復(fù)合材料生產(chǎn)工藝的基本步驟（西工大）6(5復(fù)合材料生產(chǎn)工藝的基本步驟復(fù)合材料制件生產(chǎn)包括四個基本步驟:潤濕/浸漬、鋪層、疊層和固化。盡管復(fù)合材料可以用不同的方法生產(chǎn)，但是復(fù)合材料的生產(chǎn)工藝都包括這四步。6(5(1浸漬在這步中，纖維和樹脂混合形成薄層。例如，在纖維纏繞成型工藝中，纖維經(jīng)過膠槽浸漬。在手糊成型工藝中，使用的預(yù)浸料已經(jīng)由材料供應(yīng)商在控制的環(huán)境下浸漬。在濕法手糊成型工藝中，用壓榨滾筒使適量的樹脂膠液潤濕每個纖維層。該步的目的是使樹脂完全浸潤纖維。黏度、表面張力和毛細(xì)管作用是影響浸漬過程的主要參數(shù)。熱固性塑料的黏度范圍是10e1~10e4厘泊，很容易浸濕。熱塑性塑料的黏度范圍是10e4~10e8厘泊，需要較大的壓力才能達(dá)到良好的浸漬。6(5(2鋪層在這步中，復(fù)合材料層是通過在需要的角度和位置鋪層纖維和樹脂的混合物或預(yù)浸料形成的。復(fù)合材料的厚度是通過涂刷不同層數(shù)的纖維和樹脂混合物來實(shí)現(xiàn)的。在纖維纏繞成型工藝中，纖維分布是通過控制心軸和滑動架單元的相對運(yùn)動來實(shí)現(xiàn)的。在預(yù)浸料鋪層工藝中，通過手工或機(jī)器，將預(yù)浸料放置在特定的纖維方向上。在RTM成型工藝中，預(yù)成型品通過編織或者其他機(jī)器獲得纖維結(jié)構(gòu)，然后樹脂注入形成薄層。該步的目的是為了獲得設(shè)計(jì)的纖維結(jié)構(gòu)。復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)性能強(qiáng)烈的依賴于纖維取向和鋪層順序。6(5(3疊層這個步驟是使每層預(yù)浸料或薄層之間緊密結(jié)合。該步可排出在成型工藝中層間包埋的空氣。疊層是得到高質(zhì)量制件的重要步驟。未完全疊層的制件有空洞和干燥點(diǎn)。連續(xù)纖維復(fù)，23合材料的疊層包括兩個重要的過程:樹脂流過多孔介質(zhì)和彈性纖維變形。雖然，最初壓力只作用在樹脂上(纖維零彈性變形)。在疊層過程中，壓力同時作用在樹脂和纖維結(jié)構(gòu)上。當(dāng)壓力增加，纖維經(jīng)歷彈性變形，樹脂向邊緣流動?，F(xiàn)有各種各樣忽略纖維變形和只考慮樹，45脂流動的疊層模型。6(5(4固化最后一步是固化，對于熱塑性塑料僅需要不到一分鐘的時間，對于熱固性塑料則需要120分鐘。該步可以在真空或壓力下進(jìn)行。固化時間越短，工藝的生產(chǎn)速率越高。對于熱固性復(fù)合材料，固化速率取決于樹脂配方和固化動力學(xué)。在固化過程中，供給熱量以加快樹脂的固化速率。對于熱固性樹脂，通常固化溫度越高，交聯(lián)過程越快。對于熱塑性塑料，固化過程中沒有化學(xué)變化，因此只需要很短的時間。在熱塑性塑料成型過程中，固化速率取決于冷卻速率。對于熱固性復(fù)合材料，升溫可加速固化;而熱塑性塑料成型過程中，降低溫度以得到硬的制件。對于熱固性塑料和熱塑性塑料成型工藝，以上四步都是相同的。對于不同的生產(chǎn)方法，供熱和供壓方法、纖維分布的設(shè)計(jì)都是不同的;這將在6.8節(jié)和6.9節(jié)中討論。6.6節(jié)中討論了熱固性和熱塑性復(fù)合材料成型工藝的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。6.6熱固性和熱塑性復(fù)合材料成型工藝的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)6(6(1熱固性復(fù)合材料成型工藝的優(yōu)點(diǎn)常用的熱固性樹脂是環(huán)氧樹脂、聚酯和不飽和聚酯。這些材料可以是一個組分或者兩個組分的系統(tǒng)，且在室溫下為液態(tài)。這些樹脂系統(tǒng)升溫固化或在室溫下得到最終形狀。熱固性復(fù)合材料的生產(chǎn)方法具有以下優(yōu)點(diǎn):1.因最初的樹脂系統(tǒng)是液態(tài)，所以熱固性復(fù)合材料的成型工藝比較簡單。2.纖維很容易被熱固性樹脂浸潤，所以空洞和氣孔較少。3.熱固性復(fù)合材料成型過程中熱量和壓力的要求比熱塑性復(fù)合材料低，節(jié)約能量。4.熱固性復(fù)合材料的成型工藝僅需簡單、低成本加工系統(tǒng)。6(6(2熱固性復(fù)合材料成型工藝的缺點(diǎn)1(熱固性復(fù)合材料成型工藝要求很長的固化時間，導(dǎo)致生產(chǎn)效率比熱塑性復(fù)合材料低。2(一旦固化或凝固，熱固性復(fù)合材料就不能得到其他的形狀。3(熱固性復(fù)合材料的回收利用是個問題。6(6(3熱塑性復(fù)合材料成型工藝的優(yōu)點(diǎn)熱塑性復(fù)合材料的最初原料是固態(tài)的，需要熔融才能得到最終產(chǎn)品。熱塑性復(fù)合材料成型工藝的優(yōu)點(diǎn)包括:1(因?yàn)樵诔尚凸こ讨袥]有化學(xué)反應(yīng)，成型周期通常比較短，因此該方法適合大批量生產(chǎn)。例如注射成型的周期過程不到1分鐘，因此很適合用于生產(chǎn)效率要求很高的汽車工業(yè)。2(通過加熱和加壓，熱塑性復(fù)合材料可以再次成型。3(熱塑性復(fù)合材料容易循環(huán)利用。6(6(4熱塑性復(fù)合材料成型工藝的缺點(diǎn)1.熱塑性復(fù)合材料成型需要復(fù)雜的加工設(shè)備。此外，在熱塑性復(fù)合材料成型工藝中加工費(fèi)用高。例如，在注射成型中加工費(fèi)用需要,50,000，而在纖維纏繞成型工藝中一個心軸的花費(fèi)還不到,500.2.熱塑性復(fù)合材料不易加工，有時需要復(fù)雜的設(shè)備來供給熱量和壓力。6.7復(fù)合材料成型工藝復(fù)合材料成型工藝廣義上可以分為兩大類:熱固性復(fù)合材料的生產(chǎn)工藝和熱塑性復(fù)合材料的生產(chǎn)工藝。在商業(yè)應(yīng)用方面，熱固性復(fù)合材料占據(jù)主要市場。大約75%的復(fù)合材料產(chǎn)品都是由熱固性樹脂制備的。由于熱固性復(fù)合材料使用的廣泛性和優(yōu)點(diǎn)，使得熱固性復(fù)合材料的成型工藝遠(yuǎn)比熱塑性復(fù)合材料的成型工藝成熟。熱固性復(fù)合材料(玻纖增強(qiáng)的不飽和聚酯)最早使用是在20世紀(jì)40年代初期，而熱塑性復(fù)合材料的應(yīng)用比它晚的多。本章中討論的生產(chǎn)工藝分為以下幾個大標(biāo)題:1.工藝的主要應(yīng)用2.工藝中使用的基本原材料3.加工和模具要求4.制件生產(chǎn)5.供熱和供壓方法6.基本成型步驟7.工藝優(yōu)點(diǎn)8.工藝的局限性在以上八個標(biāo)題的基礎(chǔ)上，我們首先來討論熱固性復(fù)合材料的成型工藝，熱塑性復(fù)合材料的成型工藝以后討論。6.8熱固性復(fù)合材料的成型工藝在商業(yè)應(yīng)用上，75%以上的復(fù)合材料都是由熱固性復(fù)合材料制備的。它們主要應(yīng)用在航空、汽車、航海、輪船、體育用品和消費(fèi)市場。市場上現(xiàn)在有幾種主要的熱固性復(fù)合材料的成型工藝，它們各有其有缺點(diǎn)。每種方法的優(yōu)點(diǎn)和限制性都包含在制造工藝中。下面描述的是可商業(yè)應(yīng)用的制造工藝。