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RTM成型工藝
發(fā)布時(shí)間：2020-03-25 11:36:39 點(diǎn)擊率：
RTM成型工藝過(guò)程
RTM工藝的基本原理如下圖所示，先在模腔內(nèi)預(yù)先鋪放增強(qiáng)材料預(yù)成型體、芯材和預(yù)埋件，然后在壓力或真空作用力下將樹(shù)脂注入閉合模腔，浸潤(rùn)纖維，固化后脫模，再進(jìn)行二次加工等后處理工序。
纖維預(yù)成型有手工鋪放、手工纖維鋪層加模具熱壓預(yù)成型、機(jī)械手噴射短切加熱壓預(yù)成型、三維立體編織等多種形式，需要達(dá)到的效果就是纖維能夠相對(duì)均勻填充模腔，以利于接下來(lái)的樹(shù)脂充模過(guò)程。
在合模和鎖緊模具的過(guò)程中，根據(jù)不同的生產(chǎn)形式，有的鎖模機(jī)構(gòu)安裝在模具上，有的采用外置的合模鎖緊設(shè)備，也可以在鎖緊模具的同時(shí)利用真空輔助來(lái)提供鎖緊力，模具抽真空同時(shí)可以降低樹(shù)脂充模產(chǎn)生的內(nèi)壓對(duì)模具變型的影響。
在樹(shù)脂注入階段，要求樹(shù)脂的黏度盡量不要發(fā)生變化，以保證樹(shù)脂在模腔內(nèi)的均勻流動(dòng)和充分浸漬。在充模過(guò)程結(jié)束后，要求模具內(nèi)各部分的樹(shù)脂能夠同步固化，以降低由于固化產(chǎn)生的熱應(yīng)力對(duì)產(chǎn)品變形的影響。這種工藝特點(diǎn)對(duì)于樹(shù)脂的黏度和固化反應(yīng)過(guò)程以及相應(yīng)的固化體系都提出了比較高的要求。
工藝特點(diǎn)
RTM以其優(yōu)異的工藝性能，已廣泛地應(yīng)用于艦船、軍事設(shè)施、國(guó)防工程、交通運(yùn)輸、航空航天和民用工業(yè)等。其主要特點(diǎn)如下：
（1）模具制造和材料選擇靈活性強(qiáng)，根據(jù)不同的生產(chǎn)規(guī)模，設(shè)備的變化也很靈活，制品產(chǎn)量在1,000－20,000之間，采用RTM成型工藝可獲得生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)效益。
（2）能制造具有良好表面質(zhì)量、高尺寸精度的復(fù)雜部件，在大型部件的制造方面優(yōu)勢(shì)更為明顯。
（3）易實(shí)現(xiàn)局部增強(qiáng)、夾芯結(jié)構(gòu)；容易靈活調(diào)整增強(qiáng)材料的類(lèi)型、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，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(dá)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(guò)程苯乙烯排放量小，有利于環(huán)保。
（6）RTM成型工藝對(duì)原材料體系要求嚴(yán)格，要求增強(qiáng)材料具有良好的耐樹(shù)脂流動(dòng)沖刷和良好的浸潤(rùn)性，要求樹(shù)脂黏度低，高反應(yīng)活性，中溫固化，固化放熱峰值低，浸漬過(guò)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(shè)計(jì)自由度高，模具成本較低。
（8）制品孔隙率較低。
與預(yù)浸料模壓工藝相比，RTM工藝無(wú)需制備、運(yùn)輸、儲(chǔ)藏冷凍的預(yù)浸料，無(wú)需繁雜的手工鋪層和真空袋壓過(guò)程，也無(wú)需熱處理時(shí)間，操作簡(jiǎn)單。技術(shù)的開(kāi)發(fā)和擴(kuò)大應(yīng)用之所以活躍，主要是因?yàn)槠涔に囘^(guò)程前期樹(shù)脂和纖維相對(duì)分離，纖維材料的組合自由度非常大，不同類(lèi)型的纖維以及不同結(jié)構(gòu)形式的編織方法都可以應(yīng)用，多種類(lèi)型的樹(shù)脂也可以根據(jù)產(chǎn)品需要來(lái)選擇。
但是RTM工藝由于在成型階段樹(shù)脂和纖維才通過(guò)浸漬過(guò)程實(shí)現(xiàn)賦型，纖維在模腔中的流動(dòng)、纖維浸漬過(guò)程以及樹(shù)脂的固化過(guò)程都對(duì)終產(chǎn)品的性能有很大的影響，因而導(dǎo)致了工藝的復(fù)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(chǎn)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(chǎn)效率/8h | 2－3 | 16－90 | 50－400 |
