复合材料油箱的真空辅助树脂传递模塑整体成型工艺的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种树脂基复合材料油箱的真空辅助树脂传递模塑成型工艺，提供一种新型结构材料油箱，可有效降低现有油箱的结构重量和车辆噪声水平，并且具有抗冲击破坏和耐腐蚀等特征，同时可以大大缩短油箱的成型加工周期，提高油箱的生产效率。本发明是通过以下技术方案实现的：型芯三维建模；型芯成型模具制作；可溶（熔）性型芯制备；模具准备；增强材料的铺设与定型；合模；树脂胶液的配制；树脂注入；树脂固化；脱模；型芯溶（熔）出；复合材料制件修整。本发明生产效率高，脱模方便，成本低。
【专利说明】复合材料油箱的真空辅助树脂传递模塑整体成型工艺
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种复合材料油箱的真空辅助树脂传递模塑(Vacuum Assisted ResinTransfer Molding,简称VARTM)整体成型工艺，尤其涉及利用真空辅助树脂传递模塑工艺和可溶(熔)性芯模进行复合材料构件整体成型的工艺。
【背景技术】
[0002]油箱作为轿车、重型卡车、特种车辆动力油的存储装置，广泛应用于各种型号交通运输车辆中，是交通运输车辆的重要组成部分。目前在轿车领域油箱已经逐渐实现塑料化，塑料油箱的应用一定程度上降低了轿车的重量，但是，塑料油箱强度相对较低，受到外力时很容易破损，容易造成燃油外流，甚至引发火灾；重型卡车、特种车辆的油箱主要采用高强度钢板焊接而成，钢板焊接油箱存在以下问题:1成形工艺复杂，产品外形和尺寸精度差；2组成零部件多，且机加工及拼焊工艺复杂，费时费力；3重量大，成本高；4振动噪声大，耐腐蚀性能差等。
【发明内容】
[0003]本发明的目的在于提供一种新型树脂基复合材料油箱的成型新技术，所制备的树脂基复合材料油箱采用一种低成本、高效率的可溶(熔)性型芯辅助VARTM工艺整体成型技术。
[0004]本发明是采用如下技术方案实现的:
一种复合材料油箱的真空辅助树脂传递模塑整体成型工艺，包括如下步骤:
(1)、型芯三维建模:根据油箱设计尺寸做出型芯图纸，再利用三维建模软件建立型芯三维模型；
(2)、型芯模型的制备:根据型芯的三维模型制备得到型芯模型，如何制备型芯模型本领域具备多种方法；
(3)、水溶性型芯的制备:首先，根据型芯模型翻制型芯成型模具(如何翻制型芯成型模具本领域具备多种方法)；之后，以重量比为3: 15: 10的聚乙烯吡咯烷酮K30、石英砂、去离子水为原料配置水溶性芯模材料；最后，型芯成型模具表面涂抹脱模蜡，并将配置的水溶性芯模材料倒入型芯成型模具中捣实，放入烘箱中在80°C下烘干，成型后倒模，制备出水溶性型芯；
或者，可熔性型芯的制备:首先，根据型芯模型翻制型芯成型模具；之后，选择熔点在100C以内的合金材料，熔化后利用型芯成型模具浇铸成型，得到可熔性型芯；
(4)、模具准备:以水溶性型芯为内模，在水溶性型芯中预埋油箱加强隔板，并用水溶性腻子对水溶性型芯表面进行封孔处理；
或者，以可熔性型芯为内模，在可熔性型芯中预埋油箱加强隔板，并对可熔性型芯表面进行打磨处理；
(5)、增强材料的铺设与定型:在水溶性型芯或者可熔性型芯表面根据油箱厚度包覆多层纤维增强材料，在铺设每层纤维增强材料的同时喷洒定型剂，对纤维增强材料进行定型处理，制得纤维预成型体；
(6)、真空袋膜的包覆:在纤维预成型体外铺设脱模布、隔离膜和导流网，在导流网表面按照设计要求在相应位置铺设螺旋管、注胶口和抽气口，最后用真空袋将其包裹起来，形成封闭的模腔；