下面描述的工藝順序不是按照工藝重要性的順序排列的。6.8.1預(yù)浸料手糊成型工藝手糊成型主要分為兩種方法:濕法手糊和預(yù)浸料手糊。濕法手糊工藝在6.8.2中討論。這里我們討論預(yù)浸料疊層法，該法在航空工業(yè)中應(yīng)用普遍。還可稱之為真空袋-熱壓罐成型。用這種方法可以生產(chǎn)高纖維體積分?jǐn)?shù)的復(fù)雜形狀材料。這是一個生產(chǎn)能力小的開模成型工藝。在這個工藝中，預(yù)浸料被裁切，用工具將其鋪涂在適當(dāng)?shù)睦w維方向上，然后真空封裝。真空封裝后，將復(fù)合材料和模具一起放入烘箱或高壓釜，加熱加壓，對部件進(jìn)行固化和疊層。預(yù)浸料鋪層或高壓釜成型是勞動密集型過程，勞動力耗費(fèi)是纖維纏繞成型、拉擠成型和其他高生產(chǎn)能力成型工藝的50~100倍;然而，對于制造毛坯制件和其他小批量產(chǎn)品，預(yù)浸料坯手糊成型比其他成型工藝好。6.8.1.1主要應(yīng)用預(yù)浸料鋪層成型工藝被廣泛的應(yīng)用于航空工業(yè)及制造毛坯制件。機(jī)翼、雷達(dá)罩、游艇和體育用品都可用該工藝生產(chǎn)。圖6.12是一些飛行器雷達(dá)罩(如鯊魚鼻子型、圓錐型、不同長度、固體層和絕緣泡沫芯的夾芯材料)，雷達(dá)罩可以用作飛行器的頭部和尾部。圖6.13是用作大型客機(jī)A330/340副翼的玻璃/環(huán)氧樹脂/蜂窩狀夾芯材料。圖6.14是C-17飛機(jī)升降機(jī)的著陸齒輪通道。每個飛機(jī)都有八個主要的齒輪通道和四個前端齒輪通道。在圖6.14中顯示的是將被進(jìn)一步粘合的主要著陸齒輪通道。圖6.12各種飛行器雷達(dá)罩(馬里恩復(fù)合材料)圖6.13玻璃/環(huán)氧樹脂/蜂窩狀夾芯材料制造的大型客機(jī)A330/340副翼(馬里恩復(fù)合材料)圖6.14將被進(jìn)一步粘合的主要著陸齒輪通道(馬里恩復(fù)合材料)6.8.1.2基本原材料石墨/環(huán)氧樹脂預(yù)浸料是預(yù)浸料手糊成型工藝中最常用的材料。也使用玻璃/環(huán)氧樹脂和Kevlar/環(huán)氧樹脂，但較碳/環(huán)氧樹脂預(yù)浸料要少的多。主要原因是碳/環(huán)氧樹脂比其它預(yù)浸料材料輕且強(qiáng)度好，而且可節(jié)約大量材料。因?yàn)樵摴に噺V泛應(yīng)用于重量是設(shè)計(jì)的重要因素的航空工業(yè)，此外，碳/環(huán)氧樹脂和其它預(yù)浸料相比成本相差不大，所以選用碳纖維材料。其它環(huán)氧、高溫樹脂如聚酰亞胺、聚氰酸鹽和BMA也可用于預(yù)浸料系統(tǒng)。6.8.1.3加工要求預(yù)浸料手糊成型工藝的設(shè)備是一個開模，在模中預(yù)浸料坯按一定的順序涂刷在適當(dāng)?shù)睦w維方向上。制造毛坯的設(shè)備由加工金屬、木材和塑料制備。航空材料的生產(chǎn)中，加工材料主要是復(fù)合加工材料，例如碳/環(huán)氧樹脂預(yù)浸料、碳/氰酸酯樹脂預(yù)浸料、碳/BMI樹脂預(yù)浸料、玻璃/環(huán)氧樹脂預(yù)浸料、玻璃/氰酸酯樹脂預(yù)浸料、環(huán)氧基和聚氨酯基體加工板等。表6.1中列出了多種室溫、介質(zhì)和高溫固化的預(yù)浸料，可用來制備模具。鋼鐵也是制造預(yù)浸料手糊成型工藝所用設(shè)備的材料。6.8.1.4制件生產(chǎn)該步使用的原料是冷凍的預(yù)浸料材料。制備前先將預(yù)浸料從冰箱中取出并緩慢解凍至室溫。一般情況下，在原包裝中熔化以避免濃縮。當(dāng)預(yù)浸料達(dá)到室溫時，立即將其剪切成適當(dāng)?shù)拈L度和形狀。剪切時，將預(yù)浸料放在剪切板上，然后用鋼尺和刀進(jìn)行剪切。在航空應(yīng)用中，操作是在一定濕度和溫度的潔凈環(huán)境中進(jìn)行的。室內(nèi)要且無灰塵，工人要穿上干凈的防護(hù)服將手、腳和身體包裹起來。圖6.15是無塵操作間。對于大量制件的生產(chǎn)，剪切預(yù)浸料需要使用自動切割機(jī)。這種情況下，預(yù)浸料放置在切割臺上，使用往復(fù)運(yùn)動的刀、激光或超聲波切割機(jī)將預(yù)浸料切割成適當(dāng)?shù)臉邮健＿@些機(jī)器是計(jì)算機(jī)控制的，可以使用軟件實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化的反復(fù)切割。軟件可控制廢料最少化，實(shí)現(xiàn)反復(fù)切割操作的重復(fù)性和連續(xù)性。機(jī)器可同時切割堆積在一起的幾層預(yù)浸料板，提高了生產(chǎn)效率。單向纖維預(yù)浸料主要用于制件生產(chǎn)。用這種方法切割板以獲得適當(dāng)?shù)睦w維取向。有時使用纖維編織的預(yù)浸料。圖6.15鋪層制作的無塵設(shè)備(Lunn行業(yè))制件生產(chǎn)是通過將預(yù)浸料放置在開模的頂部實(shí)現(xiàn)的。使用脫模劑可使部件容易從模具中取出。首先將膠衣層從預(yù)浸料移出，然后按照生產(chǎn)圖的順序鋪層預(yù)浸料。由于航空部件對安全性要且很高，鋪層后要人工仔細(xì)檢查板層順序以控制質(zhì)量。在預(yù)浸料每層鋪層后，都要保證層間沒有空氣包裹。使用壓榨輥筒擠出中間的空氣并使得層間粘結(jié)牢固。當(dāng)所有的預(yù)浸料坯都按照適當(dāng)?shù)捻樞蚝屠w維取向鋪層后，在真空中對部件進(jìn)行固化和疊層操作(圖6.16)。真空封裝步驟是:圖6.16預(yù)浸料手糊成型的真空封裝1.在所有的預(yù)浸料上覆蓋透氣膜。透氣膜可有孔的薄膜，可以使包裹在層間的空氣、過多的樹脂和揮發(fā)物從孔中出來。2.在透氣膜上鋪設(shè)排氣的多孔纖維。排氣層的作用是吸收預(yù)浸料中的水分和多余的樹脂，3.在透氣層上鋪層?xùn)艩钅?，柵狀膜與透氣膜相似，但是沒有孔。4.使用與透氣層相似的多孔呼吸層。呼吸層的作用是使部件周圍壓力均勻，同時使空氣和揮發(fā)物放出。5.最后一層是真空袋。使用昂貴的聚酰胺(PA)膜或可反復(fù)使用的彈性體。用密封帶對預(yù)浸料坯進(jìn)行全面密封。如果模具是有孔的，需要把整個模具包在真空袋內(nèi)。密封帶是0.5到1英寸寬的橡膠材料，它對模具和制袋材料都有很好的粘合作用。在真空袋內(nèi)插入一個噴嘴并連接一個軟管使得袋內(nèi)為真空。如果在下個步驟疊層制件需要粘合，在預(yù)浸料的上面鋪設(shè)可剝離纖維層。可剝離纖維層可以使合成部件有好的粘結(jié)表面。有時，幾種部件一起加工以避免額外的步驟和減少部件數(shù)量。圖6.17是將進(jìn)入熱壓罐固化成型的真空封裝好的部件。圖6.18是含有多種熱壓罐的生產(chǎn)設(shè)備。圖6.17將進(jìn)入熱壓罐的真空封裝好的航空部件(Lunn行業(yè))圖6.18包含多個熱壓罐的生產(chǎn)設(shè)備(Lunn行業(yè))6.8.1.5節(jié)講述的是預(yù)浸料手糊成型工藝過程中的熱量和壓力輸送。一旦制件完成固化，就將真空袋移走并將部件取出。圖6.19熱壓罐工藝中典型的固化過程6.8.1.5供熱和供壓方法經(jīng)過層壓和封裝后，將模具放置在熱壓罐中固化和疊層。熱壓罐和一般壓力容器類似，可以在腔內(nèi)保持復(fù)合材料加工所需的壓力和溫度。圖6.19是典型的固化過程。固化過程取決于樹脂材料的類型和部件的幾何形狀。