一种复合材料增压式预浸料模压成型模具及成型方法与流程

1.本发明属于复合材料成型工艺，具体涉及一种复合材料增压式预浸料模压成型模具及成型方法。


背景技术：

2.预浸料模压成型工艺作为传统的工艺技术在行业内广泛应用。预浸料模压成型工艺过程中，将预浸料裁切成相应的形状，根据铺层设计要求将多层预浸料铺贴在模具上，压机促使上模与下模合模，在合模力的作用下，预浸料不断压实；同时在温度与时间的作用下，树脂固化，完成复合材料成型。由于预浸料是树脂预先浸润的纤维织物或单向带，在铺贴过程中，容易夹杂空气；对于规模化量产，为了提高效率，缩短模具加热时间，通常采用热模冷料的工艺模式，因此，预浸料叠层放置在模具上，上模和下模与预浸料叠层接触后，模具温度将促使上下表面预浸料的树脂率先熔融，达到粘流态，熔融后的树脂在合模力的作用下流动进而填充上下表面层间隙，形成相对致密的树脂膜，在一定程度上封闭了预浸料叠层内部夹杂空气排出的通道，导致成型后，复合材料产品内部出现孔隙缺陷。
3.为减少孔隙缺陷，通常在模具中增加抽真空的功能，但是上模和下模仅处于合模状态，模腔形成封闭状态后方可进行抽真空；同时，又要避免预浸料叠层表面处于粘流态的树脂在真空的作用下向真空源端流动进而阻塞真空管路，因此，抽真空的有效时间很短。对于大尺寸、大厚度、构型复杂的复合材料产品，抽真空排出夹杂空气的效果不理想，难以有效控制孔隙缺陷。对于固化过程产生小分子的树脂体系，由于模压工艺无法像热压罐工艺、ooa工艺及vari工艺全程抽真空，因此模具中增加抽真空功能的方案无法减少此类复合材料产品的孔隙缺陷；另外，固化过程产生的小分子在模具表面聚集，模压成型后的复合材料表面不平整，尺寸精度低，表观质量差。
4.模压工艺中，由于模具形式的局限性，压机的合模力无法有效完全作用在预浸料叠层上，一部分合模力将由模具承担，预浸料叠层仅承担一部分合模力。因此，即使压机的合模力设定，但是由于工程中无法确保预浸料叠层尺寸的一致性，将导致预浸料叠层承担的压力无法控制，进而无法控制预浸料叠层内部的树脂压力，导致孔隙缺陷难以控制。


技术实现要素：

5.鉴于现有技术中的上述缺陷或不足，本发明旨在提供一种复合材料增压式预浸料模压成型模具及成型方法。
6.为了实现上述目的，本发明实施例采用如下技术方案：
7.第一方面，一种复合材料增压式预浸料模压成型模具，包括：下模，其顶部具有第一型腔；上模，其底部具有第二型腔；当所述上模置于下模上并合模到位时，第一型腔和第二型腔对接形成封闭的模腔；预浸料，层层铺设在所述第一型腔上并形成预浸料叠层；所述预浸料叠层在合模力和模具温度的作用下在所述模腔内部固化形成复合材料；增压孔，位于所述下模内部；其顶部与所述模腔连通，并位于所述预浸料叠层的工艺余量区内；增压装
置，其内部盛装有传压液，其底部通过传压管路与所述增压孔底部连通。
8.根据本技术实施例提供的技术方案，所述增压孔顶部与产品切割线的距离为30mm；所述增压孔顶部与所述要切割的预浸料叠层边缘的距离为10mm～30mm。
9.根据本技术实施例提供的技术方案，所述增压孔与所述模腔连通一端的直径为0.5mm～2mm。
10.根据本技术实施例提供的技术方案，所述增压装置内部的传压液的液面不高于所述增压孔模腔端水平位置，二者液面差为0mm～5mm。
11.根据本技术实施例提供的技术方案，所述传压液采用与预浸料树脂体系兼容的单组分树脂，所述传压液(6)的黏度小于400mpa.s。
12.根据本技术实施例提供的技术方案，所述增压孔的数量为一个或者多个，均匀分布在工艺余量区；所述增压装置为一个或者多个。
13.根据本技术实施例提供的技术方案，所述增压装置的开启时间为预浸料树脂体系凝胶前20s～30s；所述增压装置的关闭时间为预浸料树脂体系凝胶后20s～30s。
14.根据本技术实施例提供的技术方案，对于固化过程不产生小分子的树脂体系，所述增压装置设定的压力值为0.6mpa～0.8mpa；对于固化过程产生小分子的树脂体系，增压装置设定的压力值为1.2mpa～1.6mpa。
