專利名稱：樹(shù)脂基先進(jìn)復(fù)合材料的快速rtm制造工藝的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及樹(shù)脂基先進(jìn)復(fù)合材料的快速RTM制造工藝。和一般RTM工藝的區(qū)別在于，以硅橡膠為模具材料，利用RP(快速原型)技術(shù)和硅橡膠模具技術(shù)，快速制造RTM模具，并采用高能聚焦超聲-高壓水罐固化工藝，快速固化。屬?gòu)?fù)合材料制造工藝領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
采用高性能玻璃纖維、碳纖維、芳綸纖維等增強(qiáng)的樹(shù)脂基先進(jìn)復(fù)合材料，具有高比強(qiáng)度、高比剛度、材料可設(shè)計(jì)性、抗疲勞、耐磨損等一系列優(yōu)點(diǎn)，但也有原材料成本高、制備工藝復(fù)雜的缺點(diǎn)。高昂的制造成本是導(dǎo)致先進(jìn)復(fù)合材料價(jià)格昂貴的主要原因。
RTM工藝是制造先進(jìn)復(fù)合材料復(fù)雜、不規(guī)則制件的重要方法。具體工藝過(guò)程為，在模具內(nèi)腔安放纖維預(yù)制件，向模具中注入樹(shù)脂，再加熱樹(shù)脂，使其固化，獲得所需制件。RTM工藝是一種前景廣闊的低成本制造工藝。
對(duì)于高性能的航空航天用復(fù)合材料，纖維預(yù)制件一般采用紡織預(yù)制件，纖維體積分?jǐn)?shù)很高。此時(shí)RTM工藝對(duì)樹(shù)脂注射壓力要求較高，為1-7個(gè)大氣壓。模具剛度必須與之適應(yīng)，這對(duì)模具材料提出較高的要求，使得模具的加工費(fèi)事、費(fèi)力。對(duì)模具中的樹(shù)脂進(jìn)行固化，目前主要采用加熱模具的方式，將熱量傳遞給樹(shù)脂，使其升溫、固化。加熱速度慢，能耗大。
室溫硫化的硅橡膠，成型迅速，適合制作復(fù)雜模具，因此成為常用的快速模具(RM)材料。而且，硅橡膠是良好的超聲透聲材料。高能超聲聚焦后，聚焦區(qū)域能量密度很高，熱效應(yīng)明顯，而且聚焦超聲穿透能力很強(qiáng)。醫(yī)學(xué)上將高能超聲透過(guò)人體皮膚，聚焦于體內(nèi)癌變部位，經(jīng)0.2-2秒連續(xù)照射，使病灶區(qū)升溫65-80℃，殺死癌細(xì)胞。
將高能超聲聚焦于樹(shù)脂，很短時(shí)間內(nèi)聚焦區(qū)域內(nèi)的樹(shù)脂即升溫固化。硅橡膠是良好的超聲透聲材料，高能聚焦超聲可穿透硅橡膠模具，照射并掃描其內(nèi)的樹(shù)脂，使其升溫固化。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種能快速獲得所需模具、快速固化樹(shù)脂、能耗少、低成本的制造樹(shù)脂基先進(jìn)復(fù)合材料的快速RTM制造工藝。
本發(fā)明的具體步驟是a、利用CAD/CAM軟件和RP(快速原型)技術(shù)，制備所需的原型。
b、利用該原型和硅橡膠軟模技術(shù)，翻制相應(yīng)的室溫硫化硅橡膠模具。
c、模具內(nèi)表面涂脫模劑。
d、在模具內(nèi)安放纖維預(yù)制件，合模，密封。
e、樹(shù)脂除氣，如果樹(shù)脂固化需要固化劑的話，還需加入固化劑，并混和均勻。
f、將模具置于高壓水罐中，模具澆口與樹(shù)脂注入管連接，冒口與抽氣管連接；注入管接樹(shù)脂注射設(shè)備，抽氣管接真空泵。