產(chǎn)生壓力的方法有兩種:用真空袋和對熱壓罐加壓。真空在制袋材料內(nèi)形成真空，因此有利于適當(dāng)?shù)寞B層。為了在袋內(nèi)制造真空，在裝袋系統(tǒng)中噴嘴通過軟管與真空泵相連。用真空泵獲得需要的真空。對熱壓罐加壓是通過注射壓縮空氣或氮?dú)鈦韺?shí)現(xiàn)。在高溫固化時為了避免燃燒氮?dú)馐鞘走x。因此真空袋外加壓和袋內(nèi)抽真空可以提供疊層所需要的充足壓力，實(shí)現(xiàn)層間緊密疊層。固化熱量是從加熱空氣和氮?dú)獾玫降?。壓縮氣體提供能量給熱壓罐使腔內(nèi)升溫。也可以在熱壓罐內(nèi)放置彈藥筒加熱器來升溫。熱壓罐中的熱量和壓力的控制是通過在熱壓罐外的計(jì)算機(jī)控制裝置來實(shí)現(xiàn)的。使用者設(shè)定的固化曲線如圖6.19所示，計(jì)算機(jī)通過開關(guān)控制參數(shù)。如圖6.19所示，在裝袋系統(tǒng)中首先使用真空，然后升溫到一定水平以增加樹脂的流動。加熱速率一般是2~4?/min。在熱保壓下停留一段時間，升高溫度到另一水平以固化復(fù)合材料。在這個過程中，在真空系統(tǒng)外施加壓力并大約保持2小時，取決于實(shí)際要求。6.8.1.6基本成型步驟通過預(yù)浸料手糊成型工藝制造復(fù)合材料的基本步驟如下:1.從冰箱中取出預(yù)浸料并在室溫下消融。2.預(yù)浸料放置在剪切工作臺上剪切成需要的形狀和取向。3.模具必須是干凈的，并且要在模具表面鋪層脫模劑。4.取走預(yù)浸料坯的被襯，按照生產(chǎn)圖紙要求的順序?qū)㈩A(yù)浸料放置在模具表面。5.將預(yù)浸料一層層鋪好后使用壓榨輥筒將層間空氣擠出。6.將預(yù)浸料坯一層層鋪好后，按照6.8.1.5提到的順序使用脫模薄膜、透氣、柵狀薄膜、呼吸薄膜和包裝材料進(jìn)行真空封裝。7.進(jìn)行整體組裝，如果部件結(jié)構(gòu)很大則使用手推車將其放入熱壓罐。8.連接熱電偶和真空軟管，關(guān)閉熱壓罐。將固化過程的數(shù)據(jù)輸入計(jì)算機(jī)控制的機(jī)器，并按之操作。9.10.冷卻后，移走真空袋，然后取出制件。6.8.1.7典型的生產(chǎn)問題生產(chǎn)工程師在預(yù)浸料手糊成型工藝中遇到的一些問題如下:1.因?yàn)轭A(yù)浸料鋪層是手工操作的，所以在制件中保持準(zhǔn)確的纖維取向是很困難的。使用自動帶放置設(shè)備可以精確的控制纖維取向。2.該工藝很難獲得無孔洞的部件。孔洞是由層間包裹的空氣引起的。3.該工藝很難得到無翹曲和扭曲的部件。翹曲是由生產(chǎn)過程中的殘余壓力引起的。6.8.1.8預(yù)浸料手糊成型工藝的優(yōu)點(diǎn)預(yù)浸料坯鋪層成型工藝在航空工業(yè)中應(yīng)用普遍，有以下優(yōu)點(diǎn):1.因?yàn)槭褂妙A(yù)浸料坯，它可以生產(chǎn)高纖維體積分?jǐn)?shù)(>60%)的復(fù)合材料制件。預(yù)浸料的纖維體積分?jǐn)?shù)通常大于60%。2.簡單和復(fù)雜的部件都可以使用這種方法生產(chǎn)。3.這種工藝很適合生產(chǎn)毛坯制件。它需要的加工成本很低，但是熱壓罐需要很高的資金投入。4.該工藝可以生產(chǎn)堅(jiān)固和硬質(zhì)制件。6.8.1.9預(yù)浸料手糊成型工藝的局限性盡管預(yù)浸料手糊成型工藝很成熟，它有下述的局限性:1.它是勞動密集型的，不適合大批量生產(chǎn)應(yīng)用。2.通過預(yù)浸料手糊成型工藝制得的部件很昂貴。6.8.2濕法手糊工藝以前濕法手糊是生產(chǎn)復(fù)合材料部件的主要方法。它現(xiàn)在還廣泛應(yīng)用于航海工業(yè)和制造毛坯制件。該工藝是勞動密集型的，因?yàn)槭情_模型的要注意苯乙烯的揮發(fā)。在這個工藝中，液體樹脂注入模具并在上層對其增強(qiáng)。使用輥筒進(jìn)行樹脂浸漬纖維。接著使用另一個樹脂和增強(qiáng)層直至合適的厚度。這是一個很靈活的過程，使用者可以通過鋪設(shè)不同類型的纖維和鋪襯材料來最優(yōu)化部件。因?yàn)樵鰪?qiáng)材料是通過手工鋪層的，所以又成為手糊成型工藝。這個過程只需要很小的資金投入且技術(shù)水平要求不高，因此很容易使用。6.8.2.1主要應(yīng)用在商業(yè)中，該工藝被被廣泛的用于制造船只、風(fēng)車的風(fēng)葉、儲料罐和游泳池。因?yàn)檫@個工藝簡單，需要資金投入小，所以該工藝被廣泛的應(yīng)用于制造毛坯制件。評價增強(qiáng)材料和樹脂的各種各樣的測試也是用這個工藝。簡單和復(fù)雜的不見都可以用這種工藝來制造。圖6.20是41英尺×9英寸和27英尺×1英寸的運(yùn)動游艇。圖6.21是用該工藝生產(chǎn)的41英尺的巡洋艦。圖6.22是72英尺的游艇。圖6.23是72英尺游艇的泡沫芯材的應(yīng)用。船體是由層壓法做的以輕質(zhì)材料或泡沫為芯材的玻璃纖維夾層材料。在單獨(dú)的外殼面板上沒有芯層材料，縱向和橫向框架是合成的，且比夾層面板重。夾層面板比單外殼面板能維持更大的跨度。圖6.20頂部中心線長度為41英尺×9英寸和底部中心線長度為27英尺×1英寸的運(yùn)動游艇。近乎干燥時的重量分別為131001b(5942kg)和52501b(2381kg)。(雷鳥產(chǎn)品，Decatur,印度)圖6.2141英尺巡洋艦。近乎干燥時的質(zhì)量是18,5201b(8401kg).(雷鳥產(chǎn)品，Decatur,印度)圖6.2272英尺游艇。(Mikelson游艇，圣地亞哥，美國首都航空公司)圖6.23作人員正在給72英尺游艇敷用交聯(lián)泡沫芯。(Mikelson游艇，圣地亞哥，美國首都航空公司)6.8.2.2基本原料玻璃纖維、芳綸纖維和碳纖維都可用做增強(qiáng)材料，在商業(yè)上主要用高彈玻璃纖維。在濕法成型中使用環(huán)氧、聚酯和乙烯酯樹脂，這取決于部件的要求。在制造船只和其他商業(yè)應(yīng)用中，聚酯樹脂是最常用的樹脂。在制造船體時也使用玻璃粗紗。粗紗使用噴槍剪切并鋪層在模具中。6.8.2.3加工要求與其他成型工藝相比，濕法手糊成型工藝需要的模具很簡單，大部分都是在室溫環(huán)境下固化且僅需較低的壓力。鋼、木材、玻璃增強(qiáng)塑料和其他材料都可用做毛坯澆鑄材料。模具可以是陽?；蜿幠?。在生產(chǎn)大批浴缸時可以使用陽模。在造船工業(yè)中，使用由玻璃增強(qiáng)塑料制備的單面陰模。模具的外殼通過木框架增硬。模具通過采用陽模反制來制備。不同尺寸的外殼可以用同樣的模具來制備。模具的長度可以通過使用插入物使其變短或二級模具(如窗戶、通風(fēng)口和推進(jìn)道)使其變長。6.8.2.4制件生產(chǎn)圖6.24是濕法手糊成型工藝示意圖，復(fù)合制件的厚度是通過鋪層一系列增強(qiáng)材料層和液體樹脂層來實(shí)現(xiàn)的。使用滾筒擠出多余樹脂，并使表面樹脂分布均勻。通過滾筒的壓擠行為，得到潤濕均勻的纖維。然后部件通常在室穩(wěn)下固化，固化后，將其從模具中取出。圖6.24濕法成型工藝示意圖整個成型過程時間是由復(fù)合材料的尺寸大小及使用的樹脂來決定的。船之類的大尺寸結(jié)構(gòu)通常使用室溫固化。如果要制造的層壓板是厚的，然后板的厚度是逐步增加的，使放熱曲線不需要發(fā)生在過熱階段。在這種情況下，通常使用一個可剝離層來結(jié)束一天的工作，隨后移走它，使得有一個干凈且較好的表面與下一層粘結(jié)。