| 模具類(lèi)型 | FRP | FRP或金屬 | 金屬 |
| 模具費(fèi)（以開(kāi)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(fù)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(shù)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(nèi)外都可 | 內(nèi)脫模 |
| 壓力 | 接觸壓力 | 0.1－0.25 MPa | 4－10MPa |
RTM工藝參數(shù)對(duì)工藝過(guò)程的影響
影響RTM工藝的工藝參數(shù)包括樹(shù)脂黏度、注射壓力、成型溫度、真空度等，同時(shí)這些參數(shù)在成型過(guò)程中是互相關(guān)聯(lián)和互相影響的。
（1）樹(shù)脂黏度 適用于RTM工藝的樹(shù)脂應(yīng)該具有較低的黏度，通常應(yīng)小于600mPa?s，小于300mPa?s時(shí)工藝性會(huì)表現(xiàn)地更好。當(dāng)所使用的樹(shù)脂黏度較高時(shí)通常提高樹(shù)脂和成型溫度來(lái)降低樹(shù)脂黏度，以利于更好地實(shí)現(xiàn)充模過(guò)程。
（2）注射壓力 注射壓力的選擇取決于纖維的結(jié)構(gòu)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(xué)性能的提高。通過(guò)改變產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、纖維鋪層設(shè)計(jì)、降低樹(shù)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(shí)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(shù)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(shù)脂的黏度，促進(jìn)樹(shù)脂在纖維束內(nèi)部的流動(dòng)和浸漬，增強(qiáng)樹(shù)脂和纖維的界面結(jié)合能力。有資料數(shù)據(jù)顯示，較高的溫度能夠提高產(chǎn)品的拉伸強(qiáng)度。
（4）真空度 在成型過(guò)程中使用真空輔助可以有效降低模具的剛度需求，同時(shí)促進(jìn)注射過(guò)程中空氣的排除，減少產(chǎn)品的孔隙含量。通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)測(cè)定，在真空條件下成型的平板平均孔隙含量只有0.15％，而沒(méi)有真空的平板孔隙含量達(dá)到1％。
RTM的衍生工藝
隨著應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)大，RTM工藝已經(jīng)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(shù)
Light-RTM通常稱之為輕質(zhì)RTM，該工藝是在真空輔助RTM工藝的基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)的。適用于制造大面積薄壁產(chǎn)品。該工藝的典型特征是下模為剛性模具，而上模采用輕質(zhì)、半剛性的模具，通常厚度在6～8毫米。工藝過(guò)程使用雙重密封結(jié)構(gòu)，外圈真空用來(lái)鎖緊模具，內(nèi)圈真空導(dǎo)入樹(shù)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(shí)在制造大面積的薄壁產(chǎn)品時(shí)，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(chǎn)品的壁厚均勻性非常好。
2.SCRIMP成型技術(shù)
SCRIMP成型技術(shù)是由美國(guó)西曼復(fù)合材料公司在美國(guó)獲得專利權(quán)的真空樹(shù)脂注入技術(shù)。與之類(lèi)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(qiáng)體中的氣體，通過(guò)樹(shù)脂的流動(dòng)、滲透，實(shí)現(xiàn)對(duì)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(kāi)啟樹(shù)脂閥門(mén)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(gè)彈性真空袋，這樣可以節(jié)省一半的模具成本，成型設(shè)備簡(jiǎn)單。由于真空袋的作用，在纖維周?chē)纬烧婵?，可提高?shù)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(shù)脂注入提供推動(dòng)力，從而縮短成型時(shí)間。浸漬主要通過(guò)厚度方向的流動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)，所以可以浸漬厚而復(fù)雜的層合結(jié)構(gòu)，甚至含有芯子、嵌件、加筋件和緊固件的結(jié)構(gòu)也可一次注入成型。SCRIMP工藝適用于中、大型復(fù)合材料構(gòu)件，施工安全、成本較低。
