CN114311761A - 一种集温度、灌注速度和压力于一体的vartm装置和方法 - Google Patents

Abstract

一种集温度、灌注速度和压力于一体的VARTM装置和方法，涉及到复合材料制备领域，解决现有复合材料制品局部浸渍不良或干纱以及异形件中基体材料分布不均等问题。包括：给料系统、控温系统、控流系统、压力系统、成型工作台，所述给料系统用于向密闭的模具提供基体材料；所述控温系统用于调节基体材料的灌注温度及固化温度；所述控流系统用于调节基体材料的灌注速度；所述压力系统用于固化阶段向模具施加压力；所述成型工作台用于提供复合材料灌注成型和固化过程的密闭空间。本发明提供一种温度、流速和压力完全精确可控的全方位一体化生产控制系统，可针对不同基体材料调整不同的成型温度、灌注速度及压力，进而保证了复合材料制品的质量及生产效率。

Description

一种集温度、灌注速度和压力于一体的VARTM装置和方法

技术领域

本发明属于复合材料制造技术领域，尤其涉及一种集温度、灌注速度和压力于一体的VARTM装置和方法。

背景技术

复合材料由于其优异的比强度和刚度，被认为是未来轻质结构最有前途的材料之一，在应用中也符合节能、环保的绿色发展要求。随着经济、科学技术的持续发展，传统能源储量在不断减少，人工合成的复合材料具有较大的替代空间，其市场需求日益增加，进一步推动了行业的发展。目前，复合材料主要用于诸如电子、家电、汽车、体育休闲、风力发电、轨道交通、船舶、航空航天、建筑节能等领域，在国民经济中占有重要地位，是国家产业政策重点鼓励发展的行业。

真空辅助树脂传递模塑工艺(VARTM)是应用较广泛的注塑工艺之一，其适用于质量要求高、小批量和尺寸较大的制品。与传统的热压罐成型工艺相比，该工艺具有模具成本低和制品尺寸几乎不受限等突出特点。用这种方法加工的复合材料，其制品的纤维含量高、力学性能优良，而且产品尺寸范围宽，尤其适合制作大型制品。

而从目前来看，现有的VARTM工艺在制备复合材料时，由于温度、灌注速度及压力的协同作用，导致复合材料制品出现局部浸渍不良或干纱以及异形件中基体材料分布不均等缺陷，这很大程度上影响了产品的质量及性能，从而制约了材料在相关行业的应用及发展。本发明提出一种集温度、灌注速度和压力于一体的VARTM装置及方法，对解决上述问题、保证产品质量和性能具有重要意义，更重要的是还可以更好地实现复合材料成型过程的一体化，使生产效率及自动化水平得到进一步提升。

发明内容

(一)拟解决的技术问题

针对传统VARTM工艺成型过程中存在的问题，本发明提供一种集温度、灌注速度和压力于一体的VARTM装置和方法，以克服现有方法存在的不足，实现复合材料制品优质、高效的制备。

(二)技术方案

为达到上述目的，本发明所涉及的一种集温度、灌注速度和压力于一体的VARTM装置和方法采用的主要技术方案包括：给料系统、控温系统、控流系统、压力系统、成型工作台。

所述给料系统用于向密封的模具内提供液态基体材料；

所述控温系统用于调节成型过程基体材料的灌注温度及复合材料的固化温度；

所述控流系统用于调节液态基体材料进入模具的灌注速度；

所述压力系统用于固化阶段向模具施加压力；

所述成型工作台用于提供复合材料灌注成型和固化过程的密闭空间。

在一个优选的实施方案中，所述控温系统包括加热丝、保温层、制冷管、温度传感器、控制线缆、数据采集系统、稳定架和限位架，可控温度范围为-10～180℃。所述加热丝位于模具下侧、底座上侧。所述制冷管位于加热丝周围，共同置于模具内侧。所述控制线缆连接加热丝、制冷管和数据采集系统，从而调控模具内温度的升高或降低。所述限位架位于加热丝和制冷管下方，用于限制其位置。所述稳定架位于底座和模具之间，用于稳定固定模具。

