高分子复合材料成型技术与装备之汽车保险杠产品的制备——北京化工大学

第一篇：高分子复合材料成型技术与装备之汽车保险杠产品的制备——北京化工大学

北京化工大学<机电工程学院> 机械0906 By 王远<200931159>

课程作业

高分子复合材料成型技术与装备

姓

名： _________________ 学

号： _________________ 专

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北京化工大学机电工程学院

Design By Wang Yuan 北京化工大学<机电工程学院> 机械0906 By 王远<200931159>

汽车保险杠的制备

摘要：RTM（Resin Transfer Molding）是树脂传递模塑成型的简称。它起源于50 年代的冷模浇铸工艺，至今已有40 多年的历史[1]，但RTM工艺真正为人们所重视，并得到迅速发展只有近十几年的历史。由于该工艺具备效率高、投资低、工作环境好、能耗低、工艺适应性强等一系列优点，因此倍受青睐，发展迅速。已广泛用于建筑、交通、电讯、卫生、航空航天等各领域[2]。日本强化塑料协会将RTM工艺和拉挤工艺一起，推荐为两大最有发展前途的工艺[3]。国外复合材料界预测RTM技术的研究和应用热潮将延续到本世纪末，21世纪初RTM技术会和现在的SMC等成型工艺一样，成为FRP 领域的主导工艺之一[4]。

复合材料的水平已是衡量一个国家或地区科技、经济水平的标志之一。美、日、西欧水平较高。北美、欧洲的产量分别占全球产量的33%与32%，以中国(含台湾省)、日本为主的亚洲占30%。中国大陆2003年玻璃纤维增强塑料(玻璃纤维与树脂复合的复合材料、俗称“玻璃钢”)逾90万吨，已居世界第二位(美国2003年为169万吨，日本不足70万吨)。

树脂传递模塑(RTM)具有较低的工具费用和较短的前置时间等优点, 在美国已被广泛地用于汽车制造业的原始模型制造, 并正在考虑生产复合材料结构零件。船舶工业和小型导弹生产也采用了RTM 工艺。该工艺与传统的湿法铺层工艺相比, 具有生产周期短、费用低及结构整体性好的优点。飞机工业采用RTM 工艺, 可以生产出低费用和轻质量的飞机零件。如小而复杂的控制面通常是用铝合金铸造而成。这很可能用单一的RTM 工艺所取代。转枢、加强件等可以与连续纤维蒙皮一起模塑, 大零部件(如全翼)也可以采用RTM 工艺。RTM 工艺的起源, 可以追溯到四十年代末期, 最初是为适用飞机雷达天线罩成形而发展起来的。经过30 年的发展, 英国航空航天公司在采用RTM 工艺生产高整体性和高价结构如雷达天线罩方面拥有相当的经验。

手铺成型和喷射成型具有投资少等优点, 但对环境污染(苯乙烯)较严重。近年来,欧美等国家限制大气中苯乙烯含量, 人们的兴趣也转移到RTM 工艺上来。因RTM 工艺的掘起已使欧美发达国家产生了很大的变化，尤其在航空航天等领域有取代结构反应注射成型和板状模塑料成型的趋势。

1、树脂传递模塑(RTM)的概念、原理及简单成型过程

1.1 RTM概念

RTM是一种闭模低压成型的方法。将纤维增强材料置于上下模之间；合模并将模具夹紧；Design By Wang Yuan 北京化工大学<机电工程学院> 机械0906 By 王远<200931159> 在压力下注射树脂；树脂固化后打开模具，取下产品。树脂胶凝过程开始前，必须让树脂充满模腔，压力促使树脂快速传递到模具内，浸渍纤维材料。如图3所示

RTM是一低压系统，树脂注射压力范围0.4-0.5Mpa。当制造高纤维含量（体积比超过50％）的制品，如航空航天用零部件时，压力甚至达0.7Mpa.纤维增强材料有时可预先在一个模具内预成型大致形状（带粘结剂），再在第二个模具内注射成型。为了提高树脂浸透纤维的能力，可选择真空辅助注射。注意树脂一经将纤维材料浸透，树脂注口要封闭，以便树脂固化。注射与固化可在室温或加热条件下进行。模具可以复合材料与钢材制作。若采用加热工艺，宜用钢模。如图4所示