(7)、VARTM成型系统连接:将抽气口和注胶口分别通过树脂管与真空泵和树脂罐相连，并在各条管路中间设置控制阀，即分别形成抽气阀和注胶阀，形成抽气系统和注胶系统；
(8)、注胶系统保压:在注胶口上连接一真空表，并对密封模腔抽真空至5?1mbar，关闭抽气阀和真空泵，真空保压，观察真空表在15到30min内真空度下降不超过3mbar，即表明该系统气密性良好，达到VARTM注射要求；
(9)、树脂胶液的配置:按100: 30的比例将上纬环氧树脂和固化剂利用注射机混合均匀，制得环氧树脂胶液，并注入到树脂罐中，待用；
(10)、树脂注入:打开注射机、真空泵，以及抽气阀、注胶阀，将树脂体系灌注到真空成型模具中浸润纤维增强材料，直至树脂充满模腔，纤维预成型体全部被浸润，关闭注胶阀和注射机；
(11 )、树脂固化:停止灌注后，继续抽真空保压，直至树脂体系开始凝胶并固化，关闭真空泵和抽气阀；
(12)脱模:待树脂表面巴氏硬度达到15以上时，扯去实心油箱外侧所有物件，取出实心油箱制件；
(13)、水溶性型芯溶出:使用热水冲洗，使水溶性型芯溶解，直至水溶性型芯材料全部从实心油箱制件中溶出，制得复合材料油箱制件；
或者，可熔性型芯熔出:将实心油箱制件置于105°C的热烘箱中，直至可熔性型芯全部熔化，从实心油箱制件中倒出，得到复合材料油箱制件；
(14)、油箱连接附件的安装:在贮油箱安放注油口、放油口、抽油管嵌件的部位利用环形打磨装置将其打磨出一环形凹面，并将注油口、放油口、连接管嵌件的连接环嵌入此环形凹面，并在环形凹面周边用碳纤维增强环氧树脂材料糊制补强；
(15)、复合材料油箱制件的修整:对得到的复合材料油箱制件进行修整、检测，无质量问题后，即得到VARTM整体成型的树脂基复合材料油箱。
[0005]本发明以树脂基复合材料作为油箱的主体材料，采用VARTM整体成型工艺适用于各种空心结构油箱零部件的制备，例如制备轿车、重型卡车、特种车辆等车辆动力油油箱，此工艺成型的产品具有质量轻、强度高、精度好、刚性大、外形美观等优点。其工艺中可溶(熔)性型芯的加工精度高，周期短，加工方便快捷；其空心结构件型芯内模具有遇热水即溶或加热熔融的特点，因此脱模和使用方便。
[0006]具有以下优势:1、重量轻，可使车辆油箱减重25%?35% ;2、可赋予车辆优良的隔音、降噪、减振效果；3、密封性能好，防渗效果明显提高；4、抗冲击破坏和耐腐蚀性能大大提高；5、具有尺寸精确、刚性大、外形美观等优点；6、成型加工周期大大缩短；7、便于安装维护；8、使用该工艺方法对树脂基复合材料油箱构件进行成型加工，效率高，成本低，同时大大节省了设备的投入。
【专利附图】
【附图说明】
[0007]图1是本发明树脂基复合材料油箱的真空辅助树脂传递模塑(VARTM)整体成型工艺过程示意图。
【具体实施方式】
[0008]下面结合附图对本发明的具体实施例进行详细说明。
[0009]以某车辆的第三外油箱为例，介绍本发明的树脂基复合材料油箱的真空辅助树脂传递模塑(VARTM)整体成型工艺。
[0010]实施例1 包括如下步骤:
1、型芯三维建模:根据油箱设计尺寸做出型芯图纸，再利用三维建模软件UG、ProE,Solid works、CATIA等建立油箱型芯的三维模型,并利用软件自带功能对三维模型进行切害I]，选取油箱型芯模型中具有代表性的10个截面，并对10个截面四周的尺寸进行缩减，每侧缩减30_，并将缩减后的截面图形文件，打印输出形成图纸。
