RTM成型工藝
發(fā)布時間：2020-03-25 11:36:39 點擊率：
RTM成型工藝過程
RTM工藝的基本原理如下圖所示，先在模腔內預先鋪放增強材料預成型體、芯材和預埋件，然后在壓力或真空作用力下將樹脂注入閉合模腔，浸潤纖維，固化后脫模，再進行二次加工等后處理工序。
纖維預成型有手工鋪放、手工纖維鋪層加模具熱壓預成型、機械手噴射短切加熱壓預成型、三維立體編織等多種形式，需要達到的效果就是纖維能夠相對均勻填充模腔，以利于接下來的樹脂充模過程。
在合模和鎖緊模具的過程中，根據(jù)不同的生產形式，有的鎖模機構安裝在模具上，有的采用外置的合模鎖緊設備，也可以在鎖緊模具的同時利用真空輔助來提供鎖緊力，模具抽真空同時可以降低樹脂充模產生的內壓對模具變型的影響。
在樹脂注入階段，要求樹脂的黏度盡量不要發(fā)生變化，以保證樹脂在模腔內的均勻流動和充分浸漬。在充模過程結束后，要求模具內各部分的樹脂能夠同步固化，以降低由于固化產生的熱應力對產品變形的影響。這種工藝特點對于樹脂的黏度和固化反應過程以及相應的固化體系都提出了比較高的要求。
工藝特點
RTM以其優(yōu)異的工藝性能，已廣泛地應用于艦船、軍事設施、國防工程、交通運輸、航空航天和民用工業(yè)等。其主要特點如下：
（1）模具制造和材料選擇靈活性強，根據(jù)不同的生產規(guī)模，設備的變化也很靈活，制品產量在1,000－20,000之間，采用RTM成型工藝可獲得生產經濟效益。
（2）能制造具有良好表面質量、高尺寸精度的復雜部件，在大型部件的制造方面優(yōu)勢更為明顯。
（3）易實現(xiàn)局部增強、夾芯結構；容易靈活調整增強材料的類型、結構設計，以滿足從民用到航空航天工業(yè)不同性能的要求。
（4）纖維含量可達60％。
（5）RTM成型工藝屬一種閉模操作工藝，工作環(huán)境清潔，成型過程苯乙烯排放量小，有利于環(huán)保。
（6）RTM成型工藝對原材料體系要求嚴格，要求增強材料具有良好的耐樹脂流動沖刷和良好的浸潤性，要求樹脂黏度低，高反應活性，中溫固化，固化放熱峰值低，浸漬過程中黏度較小，注射完畢后能很快凝膠。
（7）低壓注射，一般注射壓力<30psi，可采用玻璃鋼模具（包括環(huán)氧模具、玻璃鋼表面鑄鎳模具等），鋁模具等，模具設計自由度高，模具成本較低。
（8）制品孔隙率較低。
與預浸料模壓工藝相比，RTM工藝無需制備、運輸、儲藏冷凍的預浸料，無需繁雜的手工鋪層和真空袋壓過程，也無需熱處理時間，操作簡單。技術的開發(fā)和擴大應用之所以活躍，主要是因為其工藝過程前期樹脂和纖維相對分離，纖維材料的組合自由度非常大，不同類型的纖維以及不同結構形式的編織方法都可以應用，多種類型的樹脂也可以根據(jù)產品需要來選擇。
但是RTM工藝由于在成型階段樹脂和纖維才通過浸漬過程實現(xiàn)賦型，纖維在模腔中的流動、纖維浸漬過程以及樹脂的固化過程都對終產品的性能有很大的影響，因而導致了工藝的復雜性和不可控性增大。
下表列出了手糊、RTM、SMC/BMC成型方法適用性的比較
| 比較 | 手糊 | RTM | SMC/BMC |
| 生產規(guī)模 （件/年) | 小于1000 | 5,000－10,000 | 10,000以上 |
| 模塑溫度 | 室溫 | 40－60℃（室溫也可以） | 130－150℃ |
| 成型周期 | 1－4h | 5－30min | 1-15min |
| 生產效率/8h | 2－3 | 16－90 | 50－400 |