3.RFI成型技術(shù)
RFI是由L．Letterman(美國(guó)波音公司)申請(qǐng)的專利，初是為成型飛機(jī)結(jié)構(gòu)件而發(fā)展起來(lái)的。近年來(lái)，這種技術(shù)已改進(jìn)了RTM中纖維含量低、模具費(fèi)用昂貴、易生成缺陷等缺點(diǎn)。RFI也是采用單模和真空袋來(lái)驅(qū)動(dòng)浸漬過(guò)程。工藝過(guò)程是將預(yù)制好的樹(shù)脂膜鋪放在模具上，再鋪放纖維預(yù)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(dá)到一定溫度后，樹(shù)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(shù)脂沿厚度方向逐步浸潤(rùn)預(yù)成型體，完成樹(shù)脂的轉(zhuǎn)移；繼續(xù)升溫使樹(shù)脂固化，終獲得復(fù)合材料制品。
RFI工藝與現(xiàn)有的成型技術(shù)相比具有以下優(yōu)點(diǎn)：
(1)不需要復(fù)雜的樹(shù)脂浸漬過(guò)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(jié)構(gòu)的縫編、機(jī)織預(yù)制件都能浸透，并可加入芯材一并成型；
(2)樹(shù)脂膜在室溫下有高的粘結(jié)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(qiáng)，不需要龐大的成型設(shè)備就可以制造大型制件，設(shè)備和模具的投資低；
(5)成型產(chǎn)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(duì)樹(shù)脂體系要求嚴(yán)格；不太適合成型形狀復(fù)雜的小型制件；由于采用真空袋壓法，制品表面受內(nèi)模的影響，達(dá)不到所需的復(fù)雜程度及精度要求；RFI工藝中，樹(shù)脂的用量不能精確計(jì)量，需要吸膠布等耗材除去多余樹(shù)脂，因而固體廢物較多。
增強(qiáng)材料的類(lèi)型
RTM用的纖維類(lèi)型包括E玻纖、R玻纖和S玻纖，以及各種高強(qiáng)高模碳纖維和芳綸纖維。所使用的玻璃纖維織物結(jié)構(gòu)形式包括表面氈、機(jī)織布、短切氈、連續(xù)氈、縫編氈、多軸向織物、RTM專用復(fù)合氈以及立體編織物等多種類(lèi)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(chǎng)合，三維立體仿形織物的應(yīng)用越來(lái)越多。
1.機(jī)織布
方格布是為常見(jiàn)的機(jī)織布，其它類(lèi)型的機(jī)織布如斜紋布、緞紋布等都可以用于RTM工藝。各種類(lèi)型的機(jī)織布在鋪層時(shí)很容易發(fā)生皺折和扭曲，不容易鋪放到位。因此機(jī)織布通常用于一些型面變化比較簡(jiǎn)單的產(chǎn)品，為保證纖維在模具內(nèi)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(diǎn)是成本低，變形性好，缺點(diǎn)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(jī)織布，可以降低樹(shù)脂對(duì)纖維的沖刷。從實(shí)際使用的情況來(lái)看，短切氈和機(jī)織布配合使用可以提高制品層間的剪切性能，同時(shí)實(shí)現(xiàn)纖維在不同分布方向上的互補(bǔ)。
3.連續(xù)氈
玻璃纖維連續(xù)原絲氈是一種重要的玻纖無(wú)紡增強(qiáng)基材，它是以一定數(shù)量的連續(xù)玻纖原絲隨機(jī)分散成圈狀均勻分布于網(wǎng)帶上，靠原絲間互相交搭的連鎖作用及少量粘結(jié)劑結(jié)合成氈。連續(xù)氈的單位面積質(zhì)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(shù)脂沖刷、貼覆性好、制品強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)，成為RTM工藝中非常重要的一種增強(qiáng)材料。