15.根据本技术实施例提供的技术方案，所述上模与所述下模内部均匀分布有加热油道，所述加热油道与模温机连接。
16.根据本技术实施例提供的技术方案，所述传压管路通过密封接头与传压管路连接，所述增压装置底部通过密封接头与传压管路连接。
17.第二方面，一种复合材料增压式预浸料模压成型方法，采用上文所述的成型模具完成，包括如下步骤：
18.安装模具，控制增压装置和传压液用量，使增压装置的传压液液面不高于增压孔模腔端水平位置，二者液面差为0mm～5mm；
19.裁切预浸料，裁切的预浸料的尺寸包含工艺余量区；
20.将裁切后的多层预浸料铺贴在下模具上，预浸料叠层的工艺余量区覆盖增压孔；
21.上模和下模合模，预浸料叠层在合模力作用下密实；树脂在模具温度作用下熔融，达到粘流态，树脂浸润预浸料内部的纤维进而填充预浸料叠层层间、层内以及叠层和模腔的间隙，并注入增压孔，直至上模与下模合模到位；
22.设定增压装置的增压值，并在预浸料树脂体系凝胶前20s～30s，开启增压装置；
23.预浸料树脂体系凝胶后20s～30s，关闭增压装置；
24.预浸料叠层在合模力和模具温度的作用下在模腔内部固化形成复合材料。
25.本发明具有如下有益效果：
26.由于本技术在模具上设置了增压孔，所述增压孔一端与模腔连通，另一端与增压装置连通。增压装置内设有传压液。这样通过增压装置有效将压力传导到预浸料模压工艺中的预浸料叠层内部，与现有技术中压机的合模力无法有效完全作用在预浸料叠层相比，通过增加树脂压力，且压力完全作用在预浸料叠层内部的树脂上，有效控制孔隙缺陷；同时，增压装置实现了预浸料叠层内部树脂压力的定量控制，确保工艺参数的一致性，进而确保产品质量的一致性。对于固化过程中产生小分子的预浸料树脂体系，不但能有效控制孔
隙缺陷，同时还能确保产品表面平整度、尺寸精度和表观质量。
27.采用本发明所述的成型方法，传压液将增压装置的压力高效快速地传递到预浸料树脂体系上，树脂压力急剧升高，进而压缩预浸料叠层树脂内部的气泡及夹杂空气，使气泡的体积显著减小或消失。随着树脂凝胶固化，完成复合材料成型，从而有效控制复合材料孔隙率；同样，对于固化过程产生小分子的树脂体系，足够的树脂压力能有效压缩并击溃产生的小分子，有效控制孔隙缺陷，同时确保产品表面平整度，尺寸精度及表观质量。
附图说明
28.通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
29.图1为本技术所述的成型模具结构剖面结构示意图。
30.附图标记说明：
31.1、下模；2、上模；3、预浸料叠层；4、增压孔；5、增压装置；6、传压液；7、传压装置；8、密封接头；9、加热油道。
具体实施方式
32.下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅用于解释相关发明，而非对该发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与发明相关的部分。
33.应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
34.在本公开的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“前端”、“后端”、“侧”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该公开产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本公开和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本公开的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
35.此外，术语“水平”、“竖直”、“悬垂”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。
