一种树脂塑件上一体化成形热塑性复合结构的方法与流程

本发明属于复合材料成形领域，更具体地，涉及一种热塑性复合材料及表面树脂塑件一体化成形方法。

背景技术：

纤维增强热塑性复合材料是以玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维等增强各种热塑性聚合物所得复合材料的总称，有短纤维增强、长纤维增强、连续纤维增强及其织物增强等多种形式；纤维增强热塑性复合材料因其优异的综合性能而被广泛应用于航天航空、汽车、建筑等领域，具有广阔的发展前景。

热压成形是目前生产纤维增强热塑性复合材料制件的重要工艺方法，其基本原理是将预先制备好的热塑性复合材料板材加热至热塑性树脂基体的熔点或软化点以上，然后快速放入模腔中合模加压成形为最终的制品形状；纤维增强热塑性复合材料热压成形技术工艺稳定，易实现机械化与自动化，生产效率高，但现有的热塑性复合材料不适合成形螺柱、卡扣等精密复杂结构。注塑压缩是目前生产光学透明制件和嵌件等残余应力比较小制品的重要工艺方法，其基本原理是注射成形过程中模具先闭合至一定行程形成封闭空腔后注入熔融树脂材料，在注射过程或保压过程中开始压缩至最终制件位置；注塑压缩成形工艺成形制件内部残余应力较小，制件具有优良的性能。

专利cn104045974a的发明专利申请报道了一种电子产品外壳及其制备方法，在制备该电子产品外壳时可以通过模内嵌件注塑，在成形塑胶卡扣的同时使其与复合材料外壳进行结合，一步到位，省掉了热熔贴合工艺，降低成本。但该发明成形对象分别为：纤维增强热固性环氧树脂复合材料占主体的嵌件、聚酰胺和玻璃纤维的共聚物或聚氨酯和玻璃纤维的共聚物塑料，但热固性树脂交联固话后与其他工程塑料结合条件苛刻，使用范围受限制；且制备过程需要分别通过热压成形、模内注塑两个独立步骤，成形周期较长，生产效率低。

技术实现要素：

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种热塑性复合材料及表面树脂塑件一体化成形方法，通过对注塑模具的结构和注塑过程进行设计，使得在成形复合材料嵌件的过程中同时在其表面成形树脂塑件结构，并且充分利用注塑过程中的注塑压力与保压压力和注塑中的高温，一方面实现近似于模压的成形过程，另一方面实现热塑性树脂复合材料结构与树脂塑件的粘接，由此实现模压和注塑的一体化成形，提高生产效率，缩短生产周期。

为实现上述目的，按照本发明，提供了一种热塑性复合材料及表面树脂塑件一体化成形方法，其特征在于，该方法包括下列步骤：

(a)选取基体材料与待成形树脂塑件材料相同或熔点接近的复合材料作为嵌件，选取成形所述待成形树脂塑件的注塑模具，该模具中设置有用于成形所述热塑性复合材料嵌件的模压型腔；

(b)将所述嵌件预热后置于用于所述注塑模具中的模压型腔中，所述注塑模具初次合模，注射熔体使得该熔体填充所述模压型腔与嵌件之间的缝隙，所述注塑模具再次合模以此进行注塑压缩成形，冷却后开模获得所需的待成形树脂塑件，以此实现复合材料及其表面树脂塑件复合结构的一体化成形，其中，在所述注塑压缩成形中，所述熔体向所述嵌件传递压力使之模压成形，同时在熔体温度的作用下，所述嵌件表面融化使其与树脂塑件形成表面粘合。

进一步优选地，在步骤(a)中，所述嵌件的预热温度取值范围为低于所述嵌件基体材料熔点温度以下10℃～20℃。

进一步优选地，在步骤(a)中，所述嵌件的材料优选采用热塑性树脂与纤维增强体的复合材料，其中，所述热塑性树脂优选采用聚醚醚酮、聚苯硫醚、聚乙烯或聚氯乙烯，所述纤维增强体优选采用碳纤维、玻璃纤维或芳纶纤维。