在一个优选的实施方案中，所述控流系统包括流量传感器、数据采集系统、控制线缆和控流阀。所述流量传感器与成型工作台进口处的导料管相连，并与数据采集系统相接，用于监控入口处的流量数据。所述控制线缆连接阀门与数据采集系统，通过监测流量数据适时控制阀门截面积，以便更好的控制基材的灌注速度。

在一个优选的实施方案中，所述压力系统包括弹性压头、升降架、压力传感器和控制线缆，其压力可控在0～4MPa。所述升降架位于成型工作台处，上端固定弹性压头，在完成基材注入并进入固化阶段时，控制压头的下降位移调控施加于模具上的压力，从而减少局部基材富集的缺陷。

在一个优选的实施方案中，所述成型工作台包括模具、导流网、渗透纸、脱模布、耐高温真空袋、密封胶条和纤维预制体。所述模具位于加热丝和制冷管上侧、预制体下侧，且与温度传感器相连，放置预制体前需在模具成型面上刷涂两遍脱模剂，其中模具不限形状可为异形件模具。所述脱模布、渗透纸、导流网、耐温真空袋依次铺在预制体上表面。所述温度传感器用于监控基材灌注时和固化阶段的温度。所述密封胶条用于粘接模具和耐温真空袋形成密闭真空空间，且在模具两侧分别与导料管连接，用于后续注入基体材料。

本发明还提供如上所述装置的操作方法，该装置操作方法包括如下步骤：

S1、将混合搅拌均匀并抽真空去泡的液态基体材料置于材料罐中保温静置；

S2、将控流系统安置于成型工作台的入口导料处；

S3、将模具表面涂刷两遍脱模剂，由下至上依次将预制体、脱模布、渗透纸、导流网、耐温真空袋铺于模具表面，使用密封胶条将模具和耐温真空袋粘结形成密闭空间，并将温度传感器置于密闭空间内，通过电脑预设成型工作台的温度，同时将密闭空间抽至真空状态；

S4、打开料口控制开关，液态基体材料通过导料管、控流阀进入成型区。此过程通过电脑实时监控基材的流量和温度，观察预制体直至完全浸润后，关闭料口控制开关，继续保持真空状态；

S5、进入固化阶段后，通过电脑控制将成型工作台温度设置为基体材料所需的固化温度，同时下移压头直至达到工作要求的压力值，保温保压一段时间(视具体基体材料要求设定)，全程保持真空状态；

S6、完成固化后，卸压、降温、关闭真空泵，即可得到复合材料制品。

S7、清理工作台后，重新进行上述步骤，进行下一个产品制备。

(三)有益效果

本发明提供一种集温度、灌注速度和压力于一体的VARTM装置和方法，具备以下有益效果：

1、该可控温度、灌注速度和压力的VARTM的装置及方法，通过控温系统调控复合材料成型过程中的基体材料温度及固化温度，保证基体材料最佳的流动状态、充型性及固化温度，有效的避免复合材料制品出现局部浸润不充分和气孔等缺陷，提高制件成品率及质量。