1.2 RTM基本原理

RTM 工艺的基本原理是: 在一个闭式的模具内预置纤维增强预型件, 再用低压(小于0.69M Pa)将树脂系统注入模具内, 使之浸透纤维增强预型件, 然后固化成两面光洁的零件, 如图1、2 所示。Design By Wang Yuan 北京化工大学<机电工程学院> 机械0906 By 王远<200931159>

图1、2 RTM 工艺原理图

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1.3 RTM简单成型工艺过程

RTM 工艺的成型过程是: 先放置预成型增强体----＞闭合模具体----＞注入树脂体----＞浸渍、固化、脱模。Design By Wang Yuan 北京化工大学<机电工程学院> 机械0906 By 王远<200931159>

图3 RTM 工艺简图

2、汽车保险杠材料选择（性能及制备）

2.1 材料选择

2.1.1 树脂基体的选择 材料：环氧树脂

2.1.1 增强材料的选择 材料：玻璃纤维 2.1.1填料的选择

材料：CaCo3、滑石粉等

【注：填料的加入有助于降低成本，吸收树脂固化时放热。掺加量大，会增加黏度，一般掺加量是树脂的20~40%(质量比)。】

2.2 性能优点

2.2.1 性能优点

1、制品纤维含量可较高，未被树脂浸的部分非常少；

2、闭模成型，生产环境好；

3、劳动强度较低，对工人技术熟练程度的要求也比手糊与喷射成型低；

4、制品两面光，可作有表面胶衣的制品，精度也比较高； Design By Wang Yuan 北京化工大学<机电工程学院> 机械0906 By 王远<200931159>

5、成型周期较短；

6、产品可大型化；

7、强度可按设计要求具有方向性；

8、可与芯材、嵌件一体成型

9、相对注射设备与模具成本较低。

2.2.2 优点总结

1、不宜制作较小产品

2、因要承压，故模具较手糊与喷射工艺用的模具要重和复杂，价位也高一些

2.3 制备工艺

将热固性树脂及固化剂混合均匀后注入事先铺有玻璃纤维增强材料的密封模内，经固化、脱模得到制品。

工艺流程如图所示：

3、汽车保险杠的成型方法选择与发展

3.1 成型方法

RTM按加料室结构和树脂熔体注入型腔的方式，可分为罐式、柱塞式、螺杆式三种不同的工艺成型方式，但目前应用较广、技术最为成熟的是挤出成型工艺。

3.1.1 罐式（或喷嘴式）

将预热的物料装入模具上部的传递料筒中，闭合模具模塑料被加热成熔体，然后通过压机对压柱加压，熔体经喷嘴注入型腔成型，升高模具温度使型腔内的熔体交联固化，取模取出制品。

罐式RTM基本步骤：

1、预热；

2、放入传递料筒；

3、料受热变为熔体；

4、充填型腔；

5、加热交联固化成型；

6、启模（加料斗、流道界面）；

3.1.2 柱塞式 Design By Wang Yuan 北京化工大学<机电工程学院> 机械0906 By 王远<200931159> 在静止的压机平台上安装上一个独立的液压缸即解决了罐式模塑成型的弊端，液压缸提供了两个独立的压力功能：将热料从料槽中传递到模具的过程中紧紧闭台上下模具；提供足够的柱塞压力，独立于闭模运动。这一模塑系统允许模具设计者省去料格式模具很大的浇口，从而极大地降低了注射量和物料浪费。

柱塞式RTM工作过程：先将经过充分预热的物料装入已加热的加料室，闭模使物料在加料室内受热熔化，然后通过柱塞对熔融物料施加压力，使其通过与加料室直接相连的分流道和浇口进入型模腔内，进过一段时间的固化即可启模，用顶杆将制品连同浇道和浇口内的固化剂一并顶出。

3.1.3 螺杆式

此种成型能在相同条件下获得密度均匀具有精确质量预成型坯，省去了预成型和预热元件。模塑机利用一个挤压机对模塑料进行预热和预成型，方法是使料斗内的原料进入螺杆槽，螺杆位于外部加热的料筒内。从料筒中挤出已加热的物料使之进入位于中心的传递料筒而后被挤入模具。