进一步优选地，在步骤(a)中，所述待成形树脂塑件优选采用热塑性树脂作为原材料。

进一步优选地，在步骤(a)中，所述嵌件与待成形树脂塑件材料的熔点接近是指熔点温度差不超过20℃。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

1、本发明提供的方法集热压成形和注塑成形优势于一体，其成形制品性能优异：嵌件在压力和温度作用下成形三维复杂曲面零件，从而具备复合材料模压成形制品的高比强度、高比刚度特性；此外，通过在嵌件表面包覆结构性能优异、功能高度集成的复杂三维结构，从而具备高设计自由度特性；

2、本发明提供的方法能够实现自动化、一体化的生产流程：通过加热系统实时、精确地监控复合材料嵌件温度，模压成形与注塑压缩成形同步进行，消除了额外加工步骤，从而缩短了成形周期短，提高了生产效率；

3、现有复合材料成形工艺难以成形精密结构，本发明通过结合热压成形工艺与注射成形工艺，可以在复合材料制品表面成形加强筋，肋板精密注塑结构，扩展热塑性复合材料应用范围，应属于复合材料成形领域。

附图说明

图1是按照本发明的优选实施例所构建的热塑性复合材料及表面树脂塑件一体化成形方法的工艺流程图；

图2是按照本发明的优选实施例所构建的热塑性复合材料及表面树脂塑件一体化成形方法采用的设备结构示意图；

图3是按照本发明的优选实施例所构建的热塑性复合材料及表面树脂塑件一体化成形方法中采用的模具结构示意图。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：

1-旋转机械手2-加热炉3-注塑机4-注塑成形模具5-嵌件6-开模后的嵌件7-凸模固定板8-凸模模板9-凸模冲头10-弹簧压边圈11-凹模12-凹模垫块13-凹模固定板14-胶口15-压边圈限位装置16-导柱导套17-顶出装置

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

图1是按照本发明的优选实施例所构建的热塑性复合材料及表面树脂塑件一体化成形方法的工艺流程图，如图1所示，该方法包括如下步骤：

步骤(1)预热：通过加热装置对热塑性复合材料嵌件进行加热。

步骤(2)投料：热塑性复合材料嵌件加热到指定温度并保温一段时间后，通过机械手将热塑性复合材料嵌件放置于成形模具内。

步骤(3)成形：凹模与弹簧压边圈闭合将嵌件夹紧，形成特定厚度的模压型腔空间，完成第一次合模，注塑机开始注射，当树脂注入模具型腔并开始保压后，模具开始压缩至完全闭合，热塑性复合材料嵌件在压缩时树脂传递的压力下变形，同时流动树脂包覆表面生成加强结构，浇口冷却后制品在锁模力作用下逐渐自然冷却定型。

步骤(4)出模：制品冷却到一定的温度即可开模，注塑机脱模机构将成形制品顶出，通过机械手取出制品。

进一步的，在所述步骤(1)中，所述纤维增强热塑性复合材料包覆树脂一体化成形方法适用于多数纤维增强热塑性复合材料，所述的热塑性复合材料嵌件所采用的原材料为热塑性树脂和纤维增强体：塑性树脂包括但不限于聚醚醚酮、聚苯硫醚、聚乙烯、聚氯乙烯；纤维增强体包括但不限于不同尺寸，不同构成方式的碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维。

进一步的，在所述步骤(1)中，所述投料过程通过旋转机械手完成，减少投料过程的热量损失，防止树脂固化，复合材料嵌件由加热装置转移至注塑模具内固定所需的时间小于5s。

