第一篇：高分子復(fù)合材料成型技術(shù)與裝備之汽車保險(xiǎn)杠產(chǎn)品的制備——北京化工大學(xué)

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課程作業(yè)

高分子復(fù)合材料成型技術(shù)與裝備

姓

名： _________________ 學(xué)

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北京化工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院

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汽車保險(xiǎn)杠的制備

摘要：RTM（Resin Transfer Molding）是樹脂傳遞模塑成型的簡稱。它起源于50 年代的冷模澆鑄工藝，至今已有40 多年的歷史[1]，但RTM工藝真正為人們所重視，并得到迅速發(fā)展只有近十幾年的歷史。由于該工藝具備效率高、投資低、工作環(huán)境好、能耗低、工藝適應(yīng)性強(qiáng)等一系列優(yōu)點(diǎn)，因此倍受青睞，發(fā)展迅速。已廣泛用于建筑、交通、電訊、衛(wèi)生、航空航天等各領(lǐng)域[2]。日本強(qiáng)化塑料協(xié)會(huì)將RTM工藝和拉擠工藝一起，推薦為兩大最有發(fā)展前途的工藝[3]。國外復(fù)合材料界預(yù)測RTM技術(shù)的研究和應(yīng)用熱潮將延續(xù)到本世紀(jì)末，21世紀(jì)初RTM技術(shù)會(huì)和現(xiàn)在的SMC等成型工藝一樣，成為FRP 領(lǐng)域的主導(dǎo)工藝之一[4]。

復(fù)合材料的水平已是衡量一個(gè)國家或地區(qū)科技、經(jīng)濟(jì)水平的標(biāo)志之一。美、日、西歐水平較高。北美、歐洲的產(chǎn)量分別占全球產(chǎn)量的33%與32%，以中國(含臺(tái)灣省)、日本為主的亞洲占30%。中國大陸2003年玻璃纖維增強(qiáng)塑料(玻璃纖維與樹脂復(fù)合的復(fù)合材料、俗稱“玻璃鋼”)逾90萬噸，已居世界第二位(美國2003年為169萬噸，日本不足70萬噸)。

樹脂傳遞模塑(RTM)具有較低的工具費(fèi)用和較短的前置時(shí)間等優(yōu)點(diǎn), 在美國已被廣泛地用于汽車制造業(yè)的原始模型制造, 并正在考慮生產(chǎn)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)零件。船舶工業(yè)和小型導(dǎo)彈生產(chǎn)也采用了RTM 工藝。該工藝與傳統(tǒng)的濕法鋪層工藝相比, 具有生產(chǎn)周期短、費(fèi)用低及結(jié)構(gòu)整體性好的優(yōu)點(diǎn)。飛機(jī)工業(yè)采用RTM 工藝, 可以生產(chǎn)出低費(fèi)用和輕質(zhì)量的飛機(jī)零件。如小而復(fù)雜的控制面通常是用鋁合金鑄造而成。這很可能用單一的RTM 工藝所取代。轉(zhuǎn)樞、加強(qiáng)件等可以與連續(xù)纖維蒙皮一起模塑, 大零部件(如全翼)也可以采用RTM 工藝。RTM 工藝的起源, 可以追溯到四十年代末期, 最初是為適用飛機(jī)雷達(dá)天線罩成形而發(fā)展起來的。經(jīng)過30 年的發(fā)展, 英國航空航天公司在采用RTM 工藝生產(chǎn)高整體性和高價(jià)結(jié)構(gòu)如雷達(dá)天線罩方面擁有相當(dāng)?shù)慕?jīng)驗(yàn)。

手鋪成型和噴射成型具有投資少等優(yōu)點(diǎn), 但對(duì)環(huán)境污染(苯乙烯)較嚴(yán)重。近年來,歐美等國家限制大氣中苯乙烯含量, 人們的興趣也轉(zhuǎn)移到RTM 工藝上來。因RTM 工藝的掘起已使歐美發(fā)達(dá)國家產(chǎn)生了很大的變化，尤其在航空航天等領(lǐng)域有取代結(jié)構(gòu)反應(yīng)注射成型和板狀模塑料成型的趨勢。

1、樹脂傳遞模塑(RTM)的概念、原理及簡單成型過程

1.1 RTM概念

RTM是一種閉模低壓成型的方法。將纖維增強(qiáng)材料置于上下模之間；合模并將模具夾緊；Design By Wang Yuan 北京化工大學(xué)<機(jī)電工程學(xué)院> 機(jī)械0906 By 王遠(yuǎn)<200931159> 在壓力下注射樹脂；樹脂固化后打開模具，取下產(chǎn)品。樹脂膠凝過程開始前，必須讓樹脂充滿模腔，壓力促使樹脂快速傳遞到模具內(nèi)，浸漬纖維材料。如圖3所示