g、關(guān)閉高壓水罐，向高壓水罐中注滿去氣水。
h、用樹(shù)脂注射設(shè)備通過(guò)高壓水罐的樹(shù)脂注入管，用高壓向模具中注入樹(shù)脂；真空泵則抽取模具內(nèi)空氣。樹(shù)脂注射時(shí)，提高水壓，用以平衡模具所承受的樹(shù)脂注射高壓，消除模具變形。樹(shù)脂注滿后，樹(shù)脂注射設(shè)備停止注射。降低水壓。
i、水罐內(nèi)部的高能聚焦超聲裝置工作；以去氣水為傳輸媒介，高能聚焦超聲穿透硅橡膠，照射并掃描模具內(nèi)腔的樹(shù)脂，使其升溫固化。加熱固化方式有兩種。方式一，高能聚焦超聲作用于模具內(nèi)腔某處，使位于聚焦區(qū)域內(nèi)的樹(shù)脂適當(dāng)升溫；聚焦區(qū)域再移至相鄰區(qū)域，對(duì)該處樹(shù)脂加熱，使其也升至相同溫度；聚焦區(qū)域掃描模具內(nèi)腔，使所有樹(shù)脂均達(dá)到同一溫度；重復(fù)上述過(guò)程，使模具內(nèi)腔樹(shù)脂按指定溫度變化曲線升溫，直至到達(dá)固化溫度。方式二，高能聚焦超聲連續(xù)照射某一區(qū)域，使該區(qū)域內(nèi)的樹(shù)脂升溫固化；再移動(dòng)下一區(qū)域，使該區(qū)域的樹(shù)脂升溫固化；直至模具內(nèi)腔所有樹(shù)脂固化。
j、固化完成后，關(guān)閉超聲。利用去氣水，冷卻模具和復(fù)合材料制件。
k、放去氣水，開(kāi)高壓水罐。
l、將模具移出高壓水罐，將固化后的復(fù)合材料零件從模具中取出。
m、對(duì)復(fù)合材料制件進(jìn)行清理和檢測(cè)。樹(shù)脂在注入模具前，必須經(jīng)過(guò)除氣，并與固化劑混和均勻。其除氣步驟為a、樹(shù)脂注入密封容器中，容器由透聲材料制成；樹(shù)脂占據(jù)適量容器體積；如果樹(shù)脂固化需要固化劑，還需加入適量的固化劑；b、密封容器置于超聲清洗機(jī)的工作水槽中；c、密封容器內(nèi)抽真空，使容器內(nèi)氣壓適當(dāng)小于外界大氣壓；d、開(kāi)動(dòng)超聲清洗機(jī)。低頻超聲透過(guò)容器材料，在樹(shù)脂及固化劑中產(chǎn)生空化效應(yīng)。生成的氣泡上升、破裂，氣體逸出。超聲工作直至空化現(xiàn)象消失。固化劑與樹(shù)脂在超聲波所引發(fā)的聲沖流作用下，也得以混和均勻。
本發(fā)明具有的積極效果有
a、可以快速獲得所需模具。CAS/CAM/RP技術(shù)可以迅速獲得所需的原型，室溫硫化硅橡膠可以迅速翻制相應(yīng)的模具；b、可以快速固化樹(shù)脂。高能聚焦超聲透過(guò)硅橡膠，照射樹(shù)脂，其強(qiáng)烈的熱效應(yīng)使樹(shù)脂迅速升溫，直至固化。固化時(shí)間、能量消耗比加熱要少得多。
c、樹(shù)脂固化過(guò)程中，故模具內(nèi)腔中各部分的樹(shù)脂溫度可精確控制。通過(guò)優(yōu)化固化工藝，可以減少固化后復(fù)合材料制件內(nèi)部的殘余應(yīng)力。
d、可以進(jìn)行局部固化，對(duì)于同一模具內(nèi)有不同樹(shù)脂的所謂“共注射RTM”工藝，是非常合適的固化技術(shù)。
四

圖1為高壓水罐罐體示意圖。
圖2為高壓水罐示意圖。
圖中標(biāo)號(hào)名稱1、高能聚焦超聲電源；2、高壓水罐罐體；3、樹(shù)脂注射設(shè)備；4、高能聚焦超聲發(fā)射頭；5、樹(shù)脂注入管；6、小車(chē)；7、硅橡膠模具；8、抽氣管；9、三坐標(biāo)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)；10、真空泵。