36.在本公开的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”、“对接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本公开中的具体含义。
37.需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
38.实施例一
39.一种复合材料增压式预浸料模压成型模具，包括：下模1，其顶部具有第一型腔；上
模2，其底部具有第二型腔；当所述上模2置于下模1上并合模到位时，第一型腔和第二型腔对接形成封闭的模腔；预浸料，层层铺设在所述第一型腔上并形成预浸料叠层3；所述预浸料叠层3在合模力和模具温度的作用下在所述模腔内部固化形成复合材料；增压孔4，位于所述下模1内部；其顶部与所述模腔连通并位于所述预浸料叠层3的工艺余量区内；增压装置5，其内部盛装有传压液6，其底部通过传压管路7与所述增压孔4底部连通。
40.其中，如图1所示，上模2与下模1合模到位，第一型腔和第二型腔对接形成封闭的模腔。可以理解的是，预浸料裁剪成相应的形状，根据铺层设计要求将多层预浸料铺贴在下模1上。预浸料的尺寸包含工艺余量，铺贴完成后，整个预浸料叠层3边缘与模腔边缘接触。预浸料叠层3厚度略大于模腔深度，处于相对蓬松的初始状态。预浸料叠层3覆盖增压孔4。
41.可以理解的是，所述增压孔4的顶部与所述模腔连通，所述增压孔4的顶部在成型过程中会慢慢与所述预浸料叠层(3)接触。
42.所述工艺余量区为预浸料叠层(3)最终形成的复合材料产品要切割的多余的预浸料叠层(3)与产品切割线形成的区域。
43.下模1设有增压孔4，增压孔4位于复合材料产品工艺余量区内。需要说明的是，预浸料叠层3的面积大于复合材料产品，复合材料产品的产品切割线位于预浸料叠层3边缘内部，以便按照产品切割线对最终形成的复合材料进行切割形成最终的复合材料的产品。此处，可以理解的是，如果复合材料产品需要切孔的产品，则孔内部也是工艺余量。产品切割线至少具有内外两条，则要切割的预浸料叠层3除了位于靠外的产品切割线外部，也位于靠内的产品切割线内部。
44.所述增压孔4设置的工艺余量区，则利于避免传压液6进入产品有效区域，影响产品性能。
45.由于增压装置5通过传压管路7与增压孔4连通，则增压装置5、传压管路7与增压孔4内部具有传压液6。
46.增压装置5可以采用气压、液压或者机械方式进行增压，并实现压力的有效控制。
47.所述增压装置5方便定量化控制压力，传压液6将增压装置5的压力高效传递到预浸料模压工艺中的预浸料叠层3内部，通过控制并提高树脂压力，压缩预浸料叠层3树脂内部的气泡即夹杂空气，使气泡的体积显著减小或者消失，进而有效控制孔隙缺陷。
48.由于本技术在模具上设置了增压孔4，所述增压孔4一端与模腔连通，另一端与增压装置5连通。增压装置5内设有传压液6。这样通过增压装置5有效将压力传导到预浸料模压工艺中的预浸料叠层3内部，与现有技术中压机的合模力无法有效完全作用在预浸料叠层3相比，通过增加树脂压力，且压力完全作用在预浸料叠层3内部的树脂上，有效控制孔隙缺陷；同时，增压装置5实现了预浸料叠层3内部树脂压力的定量控制，确保工艺参数的一致性，进而确保产品质量的一致性。对于固化过程中产生小分子的预浸料树脂体系，不但能有效控制孔隙缺陷，同时还能确保产品表面平整度、尺寸精度和表观质量。抽真空的方式模压工艺操作性很难，容易抽不净夹杂空气，本技术采用液体传导压力，传压更高效。
49.在本技术某一实施方式中，所述增压孔4顶部与产品切割线的距离为30mm；所述增压孔4顶部与所述要切割的预浸料叠层3边缘的距离为10mm～30mm。
50.具体地，以便产品切割线以外就是工艺余量。经过工艺验证，当增压孔4顶部与产品切割线的距离大于30mm时，则会保证传压液6不会浸入产品有效区域内部。一般就取
30mm，距离过小则传压液6有浸入产品内部的可能，距离过大，则工艺余量就要很大，则原料成本需要增加。