[0011]2、第三外油箱型芯模型的制备:根据三维建模建立的型芯的CAD截面图纸，制作出10个不同位置的玻璃钢隔板，并用三角铁将所有隔板按顺序和位置串连固定在一起，形成框架；并在隔板间倒入聚氨酯发泡材料，发泡完全后按照隔板大小进行修整，随后在聚氨酯泡沫表面用环氧树脂LT-5078、双轴向E-BX800和三轴向E-BX1200手糊玻璃钢层，厚度约5mm ;待玻璃钢层固化后，清洁玻璃钢层，并在玻璃钢层上涂覆代木材料(可机加工树脂板材)，边涂覆边用力拍打使代木密实，厚度约30_ ;待代木层固化后，将所制备的型芯模型移至数控车床上，对代木型芯进行精细加工，得到第三外油箱型芯模型。
[0012]3、第三外油箱水溶性型芯制备:首先，油箱型芯成型模具的制备:以第三外油箱型芯模型为母模，首先利用汉森环氧树脂R頂935 /RMH937模具树脂和双轴向E-BX800和三轴向布E-BX1200等手工翻制水溶性型芯模型玻璃钢成型模具，模具玻璃钢层厚度约15mm，待模具玻璃钢层固化后，脱模，得到第三外油箱型芯成型模具的一半；再通过相同的方法制备第三外油箱型芯成型模具的另一半，两者扣合后即是完整的第三外油箱型芯成型模具。
[0013]之后，根据VARTM工艺产生的压缩力，以聚乙烯吡咯烷酮K30、石英砂、去离子水为原料，配置出可以满足成型压力要求的水溶性芯模材料。
[0014]最后，在第三外油箱型芯成型模具表面涂抹脱模蜡，并将配置的水溶性芯模材料倒入到第三外油箱型芯成型模具中捣实，放入烘箱中在80°C下烘干72h，成型后倒模，制备出第三外油箱水溶性型芯。
[0015]4、模具准备:在水溶性型芯相应位置上预埋加强隔板，并用水溶性腻子对第三外油箱水溶性型芯表面进行封孔处理。
[0016]5、增强材料的铺设与定型:以第三外油箱水溶性型芯为内模，在型芯表面上按照设计铺层铺覆4mm厚的200g/m2 T300碳纤维方格布，在铺设纤维增强材料时每铺设I层碳纤维增强材料就要喷洒预定型剂，在预埋油箱附件位置处再加铺2_厚的碳纤维方格布起到补强的作用，铺设完成后得到第三外油箱纤维预成型体。
[0017]6.真空袋膜的包覆:在纤维预成型体外按顺序铺设一层脱模布、隔离膜和导流网，在脱模布、隔离膜和导流网铺设时适当喷洒预定型剂，防止其位置在成型过程中发生变化。在导流网表面按照设计要求在相应位置铺设螺旋管、4个注胶口和4个排气口，并使用密封胶条确保其位置固定。使用真空袋膜将纤维预成型体、隔离膜、脱模布、导流网、螺旋管、注胶口和排气口全部包裹其中，并使用密封胶条密封，形成密封模腔。
[0018]7、VARTM成型系统连接:在真空袋膜上开孔，将4个排气口(抽气口)通过树脂管分别连接到真空缓冲罐上，并将真空缓冲罐与2XZ-4真空泵相连，形成抽气系统。将经过设计的4个注胶口通过树脂管分别与树脂罐相连接，并使树脂罐与PR70v RTM注射机相连接，形成注胶系统。抽气系统和注胶系统的各支路开启闭合分别由一个大力钳控制形成注胶阀和抽气阀，大力钳夹紧支路关闭，大力钳松开支路连通。
[0019]8、注射系统保压:关闭注射系统的支路，打开真空泵、真空缓冲罐与抽气系统的各支路，并在注胶管上连接一个数显真空表，待真空度抽至5?1mbar时，关闭抽气支路，真空保压15?30min，真空度下降不超过3mbar即证明该系统气密性良好，达到VARTM注射要求。
[0020]9、树脂胶液的配置:按100: 30的比例将上纬环氧树脂(2511A)和固化剂(2511B)利用PR70v RTM注射机混合均匀，制得环氧树脂胶液，并注入到树脂罐中，待用。