圖3為樹(shù)脂去氣裝置示意圖。
圖中標(biāo)號(hào)名稱11、超聲清洗機(jī)水槽；12、樹(shù)脂；13、密封容器；14、抽氣管；15、真空泵；五具體實(shí)施方式
圖1與圖2是高壓水罐罐體及高壓水罐組成示意圖。即在高壓水罐內(nèi)，模具7裝夾在小車(chē)6上，小車(chē)固定。高能聚焦超聲發(fā)射頭4安裝在一個(gè)可進(jìn)行X、Y、Z三軸運(yùn)動(dòng)的三坐標(biāo)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)9上，超聲電源1則安裝在高壓水罐罐體2外。三坐標(biāo)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)9按指令運(yùn)動(dòng)。
圖3是樹(shù)脂去氣裝置示意圖，包括超聲清洗機(jī)水槽11、樹(shù)脂12、密封容器13、抽氣管14和真空泵15。
下面結(jié)合上述附圖，舉兩個(gè)實(shí)施例，敘述本發(fā)明的
具體實(shí)施例方式實(shí)施方式1在CAD/CAM軟件中，進(jìn)行零件原型的三維造型。并利用RP(快速成型)技術(shù)，制作出相應(yīng)的原型。再翻制相應(yīng)的室溫硫化硅橡膠模具。在模具內(nèi)表面涂硅油作脫模劑。在模具內(nèi)放置碳纖維三維預(yù)制件，合模，密封。模具裝夾在高壓水罐內(nèi)的小車(chē)上，固定小車(chē)。將模具的樹(shù)脂澆口和冒口，分別和高壓水罐的樹(shù)脂注入管、抽氣管接通。關(guān)閉高壓水罐，注滿去氣水，水壓調(diào)整為1.5個(gè)大氣壓(假設(shè)此時(shí)外界為1大氣壓)。
將環(huán)氧樹(shù)脂混合酸酐固化劑(質(zhì)量比為10∶7)，加入一密閉容器，占據(jù)容器一半體積。容器由透聲材料ABS樹(shù)脂制成。將容器置于超聲清洗機(jī)的工作水槽中。密閉容器內(nèi)抽真空至0.1大氣壓。開(kāi)啟超聲清洗機(jī)，低頻超聲透過(guò)容器壁，作用與環(huán)氧樹(shù)脂與固化劑的混合物。在其中產(chǎn)生空化現(xiàn)象，生成的氣泡上升，破裂，氣體逸出。工作時(shí)間到，關(guān)閉超聲清洗機(jī)。此時(shí)在超聲導(dǎo)致的聲沖流作用下，環(huán)氧樹(shù)脂和固化劑也混合均勻。
將經(jīng)過(guò)除氣，并均勻混合酸酐固化劑的環(huán)氧樹(shù)脂利用7個(gè)大氣壓的高壓，注滿模具內(nèi)腔。真空泵工作，減少模具內(nèi)腔氣壓。樹(shù)脂注射過(guò)程中，提高高壓水罐內(nèi)的水壓，平衡硅橡膠模具所承受的樹(shù)脂注射高壓，減少模具變形。樹(shù)脂注滿后，樹(shù)脂注射設(shè)備停止注射。降低水壓至1.5個(gè)大氣壓。開(kāi)動(dòng)高能聚焦超聲系統(tǒng)，以去氣水為傳播媒介，高能聚焦超聲頭發(fā)射超聲波，透過(guò)硅橡膠模具，照射到模具內(nèi)腔，使聚焦處的樹(shù)脂升溫。在三坐標(biāo)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的帶動(dòng)下，高能聚焦超聲頭依次掃過(guò)模具內(nèi)腔空間，聚焦區(qū)域使模具內(nèi)腔所有樹(shù)脂均升溫至同一溫度。重復(fù)該過(guò)程，使模具內(nèi)腔樹(shù)脂溫度按固化規(guī)范逐步升溫，直至固化。