51.所述增压孔4顶部与所述要切割的预浸料叠层3边缘的距离为10mm～30mm，一般选为30mm，小一些也是可以，但是不能小到0，导致无法传递液体压力或者传递压力效果不好，尽可能保证传压液6只填充边缘部分，大于30mm，原料成本会增加。
52.综上，产品切割线与预浸料叠层3边缘距离应该大于60mm。要切孔的产品的孔的直径至少为60mm。
53.在本技术某一实施方式中，所述增压孔4与所述预浸料叠层3接触一端的直径为0.5mm～2mm。
54.具体地，由于本技术采用液体传压，传压效率高。由于增压装置5可以设定并控制压力值，则增压孔4的压强是固定的，如果增压孔4模腔端的直径过大，则进入叠层的传压液6会过多导致产品不可控；而增压孔4模腔端的直径越小，可以保证同样压强下流量更小，则进入叠层的传压液6液体总量比较小，便于控制产品性能。
55.而增压孔4另一端的直径不做要求，便于安装密封接头8等粗放型管理，如果此端直径小的话，会给安装造成不必要的麻烦。
56.在本技术某一实施方式中，所述增压装置5内部的传压液6的液面不高于所述增压孔4模腔端水平位置，二者液面差为0mm～5mm。
57.具体地，控制增压装置5位置与传压液6用量，使增压装置5内部传压液6液面不高于增压孔4的模腔端水平位置。二者液面持平最好，但是考虑工艺要求，可以将二者误差控制在1mm～5mm即可满足要求，并且也方便控制不过于限制实际操作。即使不完全持平，液体表面由于表面张力存在也不会发生外渗；但是液面差不能过高，控制在5mm内，因为如果二者液面差过高，则在没有外力作用下会导致传压液6的渗入。
58.在本技术某一实施方式中，所述传压液6采用与预浸料树脂体系兼容的单组分树脂，所述传压液6的黏度小于400mpa.s。
59.具体地，传压液6采用与预浸料树脂体系相兼容的单组份树脂，即不含固化剂的树脂。例如，预浸料的树脂体系为环氧树脂体系，则传压液6也选用环氧树脂，并且不含固化剂，在常温为液态，其使用过程中的黏度小于400mpa.s。根据不同的预浸料树脂体系，其传压液6可以为环氧树脂、酚醛树脂、乙烯基酯树脂等。
60.一般地，少量进入预浸料叠层3内部的传压液6与预浸料树脂体系混合后，由于传压液6采用与预浸料树脂体系相兼容的单组份树脂，预浸料树脂体系内的固化剂能促进其固化，便于模具清理及后续产品加工。
61.所述传压液6的黏度小于400mpa.s。因为增压孔顶端的孔径是固定的，传压液的黏度过高，会影响其流动性，进而传递压力效果会比较差。
62.在本技术某一实施方式中，所述增压孔4的数量为一个或者多个，均匀分布在工艺余量区；所述增压装置5为一个或者多个。
63.具体地，如果复合材料产品的体积太大，建议在下模1的产品工艺余量区均布若干增压孔4，可以采用单个或多个增压装置5进行控制。避免单个增压孔4流入预浸料叠层3的传压液6过量，超出复合材料最终产品切割线，影响复合材料最终产品的固化度，进而影响产品质量。
64.在本技术某一实施方式中，所述增压装置5的开启时间为预浸料树脂体系凝胶前20s～30s；所述增压装置5的关闭时间为预浸料树脂体系凝胶后20s～30s。
65.具体地，控制增压装置5的开启时间为预浸料树脂体系凝胶前20s～30s。此时，预浸料叠层3中的树脂已经成可流动的液态，液体传压瞬间达到预设压力，将气泡及夹杂空气控制并限制其膨胀，与此同时，进入叠层内部的传压液6液体量非常小，保证产品性能。
66.增压装置5开启过早，容易导致过量的传压液6进入预浸料叠层3，超出复合材料最终产品切割线，影响复合材料最终产品固化度；增压装置5开启过晚，增压孔4内预浸料树脂体系无法有效回流进入预浸料叠层3，该树脂体系固化后阻塞增压孔4。如果预浸料树脂体系凝胶后再开启增压装置5，树脂固化，无法传递液体压力，无法达到预期的增压效果，最终导致孔隙缺陷无法控制。
67.具体地，控制所述增压装置5的关闭时间为预浸料树脂体系凝胶后20s～30s。此时，树脂已经固化成型，持续增压已经不会有效果还会增加成本。
68.在本技术某一实施方式中，对于固化过程不产生小分子的树脂体系，所述增压装置5设定的压力值为0.6mpa～0.8mpa；对于固化过程产生小分子的树脂体系，增压装置5设定的压力值为1.2mpa～1.6mpa。