在濕法手糊成型工藝中質(zhì)量的控制相當(dāng)難。最終部件的質(zhì)量主要取決于操作者的水平。盡管由于對揮發(fā)物的排放要求越來越高，使得一些廠家開始使用閉模工藝如RTM和VARTM，但濕法成型工藝對造船工業(yè)來說仍然是相當(dāng)重要的。為了對濕法成型工藝有進(jìn)一步的了解，在這里我們討論一下用該技術(shù)生產(chǎn)船體外殼。為了用這種方法生產(chǎn)船體外殼，在模具表面鋪層脫模劑以便于脫模操作。然后用刷子或噴槍鋪層膠衣層。膠衣層可以提高制品表面質(zhì)量，還可提供需要的顏色。通常使用包括觸變添加劑和染料的聚酯凝膠層。然后固化膠衣層以避免層壓板穿透。膠衣層可以提供A級的6船體表面。當(dāng)膠衣層變硬后，用噴射工藝鋪層一個表面層以提高抗腐蝕性能。表面層是含不飽和酯幾乎使聚酯樹脂的成本加倍，但由于它比聚酯有不飽和酯樹脂的短切玻璃氈。盡管有好的抗腐蝕性能，所以使用它。鋪層表面層后，固化一晚。固化的表面層作為結(jié)構(gòu)層壓板的防護(hù)層。第二天先進(jìn)行切割層壓板，并用雙向織物對其進(jìn)行縫合，然后放在模具面上覆蓋住整個表面。通常，兩層縫合的雙向織物作為第一層壓板外表面放在模具上，這取決于外殼尺寸。用刷子、滾筒或流體涂膠機(jī)將樹脂作為增強(qiáng)材料涂覆在上面。多余的織品成團(tuán)狀堆積需要額外增強(qiáng)，如中心線和通海閥滲透。有沒有干纖維和包裹空氣取決于操作者的技能。涂覆樹脂和均勻潤濕的過程是勞動密集型的。為了提高效率，先在一個桌子上將織物潤濕，然后放置在模具中，或者使用浸漬機(jī)將樹脂均勻涂覆在織品上然后放置在模具中。圖6.25是在浸漬機(jī)中織品通過兩個滾筒潤濕織品?？椘方n機(jī)能準(zhǔn)確控制樹脂和玻璃比例。用這種方法可以快速得到層壓板。該機(jī)器每小時可以浸漬1000Ib的層壓板。圖6.25織品浸漬機(jī)演示玻璃織品的浸漬過程(梅里特船和發(fā)動機(jī)機(jī)件，鯧參魚海灘，佛羅里達(dá)州)圖6.26芯材材料的真空裝袋演示。真空裝袋使得外層與芯材緊密結(jié)合且樹脂含量低。(梅里特船和發(fā)動機(jī)機(jī)件，鯧參魚海灘，佛羅里達(dá)州)纖維完全浸漬后層壓板就可以加工了。在加工過程中，將粘合劑噴涂在層壓板上，然后加輕質(zhì)芯層或其他合適的芯層做成夾層結(jié)構(gòu)。如圖6.26所示，然后整個結(jié)構(gòu)進(jìn)行真空裝袋。真空裝袋是在15in.Hg/2Hr的壓力下進(jìn)行的。真空裝袋保證了芯層和層壓板有好的粘結(jié)。在芯層材料的頂部，最外層通過將兩層雙取向織物層進(jìn)行層壓獲得。用與制備第一層壓板相同的方法樹將樹脂浸漬織品。然后在室溫下加工層壓板。從而獲得的層壓板厚度大約為1.5英寸。當(dāng)外殼在模具中時將防水壁、發(fā)動機(jī)裝配、長條支撐木材和覆蓋物進(jìn)行裝配。濕法成型工藝的主要局限性是成型織品只有一個光滑的表面。由于織品厚度、空洞部分、纖維含量和部件背面的表面質(zhì)量不能控制，所以主要只能用在空間準(zhǔn)確性要求不高的低強(qiáng)度部件中。6.8.2.5加熱和加壓方法濕法手糊成型工藝通常在室溫下進(jìn)行。樹脂通常在室溫下放置一天或一晚再加工，這取決于樹脂的化學(xué)性能。通過在層壓過程中吹熱風(fēng)的方法可以縮短加工時間。在層壓過程中使用滾筒進(jìn)行加壓。在加工過程中，使用無壓或真空裝袋的方法來進(jìn)行板間緊密疊層和板間空氣去除。如果制件小可以放在熱壓罐中，或在外部加壓。有時對整體制件進(jìn)行后加工以提高部件的性能。6.8.2.6基本成型步驟濕法成型工藝的主要步驟包括:1.在模具中涂層脫模劑。2.使用膠衣層可以獲得A級外表面。在任何增強(qiáng)層鋪層前，膠衣層都已變硬。3.增強(qiáng)層鋪層在模具表面，然后用樹脂浸漬。有時直接將潤濕的織品鋪層在模具表面。4.使用滾筒將樹脂均勻涂覆在表面。5.繼續(xù)鋪層增強(qiáng)材料直至獲得合適的厚度。6.在夾層結(jié)構(gòu)中，輕質(zhì)、泡沫或蜂窩狀芯層鋪層在層壓板上，然后將它們粘結(jié)起來。另一面的層壓板外殼的制作跟第一個的相同。7.部件可以在室溫或升溫的條件下加工。6.8.2.7濕法手糊成型工藝的優(yōu)點(diǎn)濕法手糊成型工藝是一個相當(dāng)老的復(fù)合材料生產(chǎn)技術(shù)，有以下優(yōu)點(diǎn):1.該工藝需要的資金投入特別低，與其他工藝相比它所需要的設(shè)備成本幾乎可以忽略。2.該工藝簡單且靈活，可選用任何類型的纖維材料，纖維可以任意取向。3.因?yàn)榭梢允褂煤唵蔚哪＞邅砩a(chǎn)制件，所以制造樣品部件的成本低。此外，該工藝使用的原材料是液體樹脂、纖維氈和織物材料，這些材料比預(yù)浸料材料便宜。6.8.2.8濕法手糊成型工藝的局限性濕法手糊成型工藝有以下局限性:1.該工藝是勞動密集型的。2.該工藝特別適合成產(chǎn)樣品和大型結(jié)構(gòu)制件。3.因?yàn)樵摴に囀情_模的，要十分關(guān)注苯乙烯的揮發(fā)。4.不能保證各個制件的質(zhì)量相同。5.不能用該工藝生產(chǎn)纖維體積含量高的制件。6.該工藝有污染。6.8.3噴射成型工藝噴射成型與濕法手糊成型工藝類似，只是將纖維和樹脂材料鋪設(shè)在模具上的方法不同。濕法手糊成型是勞動密集型的，增強(qiáng)材料和樹脂材料是用手工鋪層的。在噴射成型工藝中，使用噴槍鋪層樹脂和增強(qiáng)材料，生產(chǎn)能力達(dá)到1000~1800Ib/h。在該工藝中，使用噴槍將短切玻璃纖維和樹脂/催化劑噴射到開模中。噴槍可將連續(xù)纖維粗紗剪切成需要的長度(10~40mm)噴出，同時將樹脂/催化劑噴射到模具中。噴射成型工藝比濕法手糊成型快的多，使用比較便宜的玻璃纖維形式-粗紗，是一個比較經(jīng)濟(jì)的選擇。6.8.3.1主要應(yīng)用噴射成型工藝可以用來小到中批量生產(chǎn)從小到大的定做和半定做的制件。當(dāng)產(chǎn)品的強(qiáng)度要求不是太嚴(yán)格的時候，噴射成型是很合適的選擇。浴缸、游泳池、船體、儲油罐、灰塵和空氣處理設(shè)備和家具配件(如座套)就是該工藝的商業(yè)應(yīng)用。6.8.3.2基本原材料該工藝的增強(qiáng)材料是玻璃纖維粗紗，粗紗被剪切成10~40mm長然后噴射在模具上。為了提高機(jī)械性能，聯(lián)合使用織物層和短切纖維層。最常用的材料類型是高彈玻璃纖維，但是也可以使用碳和芳綸粗紗。當(dāng)需要時，連續(xù)纖維氈、織物和各種類型的夾層材料都可以通過手工嵌入。在該工藝中，增強(qiáng)材料的質(zhì)量分?jǐn)?shù)是整個制件質(zhì)量的20~40%。噴射成型工藝最常用的樹脂系統(tǒng)是通用或二環(huán)戊二烯(DCDP)聚酯。該工藝也使用異酞酸聚酯和不飽和酯。成型周期是30~40分鐘的快速反應(yīng)樹脂也被典型應(yīng)用。樹脂中通常含有大量填料。最常用的填料是碳酸鈣和三水合鋁。在填滿的樹脂系統(tǒng)中，填料取代了一些增強(qiáng)材料;使用的填料質(zhì)量是5~25%。6.8.3.3加工設(shè)備該工藝中使用的模具是濕法手糊成型中的是一樣的。根據(jù)應(yīng)用要求使用陽模和陰模。浴盆和淋浴使用陽模，而船體和桌子使用陰模。制作浴缸時使用FRP模。制備模具的方法已在6.4.3節(jié)中敘述。