關(guān)閉超聲系統(tǒng)，高壓水罐放水，取出模具。將成型制件從模具中取出，進(jìn)行清理和檢測(cè)。
實(shí)施方式2在CAD/CAM軟件中，進(jìn)行零件原型的三維造型。并利用RP(快速成型)技術(shù)，制作出相應(yīng)的原型。再翻制相應(yīng)的室溫硫化硅橡膠模具。在模具內(nèi)表面涂硅油作脫模劑。在模具內(nèi)放置碳纖維三維預(yù)制件，合模，密封。模具裝夾在高壓水罐內(nèi)的小車(chē)上，固定小車(chē)。將模具的樹(shù)脂澆口和冒口，分別和高壓水罐的樹(shù)脂注入管、抽氣管接通。關(guān)閉高壓水罐，注滿去氣水，水壓調(diào)整為1.5個(gè)大氣壓(假設(shè)此時(shí)外界為1大氣壓)。
將環(huán)氧樹(shù)脂混合改性胺固化劑(質(zhì)量比為4∶1)，加入一密閉容器，占據(jù)容器一半體積。容器由透聲材料ABS樹(shù)脂制成。將容器置于超聲清洗機(jī)的工作水槽中。密閉容器內(nèi)抽真空至0.1大氣壓。開(kāi)啟超聲清洗機(jī)，低頻超聲透過(guò)容器壁，作用與環(huán)氧樹(shù)脂與固化劑的混合物。在其中產(chǎn)生空化現(xiàn)象，生成的氣泡上升，破裂，氣體逸出。工作時(shí)間到，關(guān)閉超聲清洗機(jī)。此時(shí)在超聲導(dǎo)致的聲沖流作用下，環(huán)氧樹(shù)脂和固化劑也混合均勻。
將經(jīng)過(guò)除氣，并均勻混合改性胺固化劑的環(huán)氧樹(shù)脂利用7個(gè)大氣壓的高壓，通過(guò)注滿模具內(nèi)腔。真空泵工作，減少模具內(nèi)腔氣壓。樹(shù)脂注射過(guò)程中，提高高壓水罐內(nèi)的水壓，平衡硅橡膠模具所承受的樹(shù)脂注射高壓，減少模具變形。樹(shù)脂注滿后，樹(shù)脂注射設(shè)備停止注射。降低水壓至1.5個(gè)大氣壓。開(kāi)動(dòng)高能聚焦超聲系統(tǒng)，以去氣水為傳播媒介，高能聚焦超聲頭發(fā)射超聲波，透過(guò)硅橡膠模具，照射到模具內(nèi)腔，使聚焦處的樹(shù)脂升溫。在三坐標(biāo)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的帶動(dòng)下，高能聚焦超聲頭自下而上，依次逐層掃過(guò)模具內(nèi)腔空間。加熱固化一處樹(shù)脂，隨即移到相鄰部分，加熱固化。重復(fù)該過(guò)程，使模具內(nèi)腔所有樹(shù)脂全部固化。
關(guān)閉超聲系統(tǒng)，高壓水罐放水，取出模具。將成型制件從模具中取出，進(jìn)行清理和檢測(cè)。
權(quán)利要求
1.一種樹(shù)脂基先進(jìn)復(fù)合材料的快速RTM制造工藝，其特征在于具有以下步驟a、利用CAD/CAM軟件和快速原型(RP)技術(shù)，制備所需的原型；b、利用該原型，翻制相應(yīng)的室溫硫化硅橡膠模具；c、模具內(nèi)表面涂脫模劑；d、在模具內(nèi)安放纖維預(yù)制件，合模，密封；e、樹(shù)脂除氣，如果樹(shù)脂固化需要固化劑的話，還需加入固化劑，并混和均勻；f、將模具置于高壓水罐中，模具澆口與樹(shù)脂注入管連接，冒口與抽氣管連接；注入管接樹(shù)脂注射設(shè)備，抽氣管接真空泵；g、關(guān)閉高壓水罐，向高壓水罐中注滿去氣水；h、用樹(shù)脂注射設(shè)備通