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        淺議RTM工藝中的模具設(shè)計技術(shù)

        2019-09-10 16:32:08周子森
        炎黃地理 2019年4期
        關(guān)鍵詞:模具工藝

        周子森

        摘 要:RTM工藝是一種閉模成型技術(shù),在設(shè)計零件的同時設(shè)計模具,將有助于改善制造工藝性、提高產(chǎn)品性能。文章通過介紹RTM工藝模具設(shè)計相關(guān)知識,探討RTM工藝的重要性。

        關(guān)鍵詞:RTM;工藝;模具

        1 模具的工藝過程簡介

        所有使用模具的工藝過程,若在設(shè)計零件的同時設(shè)計模具,將有助于改善制造工藝性、提高產(chǎn)品性能。因為與所有其它模塑工藝相比,RTM工藝涉及的大部分過程都發(fā)生在模具內(nèi)部。模具的用途包括成形纖維預成形體、分配注入的樹脂并確定樹脂注射量、完成樹脂固化、抑制壓力差、保障脫模。RTM模具在許多方面與其它閉合模具相似。模具確定了零件的外部幾何形狀,對中空零件來說,還確定了內(nèi)部幾何形狀。對于多數(shù)復合材料制造工藝來說,內(nèi)模線(IML)可能不那么重要(除了管道等)。在RTM工藝中,厚度的變化不僅改變零件的重量,也會影響模具工藝。

        模具可以直接從胚料開始制造,也可以從體現(xiàn)幾何外形的范模翻制出來。模具的尺寸可能要根據(jù)熱或化學收縮而進行縮放,為補償預期的零件變形,模具的形狀也可能要改變。模具必須能承受各種無力載荷,其來源包括預成形體壓實、樹脂注射、模具密封以及模具內(nèi)部的加壓氣囊或芯模。它還必須包括工藝過程所需的附近,諸如注膠口、出膠口/排氣口、零件脫模機構(gòu)等。模具還必須保證固化時熱量均勻分配,在某些情況下,還要能夠在注射過程中預熱樹脂。

        典型的航空制件需要承受高溫,因此要求樹脂在較高的溫度下固化。所需的固化溫度取決于樹脂的種類以及制件的應用部位,但是通常介于120~175℃之間。該溫度是模具選材的首要指標,因此它對模具材料、幾何形狀、物理性能等都有很多影響。

        RTM模具必須使用壓機或是設(shè)置在模具中的鎖緊機構(gòu)閉合。壓實、注射和固化過程通常需要施加正壓力,因此模具必須有足夠的剛度,以便將載荷傳遞給鎖模機構(gòu)或壓機的臺面,而不產(chǎn)生額外的撓曲。此外,模具表面必須能夠經(jīng)受所需次數(shù)的工藝循環(huán)中干纖維對模具的摩擦,而不需要額外的維護。模具表面還必須與未固化樹脂、脫模劑、模具清洗劑所含的化學成分相容。

        2 模具設(shè)計要求

        在RTM工藝過程中,模具設(shè)計應遵循結(jié)構(gòu)簡單合理、功能完備、經(jīng)濟實用的原則。RTM模具設(shè)計受多種因素的制約,因此其設(shè)計應滿足以下要求:

        模具件數(shù)的選擇應合理。模具材料應具有良好的機械、熱學性能。為保證RTM 產(chǎn)品尺寸的準確性,RTM模具的加工精度選擇要合適。為避免樹脂粘在模具表面,RTM模具表面的光潔度要高。模具應具有準確、耐用的定位裝置。為保證模具內(nèi)部的壓力與真空度及防止樹脂泄漏,模具應具有完善的密封結(jié)構(gòu)。模具中的樹脂進口和出口位置應合理配置。模具應具有完善的夾緊機構(gòu)。模具中應安裝一定的監(jiān)測儀表(如溫度、壓力及粘度等)。如需要,模具中應裝備良好的供熱及冷卻系統(tǒng)??紤]到生產(chǎn)過程中模具的搬運問題,模具的重量不應過重。RTM模具的制造費用較高,在設(shè)計中應考慮各種因素降低模具的成本。

        3 樹脂系統(tǒng)

