专利名称：树脂基先进复合材料的快速rtm制造工艺的制作方法
技术领域：
本发明涉及树脂基先进复合材料的快速RTM制造工艺。和一般RTM工艺的区别在于，以硅橡胶为模具材料，利用RP(快速原型)技术和硅橡胶模具技术，快速制造RTM模具，并采用高能聚焦超声-高压水罐固化工艺，快速固化。属复合材料制造工艺领域。
背景技术：
采用高性能玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维等增强的树脂基先进复合材料，具有高比强度、高比刚度、材料可设计性、抗疲劳、耐磨损等一系列优点，但也有原材料成本高、制备工艺复杂的缺点。高昂的制造成本是导致先进复合材料价格昂贵的主要原因。
RTM工艺是制造先进复合材料复杂、不规则制件的重要方法。具体工艺过程为，在模具内腔安放纤维预制件，向模具中注入树脂，再加热树脂，使其固化，获得所需制件。RTM工艺是一种前景广阔的低成本制造工艺。
对于高性能的航空航天用复合材料，纤维预制件一般采用纺织预制件，纤维体积分数很高。此时RTM工艺对树脂注射压力要求较高，为1-7个大气压。模具刚度必须与之适应，这对模具材料提出较高的要求，使得模具的加工费事、费力。对模具中的树脂进行固化，目前主要采用加热模具的方式，将热量传递给树脂，使其升温、固化。加热速度慢，能耗大。
室温硫化的硅橡胶，成型迅速，适合制作复杂模具，因此成为常用的快速模具(RM)材料。而且，硅橡胶是良好的超声透声材料。高能超声聚焦后，聚焦区域能量密度很高，热效应明显，而且聚焦超声穿透能力很强。医学上将高能超声透过人体皮肤，聚焦于体内癌变部位，经0.2-2秒连续照射，使病灶区升温65-80℃，杀死癌细胞。
将高能超声聚焦于树脂，很短时间内聚焦区域内的树脂即升温固化。硅橡胶是良好的超声透声材料，高能聚焦超声可穿透硅橡胶模具，照射并扫描其内的树脂，使其升温固化。
发明内容
本发明提供一种能快速获得所需模具、快速固化树脂、能耗少、低成本的制造树脂基先进复合材料的快速RTM制造工艺。
本发明的具体步骤是a、利用CAD/CAM软件和RP(快速原型)技术，制备所需的原型。
b、利用该原型和硅橡胶软模技术，翻制相应的室温硫化硅橡胶模具。
c、模具内表面涂脱模剂。
d、在模具内安放纤维预制件，合模，密封。
e、树脂除气，如果树脂固化需要固化剂的话，还需加入固化剂，并混和均匀。
f、将模具置于高压水罐中，模具浇口与树脂注入管连接，冒口与抽气管连接；注入管接树脂注射设备，抽气管接真空泵。
g、关闭高压水罐，向高压水罐中注满去气水。
h、用树脂注射设备通过高压水罐的树脂注入管，用高压向模具中注入树脂；真空泵则抽取模具内空气。树脂注射时，提高水压，用以平衡模具所承受的树脂注射高压，消除模具变形。树脂注满后，树脂注射设备停止注射。降低水压。
i、水罐内部的高能聚焦超声装置工作；以去气水为传输媒介，高能聚焦超声穿透硅橡胶，照射并扫描模具内腔的树脂，使其升温固化。加热固化方式有两种。方式一，高能聚焦超声作用于模具内腔某处，使位于聚焦区域内的树脂适当升温；聚焦区域再移至相邻区域，对该处树脂加热，使其也升至相同温度；聚焦区域扫描模具内腔，使所有树脂均达到同一温度；重复上述过程，使模具内腔树脂按指定温度变化曲线升温，直至到达固化温度。方式二，高能聚焦超声连续照射某一区域，使该区域内的树脂升温固化；再移动下一区域，使该区域的树脂升温固化；直至模具内腔所有树脂固化。
j、固化完成后，关闭超声。利用去气水，冷却模具和复合材料制件。
k、放去气水，开高压水罐。
l、将模具移出高压水罐，将固化后的复合材料零件从模具中取出。
m、对复合材料制件进行清理和检测。树脂在注入模具前，必须经过除气，并与固化剂混和均匀。其除气步骤为a、树脂注入密封容器中，容器由透声材料制成；树脂占据适量容器体积；如果树脂固化需要固化剂，还需加入适量的固化剂；b、密封容器置于超声清洗机的工作水槽中；c、密封容器内抽真空，使容器内气压适当小于外界大气压；d、开动超声清洗机。低频超声透过容器材料，在树脂及固化剂中产生空化效应。生成的气泡上升、破裂，气体逸出。超声工作直至空化现象消失。固化剂与树脂在超声波所引发的声冲流作用下，也得以混和均匀。