| 模具類型 | FRP | FRP或金屬 | 金屬 |
| 模具費（以開模為1） | 1 | 2－4 | 5－10 |
| 制品表面效果 | 一面光 | 兩面光 | 兩面光 |
| 部件重復性 | 人為因素影響較大 | 較好 | 很好 |
| 部件尺寸精度 | 人為因素影響較大 | 較好 | 很好 |
| 樹脂、纖維比例 | 人為因素影響較大 | 較好 | 很好 |
| 填料含量 | 高 | 較低 | 高 |
| 脫模劑 | 外脫模 | 內外都可 | 內脫模 |
| 壓力 | 接觸壓力 | 0.1－0.25 MPa | 4－10MPa |
RTM工藝參數(shù)對工藝過程的影響
影響RTM工藝的工藝參數(shù)包括樹脂黏度、注射壓力、成型溫度、真空度等，同時這些參數(shù)在成型過程中是互相關聯(lián)和互相影響的。
（1）樹脂黏度 適用于RTM工藝的樹脂應該具有較低的黏度，通常應小于600mPa?s，小于300mPa?s時工藝性會表現(xiàn)地更好。當所使用的樹脂黏度較高時通常提高樹脂和成型溫度來降低樹脂黏度，以利于更好地實現(xiàn)充模過程。
（2）注射壓力 注射壓力的選擇取決于纖維的結構形式和纖維含量以及所需要的成型周期。很多的研究資料都表明，較低的注射壓力有利于纖維的充份浸漬，有利于力學性能的提高。通過改變產品結構設計、纖維鋪層設計、降低樹脂黏度、優(yōu)化注射口和排氣口的位置、使用真空輔助等手段，都可以實現(xiàn)降低注射壓力。
（3）成型溫度 成型溫度的選擇受模具自身能夠提供的加熱方式、樹脂固化特性及所使用的固化體系的影響。較高的成型溫度能夠降低樹脂的黏度，促進樹脂在纖維束內部的流動和浸漬，增強樹脂和纖維的界面結合能力。有資料數(shù)據(jù)顯示，較高的溫度能夠提高產品的拉伸強度。
（4）真空度 在成型過程中使用真空輔助可以有效降低模具的剛度需求，同時促進注射過程中空氣的排除，減少產品的孔隙含量。通過實驗數(shù)據(jù)測定，在真空條件下成型的平板平均孔隙含量只有0.15％，而沒有真空的平板孔隙含量達到1％。
RTM的衍生工藝
隨著應用領域的不斷擴大，RTM工藝已經發(fā)展出了一系列的衍生工藝，代表性的工藝包括：Light-RTM、SCRIMP(Seemann Composites Resin Infusion Molding Process)、RFI(Resin film infusion)等。
1.Light-RTM成型技術
Light-RTM通常稱之為輕質RTM，該工藝是在真空輔助RTM工藝的基礎上發(fā)展而來的。適用于制造大面積薄壁產品。該工藝的典型特征是下模為剛性模具，而上模采用輕質、半剛性的模具，通常厚度在6～8毫米。工藝過程使用雙重密封結構，外圈真空用來鎖緊模具，內圈真空導入樹脂。注射口通常為帶有流道的線型注射方式，有利于快速充模。由于上模采用了半剛性的模具，模具成本大大降低，同時在制造大面積的薄壁產品時，模具鎖緊力由大氣壓提供，保證了模具的加壓均勻性，模制產品的壁厚均勻性非常好。
2.SCRIMP成型技術
SCRIMP成型技術是由美國西曼復合材料公司在美國獲得專利權的真空樹脂注入技術。與之類似的工藝有多種，但名稱各不相同，以SCRIMP工藝有代表性。其工藝原理是：在真空狀態(tài)下排除纖維增強體中的氣體，通過樹脂的流動、滲透，實現(xiàn)對纖維的浸漬。成型模具首先將一層或幾層纖維織物鋪放于模具上，再放好各種輔助材料，然后用真空袋密封，開啟樹脂閥門吸注膠液，充滿模具固化成型。