RTM是一低壓系統(tǒng)，樹脂注射壓力范圍0.4-0.5Mpa。當(dāng)制造高纖維含量（體積比超過50％）的制品，如航空航天用零部件時(shí)，壓力甚至達(dá)0.7Mpa.纖維增強(qiáng)材料有時(shí)可預(yù)先在一個(gè)模具內(nèi)預(yù)成型大致形狀（帶粘結(jié)劑），再在第二個(gè)模具內(nèi)注射成型。為了提高樹脂浸透纖維的能力，可選擇真空輔助注射。注意樹脂一經(jīng)將纖維材料浸透，樹脂注口要封閉，以便樹脂固化。注射與固化可在室溫或加熱條件下進(jìn)行。模具可以復(fù)合材料與鋼材制作。若采用加熱工藝，宜用鋼模。如圖4所示

1.2 RTM基本原理

RTM 工藝的基本原理是: 在一個(gè)閉式的模具內(nèi)預(yù)置纖維增強(qiáng)預(yù)型件, 再用低壓(小于0.69M Pa)將樹脂系統(tǒng)注入模具內(nèi), 使之浸透纖維增強(qiáng)預(yù)型件, 然后固化成兩面光潔的零件, 如圖1、2 所示。Design By Wang Yuan 北京化工大學(xué)<機(jī)電工程學(xué)院> 機(jī)械0906 By 王遠(yuǎn)<200931159>

圖1、2 RTM 工藝原理圖

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1.3 RTM簡單成型工藝過程

RTM 工藝的成型過程是: 先放置預(yù)成型增強(qiáng)體----＞閉合模具體----＞注入樹脂體----＞浸漬、固化、脫模。Design By Wang Yuan 北京化工大學(xué)<機(jī)電工程學(xué)院> 機(jī)械0906 By 王遠(yuǎn)<200931159>

圖3 RTM 工藝簡圖

2、汽車保險(xiǎn)杠材料選擇（性能及制備）

2.1 材料選擇

2.1.1 樹脂基體的選擇 材料：環(huán)氧樹脂

2.1.1 增強(qiáng)材料的選擇 材料：玻璃纖維 2.1.1填料的選擇

材料：CaCo3、滑石粉等

【注：填料的加入有助于降低成本，吸收樹脂固化時(shí)放熱。摻加量大，會(huì)增加黏度，一般摻加量是樹脂的20~40%(質(zhì)量比)?！?/p>

2.2 性能優(yōu)點(diǎn)

2.2.1 性能優(yōu)點(diǎn)

1、制品纖維含量可較高，未被樹脂浸的部分非常少；

2、閉模成型，生產(chǎn)環(huán)境好；

3、勞動(dòng)強(qiáng)度較低，對(duì)工人技術(shù)熟練程度的要求也比手糊與噴射成型低；

4、制品兩面光，可作有表面膠衣的制品，精度也比較高； Design By Wang Yuan 北京化工大學(xué)<機(jī)電工程學(xué)院> 機(jī)械0906 By 王遠(yuǎn)<200931159>

5、成型周期較短；

6、產(chǎn)品可大型化；

7、強(qiáng)度可按設(shè)計(jì)要求具有方向性；

8、可與芯材、嵌件一體成型

9、相對(duì)注射設(shè)備與模具成本較低。

2.2.2 優(yōu)點(diǎn)總結(jié)

1、不宜制作較小產(chǎn)品

2、因要承壓，故模具較手糊與噴射工藝用的模具要重和復(fù)雜，價(jià)位也高一些

2.3 制備工藝

將熱固性樹脂及固化劑混合均勻后注入事先鋪有玻璃纖維增強(qiáng)材料的密封模內(nèi)，經(jīng)固化、脫模得到制品。

工藝流程如圖所示：

3、汽車保險(xiǎn)杠的成型方法選擇與發(fā)展

3.1 成型方法

RTM按加料室結(jié)構(gòu)和樹脂熔體注入型腔的方式，可分為罐式、柱塞式、螺桿式三種不同的工藝成型方式，但目前應(yīng)用較廣、技術(shù)最為成熟的是擠出成型工藝。