本发明具有的积极效果有
a、可以快速获得所需模具。CAS/CAM/RP技术可以迅速获得所需的原型，室温硫化硅橡胶可以迅速翻制相应的模具；b、可以快速固化树脂。高能聚焦超声透过硅橡胶，照射树脂，其强烈的热效应使树脂迅速升温，直至固化。固化时间、能量消耗比加热要少得多。
c、树脂固化过程中，故模具内腔中各部分的树脂温度可精确控制。通过优化固化工艺，可以减少固化后复合材料制件内部的残余应力。
d、可以进行局部固化，对于同一模具内有不同树脂的所谓“共注射RTM”工艺，是非常合适的固化技术。
四
图1为高压水罐罐体示意图。
图2为高压水罐示意图。
图中标号名称1、高能聚焦超声电源；2、高压水罐罐体；3、树脂注射设备；4、高能聚焦超声发射头；5、树脂注入管；6、小车；7、硅橡胶模具；8、抽气管；9、三坐标运动平台；10、真空泵。
图3为树脂去气装置示意图。
图中标号名称11、超声清洗机水槽；12、树脂；13、密封容器；14、抽气管；15、真空泵；五具体实施方式
图1与图2是高压水罐罐体及高压水罐组成示意图。即在高压水罐内，模具7装夹在小车6上，小车固定。高能聚焦超声发射头4安装在一个可进行X、Y、Z三轴运动的三坐标运动平台9上，超声电源1则安装在高压水罐罐体2外。三坐标运动平台9按指令运动。
图3是树脂去气装置示意图，包括超声清洗机水槽11、树脂12、密封容器13、抽气管14和真空泵15。
下面结合上述附图，举两个实施例，叙述本发明的
具体实施例方式实施方式1在CAD/CAM软件中，进行零件原型的三维造型。并利用RP(快速成型)技术，制作出相应的原型。再翻制相应的室温硫化硅橡胶模具。在模具内表面涂硅油作脱模剂。在模具内放置碳纤维三维预制件，合模，密封。模具装夹在高压水罐内的小车上，固定小车。将模具的树脂浇口和冒口，分别和高压水罐的树脂注入管、抽气管接通。关闭高压水罐，注满去气水，水压调整为1.5个大气压(假设此时外界为1大气压)。
将环氧树脂混合酸酐固化剂(质量比为10∶7)，加入一密闭容器，占据容器一半体积。容器由透声材料ABS树脂制成。将容器置于超声清洗机的工作水槽中。密闭容器内抽真空至0.1大气压。开启超声清洗机，低频超声透过容器壁，作用与环氧树脂与固化剂的混合物。在其中产生空化现象，生成的气泡上升，破裂，气体逸出。工作时间到，关闭超声清洗机。此时在超声导致的声冲流作用下，环氧树脂和固化剂也混合均匀。
将经过除气，并均匀混合酸酐固化剂的环氧树脂利用7个大气压的高压，注满模具内腔。真空泵工作，减少模具内腔气压。树脂注射过程中，提高高压水罐内的水压，平衡硅橡胶模具所承受的树脂注射高压，减少模具变形。树脂注满后，树脂注射设备停止注射。降低水压至1.5个大气压。开动高能聚焦超声系统，以去气水为传播媒介，高能聚焦超声头发射超声波，透过硅橡胶模具，照射到模具内腔，使聚焦处的树脂升温。在三坐标运动平台的带动下，高能聚焦超声头依次扫过模具内腔空间，聚焦区域使模具内腔所有树脂均升温至同一温度。重复该过程，使模具内腔树脂温度按固化规范逐步升温，直至固化。
关闭超声系统，高压水罐放水，取出模具。将成型制件从模具中取出，进行清理和检测。
实施方式2在CAD/CAM软件中，进行零件原型的三维造型。并利用RP(快速成型)技术，制作出相应的原型。再翻制相应的室温硫化硅橡胶模具。在模具内表面涂硅油作脱模剂。在模具内放置碳纤维三维预制件，合模，密封。模具装夹在高压水罐内的小车上，固定小车。将模具的树脂浇口和冒口，分别和高压水罐的树脂注入管、抽气管接通。关闭高压水罐，注满去气水，水压调整为1.5个大气压(假设此时外界为1大气压)。
将环氧树脂混合改性胺固化剂(质量比为4∶1)，加入一密闭容器，占据容器一半体积。容器由透声材料ABS树脂制成。将容器置于超声清洗机的工作水槽中。密闭容器内抽真空至0.1大气压。开启超声清洗机，低频超声透过容器壁，作用与环氧树脂与固化剂的混合物。在其中产生空化现象，生成的气泡上升，破裂，气体逸出。工作时间到，关闭超声清洗机。此时在超声导致的声冲流作用下，环氧树脂和固化剂也混合均匀。