6.8.3.4制件生產(chǎn)噴射成型工藝的加工步驟同濕法手糊成型工藝的十分相似。在該工藝中，首先在模具上涂脫模劑，然后涂上膠衣層。膠衣層固化2小時直至變硬。待膠衣凝膠后，使用噴槍將纖維和樹脂混合物噴射在模具表面。如圖6.27所示，噴槍將連續(xù)粗紗(一個或很多粗紗)按預(yù)定的長度剪切，并使其穿透樹脂/催化劑混合物。圖6.28是自動機(jī)械操作的短切纖維和樹脂。樹脂和催化劑可以在槍內(nèi)進(jìn)行混合(槍內(nèi)混合)或在進(jìn)入槍前混合。槍內(nèi)混合可以使樹脂和催化劑在槍內(nèi)進(jìn)行充分的混合，并且可以將操作人員的健康危害最小化。在其他類型中，催化劑通過兩個輔助噴嘴噴入樹脂膜。由于不通風(fēng)的噴槍可以控制噴射方式和減少揮發(fā)物的散發(fā)，所以應(yīng)用越來越廣泛。在無空氣系統(tǒng)中，水壓通過專門的噴嘴來分散樹脂，噴嘴將樹脂流分散為小滴然后滲透到增強(qiáng)材料中。在氣霧噴槍系統(tǒng)中，使用加壓的空氣來分散樹脂。圖6.27噴射成型示意圖圖6.28生產(chǎn)浴缸的遙控噴射成型工藝。使用機(jī)器將玻璃纖維剪切到凝膠上。(Fanuc機(jī)器人技術(shù))在噴射成型工藝中，厚度的增加是與噴射方式成比例的，層壓板的質(zhì)量是由操作者的技術(shù)水平?jīng)Q定的。當(dāng)材料被噴射到模具中后，使用刷子或滾筒擠走包裹的空氣并確保好的纖維浸潤。根據(jù)性能要求將織物層或連續(xù)纖維氈加入層壓板。樹脂在室溫下固化。根據(jù)樹脂配方不同，樹脂的固化需要2~4小時。固化后，將制件脫模，對最終的結(jié)構(gòu)要求進(jìn)行校驗(yàn)。為了更深入的了解噴射成型工藝，在這里以浴缸生產(chǎn)為例來描述該工藝?，F(xiàn)在市場上有兩種浴缸:一種表面涂有膠衣層，另一種表面有丙烯酸漆。在這些產(chǎn)品中，首先將膠衣或丙烯酸漆涂在模具中，然后復(fù)合材料用作底板材料。厚的丙烯酸拋光的浴缸比膠衣拋光的結(jié)實(shí)，但是要貴,100.由于這個原因，以丙烯酸為基礎(chǔ)的浴缸主要用于豪華項(xiàng)目中(如漩渦浴)，而膠衣拋光的浴缸主要用于日用品市場7。在生產(chǎn)膠衣層拋光的浴缸時，第一步是將脫模劑涂于陽模中，然后涂同種聚酯的膠衣層。這層膠衣是有顏色的，其中含有鈦白粉(二氧化鈦)并用礦石、滑石和硅石填充以減少苯乙烯的含量。使用膠衣層的目的是為了使制件的表面光滑。當(dāng)膠衣層變硬后，使用黑色的隔離膜阻止纖維印透。然后膠衣層和隔離膜在烘箱中固化。丙烯酸拋光的浴缸不使用陽模，使用陰模來制造浴缸。首先加熱丙烯酸薄層，然后真空成型到陰模中。丙烯酸薄層凝固后，從模具中移出。此時丙烯酸薄層已足夠硬可以用來做陽模。丙烯酸薄層以相匹配的模式支撐，然后鋪設(shè)復(fù)合材料。丙烯酸薄層成為完整的浴缸制件。在這之前，生產(chǎn)膠衣層和丙烯酸層浴缸的生產(chǎn)步驟都是完全相同的。在噴射成型工藝中，使用二環(huán)戊二烯聚酯樹脂(DCPD)。將碳酸鈣和三水合鋁填料加入樹脂，使用高剪切混合單元混合。在層壓過程中，將蠟型添加劑加入樹脂來抑制苯乙烯的散發(fā)。在固化過程中，層壓表面的蠟增多形成隔離膜，使苯乙烯的蒸發(fā)減少了20%。將混合樹脂泵入儲罐，儲罐與噴槍相連。在噴槍上裝有玻璃纖維切斷機(jī)，可以剪切玻璃粗紗。然后樹脂、催化劑和短切玻璃纖維的混合物被以扇狀形式噴射到隔離膜上。如前所述，樹脂和催化劑的混合方法取決于噴槍的類型。將每層都層壓后，操作者滾出整個層壓板。多注意半徑和角落就可以得到光滑的表面。當(dāng)?shù)谝粚悠せ驅(qū)訅喊逍纬珊?，加入起皺材料、泡沫或木頭使部件成為芯層來制備夾層結(jié)構(gòu)。芯層材料用于平坦區(qū)域、彎曲區(qū)域和部件的底部。然后將部件在烘箱中固化，拿到室溫下。固化后，用同樣的方法形成第二層。在噴射成型工藝中使用相同的材料形成第二層。部件再在烘箱中固化，拿到室溫下。移走模具，在下一個生產(chǎn)工序中打蠟和拋光。最后的工作是在浴盆中修整縫隙和鉆排水孔及扶條。根據(jù)產(chǎn)品性能要求進(jìn)行二次操作。為了控制材料用量對部件進(jìn)行稱重，檢查部件尺寸誤差，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和表面拋光質(zhì)量。最后，對產(chǎn)品進(jìn)行鑒定、裝箱并運(yùn)到商店。6.8.3.5供熱和供壓方法因?yàn)閷崃亢蛪毫Φ男枨蟛桓?，所以噴射成型工藝是很?jīng)濟(jì)的。部件在室溫下固化，或大體積部件在烘箱中固化。在固化過程中不需要加壓。在樹脂和增強(qiáng)材料噴射后，使用滾筒除去包裹的空氣和制備光滑的層壓板表面。6.8.3.6基本加工步驟噴射成型工藝的生產(chǎn)步驟幾乎與濕法手糊成型的一樣，差別在于制造層壓板的方法?；静襟E如下:1.模具經(jīng)過了上蠟和拋光很容易脫模。2.膠衣涂于模具表面，直到變硬后在鋪設(shè)其它層。3.使用隔離層避免纖維穿透膠衣層表面。4.隔離層在烘箱中固化。5.原始樹脂用填料(如碳酸鈣或三水合鋁)混合，然后泵入儲罐。6.用手工控制的噴槍將樹脂、催化劑和短切纖維噴射到模具表面。7.使用滾筒將噴射的纖維和樹脂材料壓緊，制造光滑的層壓板表面。移走包裹的空氣。8.將木頭、泡沫或蜂窩狀芯層嵌入層壓板制備夾層結(jié)構(gòu)。9.層壓板在烘箱中固化。10.質(zhì)量控制人員檢查制件的尺寸公差、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和表面拋光質(zhì)量，然后根據(jù)合格標(biāo)準(zhǔn)檢驗(yàn)制件是否合乎要求。6.8.3.7噴射成型工藝的優(yōu)點(diǎn)噴射成型工藝具有以下優(yōu)點(diǎn):1.對于制造小到到的制件，該工藝都是很經(jīng)濟(jì)的。2.該工藝使用低成本的加工和低成本的材料系統(tǒng)。3.該工藝很適合小到中批量的生產(chǎn)制件。6.8.3.8噴射成型工藝的局限性下面是噴射成型工藝的一些局限性:1.它不適合生產(chǎn)結(jié)構(gòu)要求高的制件。2.很難控制纖維體積分?jǐn)?shù)和厚度。這些參數(shù)高度取決于操作者的技術(shù)水平。3.因?yàn)槭情_模的，所以要注意苯乙烯的散發(fā)。4.該工藝得到的制件只有一面是光滑的，而另一面粗糙。5.該工藝不適合生產(chǎn)尺寸精度高和工藝可重復(fù)性為首要考慮因素的制件。噴射成型工藝不能制得所有表面都是光滑的或尺寸準(zhǔn)確控制的制件。6.8.4纖維纏繞成型在纖維纏繞成型工藝中，樹脂預(yù)浸料纖維以設(shè)定的角度纏繞在旋轉(zhuǎn)芯模上。圖6.29和圖6.30是典型的纖維纏繞成型示意圖。在該成型工藝中，繞絲頭前后運(yùn)動，芯模按一定的速率旋轉(zhuǎn)。通過控制繞絲頭和芯模的運(yùn)動就可以得到想要的纖維角度。該工藝很適合生產(chǎn)管狀制件。該工藝能以相對低廉的價格自動化大批量生產(chǎn)制件。纖維纏繞成型是唯一適合生產(chǎn)特定結(jié)構(gòu)制件(如壓力容器)的生產(chǎn)技術(shù)。圖6.29纖維纏繞成型工藝示意圖圖6.30纖維纏繞成型的生產(chǎn)演示(Entec復(fù)合材料設(shè)計(jì)公司)6.8.4.1主要應(yīng)用最常見的用纖維纏繞成型工藝生產(chǎn)的制品是管狀結(jié)構(gòu)、壓力容器、小管、火箭發(fā)動機(jī)外套、化學(xué)品儲罐和火箭發(fā)射管。