國(guó)外連續(xù)氈生產(chǎn)工藝主要采用“一步法”成氈技術(shù)，即在玻璃池窯拉絲漏板下布置多臺(tái)成型工藝裝置，通過(guò)數(shù)臺(tái)拋絲機(jī)將纖維拉出并直接鋪撒在行進(jìn)的網(wǎng)帶上形成氈坯，再經(jīng)過(guò)施膠、烘干，收卷成氈。這種工藝的特點(diǎn)是纖維分束性好，產(chǎn)量大，自動(dòng)化程度高。目前國(guó)際上“一步法”成型生產(chǎn)工藝以美國(guó)歐文斯?科寧公司和法國(guó)圣戈班公司為代表。
4.縫編氈
縫編氈是通過(guò)縫編機(jī)將不同的類(lèi)型纖維縫合成纖維氈的結(jié)構(gòu)形式。縫編氈可以通過(guò)不同的縫合方式實(shí)行纖維織物多種增強(qiáng)結(jié)構(gòu)形式，是RTM工藝中應(yīng)用多、成本較低的一種增強(qiáng)材料。各種縫編氈的類(lèi)型包括：
（1）單軸向織物 僅在與織物長(zhǎng)度方向0(經(jīng)向)或90(緯向)的一個(gè)方向平行鋪設(shè)無(wú)捻粗紗并縫合成織物。
（2）雙軸向織物 與織物長(zhǎng)度方向成0、90、±45度的四個(gè)方向任意兩個(gè)方向平行鋪設(shè)無(wú)捻粗紗，每個(gè)方向各自形成獨(dú)立的紗層并縫合成雙軸向織物。
（3）多軸向織物 在與織物長(zhǎng)度成0、90、±45的四個(gè)方向任意三個(gè)或四個(gè)方向上平行鋪設(shè)無(wú)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(jī)上的短切機(jī)，將無(wú)捻粗紗短切并鋪撒均勻、然后縫合成氈。
（5）縫編復(fù)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(jī)上可縫合制成2～5層縫編復(fù)合氈。
5.三維立體編織物
三維編織是通過(guò)長(zhǎng)短纖維相互交織而獲得的三維無(wú)縫合的完整結(jié)構(gòu)，其工藝特點(diǎn)是能制造出規(guī)則形狀及異形實(shí)心體并可以使結(jié)構(gòu)件具有多功能性——即：編織多層整體構(gòu)件。三維織物主要應(yīng)用于對(duì)力學(xué)性能要求非常高的航空航天結(jié)構(gòu)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(guò)紗線運(yùn)載器精確地沿著預(yù)先確定的軌跡在平面上移動(dòng)，使各纖維相互交叉或交織構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)狀結(jié)構(gòu)，打緊交織面而形成各種形態(tài)增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的三維織物。
三維編織的優(yōu)點(diǎn)：
（1）異型件一次編織整體成型，實(shí)現(xiàn)了人們“直接對(duì)材料進(jìn)行設(shè)計(jì)”的構(gòu)想；
（2）結(jié)構(gòu)不分層，層間強(qiáng)度高，綜合力學(xué)性能好。
三維編織的缺點(diǎn)：
（1）生產(chǎn)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(shù)脂
RTM用樹(shù)脂需要滿足以下一些基本要求：
黏度：樹(shù)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(dǎo)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(zhì)量。黏度太高的樹(shù)脂需要較高的注射壓力，容易導(dǎo)致纖維被沖刷。
相容性：樹(shù)脂對(duì)增強(qiáng)材料應(yīng)具有良好的浸潤(rùn)性、匹配性和界面性能。
反應(yīng)活性：RTM工藝用樹(shù)脂的反應(yīng)活性應(yīng)表現(xiàn)為兩個(gè)階段，在充模過(guò)程中，反應(yīng)速度慢，不影響充模，充模結(jié)束后，樹(shù)脂在固化溫度條件下開(kāi)始凝膠，并迅速達(dá)到一定的固化程度，這樣才能減少模具占用時(shí)間，提高生產(chǎn)效率。
收縮率：樹(shù)脂收縮率要低，樹(shù)脂收縮率過(guò)大會(huì)增加孔隙率和制品裂紋的機(jī)會(huì)。
模量：在滿足力學(xué)性能的前提下，樹(shù)脂模量適中。高模量的樹(shù)脂產(chǎn)生高熱應(yīng)力，容易引起制品變形和產(chǎn)生裂紋。
韌性和斷裂延伸率：樹(shù)脂這兩個(gè)指標(biāo)主要與制品抗沖擊與耐裂紋性能成正比，較高值可提高樹(shù)脂耐熱裂紋的能力。