與傳統(tǒng)的RTM工藝相比，它只需一半模具和一個彈性真空袋，這樣可以節(jié)省一半的模具成本，成型設備簡單。由于真空袋的作用，在纖維周圍形成真空，可提高樹脂的浸濕速度和浸透程度。與RTM工藝相反，它只需在大氣壓下浸漬、固化；真空壓力與大氣壓之差為樹脂注入提供推動力，從而縮短成型時間。浸漬主要通過厚度方向的流動來實現(xiàn)，所以可以浸漬厚而復雜的層合結構，甚至含有芯子、嵌件、加筋件和緊固件的結構也可一次注入成型。SCRIMP工藝適用于中、大型復合材料構件，施工安全、成本較低。
3.RFI成型技術
RFI是由L．Letterman(美國波音公司)申請的專利，初是為成型飛機結構件而發(fā)展起來的。近年來，這種技術已改進了RTM中纖維含量低、模具費用昂貴、易生成缺陷等缺點。RFI也是采用單模和真空袋來驅動浸漬過程。工藝過程是將預制好的樹脂膜鋪放在模具上，再鋪放纖維預成型體并用真空袋封閉模具；將模具置于烘箱或熱壓下加熱并抽真空，達到一定溫度后，樹脂膜熔融成為黏度很低的液體，在真空或外加壓力的作用下樹脂沿厚度方向逐步浸潤預成型體，完成樹脂的轉移；繼續(xù)升溫使樹脂固化，終獲得復合材料制品。
RFI工藝與現(xiàn)有的成型技術相比具有以下優(yōu)點：
(1)不需要復雜的樹脂浸漬過程，成型周期短，能一次浸漬超常厚度纖維層，具有高度三維結構的縫編、機織預制件都能浸透，并可加入芯材一并成型；
(2)樹脂膜在室溫下有高的粘結性，可粘著彎曲面；
(3)成型壓力低，不需額外的壓力只需真空壓力；
(4)模具制造與材料選擇的靈活性強，不需要龐大的成型設備就可以制造大型制件，設備和模具的投資低；
(5)成型產品孔隙率低(<0.1％)，纖維含量高(重量含量接近70％)，性能優(yōu)異。
RFI工藝也存在一些不足之處，如：對樹脂體系要求嚴格；不太適合成型形狀復雜的小型制件；由于采用真空袋壓法，制品表面受內模的影響，達不到所需的復雜程度及精度要求；RFI工藝中，樹脂的用量不能精確計量，需要吸膠布等耗材除去多余樹脂，因而固體廢物較多。
增強材料的類型
RTM用的纖維類型包括E玻纖、R玻纖和S玻纖，以及各種高強高模碳纖維和芳綸纖維。所使用的玻璃纖維織物結構形式包括表面氈、機織布、短切氈、連續(xù)氈、縫編氈、多軸向織物、RTM專用復合氈以及立體編織物等多種類型。碳纖維等高性能纖維通常使用不同織造方法的布，在很多高性能部件的制造場合，三維立體仿形織物的應用越來越多。
1.機織布
方格布是為常見的機織布，其它類型的機織布如斜紋布、緞紋布等都可以用于RTM工藝。各種類型的機織布在鋪層時很容易發(fā)生皺折和扭曲，不容易鋪放到位。因此機織布通常用于一些型面變化比較簡單的產品，為保證纖維在模具內的穩(wěn)定，可以使用特定的粘接劑固定織物，也可以采用手工縫編的方式，用滌綸線將布與布之間縫合在一起。
2.短切氈
短切氈用于RTM工藝的優(yōu)點是成本低，變形性好，缺點是耐沖刷性差，但是如果在靠近模具注射口的短切氈上面鋪放機織布，可以降低樹脂對纖維的沖刷。從實際使用的情況來看，短切氈和機織布配合使用可以提高制品層間的剪切性能，同時實現(xiàn)纖維在不同分布方向上的互補。
3.連續(xù)氈