螺杆式RTM工作过程：

1、经预热的物料由料斗加入机筒；

2、旋转的螺杆将物料输送到螺杆头部；

3、当物料达到一定量时，压注柱塞下移，打开料筒出口，将物料推入压注料筒；

4、压注柱塞使物料充模、保压，物料经交联固化成型；

5、最后开模取出制品。

结论：根据树脂基体以及增强材料、性能优缺点以及目前成熟的成型技术，本次汽车保险杠产品制备采用螺杆式树脂传递模塑（RTM）成型技术。

3.2 成型技术发展

RTM技术发展很快，目前在上述成型基础上，还衍生出一些特殊的RTM技术，这些技术主要有：

3.2.1 真空辅助RTM（VARTM）

真空辅助RTM（VARTM）工艺过程： Design By Wang Yuan 北京化工大学<机电工程学院> 机械0906 By 王远<200931159>

3.2.2压缩RTM（CRTM）

压缩RTM（CRTM）工艺过程：

3.2.3 Seemann’s复合材料树脂渗透模塑成型（SCRIMP）3.2.4 树脂模渗透成型（RFI）

树脂模渗透成型（RFI）工艺过程：

3.2.5 热膨胀RTM（TERMT）3.2.6 柔性RTM（FRTM）3.2.7 共注射（CIRTM）共注射（CIRTM）工艺过程： Design By Wang Yuan 北京化工大学<机电工程学院> 机械0906 By 王远<200931159>

4、汽车保险杠的生产设备组成与选择

4.1生产设备组成

根据生产工艺的要求，RTM 成型设备主要是树脂压注机和模具。

3.1.1 树脂压注机

树脂压注机由树脂泵、注射枪组成。树脂泵是一组活塞式往复泵，最上端是一个空气动力泵。当压缩空气驱动空气泵活塞上下运动时，树脂泵将桶中树脂经过流量控制器、过滤器定量地抽入树脂贮存器，侧向杠杆使催化剂泵运动，将催化剂定量地抽至贮存器。压缩空气充入两个贮存器，产生与泵压力相反的缓冲力，保证树脂和催化剂能稳定的流向注射枪头。注射枪口后有一个静态紊流混合器，可使树脂和催化剂在无气状态下混合均匀，然后经枪口注入模具，混合器后面设计有清洗剂入口，它与一个有0.28MPa 压力的溶剂罐相联，当机器使用完后，打开开关，溶剂自动喷出，将注射枪清洗干净。

3.1.2 RTM模具

RTM 模具分玻璃钢模、玻璃钢表面镀金属模和金属模3 种。玻璃钢模具容易制造，价格较低，聚酯玻璃钢模具可使用2000 次，环氧玻璃钢模具可使用4000 次。表面镀金属的玻璃钢模具可使用10000 次以上。金属模具在RTM工艺中很少使用，一般来讲，RTM 的模具费用仅为SMC 的2%～16%。

5、汽车保险杠的制造完整方案

汽车保险杠主要采用螺杆式树脂传递模塑(RTM)成型工艺路线，如图所示： Design By Wang Yuan 北京化工大学<机电工程学院> 机械0906 By 王远<200931159>

6、树脂传递模塑(RTM)的发展前景

近年来，针对存在的问题与局限性，国内外开展了大量的颇有成效的研究，使得技术更趋成熟，形成一个完整的材料、工艺和理论体系。现将工艺的最新进展简述如下[5]：

1、采用各型混合器，扩大树脂的适用范围。通过采用各型混合器，把一些粘度较大的树脂加热，以达到成型所需的粘度并顺利排除气泡，使在高性能复合材料方面获得广泛应用。

2、采用压实增强材料和辅以高真空措施，达到高纤维含量的要求。

3、采用多维织物与预成型技术。

4、采用柔性树脂传递模塑技术。

5、实施树脂压注和固化过程监控，进行计算机模拟。

随着科学技术的不断发展，工艺已经成为一种大有前途的成型工艺，与国外先进水平相比，我国目前在成型工艺与设备、原材料、模具设计制造等方面均存在相当大的差距，振兴中国的产业任重而道远，这就需要国内各科研单位和生产厂家共同努力，正视差距、找出原因，尽快消化吸收国外先进技术，结合实际开发改进，闯出一条中国人自己的产业化之路。

参考文献：

[1] 蒋春华等.RTM 综述, 玻璃钢，1996（2）：25 [2] 张刚翼等.浅谈RTM 工艺中对树脂流动性的控制, 玻璃钢/复合材料，1999，（5）：10 [3] 陈刚.RTM 工艺国内外发展概况, 玻璃钢，1994（3）：12 [4] 翟继业.RTM 成型技术及原材料的选用, 玻璃钢，1996，（1）：34 [5] 张林文等.RTM成型技术再认识, 玻璃钢/复合材料，1998（5）：7 Design By Wang Yuan