3.1.1 罐式（或噴嘴式）

將預(yù)熱的物料裝入模具上部的傳遞料筒中，閉合模具模塑料被加熱成熔體，然后通過壓機(jī)對(duì)壓柱加壓，熔體經(jīng)噴嘴注入型腔成型，升高模具溫度使型腔內(nèi)的熔體交聯(lián)固化，取模取出制品。

罐式RTM基本步驟：

1、預(yù)熱；

2、放入傳遞料筒；

3、料受熱變?yōu)槿垠w；

4、充填型腔；

5、加熱交聯(lián)固化成型；

6、啟模（加料斗、流道界面）；

3.1.2 柱塞式 Design By Wang Yuan 北京化工大學(xué)<機(jī)電工程學(xué)院> 機(jī)械0906 By 王遠(yuǎn)<200931159> 在靜止的壓機(jī)平臺(tái)上安裝上一個(gè)獨(dú)立的液壓缸即解決了罐式模塑成型的弊端，液壓缸提供了兩個(gè)獨(dú)立的壓力功能：將熱料從料槽中傳遞到模具的過程中緊緊閉臺(tái)上下模具；提供足夠的柱塞壓力，獨(dú)立于閉模運(yùn)動(dòng)。這一模塑系統(tǒng)允許模具設(shè)計(jì)者省去料格式模具很大的澆口，從而極大地降低了注射量和物料浪費(fèi)。

柱塞式RTM工作過程：先將經(jīng)過充分預(yù)熱的物料裝入已加熱的加料室，閉模使物料在加料室內(nèi)受熱熔化，然后通過柱塞對(duì)熔融物料施加壓力，使其通過與加料室直接相連的分流道和澆口進(jìn)入型模腔內(nèi)，進(jìn)過一段時(shí)間的固化即可啟模，用頂桿將制品連同澆道和澆口內(nèi)的固化劑一并頂出。

3.1.3 螺桿式

此種成型能在相同條件下獲得密度均勻具有精確質(zhì)量預(yù)成型坯，省去了預(yù)成型和預(yù)熱元件。模塑機(jī)利用一個(gè)擠壓機(jī)對(duì)模塑料進(jìn)行預(yù)熱和預(yù)成型，方法是使料斗內(nèi)的原料進(jìn)入螺桿槽，螺桿位于外部加熱的料筒內(nèi)。從料筒中擠出已加熱的物料使之進(jìn)入位于中心的傳遞料筒而后被擠入模具。

螺桿式RTM工作過程：

1、經(jīng)預(yù)熱的物料由料斗加入機(jī)筒；

2、旋轉(zhuǎn)的螺桿將物料輸送到螺桿頭部；

3、當(dāng)物料達(dá)到一定量時(shí)，壓注柱塞下移，打開料筒出口，將物料推入壓注料筒；

4、壓注柱塞使物料充模、保壓，物料經(jīng)交聯(lián)固化成型；

5、最后開模取出制品。

結(jié)論：根據(jù)樹脂基體以及增強(qiáng)材料、性能優(yōu)缺點(diǎn)以及目前成熟的成型技術(shù)，本次汽車保險(xiǎn)杠產(chǎn)品制備采用螺桿式樹脂傳遞模塑（RTM）成型技術(shù)。

3.2 成型技術(shù)發(fā)展

RTM技術(shù)發(fā)展很快，目前在上述成型基礎(chǔ)上，還衍生出一些特殊的RTM技術(shù)，這些技術(shù)主要有：

3.2.1 真空輔助RTM（VARTM）

真空輔助RTM（VARTM）工藝過程： Design By Wang Yuan 北京化工大學(xué)<機(jī)電工程學(xué)院> 機(jī)械0906 By 王遠(yuǎn)<200931159>

3.2.2壓縮RTM（CRTM）

壓縮RTM（CRTM）工藝過程：

3.2.3 Seemann’s復(fù)合材料樹脂滲透模塑成型（SCRIMP）3.2.4 樹脂模滲透成型（RFI）

樹脂模滲透成型（RFI）工藝過程：

3.2.5 熱膨脹RTM（TERMT）3.2.6 柔性RTM（FRTM）3.2.7 共注射（CIRTM）共注射（CIRTM）工藝過程： Design By Wang Yuan 北京化工大學(xué)<機(jī)電工程學(xué)院> 機(jī)械0906 By 王遠(yuǎn)<200931159>

4、汽車保險(xiǎn)杠的生產(chǎn)設(shè)備組成與選擇

4.1生產(chǎn)設(shè)備組成

根據(jù)生產(chǎn)工藝的要求，RTM 成型設(shè)備主要是樹脂壓注機(jī)和模具。

3.1.1 樹脂壓注機(jī)