圖6.31是一些纖維纏繞成型的部件。復(fù)雜纖維纏繞機(jī)器和專用的CAD系統(tǒng)的引入使得能夠生產(chǎn)復(fù)雜幾何形狀的制件，且克服了許多幾何局限性。彎曲形狀、連接棒、瓶子、魚竿、高爾夫球棒、壓力滾筒、套管、軸承、驅(qū)動器(工業(yè)的和汽車的)、油田管道、低溫學(xué)的、伸縮桿、工具把手、保險絲盒、熱棒(不傳導(dǎo)管)、導(dǎo)管、保險絲lage、自行車框架和把手、棒球/壘球球棒、曲棍球桿、魚竿、滑雪橇拐、漿、管子等等普遍都是用纖維纏繞成型工藝生產(chǎn)的。圖6.31纖維纏繞成型的制件(先進(jìn)復(fù)合材料公司)纖維纏繞法生產(chǎn)的玻璃纖維增強(qiáng)塑料(GRP)被用于水供應(yīng)管道系統(tǒng)。該管道系統(tǒng)干凈且暢通。纖維纏繞成型管輸送水所需要的泵送能量降低了10~35%，這是由相對于水泥管或鐵管的內(nèi)表面光滑程度決定的。GPR管的重量是鐵管的1/4，水泥管的1/10，因此便于運(yùn)輸和安裝。圖6.32是用于深層水輸送的復(fù)合材料立管。該管在建立海面平臺時花費(fèi)少，且立管的系統(tǒng)可靠性不會減小。復(fù)合材料立管質(zhì)輕，相對于鐵管系統(tǒng)硬度小，使得平臺尺寸小，需要的頂部張力減小。圖6.33是高壓復(fù)合蓄能瓶。這些瓶子用于海上油田工業(yè)，相對于鐵瓶來說重量顯著減輕。圖6.32通過纖維纏繞成型工藝生產(chǎn)的復(fù)合材料立管(林肯復(fù)合材料)圖6.33復(fù)合儲能瓶(林肯復(fù)合材料)6.8.4.2基本原料一般來說，纖維纏繞成型的初始材料是連續(xù)纖維(紗)和液體熱固性樹脂。紗以纏繞的形式在后架上，通過樹脂槽纏繞到繞絲頭上。纖維通縮樹脂槽時被浸漬。玻璃、碳、芳綸纖維都可用于纖維纏繞成型，但因玻璃纖維最便宜所以應(yīng)用更廣泛。環(huán)氧樹脂、聚酯樹脂和不飽和聚酯樹脂被用作樹脂材料。玻璃纖維和聚酯樹脂由于其成本低廉被廣泛應(yīng)用。用玻璃纖維和環(huán)氧樹脂生產(chǎn)的n纖維纏繞成型管被用于海上。有時也使用預(yù)浸帶做初始材料。預(yù)浸帶的使用使得纖維分布均勻和整個制件樹脂含量均勻。纖維纏繞成型工藝也可用來生產(chǎn)樹脂傳遞模塑(RTM)工藝的毛坯。6.8.4.3加工纖維纏繞成型工藝最常用的加工材料是鋼芯模。在某些特定應(yīng)用中，在鋼芯模的外表面鍍鉻，使得復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的內(nèi)表面光滑且容易從芯模上脫去。鋁也被用來制造芯模。對于某些應(yīng)用(如壓力容器)，芯模并不移走而是成為復(fù)合材料制件的一部分。沒有移走的芯模成為復(fù)合材料內(nèi)表面的不滲透/隔離面，可以避免壓力容器中的壓縮氣體或液體滲漏。金屬和熱塑性材料被典型地用作隔離材料。巴黎石膏和沙子也被用作可破壞的/可套縮的芯模。出于預(yù)先鍵入的目的，也可使用木頭、塑料和紙板。與其他生產(chǎn)工藝的加工成本相比，圓柱形芯模是便宜的。A48-到60-英尺長，直徑為1-到2-英尺的鐵芯模的花費(fèi)是,50~100.同樣尺寸的鍍鉻芯模的花費(fèi)是,250~500.6.8.4.4制件生產(chǎn)如圖6.29和6.30所示，要制作纖維纏繞成型結(jié)構(gòu)，要在纖維纏繞成型機(jī)上安裝芯模。纖維纏繞機(jī)器與車床相似，頭座和尾座用來固定芯模，剪切工具被繞絲頭上的絲嘴代替。芯模旋轉(zhuǎn)，繞絲頭相對芯模運(yùn)動，將樹脂浸漬的纖維按一定的角度纏繞到芯模上。市場上有很多類型計(jì)算機(jī)控制的纖維纏繞機(jī)，從二軸到六軸的都有。繞絲頭可以沿著x,y和z軸運(yùn)動，并可沿著這些軸旋轉(zhuǎn)。在兩軸纖維纏繞成型機(jī)中，芯模旋轉(zhuǎn)，繞絲頭在一個方向上前后移動。圖6.34纖維纏繞成型操作中刮刀刀片排列纏繞前，在芯模上涂脫模劑。有時，在脫模劑上涂膠衣層以得到高質(zhì)量內(nèi)表面的合成物。芯模制好后放在機(jī)器的頭座和尾座之間。在濕法纏繞中，纖維紗以線軸的形式放置在線軸架上，通過樹脂槽進(jìn)到繞絲頭，然后通過絲嘴纏繞到芯模上。為了得到好的纖維浸漬效果，必須將纖維束中的空氣擠出并用樹脂取代。浸漬系統(tǒng)必須容易打破纖維束的膜以利于樹脂進(jìn)入。為了得到好的浸漬效果，做了以下事情:粗紗保存在恒定的張力下，粗紗要通過導(dǎo)向針，在樹脂槽中使用刮刀(圖6.34)。如果粗紗的張力太小，層壓板沒有彎曲壓實(shí)，會在層壓板上產(chǎn)生了富脂區(qū)。如果張力太大，可能造成纖維斷裂或者靠近內(nèi)層的地方?jīng)]有樹脂。刮刀刀片排列使用刮掉了多余的樹脂，得到了均勻的樹脂層。經(jīng)過一系列芯模與繞絲頭的相對運(yùn)動后，層壓板就成型了。為了得到預(yù)期的纏繞，機(jī)器操作者要根據(jù)軟件要求輸入許多參數(shù)如管徑、芯模速度、壓力級別、帶寬、纖維角度等等。得到預(yù)期的纖維角度分布后，芯模連同復(fù)合材料層壓板一起移到固化區(qū)，在固化區(qū)層壓板在室溫或升溫條件下固化。對于厚的層壓板，可能需要分步纏繞，層壓板經(jīng)固化后再纏繞。固化完成后，用萃取裝置取出芯模。有時，在芯模上開一小的錐角以便于復(fù)合材料制件從芯模上脫除。用纖維纏繞成型工藝生產(chǎn)用于輸水管道系統(tǒng)的直徑為28英寸的GRP管時，首先在芯模上纏繞短切粗紗(2英寸長)以使得軸向和橫向上性能相同8。然后沿90?方向纏繞連續(xù)纖2維以得到環(huán)向強(qiáng)度。在環(huán)向纏繞層上鋪密度為30g/m，寬度為2英尺的未經(jīng)紡織的玻璃纖維表面氈。通常使用鄰苯二甲酸聚酯樹脂(質(zhì)量分?jǐn)?shù)是30~40%)來生產(chǎn)GRP管。然后將管移去固化，固化溫度是250~265?F，在層壓板外層使用紅外線加熱，夾層結(jié)構(gòu)的內(nèi)層使用鐵線圈感應(yīng)加熱。固化后，用計(jì)算機(jī)控制的鋸將管切成想要的長度。為了便于安裝，在管的邊緣切成30?的角。然后將管拿去拋光和壓力測試。6.8.4.5供熱和供壓方法纖維纏繞成型工藝中的壓力是通過纖維張力供給的。一般來說，1Ib~6Ib的纖維張力通過一些張力裝置或?qū)⒗w維通過繞絲頭這樣的方法來獲得。這樣制得的復(fù)合材料在室溫下或在烘箱中較高的溫度下固化。對于大批量制件，制件的制作工藝是自動化的。在自動生產(chǎn)線上，用機(jī)械手將芯模與纖維纏繞制件移到加熱室中。制件在加熱室中緩慢移動，復(fù)合材料制件部分或完全固化后取出。然后將制件放到芯模萃取臺，在這里芯模被取出然后放到纖維纏繞機(jī)的背面進(jìn)行纏繞。這些步驟都可以自動化操作。在纖維纏繞成型工藝中也可以使用紫外線輻射和電子波固化樹脂。在紫外線輻射和電子波固化中輻射的能量被用來固化樹脂。UV輻射在輻射光譜的低能量端，釋放的能量在1.7~6電子伏特(eV)范圍內(nèi);然而在電子波輻射中，釋放的能量在一萬到一百萬電子伏特之間。為了促進(jìn)UV固化，在樹脂成型中加入添加劑如Accuset303。添加劑中含有對輻射能量敏感的光促進(jìn)劑。光源如電極汞/蒸汽球被用來釋放適當(dāng)?shù)腢V波長能量來激發(fā)固化反應(yīng)。一旦暴露在紫外光下，光促進(jìn)劑的化學(xué)結(jié)構(gòu)分裂成活躍的自由基，積極地尋找樹脂混合物中的化學(xué)交聯(lián)點(diǎn)。