2、该可控温度、灌注速度和压力的VARTM的装置及方法，通过控流系统调节灌注速度，使基体充分浸润纤维预制体，避免出现浸润不足的缺陷。

3、该可控温度、灌注速度和压力的VARTM的装置及方法，可根据不同的制件形状在固化过程中施加压力，实现成型-固化一体化工序，降低成本，提高产品质量及生产效率。

附图说明

图1为本发明装置的整体结构示意图。

图2为本发明装置中成型工作台结构图。

图3为成型温度为35℃和10℃、灌注速度为最大、不施加压力的平纹碳纤维增强环氧树脂复合材料板的表面宏观图。

图4为成型温度为25℃、灌注速度分别为最大和1/2最大速度、不施加压力的平纹碳纤维增强环氧树脂复合材料板的表面宏观图。

【附图标记说明】

1：数据采集系统；2：数控线缆；3：材料罐；4：料口控制开关；5：导料管；6：控流阀；7：流量传感器；8：温度传感器；9：电加热丝； 10：制冷管；11：限位架；12：模具；13：回收器；14：真空泵；15：升降架；16：弹性压头；17：压力传感器；18：耐温真空袋；19：导流网；20：渗透纸；21：脱模布；22：预制体；23：密封胶条；24：稳定架；25：底架。

具体实施方式

为了更好的解释本发明，以便于理解，下面通过具体实施方式，对本发明作详细描述。

实施例1

本实施例主要考虑模具温度影响。具体工艺为：在碳纤维增强环氧树脂基复合材料制备中，首先将基体材料环氧树脂的A、B组分均匀混合、去气后静置于给料系统的材料罐中；同时，将成型工作台中的平板型模具表面涂刷两遍脱模剂，待其干燥后将八层平纹碳纤维织物的预制体(每层平纹碳纤维布的尺寸为300mm×300mm)、脱模布、渗透纸、导流网依次放置于平板型模具之上，用密封胶条将模具、两侧导料管和耐高温真空袋进行胶粘密封，将温度传感器也置于封闭真空袋中，并用真空泵将空间内气体抽出，形成真空密闭环境并真空保压一小时。其次，使用数据采集系统将温度分别调控并稳定在10℃、35℃，随即打开料口控制开关，使环氧树脂在真空泵的抽力下注入到成型工作台的密闭空间内，此时流速设置为最大状态，直至预制体上层完全浸润并保持此状态1小时。再次，将料口控制开关关闭，进入固化阶段，将温度调控到70℃，全程保持真空状态2小时，此过程不施加压力。最后，切割并检测两个复合材料板内部是否存在缺陷。由图3可以明显地发现，温度在35℃时复合材料板的填充效果最好，10℃下复合材料板在角落处出现明显浸润不足的干纱缺陷。此实例说明温度影响着复合材料制品最终的内部结构及产品合格率。

实施例2

本实施例主要考虑灌注速度影响。具体工艺为：实验材料和前期步骤与实例1相同，但将两试样温度均设置为25℃，灌注速度分别最大速度和1/2最大速度，后续操作也同实例1。由图4可以明显地发现，灌注速度慢时复合材料板的填充效果最好，速度大时复合材料板末端局部出现气孔缺陷。此实例说明灌注速度影响着复合材料制品最终的结构及产品合格率。

关于压力对局部基体富集的问题分析，上述案例由于模具为平面，重力影响几乎无差别，若模具为曲面异形模具，由于重力作用少量液态基体材料会向下流动，导致制品低处的产生基体富集现象，从而影响制品的精度和性能。在固化阶段在向模具施压使低处基体富集处液体向周围流动，有利于复合材料制品内部基体材料分布均匀。本发明采用弹性压头的作用包括：(1)弹性压头在施压时可根据接触模具改变自身形状，更换模具的形状差异不大，则不用更换弹性压头；(2)弹性压头可以更均匀的将压力传递给模具的各个方向，不会造成制件内部纤维的损伤； (3)提高成品率和生产效率。

以上所述，仅是本发明较佳实施例而已，并非是对本发明做其它形式的限制，并非对本发明构思和范围进行限定，在不脱离本发明设计思想的前提下，本领域中工程技术人员对本发明的技术方案做出的各种变型和改进，均应落入本发明的保护范围，本发明请求保护的技术内容，已经全部记载在权利要求书。

Claims (7)