樹脂壓注機(jī)由樹脂泵、注射槍組成。樹脂泵是一組活塞式往復(fù)泵，最上端是一個(gè)空氣動(dòng)力泵。當(dāng)壓縮空氣驅(qū)動(dòng)空氣泵活塞上下運(yùn)動(dòng)時(shí)，樹脂泵將桶中樹脂經(jīng)過流量控制器、過濾器定量地抽入樹脂貯存器，側(cè)向杠桿使催化劑泵運(yùn)動(dòng)，將催化劑定量地抽至貯存器。壓縮空氣充入兩個(gè)貯存器，產(chǎn)生與泵壓力相反的緩沖力，保證樹脂和催化劑能穩(wěn)定的流向注射槍頭。注射槍口后有一個(gè)靜態(tài)紊流混合器，可使樹脂和催化劑在無氣狀態(tài)下混合均勻，然后經(jīng)槍口注入模具，混合器后面設(shè)計(jì)有清洗劑入口，它與一個(gè)有0.28MPa 壓力的溶劑罐相聯(lián)，當(dāng)機(jī)器使用完后，打開開關(guān)，溶劑自動(dòng)噴出，將注射槍清洗干凈。

3.1.2 RTM模具

RTM 模具分玻璃鋼模、玻璃鋼表面鍍金屬模和金屬模3 種。玻璃鋼模具容易制造，價(jià)格較低，聚酯玻璃鋼模具可使用2000 次，環(huán)氧玻璃鋼模具可使用4000 次。表面鍍金屬的玻璃鋼模具可使用10000 次以上。金屬模具在RTM工藝中很少使用，一般來講，RTM 的模具費(fèi)用僅為SMC 的2%～16%。

5、汽車保險(xiǎn)杠的制造完整方案

汽車保險(xiǎn)杠主要采用螺桿式樹脂傳遞模塑(RTM)成型工藝路線，如圖所示： Design By Wang Yuan 北京化工大學(xué)<機(jī)電工程學(xué)院> 機(jī)械0906 By 王遠(yuǎn)<200931159>

6、樹脂傳遞模塑(RTM)的發(fā)展前景

近年來，針對(duì)存在的問題與局限性，國內(nèi)外開展了大量的頗有成效的研究，使得技術(shù)更趨成熟，形成一個(gè)完整的材料、工藝和理論體系?，F(xiàn)將工藝的最新進(jìn)展簡述如下[5]：

1、采用各型混合器，擴(kuò)大樹脂的適用范圍。通過采用各型混合器，把一些粘度較大的樹脂加熱，以達(dá)到成型所需的粘度并順利排除氣泡，使在高性能復(fù)合材料方面獲得廣泛應(yīng)用。

2、采用壓實(shí)增強(qiáng)材料和輔以高真空措施，達(dá)到高纖維含量的要求。

3、采用多維織物與預(yù)成型技術(shù)。

4、采用柔性樹脂傳遞模塑技術(shù)。

5、實(shí)施樹脂壓注和固化過程監(jiān)控，進(jìn)行計(jì)算機(jī)模擬。

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，工藝已經(jīng)成為一種大有前途的成型工藝，與國外先進(jìn)水平相比，我國目前在成型工藝與設(shè)備、原材料、模具設(shè)計(jì)制造等方面均存在相當(dāng)大的差距，振興中國的產(chǎn)業(yè)任重而道遠(yuǎn)，這就需要國內(nèi)各科研單位和生產(chǎn)廠家共同努力，正視差距、找出原因，盡快消化吸收國外先進(jìn)技術(shù)，結(jié)合實(shí)際開發(fā)改進(jìn)，闖出一條中國人自己的產(chǎn)業(yè)化之路。

參考文獻(xiàn)：

[1] 蔣春華等.RTM 綜述, 玻璃鋼，1996（2）：25 [2] 張剛翼等.淺談RTM 工藝中對(duì)樹脂流動(dòng)性的控制, 玻璃鋼/復(fù)合材料，1999，（5）：10 [3] 陳剛.RTM 工藝國內(nèi)外發(fā)展概況, 玻璃鋼，1994（3）：12 [4] 翟繼業(yè).RTM 成型技術(shù)及原材料的選用, 玻璃鋼，1996，（1）：34 [5] 張林文等.RTM成型技術(shù)再認(rèn)識(shí), 玻璃鋼/復(fù)合材料，1998（5）：7 Design By Wang Yuan