腔室二设有真空装置8，真空装置8启动，使腔室二形成负压，对工作平台7上的织物进行压实，待压实后，上模1的加热组件5对织物以升温速率2~20℃/min加热、真空压力0~0.09MPa进行定型，待定型完成后关闭加热组件5，冷却至室温后关闭真空，开启上模1，制备得到织物预制体。
以环氧树脂粉末定型剂织物C型梁预制体制备为例：
在木质模具上铺放带定型剂的织物，通过胶带临时固定；其中定型织物表面用了2%~15%wt 的环氧树脂粉。将模具放置子在工作台上并下降上模1，开启真空泵对进行抽真空，待真空达到指定要求时加热自动启动进行加热，定型温度为80~140℃。制备的C型梁预制体密实、厚度均匀且具有很好的抗变形能力。
以无纺布定型织物制备双曲面夹层结构预制体的制备为例：
在准备好的双曲面模具上预铺放了定型织物形成夹层结构的外蒙皮，双曲面模具由上模、下模构成，定位铺放泡沫夹层，最后铺放剩余铺层并完成固定，其中选用了5~15g无纺布的定型织物。采用此装备进行压实、加热定型、冷却得到了双曲面结构的产品预制体，定型温度为90~260℃，完成织物预制体的制备。
实施例中织物表面均匀粘附一层定型剂，其中定型剂可采用热固性定型剂或热塑性树脂定型剂两种类型。热固性定型剂包括环氧树脂、双马来酰亚胺树脂、热固性聚酰亚胺树脂、苯并恶嗪树脂、氰酸树脂或者是其增韧改性的混合物；热塑性树脂定型剂包括聚酰胺、聚醚砜、聚醚醚酮、聚苯硫醚以及其改性产品。定型剂的面密度通常为织物面密度的2%~20%。定型剂存在形式包括但不限于均匀的粉末、纱线、无纺布。
实施例中，加热可以实现分区进行，加热温度在20℃~400℃可调，升温速率2~20℃/min，真空压力0~0.09MPa可控。
实施例的预定型模具采用环氧代木、密度板、铝合金、泡沫、复合材料、实木、石膏、模具钢；其尺寸可以完全覆盖在设备密封型腔内。
Claims (7)
1.一种快速成型复合材料用织物预制体制备装置，其特征在于：包括上模、下模和用于控制上模、下模的温度、压力、开启、关闭的控制器，所述上模采用桁架式结构，上模设有高变形薄膜，高变形薄膜采用天然橡胶、硅橡胶、丁晴橡胶、聚酰亚胺以及其改性产品的薄膜，上模与高变形薄膜形成中空腔室一，腔室一内的顶部设有加热组件和热风循环系统，加热组件采用红外灯辐射或热油循环的加热组件，上模设有若干加热分区；下模与上模的对接处设有压缩式密封条，下模设有可水平移动式工作平台，工作平台的台面采用多孔结构，下模的底部设有腔室二，工作平台的台面设有若干连通腔室二的通孔，腔室二设有真空装置，下模的底部设有用于移动下模的水平轨道；上模采用环氧代木、密度板、铝合金、泡沫、复合材料、实木、石膏或模具钢制成，下模采用环氧代木、密度板、铝合金、泡沫、复合材料、实木、石膏或模具钢制成。
2.如权利要求1所述的快速成型复合材料用织物预制体制备装置，其特征在于：高变形薄膜采用厚度为0.2~5mm、断裂伸长率为100~800%、耐热温度为20℃~300℃的薄膜，高变形薄膜采用天然橡胶、硅橡胶、丁晴橡胶或聚酰亚胺制成的薄膜。
3.一种快速成型复合材料用织物预制体制备方法，其特征在于：采用预制体制备装置，通过加热将铺叠在一起的织物通过真空负压将其压实、加热融化定型剂、冷却制备得到织物预制体；
预制体制备装置包括上模、下模和用于控制上模、下模的温度、压力、开启、关闭的控制器，所述上模采用桁架式结构，上模设有高变形薄膜，高变形薄膜采用天然橡胶、硅橡胶、丁晴橡胶、聚酰亚胺以及其改性产品的薄膜，上模与高变形薄膜形成中空腔室一，腔室一内的顶部设有加热组件和热风循环系统，加热组件采用红外灯辐射或热油循环的加热组件，上模设有若干加热分区；下模与上模的对接处设有压缩式密封条，下模设有可水平移动式工作平台，工作平台的台面采用多孔结构，下模的底部设有腔室二，工作平台的台面设有若干连通腔室二的通孔，腔室二设有真空装置，下模的底部设有用于移动下模的水平轨道；上模采用环氧代木、密度板、铝合金、泡沫、复合材料、实木、石膏或模具钢制成，下模采用环氧代木、密度板、铝合金、泡沫、复合材料、实木、石膏或模具钢制成；
织物预制体的制备具体为：
将铺放完成的带定型剂干织物放置在下模的工作平台上，水平移动下模至上模的下方时，上模下降至下模的压缩式密封条，上模与下模形成密封型腔，同时下模的腔室二设有真空装置，真空装置启动，使腔室二形成负压，对工作平台上的织物进行压实，待压实后，上模的加热组件对织物以升温速率2~20℃/min加热、真空压力0~0.09MPa进行定型，待定型完成后关闭加热组件，冷却至室温后关闭真空，开启上模，制备得到织物预制体。
4.如权利要求3所述的快速成型复合材料用织物预制体制备方法，其特征在于：定型剂采用热固性定型剂或热塑性树脂定型剂，热固性定型剂采用环氧树脂、双马来酰亚胺树脂、热固性聚酰亚胺树脂、苯并恶嗪树脂、氰酸树脂中一种以上；热塑性树脂定型剂包括采用聚酰胺、聚醚砜、聚醚醚酮、聚苯硫醚中一种以上。
5.如权利要求4所述的快速成型复合材料用织物预制体制备方法，其特征在于：定型剂的面密度为织物面密度的2%~20% wt。
6.如权利要求5所述的快速成型复合材料用织物预制体制备方法，其特征在于：在木质下模的工作平台上铺放带定型剂的织物，通过胶带固定，其中，定型织物表面用了2%~15%wt的环氧树脂粉；将下模移至上模的下方，并下降上模，开启真空装置对腔室二进行抽真空，待真空达到设定时加热自动启动进行加热，定型温度为80~140℃，制备得到环氧树脂粉末定型剂织物C型梁预制体。
7.如权利要求5所述的快速成型复合材料用织物预制体制备方法，其特征在于，在双曲面模具上预铺放定型织物形成夹层结构的外蒙皮，定位铺放泡沫夹层，最后铺放剩余铺层并完成固定，其中选用5~15g无纺布的定型织物，采用该预制体制备装置进行压实，以定型温度90~260℃进行加热定型，冷却得到无纺布定型织物制备双曲面夹层结构预制体。
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