當(dāng)自由基與其他自由基鍵合時，聚合物鏈長度增加，使得樹脂混合物聚合成固態(tài)。紫外光固化的缺點(diǎn)是它不能固化由其他復(fù)合材料生產(chǎn)工藝生產(chǎn)的層壓板，因?yàn)閁V光必須‘看到’需要固化的材料才行。此外，它不能穿透有顏色的或有色材料的頂層板，如黑的碳纖維。因?yàn)檫@個原因，紫外光固化主要用于材料的連續(xù)加工，如纖維纏繞。纖維纏繞成型制件的外表面通常不光滑，需要再加工和用砂紙打磨外表面。為了制得好的外表面，通常當(dāng)纏繞完成后在外表面鋪層收縮帶或聚四氟乙烯透氣層以吸收多余的樹脂。6.8.4.6產(chǎn)生預(yù)期的纏繞角度的方法芯模表面的預(yù)期纖維結(jié)構(gòu)是通過芯模和噴絲頭的相對運(yùn)動產(chǎn)生的。有幾種纏繞運(yùn)動可以用來獲得預(yù)期的纖維角度分布。有時，纖維纏繞成型機(jī)的供應(yīng)商提供纏繞使用的標(biāo)準(zhǔn)形狀如圓形、圓柱形、瓶形和壓力容器。在另一種方法中，纏繞運(yùn)動是由teach-in-programming技術(shù)決定的，在該技術(shù)中預(yù)期的纖維軌道首先標(biāo)注在芯模表面，然后芯模和繞絲頭的運(yùn)動是通9過試驗(yàn)和誤差逐漸增加的，這樣纖維就纏繞在標(biāo)注的軌道上了。因此芯模和繞絲頭的運(yùn)動，1011就被記錄了。有時使用交叉圖形包來修正和編輯儲存的資料。一旦完全沖程的所需數(shù)據(jù)被計(jì)算出來，在芯模分度后這些數(shù)據(jù)一般都是重復(fù)的。在有些地方還在使用teach-in-programming技術(shù)。傳輸點(diǎn)的運(yùn)動也可以通過模擬纖維纏繞成型工藝來測定。新技術(shù)產(chǎn)生了新一代計(jì)算機(jī)控制的纖維纏繞成型機(jī)，該成型機(jī)上有軟盤和硬盤驅(qū)動和，1213RS232輸入端口。設(shè)備是設(shè)定好的，它取決于幾個伺服軸的真實(shí)時間控制、模擬和數(shù)字輸出以及張力控制。纏繞運(yùn)動是通過使用軟盤從其他資料傳遞來的數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)的。生產(chǎn)工程師使用計(jì)算機(jī)制圖來模擬纏繞方式，記錄數(shù)據(jù)，然后通過線或軟盤將作為結(jié)果的數(shù)據(jù)輸入計(jì)算機(jī)。CAD/CAM系統(tǒng)也被開發(fā)用于纖維纏繞成型，它結(jié)合三維表面模型特定纖維纏繞軟件和設(shè)計(jì)軟件。三維表面模型被用來模擬成分的幾何學(xué)，并通過施加壓力分析和使用失敗標(biāo)準(zhǔn)來測定纖維取向。知道纏繞路徑后，纖維纏繞軟件通過定義纏繞路徑每一點(diǎn)的切線組成的連續(xù)直線來模擬纏繞成型。這些直線的端點(diǎn)定義了涉及的芯?？蚣艿膫鬟f點(diǎn)路徑。在這個階段，運(yùn)用交叉點(diǎn)計(jì)算來檢驗(yàn)可能的碰撞區(qū)域。如果產(chǎn)生的是可接受的線路，傳遞點(diǎn)的位置從涉及的芯?？蚣苻D(zhuǎn)移到與纖維纏繞機(jī)的運(yùn)動學(xué)一致的坐標(biāo)系統(tǒng)。在這兒最難的工作是將這些數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到纖維纏繞成型機(jī)的五或六個聯(lián)立軸上。然后機(jī)器運(yùn)動的每個自由度都可以用這種方式?jīng)Q定，運(yùn)動的每個自由度的純效果應(yīng)該與傳遞點(diǎn)位置的預(yù)期運(yùn)動相一致。這種技術(shù)的機(jī)器運(yùn)動有時是很復(fù)雜的，要求有一個有很多自由度的復(fù)雜纖維纏繞成型機(jī)。，1617機(jī)器人也被引入到小而復(fù)雜形狀結(jié)構(gòu)的纖維纏繞成型中.在自動纖維纏繞和CNC(計(jì)算機(jī)數(shù)字控制)纖維纏繞的許多例子中，傳遞點(diǎn)的運(yùn)動直接從芯模表面穩(wěn)定的纖維路徑17預(yù)測中得到。在這種情況下，假設(shè)傳遞點(diǎn)和芯模表面的距離是零，傳遞點(diǎn)在芯模表面的運(yùn)動是沿著預(yù)期的纖維軌跡。事實(shí)上，由于傳遞點(diǎn)和芯模表面的距離不是零，纖維布置的準(zhǔn)確17性不及常規(guī)纖維纏繞成型機(jī)的。其他可能阻止機(jī)器手按指示操作的限制是芯模或其它物體，1617的碰撞、機(jī)械手的單一位置或連接角度的限制和機(jī)器的動力學(xué).18-23Mazumdar和Hoa開發(fā)了一系列的動力模型來決定芯模和繞絲頭的運(yùn)動，以獲得在圓柱體的、非圓柱體的、軸對稱的和非軸對稱的芯模外形上預(yù)期的纖維角度分布。他們的方法依賴于幾何方法，在該方法中運(yùn)用幾何和三角的關(guān)系來決定纏繞的運(yùn)動。使用這些模型，有兩個自由度的纖維纏繞成型機(jī)的簡單模式可以在圓柱型的、非圓柱型的、軸對稱和非軸對稱形狀的芯模上獲得預(yù)期的纏繞角度。對于有多邊型(如矩形和六邊形)交叉區(qū)域的圓柱形芯模，該方法需要一些簡單的手工計(jì)算而不使用計(jì)算機(jī)來決定纏繞運(yùn)動。對于有多邊形交叉區(qū)域的圓柱形，預(yù)測的纏繞運(yùn)動百分百準(zhǔn)確。對于有彎曲表面的芯模，開發(fā)了小型計(jì)算機(jī)來決定芯模和繞絲頭的速率以獲得預(yù)期的纏繞角度。6.8.4.7基本成型步驟為了更好的理解整個工藝，在此描述一下纖維纏繞成型工藝中的主要操作步驟。這些步驟在濕法纖維纏繞成型工藝中很普遍。1.纖維紗的線軸保持在線軸架上。2.從線軸出來的幾種紗被牽引并通過引導(dǎo)針到絲嘴。3.硬化劑和樹脂系統(tǒng)在一個容器中混合，然后倒到樹脂槽中。4.將表面涂脫模劑和膠衣層(如果可使用)的芯模放在纖維纏繞機(jī)的頭座和尾座之間。5.將樹脂浸漬纖維從絲嘴中拉出，然后放置在芯模表面的出發(fā)點(diǎn)。纖維張力是通過張力裝置產(chǎn)生的。6.芯模和絲嘴的運(yùn)動開始。機(jī)器中的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)控制纏繞運(yùn)動以在層壓系統(tǒng)中獲得預(yù)期的纖維結(jié)構(gòu)，，如圖6.35所示。7.纖維帶鋪在芯模表面。隨著纏繞進(jìn)行厚度增加。8.為了得到外表面光滑的制件，在纏繞完成后，在最外層的上面包裹聚四氟乙烯層或收縮帶。9.將芯模和復(fù)合材料層壓板一起移到單獨(dú)的室內(nèi)，復(fù)合材料在其中室溫或升溫固化。10.固化后，芯模從復(fù)合材料制件中移出，并反復(fù)使用。在某些特定應(yīng)用中，芯模不取出，成為復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的完整部分。圖6.35纖維在芯模上的纏繞演示(林肯復(fù)合材料)6.8.4.8纖維纏繞成型工藝的優(yōu)點(diǎn)纖維纏繞成型在商業(yè)上有顯著的重要性，是由于它在芯模表面按精確的角度鋪設(shè)纖維的能力。纖維纏繞成型工藝具有以下優(yōu)點(diǎn):對于一些特殊應(yīng)用如壓力容器和燃料罐，纖維纏繞成型是唯使用一的方法，因?yàn)樗?.