[0021]10、树脂注入:打开真空泵继续对密封的第三外油箱成型模具抽真空，使其真空度达5?lOmbar。准备就绪后，按设计顺序依次打开4个注胶管路的注胶阀门，将SW 2511A/B环氧树脂树脂体系注入第三外油箱真空密封模具中，直至充满模腔，并保持一段时间，直至纤维增强材料全部被浸润，关闭注胶阀门和注射机。
[0022]11、树脂固化:停止注胶后，继续抽真空保压，直至树脂体系开始凝胶并固化，用大力钳将抽气管夹紧(即关闭抽气阀)，将油箱成型模具放入烘箱中，缓慢将模具温度升高至80°C，固化 1h0
[0023]12、脱模:待复合材料表面巴氏硬度达到15以上时，拆除复合材料油箱表面的注胶系统和抽气系统，即扯去复合材料油箱构件外侧的真空袋、导流网、脱模布和隔离膜，取出带水溶性型芯的复合材料油箱制件，检测有无质量问题。
[0024]13、第三外油箱水溶型芯溶出:从油箱口使用80°C的热水冲洗带水溶性型芯的复合材料油箱制件，直至水溶性型芯全部水溶，由油箱箱体中已预留的注油口、放油口等部位倒出，得到复合材料第三外油箱制件。
[0025]14、油箱连接附件的安装:在油箱箱体上安放注油口、放油口、抽油管等油箱嵌件的部位利用环形打磨装置将其打磨出一环形凹面，并将另加的油箱注油口、放油口、连接管等嵌件的连接环嵌入此环形凹面，并在环形凹面周边用碳纤维增强环氧树脂材料糊制补强。
[0026]15、复合材料油箱制件修整:对制备的树脂基复合材料油箱进行修整，去除油箱制件的毛边，检测有无缺胶、气孔等质量问题，检验合格后，在油箱表面均匀的喷涂一层SW2511A/B环氧树脂，待环氧树脂固化后即得到表面光洁的树脂基复合材料第三外油箱制件。
[0027]实施例2
本实施例与实施例1的区别在于:将水溶性型芯替换为可熔性型芯。具体如下:
步骤3中，可熔性型芯的制备:首先，根据型芯模型翻制型芯成型模具，同实施例1 ;之后，选择熔点在100°C以内的合金材料(如熔点为102.5°C的B1、Sn、Cd三元合金，重量配比为54: 26: 20)为原料，配置出可以满足成型要求的低熔点芯模材料，将可熔性合金材料熔化，利用可熔性型芯铸造模具浇铸成型，并对可熔性型芯表面进行打磨处理(步骤4)。
[0028]步骤13中，第三外油箱可熔性型芯熔出:将带可熔性型芯的复合材料油箱制件置于105°C的热烘箱中，直至可熔性型芯全部熔化，倒出，得到复合材料第三外油箱制件。
[0029]其余步骤同实施例1所述。
[0030]由上述具体的实施方式可知，本发明的成型工艺完全适合于各种车辆用空心结构复合材料油箱零部件的成型。将本发明的技术方案应用于树脂基复合材料油箱构件的制备过程，可以显著提高油箱构件的生产效率，成型质量均匀、尺寸准确、外表光洁美观的高强度、低成本的树脂基复合材料油箱构件。
【权利要求】
1.一种复合材料油箱的真空辅助树脂传递模塑整体成型工艺，其特征在于:包括如下步骤: (1)、型芯三维建模:根据油箱设计尺寸做出型芯图纸，再利用三维建模软件建立型芯三维模型； (2)、型芯模型的制备:根据型芯的三维模型制备得到型芯模型； (3)、水溶性型芯的制备:首先，根据型芯模型翻制型芯成型模具；之后，以重量比为3: 15: 10的聚乙烯吡咯烷酮K30、石英砂、去离子水为原料配置水溶性芯模材料；最后，型芯成型模具表面涂抹脱模蜡，并将配置的水溶性芯模材料倒入型芯成型模具中捣实，放入烘箱中在80°C下烘干，成型后倒模，制备出水溶性型芯； 或者，可熔性型芯的制备:首先，根据型芯模型翻制型芯成型模具；之后，选择熔点在100C以内的合金材料，熔化后利用型芯成型模具浇铸成型，得到可熔性型芯； (4)、模具准备:以水溶性型芯为内模，在水溶性型芯中预埋油箱加强隔板，并用水溶性腻子对水溶性型芯表面进行封孔处理； 或者，以可熔性型芯 