1.一种集温度、灌注速度和压力于一体的VARTM装置和方法，其特征在于，包括：给料系统、控温系统、控流系统、压力系统、成型工作台。给料系统用于向密闭的模具内提供液态基体材料；控温系统用于调节成型过程基体材料的灌注温度及复合材料的固化温度；控流系统用于调节液态基体材料进入模具的灌注速度；压力系统用于固化阶段向模具施加压力；成型工作台用于提供复合材料灌注成型和固化过程的密闭空间。

2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述给料系统包括材料罐(3)、料口控制开关(4)、导流管(5)、回收器(13)、真空泵(14)，其中，所述液态基材于材料罐(3)内真空去泡后通过导料管(5)进入成型工作台内。所述回收器(13)位于模具(12)和真空泵(14)之间，用于收集过量的基体材料，同时防止基体材料进入到真空泵(14)中，全程由真空泵(14)提供灌注基体材料动力源。

3.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述控温系统包括温度传感器(8)、电加热丝(9)、制冷管(10)、数据采集系统(1)、控制线缆(2)、稳定架(24)和限位架(11)。所述电加热丝(9)和制冷管(10)同时位于模具(12)内侧、底架(25)上侧，用于加热或冷却成型工作台内模具中基体材料，从而实现精确控温。所述数据采集系统(1)与温度传感器(8)相连，用于实时收集监控成型过程中的温度变化，并通过控制线缆(2)加以调控，温度调控范围在-10℃～180℃。

4.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述控流系统包括流量传感器(7)、数据采集系统(1)、控制线缆(2)和控流阀(6)。所述流量传感器(7)位于成型工作台进口处，并与数据采集系统(1)相连，用于监控入口处的流量数据，所述控制线缆(2)连接控流阀(7)与数据采集系统(1)，用于调控流量大小。

5.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述压力系统包括升降架(15)、弹性压头(16)、压力传感器(17)和控制线缆(2)。所述升降架位(15)于成型工作台上部并与弹性压头(16)相连。所述压力传感器(17)连接弹性压头和数据采集系统(1)，用于监测模具上的压力并调控压力大小。所述控制线缆(2)连接数据采集系统(1)和升降架(15)，用于控制弹性压头(16)下降或上升的位移，其中压力可控范围在0～4MPa。

6.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述成型工作台，包括模具(12)、耐高温真空袋(18)、导流网(19)、渗透纸(20)、脱模布(21)、预制体(22)、密封胶条(23)。所述耐温真空袋(18)和模具(12)通过密封胶条(23)组成一个封闭的空间，将导流网(19)、渗透纸(20)、脱模布(21)、预制件(22)由上向下依次放置于密闭空间中，注入基体材料前抽真空，并保压测试其密封效果；其中温度传感器(8)同时与数据采集系统(1)相连，用于实时监测、采集成型区内基体材料的温度，进而调控成型区温度。

7.一种包括权利要求1-6任一项所述装置的操作方法，其特征在于，该装置操作方法包括如下步骤：

S1、将混合搅拌均匀并抽真空去泡的液态基体材料置于材料罐中保温静置；

S2、将控流系统安置于成型工作台的入口导料管处；

S3、将模具表面涂刷两遍脱模剂，由下至上依次将预制体、脱模布、渗透纸、导流网、耐温真空袋铺于模具表面，使用密封胶条将模具和耐温真空袋粘结形成密闭空间，并将温度传感器置于密闭空间内，通过电脑预设成型工作台的温度，同时将密闭空间抽至真空状态；

S4、打开料口控制开关，液态基体材料通过导料管、控流阀进入成型区，此过程通过电脑实时监控基材的流量和温度，观察预制体至完全浸润后，关闭料口控制开关，继续保持真空状态；

S5、进入固化阶段后，通过电脑控制成型工作台的温度为基体材料的固化温度，同时下移压头直至达到工作要求的压力值，保温保压一段时间(视具体基体材料要求设定)，全程保持真空状态；

S6、完成固化后，卸压、降温、关闭真空泵，即可得到复合材料制品。

S7、清理工作台后，重新进行上述步骤，进行下一个产品制备。

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