過(guò)高壓水罐的樹(shù)脂注入管，用高壓向模具中注入樹(shù)脂；真空泵則抽取模具內(nèi)空氣，樹(shù)脂注射時(shí)，提高水壓，用以平衡模具所承受的樹(shù)脂注射高壓，消除模具變形，樹(shù)脂注滿后，樹(shù)脂注射設(shè)備停止注射，降低水壓；i、水罐內(nèi)部的高能聚焦超聲裝置工作；以去氣水為傳輸媒介，高能聚焦超聲穿透硅橡膠，照射并掃描模具內(nèi)腔的樹(shù)脂，使其升溫固化，加熱固化方式有兩種方式一，高能聚焦超聲作用于模具內(nèi)腔某處，使位于聚焦區(qū)域內(nèi)的樹(shù)脂適當(dāng)升溫；聚焦區(qū)域再移至相鄰區(qū)域，對(duì)該處樹(shù)脂加熱，使其也升至相同溫度；聚焦區(qū)域掃描模具內(nèi)腔，使所有樹(shù)脂均達(dá)到同一溫度；重復(fù)上述過(guò)程，使模具內(nèi)腔樹(shù)脂按指定溫度變化曲線升溫，直至到達(dá)固化溫度；方式二，高能聚焦超聲連續(xù)照射某一區(qū)域，使該區(qū)域內(nèi)的樹(shù)脂升溫固化；再移動(dòng)下一區(qū)域，使該區(qū)域的樹(shù)脂升溫固化；直至模具內(nèi)腔所有樹(shù)脂固化；j、固化完成后，關(guān)閉超聲，利用去氣水，冷卻模具和復(fù)合材料制件；k、放去氣水，開(kāi)高壓水罐；l、將模具移出高壓水罐，將固化后的復(fù)合材料零件從模具中取出；m、對(duì)復(fù)合材料制件進(jìn)行清理和檢測(cè)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的樹(shù)脂基先進(jìn)復(fù)合材料的快速RTM制造工藝，其特征在于，樹(shù)脂除氣步驟為a、將樹(shù)脂加入密封容器中，容器透聲材料制成；樹(shù)脂占據(jù)適量容器體積；如果樹(shù)脂固化需要固化劑，還需加入適量的固化劑；b、容器置于超聲清洗機(jī)的工作水槽中；c、降低容器內(nèi)氣壓，使其小于外界大氣壓；d、開(kāi)動(dòng)超聲清洗機(jī)，低頻超聲在樹(shù)脂及固化劑中產(chǎn)生空化效應(yīng)，生成的氣泡上升、破裂，氣體逸出，直至空化現(xiàn)象消失；固化劑與樹(shù)脂在超聲波作用下，也得以混合均勻。
全文摘要
一種樹(shù)脂基先進(jìn)復(fù)合材料的快速RTM制造工藝，屬?gòu)?fù)合材料制造工藝。其工藝步驟a利用CAD/CAM軟件和RP技術(shù)，制備所需的原型；b利用該原型，翻制相應(yīng)的室溫硫化硅橡膠模具；c模具內(nèi)表面涂脫模劑；d在模具內(nèi)安放纖維預(yù)制件，合模，密封；e樹(shù)脂除氣；f將模具置于高壓水罐中；g關(guān)閉高壓水罐，向高壓水罐中注滿去氣水；h用高壓向模具中注入樹(shù)脂；i高能聚焦超聲裝置工作，使其升溫固化；j固化完成后，關(guān)閉超聲；k放去氣水，開(kāi)高壓水罐，l將模具移出高壓水罐，將復(fù)合材料零件從模具中取出；m對(duì)復(fù)合材料制件進(jìn)行清理和檢測(cè)。該方法能快速獲得模具，快速固化樹(shù)脂，能耗少，生產(chǎn)效率高，能獲得高質(zhì)量制品。
文檔編號(hào)B29C70/54GK1799823SQ20051012291
公開(kāi)日2006年7月12日 申請(qǐng)日期2005年12月7日 優(yōu)先權(quán)日2005年12月7日
發(fā)明者劉瀏, 汪煒, 劉正塤 申請(qǐng)人:南京航空航天大學(xué)