为内模，在可熔性型芯中预埋油箱加强隔板，并对可熔性型芯表面进行打磨处理； (5)、增强材料的铺设与定型:在水溶性型芯或者可熔性型芯表面根据油箱厚度包覆多层纤维增强材料，在铺设每层纤维增强材料的同时喷洒定型剂，对纤维增强材料进行定型处理，制得纤维预成型体； (6)、真空袋膜的包覆:在纤维预成型体外铺设脱模布、隔离膜和导流网，在导流网表面按照设计要求在相应位置铺设螺旋管、注胶口和抽气口，最后用真空袋将其包裹起来，形成封闭的模腔； (7)、VARTM成型系统连接:将抽气口和注胶口分别通过树脂管与真空泵和树脂罐相连，并在各条管路中间设置控制阀，即分别形成抽气阀和注胶阀，形成抽气系统和注胶系统； (8)、注胶系统保压:在注胶口上连接一真空表，并对密封模腔抽真空至5~lOmbar，关闭抽气阀和真空泵，真空保压，观察真空表在15到30min内真空度下降不超过3mbar，即表明该系统气密性良好，达到VARTM注射要求； (9)、树脂胶液的配置:按100: 30的比例将上纬环氧树脂和固化剂利用注射机混合均匀，制得环氧树脂胶液，并注入到树脂罐中，待用； (10)、树脂注入:打开注射机、真空泵，以及抽气阀、注胶阀，将树脂体系灌注到真空成型模具中浸润纤维增强材料，直至树脂充满模腔，纤维预成型体全部被浸润，关闭注胶阀和注射机； (11 )、树脂固化:停止灌注后，继续抽真空保压，直至树脂体系开始凝胶并固化，关闭真空泵和抽气阀； (12)脱模:待树脂表面巴氏硬度达到15以上时，扯去实心油箱外侧所有物件，取出实心油箱制件； (13)、水溶性型芯溶出:使用热水冲洗，使水溶性型芯溶解，直至水溶性型芯材料全部从实心油箱制件中溶出，制得复合材料油箱制件； 或者，可熔性型芯熔出:将实心油箱制件置于105°C的热烘箱中，直至可熔性型芯全部熔化，从实心油箱制件中倒出，得到复合材料油箱制件； (14)、油箱连接附件的安装:在贮油箱安放注油口、放油口、抽油管嵌件的部位利用环形打磨装置将其打磨出一环形凹面，并将注油口、放油口、连接管嵌件的连接环嵌入此环形凹面，并在环形凹面周边用碳纤维增强环氧树脂材料糊制补强； (15)、复合材料油箱制件的修整:对得到的复合材料油箱制件进行修整、检测，无质量问题后，即得到VARTM整体成型的树脂基复合材料油箱。
2.根据权利要求1所述的复合材料油箱的真空辅助树脂传递模塑整体成型工艺，其特征在于:步骤(3)的可熔性型芯的制备中，选择熔点为102.5°C的B1、Sn、Cd三元合金，重量配比为54: 26: 20。
3.根据权利要求1或2所述的复合材料油箱的真空辅助树脂传递模塑整体成型工艺，其特征在于:步骤(3)中的型芯成型模具利用玻璃钢材料制备，厚度为15mm。
4.根据权利要求3所述的复合材料油箱的真空辅助树脂传递模塑整体成型工艺，其特征在于:步骤(5)中，所述纤维增强材料为200g/m2 T300碳纤维方格布，厚度为4mm ;在预埋油箱附件位置处再加铺2mm厚的碳纤维方格布。
5.根据权利要求4所述的复合材料油箱的真空辅助树脂传递模塑整体成型工艺，其特征在于:步骤(11)中，固化条件为:在烘箱中80°C固化10h。
6.根据权利要求5所述的复合材料油箱的真空辅助树脂传递模塑整体成型工艺，其特征在于:步骤(14)中 ，在树脂基复合材料油箱表面均匀喷涂一层SW2511A/B环氧树脂。
【文档编号】B29C33/38GK104044277SQ201410180511
【公开日】2014年9月17日 申请日期:2014年5月4日 优先权日:2014年5月4日
【发明者】张彦飞, 刘亚青, 赵贵哲, 许国栋, 刘昭特 申请人:中北大学