将经过除气，并均匀混合改性胺固化剂的环氧树脂利用7个大气压的高压，通过注满模具内腔。真空泵工作，减少模具内腔气压。树脂注射过程中，提高高压水罐内的水压，平衡硅橡胶模具所承受的树脂注射高压，减少模具变形。树脂注满后，树脂注射设备停止注射。降低水压至1.5个大气压。开动高能聚焦超声系统，以去气水为传播媒介，高能聚焦超声头发射超声波，透过硅橡胶模具，照射到模具内腔，使聚焦处的树脂升温。在三坐标运动平台的带动下，高能聚焦超声头自下而上，依次逐层扫过模具内腔空间。加热固化一处树脂，随即移到相邻部分，加热固化。重复该过程，使模具内腔所有树脂全部固化。
关闭超声系统，高压水罐放水，取出模具。将成型制件从模具中取出，进行清理和检测。
权利要求
1.一种树脂基先进复合材料的快速RTM制造工艺，其特征在于具有以下步骤a、利用CAD/CAM软件和快速原型(RP)技术，制备所需的原型；b、利用该原型，翻制相应的室温硫化硅橡胶模具；c、模具内表面涂脱模剂；d、在模具内安放纤维预制件，合模，密封；e、树脂除气，如果树脂固化需要固化剂的话，还需加入固化剂，并混和均匀；f、将模具置于高压水罐中，模具浇口与树脂注入管连接，冒口与抽气管连接；注入管接树脂注射设备，抽气管接真空泵；g、关闭高压水罐，向高压水罐中注满去气水；h、用树脂注射设备通过高压水罐的树脂注入管，用高压向模具中注入树脂；真空泵则抽取模具内空气，树脂注射时，提高水压，用以平衡模具所承受的树脂注射高压，消除模具变形，树脂注满后，树脂注射设备停止注射，降低水压；i、水罐内部的高能聚焦超声装置工作；以去气水为传输媒介，高能聚焦超声穿透硅橡胶，照射并扫描模具内腔的树脂，使其升温固化，加热固化方式有两种方式一，高能聚焦超声作用于模具内腔某处，使位于聚焦区域内的树脂适当升温；聚焦区域再移至相邻区域，对该处树脂加热，使其也升至相同温度；聚焦区域扫描模具内腔，使所有树脂均达到同一温度；重复上述过程，使模具内腔树脂按指定温度变化曲线升温，直至到达固化温度；方式二，高能聚焦超声连续照射某一区域，使该区域内的树脂升温固化；再移动下一区域，使该区域的树脂升温固化；直至模具内腔所有树脂固化；j、固化完成后，关闭超声，利用去气水，冷却模具和复合材料制件；k、放去气水，开高压水罐；l、将模具移出高压水罐，将固化后的复合材料零件从模具中取出；m、对复合材料制件进行清理和检测。
2.根据权利要求1所述的树脂基先进复合材料的快速RTM制造工艺，其特征在于，树脂除气步骤为a、将树脂加入密封容器中，容器透声材料制成；树脂占据适量容器体积；如果树脂固化需要固化剂，还需加入适量的固化剂；b、容器置于超声清洗机的工作水槽中；c、降低容器内气压，使其小于外界大气压；d、开动超声清洗机，低频超声在树脂及固化剂中产生空化效应，生成的气泡上升、破裂，气体逸出，直至空化现象消失；固化剂与树脂在超声波作用下，也得以混合均匀。
全文摘要
一种树脂基先进复合材料的快速RTM制造工艺，属复合材料制造工艺。其工艺步骤a利用CAD/CAM软件和RP技术，制备所需的原型；b利用该原型，翻制相应的室温硫化硅橡胶模具；c模具内表面涂脱模剂；d在模具内安放纤维预制件，合模，密封；e树脂除气；f将模具置于高压水罐中；g关闭高压水罐，向高压水罐中注满去气水；h用高压向模具中注入树脂；i高能聚焦超声装置工作，使其升温固化；j固化完成后，关闭超声；k放去气水，开高压水罐，l将模具移出高压水罐，将复合材料零件从模具中取出；m对复合材料制件进行清理和检测。该方法能快速获得模具，快速固化树脂，能耗少，生产效率高，能获得高质量制品。
文档编号B29C70/54GK1799823SQ20051012291
公开日2006年7月12日 申请日期2005年12月7日 优先权日2005年12月7日
发明者刘浏, 汪炜, 刘正埙 申请人:南京航空航天大学