        RTM對樹脂系統(tǒng)的要求是:粘度相對較低(0.15-1.5Pa.s),對增強材料浸潤性好,便于樹脂在型腔內(nèi)順利、均勻地通過,并充分浸漬纖維,快速充滿整個型腔;固化放熱峰低(100-130℃),以免損傷玻璃鋼模具;膠凝時間和固化時間短,并可以有效大幅度的調(diào)節(jié),這樣可以縮短固化周期以提高生產(chǎn)效率;樹脂固化時收縮率小,以保證產(chǎn)品的精度;樹脂系統(tǒng)不含溶劑,固化時無低分子物析出,同時又事宜添加填料,尤為重要的是樹脂內(nèi)氣泡的自身消除性好(不指排除)。

        要根據(jù)最終制品的性能來選擇樹脂體系,另外還要求:粘度相對較低,適應期長,對增強纖維的浸潤性好,凝膠時間短,且揮發(fā)性小。粘度低,則能在纖維束間和纖維束內(nèi)順利、均勻的通過;適應期長,可以保證樹脂在凝膠前,已通過模具并浸漬增強材料;凝膠時間短,可以縮短成型周期;浸潤性好,揮發(fā)性小,則有利于氣泡的排除,使成型的構(gòu)件內(nèi)部孔隙含量少。

        現(xiàn)在國內(nèi)滿足上述要求的UP的生產(chǎn)廠家不多,除少數(shù)大型的樹脂生產(chǎn)廠家外,一般均不生產(chǎn)。本次試驗采用的不飽和聚酯樹脂191#。不飽和聚酯樹脂191#是由二元酸(酐)和二元醇(及其縮合物)經(jīng)酯化反應,縮聚成線性不飽和聚酯樹脂,然后經(jīng)具有交聯(lián)作用的活性單體溶劑(苯乙烯)所溶解而配制成的透明粘稠液體。本產(chǎn)品在加入適量引發(fā)劑后,能在常溫下較快交聯(lián)固化,成為堅實的固體,可用來粘合多種金屬和非金屬材料,固化后具有良好的耐水、耐腐蝕等性能。

        質(zhì)量指標:1.外觀:無色透明粘稠液體 2.固體含量:62±3% 3.粘度:40—60秒(涂4號杯,25℃)4.酸值:≤35mgKOH/克。

        相對密度在1.11~1.20左右,固化時體積收縮率較大,固化樹脂的一些物理性質(zhì)如下:

        絕大多數(shù)不飽和聚酯樹脂的熱變形溫度都在50~60℃,一些耐熱性好的樹脂則可達120℃。紅熱膨脹系數(shù)α1為(130~150)×10-6℃;不飽和聚酯樹脂具有較高的拉伸、彎曲、壓縮等強度;不飽和聚酯樹脂耐水、稀酸、稀堿的性能較好,耐有機溶劑的性能差,同時,樹脂的耐化學腐蝕性能隨其化學結(jié)構(gòu)和幾何開關(guān)的不同,可以有很大的差異;不飽和聚酯樹脂的介電性能良好。

        4 RTM模具設(shè)計

        在設(shè)計RTM成型用的模具時,主要考慮的是成型過程中模具本身的變形、注膠口的位置、排氣口的位置及整個模腔的密封。

        ①注膠口的位置。原則上注膠口應在模具的最低處,且盡量靠近模具的形心。注膠口應開在制品不醒目的位置,否則影響制品外觀;注膠口必須垂直于模具,注射時務(wù)必樹脂垂直注入模腔中,如果不處置注射,則會使樹膠碰到注射口而反射到模腔中,破壞了樹脂在模腔內(nèi)的流動規(guī)律,又會造成大量的氣泡,影響注射的成功。注入口一般用軟鋼加工,逆止閥采用聚四氯乙烯或乙烯加工。

        ②排氣口。原則上排氣口在模具的最高處,同時也是常規(guī)氣泡的死角處,這樣有利于趕盡空氣、浸漬樹脂并減少樹脂的流逝。

        ③密封。模具一般采用橡膠、改性橡膠或硅橡膠作為密封材料,密封位置一般在模具的邊緣。另外,密封的方法還需要另行考慮排氣問題。

        參考文獻

        [1]RTM成型工藝對復合材料制品性能的影響[J].閆剛,樊曉斌,張笑梅,趙丹,趙大為. 材料開發(fā)與應用.2008(02).

        [2]RTM主要缺陷的研究進展[J].齊燕燕,劉亞青,張艷君. 工程塑料應用.2006(12).

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