本低，制得的部件性能好。2.纖維纏繞成型使用低成本的原料系統(tǒng)和低花費(fèi)的加工來獲得成本效益的復(fù)合制件。3.纖維纏繞成型可以自動化生產(chǎn)大體積的復(fù)合制件。6.8.4.9纖維纏繞成型工藝的局限性纖維纏繞成型十分適合制作簡單的中空制件。然而，該工藝有以下局限性:1.該工藝僅限于生產(chǎn)封閉和彎曲結(jié)構(gòu)。不適合生產(chǎn)浴缸之類的開式結(jié)構(gòu)。纖維纏繞成型工藝有時也用來生產(chǎn)開式結(jié)構(gòu)如鋼板彈簧，在生產(chǎn)鋼板彈簧時纖維纏繞層壓板被切成兩半，然后再壓模。2.不是所有的纖維角度都可以很容易的用纖維纏繞成型工藝來生產(chǎn)。一般來說，測量學(xué)路徑傾向于纖維穩(wěn)定性。低的纖維角度(0~15?)不容易獲得。3.在該工藝中得到的最大纖維體積分?jǐn)?shù)僅為60%。4.在纖維纏繞成型工藝中，很難獲得均勻的纖維分布，并且樹脂遍布整個層壓板。6.8.5拉擠成型工藝?yán)瓟D成型工藝是低成本，大體積的生產(chǎn)工藝，該工藝是將浸有樹脂的纖維拉伸通過一個鋼模來生產(chǎn)制件。該工藝與金屬擠出成型工藝類似，不同之處是在擠出成型工藝中材料是從模中推出的，而在拉擠成型工藝中材料是從模中拉出來的。拉擠成型工藝生產(chǎn)恒定截面和連續(xù)長度的制件。拉擠成型工藝是簡單、低成本、連續(xù)和自動化的生產(chǎn)工藝。圖6.36是典型的拉擠成型工藝，在該工藝中浸有樹脂的紗被拉伸以恒定的速度通過熱模。當(dāng)材料通過熱模時被部分或完全固化。拉擠成型工藝生產(chǎn)的制件表面光滑，一般不需要后處理。圖6.36拉擠成型工藝的示意圖6.8.5.1主要應(yīng)用拉擠成型工藝通常被用于生產(chǎn)有固定截面的實(shí)心和中空結(jié)構(gòu)。該工藝也可以生產(chǎn)特殊用途的定制制件。最常見的應(yīng)用是生產(chǎn)柱、管道、管子、門窗系統(tǒng)、地板和設(shè)備支柱、人行道和橋、扶手、梯子、燈棒、電圈等等。圖6.37是一些典型的拉擠成型的形狀。拉擠成型可圖6.37典型的拉擠成型的形狀(GDP，法國)用于基礎(chǔ)設(shè)施、汽車、商業(yè)和其他工業(yè)部門。圖6.38是玻璃纖維門窗系統(tǒng)。門窗系統(tǒng)質(zhì)量輕、耐久并且容易安裝。圖6.39是為了獲得快速傳遞系統(tǒng)的絕緣玻璃纖維覆蓋的高壓鐵軌，圖6.40是卷起的玻璃纖維推拉門和側(cè)墻面板上的Z型條分離器。圖6.41是含有結(jié)構(gòu)部件、欄桿、梯級和平臺的完全玻璃纖維樓梯系統(tǒng)。拉擠成型制件用于以上應(yīng)用。圖6.38使用拉擠成型制件的玻璃纖維門窗和欄桿系統(tǒng)(創(chuàng)造拉擠成型公司)圖6.39在快速傳遞系統(tǒng)中絕緣玻璃纖維覆蓋的高壓鐵軌(創(chuàng)造拉擠成型公司)圖6.40輕質(zhì)卷起玻璃纖維推拉門和側(cè)墻面板的Z形條分離器(創(chuàng)造拉擠成型公司)圖6.41有結(jié)構(gòu)部件、欄桿、梯級和平臺的完全玻璃纖維樓梯系統(tǒng)(創(chuàng)造拉擠成型公司)6.8.5.2基本原材料拉擠成型使用單向纖維生產(chǎn)制件。使用E-玻璃、,-玻璃、碳和芳綸纖維做增強(qiáng)材料，最常用的類型是,-玻璃粗紗。也使用織物和氈以增加雙向和多向強(qiáng)度性能。不飽和聚酯是拉擠成型工藝最常用的樹脂材料。拉擠成型的性價比高且易加工?？墒褂貌伙柡王ズ铜h(huán)氧樹脂來提高性能，但是加入這些樹脂后加工比較困難。此外，由于這些樹脂的活性低，所以使用這些樹脂的拉擠速率比較低。在聚酯樹脂中加入多種填料以提高絕緣性能、耐化學(xué)性、阻燃性和降低成本。加入碳酸鈣可以降低拉擠成型制件的成本，而且是SMC混合物的主要填料。它可以提高制件的不透明性。氫氧化鋁和三氧化銻用于阻燃。硅酸鋁(高嶺土)可以提高絕緣性、不透明性、表面光潔性和耐化學(xué)性。6.8.5.3加工在拉擠成型工藝中，使用鋼模將浸有樹脂的纖維轉(zhuǎn)換成預(yù)期的形狀。鋼模除了在原料進(jìn)口處逐漸變細(xì)外，沿長度方向有固定的截面。將鋼模加熱到一定的溫度使樹脂部分或完全固化。加工成本取決于制件的復(fù)雜性和體積要求。鋼模的成本在,4000~25,000之間，由制件的尺寸和截面決定。在主要的再加工前，一般要求加工壽命超過150,000英尺。工具通常需要再鍍鉻以最小化破壞性磨損?？偟膲勖_(dá)到750,000英尺直到對鋼模進(jìn)一步再加工是不切現(xiàn)實(shí)的。將鋼模分割開以便于安裝、拆卸、加工和鍍鉻。在這些段節(jié)結(jié)合時，會在拉擠成型制件表面產(chǎn)生痕跡。分割線會在制件表面產(chǎn)生輕微的凸起。6.8.5.4制件生產(chǎn)用拉擠纏繞成型工藝生產(chǎn)復(fù)合制件時，與纖維纏繞成型工藝類似，粗紗的線軸放在線軸架上，然后增強(qiáng)材料通過樹脂槽，在樹脂槽中被樹脂浸漬。有兩種主要的浸漬選擇。第一種選擇是，粗紗通過開式樹脂槽，如圖6.36所示。增強(qiáng)材料水平通過樹脂槽(圖6.36)或通過一個導(dǎo)向機(jī)器上下通過樹脂槽。在增強(qiáng)材料水平通過樹脂槽時應(yīng)避免彎曲。布或氈通常也是水平通過。由于開式樹脂槽浸漬方法簡單，所以是最常用的方法。在該方法中，浸漬通過毛細(xì)血管運(yùn)動進(jìn)行。在第二個選擇中，增強(qiáng)材料通過空腔，在壓力作用下將樹脂注入。在這個系統(tǒng)中使用不同類型的鋼模，這些鋼模有錐形空腔用來浸漬。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是沒有或很少苯乙烯散發(fā)和樹脂損失少。然而，這種方法需要昂貴的鋼模。增強(qiáng)材料被浸漬后，對摩擦的敏感性降低，可以使用薄片金屬進(jìn)行導(dǎo)向。由于干纖維的研磨性，一般使用陶瓷導(dǎo)向器。增強(qiáng)材料通過加熱的鋼模進(jìn)行浸漬。在鋼模入口處有輕微的錐度，沿長度方向是固定截面。當(dāng)樹脂通過熱模時固化并凝固。鋼模的長度取決于樹脂活性、制件厚度和生產(chǎn)速率要求。樹脂活性越大，所需要的鋼模長度越短。固化的材料通過履帶拉出器或液壓拉出器拉出。這些拉出器用橡皮墊包裹好用來夾緊復(fù)合材料。拉出器遠(yuǎn)離鋼模，用這種方法復(fù)合材料可以足夠冷卻從而能用橡皮墊夾緊。由于拉擠成型工藝高度自動化，且與預(yù)浸料和織物相比纖維和樹脂成本低，所以用該工藝生產(chǎn)的復(fù)合制件成本最低。因?yàn)槔瓟D成型工藝是連續(xù)性生產(chǎn)工藝，所以簡直可以生產(chǎn)任意長度的制件。然而，用自動鋸或手工鋸將生產(chǎn)的制件切成預(yù)定的長度。從紗軸架到鋸拉擠設(shè)備的長度大約為10米。根據(jù)制件的復(fù)雜性和長度要求，它還可以更長。下面是生產(chǎn)和設(shè)計(jì)拉擠成型制件需要考慮的一些因素。6.8.5.4.1壁厚應(yīng)盡可能的選擇厚度均勻的截面，因?yàn)樗梢蕴峁┚鶆虻睦鋮s和固化，從而避免殘余壓力和制件扭曲。此外，壁厚均勻則制件的均勻收縮，將減少制件的翹曲。在拉擠成型制件中收縮率一般為2~3%。同樣保持截面對稱也可以使扭曲最小化。對于大體積制件，制件的厚度尤為重要，因?yàn)楣袒瘯r間和拉出速率都取決于制件的厚度。例如0.75英寸厚的截面可以用大約9英寸/分鐘的速率生產(chǎn)，而