69.具体地，针对不同的树脂体系设定的压力值为经过工艺验证的数值，在范围下，成型效果最好。
70.增压装置5采用液压、气压或者机械方式控制，根据液体传压原理，实现了预浸料模压成型过程中预浸料叠层3内部树脂压力的定量控制，确保工艺参数的一致性。
71.在本技术某一实施方式中，所述上模2与所述下模1内部均匀分布有加热油道9，所述加热油道9与模温机连接。
72.具体地，通过模温机控制模具温度，确保模具温度以及温度的均匀性，以满足复合材料成型的工艺要求。
73.在本技术某一实施方式中，所述传压管路7通过密封接头8与传压管路7连接，所述增压装置5底部通过密封接头8与传压管路7连接。
74.具体地，密封接头8保证传压过程中的密闭性，有效传导压力，进而有效控制孔隙缺陷。
75.实施例二
76.一种复合材料增压式预浸料模压成型方法，采用上文所述的成型模具完成，包括如下步骤：
77.安装模具，控制增压装置5和传压液6用量，使增压装置5的传压液6液面不高于增压孔4模腔端水平位置，二者液面差控制在0mm～5mm之间；
78.裁切预浸料，裁切的预浸料的尺寸包含工艺余量区；
79.将裁切后的多层预浸料铺贴在下模1具上，预浸料叠层3的工艺余量区覆盖增压孔4；
80.上模2和下模1合模，预浸料叠层3在合模力作用下密实；树脂在模具温度作用下熔融，达到粘流态，树脂浸润预浸料内部的纤维进而填充预浸料叠层3层间、层内以及叠层和模腔的间隙，并注入增压孔4，直至上模2与下模1合模到位；
81.设定增压装置5的增压值，并在预浸料树脂体系凝胶前20s～30s，开启增压装置5；
82.预浸料树脂体系凝胶后20s～30s，关闭增压装置5；
83.预浸料叠层3在合模力和模具温度的作用下在模腔内部固化形成复合材料。
84.具体地，实际操作中，按照上文所述的的模具方案进行模具组装，并安装在压机设备上，上模2及下模1加热油道9与模温机连接；增压装置5、传压管路7及增压孔4内装有传压液6，其中，控制增压装置5位置与传压液6用量，使增压装置5内部传压液6液面不高于增压孔4的模腔端水平位置，两者液面差控制在0mm～5mm之间。
85.将预浸料裁切成相应的形状，根据铺层设计要求将多层预浸料铺贴在下模1上。预浸料的尺寸包含工艺余量，铺贴完成后，整个预浸料叠层3边缘与模具腔体边缘接触，预浸料叠层3厚度略大于模具腔体深度，处于相对蓬松的初始状态。预浸料叠层3覆盖增压孔4。
86.上模2和下模1合模过程中，初始相对蓬松的预浸料叠层3在合模力的作用下，逐渐密实。预浸料叠层3树脂在模具温度的作用下逐渐熔融，达到粘流态，熔融后的树脂在合模力的作用下流动，进一步浸润预浸料内部的纤维进而填充预浸料叠层3层间、层内及叠层与模腔间的间隙，同时一部分树脂进入增压孔4，直至模具上模2与模具下模1合模到位，形成封闭模腔。
87.在预浸料树脂体系凝胶前，设定增压值，开启增压装置5瞬间，增压装置5中传压液6的压力大于预浸料叠层3内部的树脂压力，增压孔4内部的传压液6将推动初始进入增压孔4的树脂向预浸料叠层3内部回流。根据液体传递压强的原理，传压液6将增压装置5的压力高效快速地传递到预浸料树脂体系上，树脂压力急剧升高，进而压缩预浸料叠层3树脂内部的气泡及夹杂空气，使气泡的体积显著减小或消失。随着树脂凝胶固化，完成复合材料成型，从而有效控制复合材料孔隙率；同样，对于固化过程产生小分子的树脂体系，足够的树脂压力能有效压缩并击溃产生的小分子，有效控制孔隙缺陷，同时确保产品表面平整度，尺寸精度及表观质量。
88.以上描述仅为本发明的较佳实施例以及对所运用技术原理的说明。本领域技术人员应当理解，本发明中所涉及的发明范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离所述发明构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本发明中公开的(但不限于)具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。