玻璃纖維連續(xù)原絲氈是一種重要的玻纖無紡增強基材，它是以一定數(shù)量的連續(xù)玻纖原絲隨機分散成圈狀均勻分布于網帶上，靠原絲間互相交搭的連鎖作用及少量粘結劑結合成氈。連續(xù)氈的單位面積質量為225～900g／m2，厚度為2～5毫米。由于連續(xù)氈具有各向同性、抗移性好、耐樹脂沖刷、貼覆性好、制品強度高等優(yōu)點，成為RTM工藝中非常重要的一種增強材料。
國外連續(xù)氈生產工藝主要采用“一步法”成氈技術，即在玻璃池窯拉絲漏板下布置多臺成型工藝裝置，通過數(shù)臺拋絲機將纖維拉出并直接鋪撒在行進的網帶上形成氈坯，再經過施膠、烘干，收卷成氈。這種工藝的特點是纖維分束性好，產量大，自動化程度高。目前國際上“一步法”成型生產工藝以美國歐文斯?科寧公司和法國圣戈班公司為代表。
4.縫編氈
縫編氈是通過縫編機將不同的類型纖維縫合成纖維氈的結構形式?？p編氈可以通過不同的縫合方式實行纖維織物多種增強結構形式，是RTM工藝中應用多、成本較低的一種增強材料。各種縫編氈的類型包括：
（1）單軸向織物 僅在與織物長度方向0(經向)或90(緯向)的一個方向平行鋪設無捻粗紗并縫合成織物。
（2）雙軸向織物 與織物長度方向成0、90、±45度的四個方向任意兩個方向平行鋪設無捻粗紗，每個方向各自形成獨立的紗層并縫合成雙軸向織物。
（3）多軸向織物 在與織物長度成0、90、±45的四個方向任意三個或四個方向上平行鋪設無捻粗紗，然后縫合成多軸向織物。
（4）縫編短切氈 用組合在縫編機上的短切機，將無捻粗紗短切并鋪撒均勻、然后縫合成氈。
（5）縫編復合氈 將單軸向織物、雙軸向織物、多軸向織物中的任意一種與縫編短切氈在縫編機上可縫合制成2～5層縫編復合氈。
5.三維立體編織物
三維編織是通過長短纖維相互交織而獲得的三維無縫合的完整結構，其工藝特點是能制造出規(guī)則形狀及異形實心體并可以使結構件具有多功能性——即：編織多層整體構件。三維織物主要應用于對力學性能要求非常高的航空航天結構部件的制造。
編織工藝的原理是：由許多按同一方向排列的纖維卷通過紗線運載器精確地沿著預先確定的軌跡在平面上移動，使各纖維相互交叉或交織構成網絡狀結構，打緊交織面而形成各種形態(tài)增強結構的三維織物。
三維編織的優(yōu)點：
（1）異型件一次編織整體成型，實現(xiàn)了人們“直接對材料進行設計”的構想；
（2）結構不分層，層間強度高，綜合力學性能好。
三維編織的缺點：
（1）生產成本高，人力物力消耗大；
（2）編織速度慢；
（3）制件尺寸受到很大限制。
RTM工藝用樹脂
RTM用樹脂需要滿足以下一些基本要求：
黏度：樹脂黏度范圍在0.1～1Pa?s，一般為0.12～0.5 Pa?s。黏度太高或太低可能導致浸漬不良，或形成大量的孔隙和未被浸漬的區(qū)域，影響制品的性能和質量。黏度太高的樹脂需要較高的注射壓力，容易導致纖維被沖刷。
相容性：樹脂對增強材料應具有良好的浸潤性、匹配性和界面性能。
反應活性：RTM工藝用樹脂的反應活性應表現(xiàn)為兩個階段，在充模過程中，反應速度慢，不影響充模，充模結束后，樹脂在固化溫度條件下開始凝膠，并迅速達到一定的固化程度，這樣才能減少模具占用時間，提高生產效率。
收縮率：樹脂收縮率要低，樹脂收縮率過大會增加孔隙率和制品裂紋的機會。
模量：在滿足力學性能的前提下，樹脂模量適中。高模量的樹脂產生高熱應力，容易引起制品變形和產生裂紋。
韌性和斷裂延伸率：樹脂這兩個指標主要與制品抗沖擊與耐裂紋性能成正比，較高值可提高樹脂耐熱裂紋的能力。
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