进一步的，在所述步骤(3)中，所述成形模具兼备模压模具和注塑压缩模具的特点，该模具包括凸模与和与之相匹配的凹模，凸模与凹模均通过模座安装在注塑机的工作台上；凸模与凹模相对设置，模具脱模顶出机构设置在凹模侧且凹模上设有凹槽、定位销等机构用以放置并固定复合材料嵌件；模具注塑压缩机构设置在凸模侧；凸模冲头外围设有环形平板压边圈，压扁圈通过弹簧与凸模模板连接，凸模模板上另设有长销钉限制弹簧行程，如步骤(3)所述，模具初次闭合过程中，压边圈与复合材料嵌件接触并构成分型面，弹簧压力作用于嵌件表面，防止在注射过程中因熔体压力过大导致溢胶或使嵌件移动，注射充填阶段完成进入保压过程后，模具继续闭合进行压缩行程，冲头推动熔融树脂向热塑性复合材料传递压力使其成形，同时流动树脂包覆表面生成加强结构。

进一步的，步骤(3)所述注射压缩过程胶料为热塑性树脂或热塑性树脂与增强相的混合熔体，其中的增强相包含但不限于短纤维碳纤维，纳米碳管，热塑性树脂应与步骤(1)所述复合材料热塑性基体结合性能相匹配。

进一步的，在所述步骤(1)(2)中，所述复合材料嵌件加热及保温温度低于热塑性树脂材料的熔点温度或软化温度。步骤(3)所述注塑压缩过程熔融热塑性树脂聚合物的热量足以融化固体嵌件表面，聚合物熔体相互融合，生成界面性能优异的加强结构。

图2是按照本发明的优选实施例所构建的热塑性复合材料及表面树脂塑件一体化成形方法采用的设备结构示意图，如图2所示，本发明成形中所采用的一体化成形设备，包括旋转机械手1，加热炉2，注塑机3，以及安装在注塑机上的注塑成形模具4，5、6分别为复合材料嵌件与开模后嵌件的形态。

图3是按照本发明的优选实施例所构建的热塑性复合材料及表面树脂塑件一体化成形方法中采用的模具结构示意图，如图3所示，注塑成形模具4包括：凸模固定板7、凸模模板8，凸模冲头9，弹簧压边圈10、凹模11、凹模垫块12、凹模固定板13、胶口14、压边圈限位装置15、导柱导套16、顶出装置17和紧固装置等，其中凸模冲头9和凸模模板8通过紧固装置相连接，凹模11与凹模垫块12、凹模固定板13通过紧固装置相连接，凸模固定板7固定在在注塑机胶口侧，凹模固定板13固定在另一侧，凸模和凹模之间的运动通过导柱导套16之间的运动来导向。

下面结合具体的实施例进一步说明本发明。

实施例1：

通过旋转机械手将完成裁剪、清洗、干燥的编织碳纤维增强聚丙烯复合材料嵌件(尺寸：长140mm*宽140mm*高2mm)放置在红外加热炉1中，加热嵌件使其在10min内升温至135℃并在此温度下保温8min；保温完成后，通过旋转机械手2将复合材料嵌件放入成形模具的卡槽中。注塑机引导部分推动模具部分闭合，弹簧压边圈10与嵌件接触并对其施加压力，此时将聚丙烯熔体注入型腔内；随后推动模具至完全闭合并保持树脂压力(保压压力：3mpa，保压时间：25s)，制品冷却后由注塑机脱模机构顶出制品，并由旋转机械手取出。

实施例2：

通过旋转机械手将完成裁剪、清洗、干燥的编织碳纤维增强聚醚醚酮复合材料嵌件(尺寸：长140mm*宽140mm*高3mm)放置在红外加热炉1中，加热嵌件使其在25min内升温至300℃并在此温度下保温8min；保温完成后，通过旋转机械手2将复合材料嵌件放入成形模具的卡槽中固定。注塑机引导部分推动模具部分闭合，弹簧压边圈10与嵌件接触并对其施加压力，此时将短碳纤维填充聚醚醚酮混合熔体注入型腔内；随后推动模具至完全闭合并保持树脂压力(保压压力：60mpa，保压时间：25s)，制品冷却后由注塑机脱模机构顶出制品，并由选择机械手取出。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。