一种适用于复杂大曲率的热塑性复合材料成型工艺的制作方法

本发明涉及一种复合材料成型工艺，具体涉及一种适用于复杂大曲率的热塑性复合材料成型工艺。

背景技术：

热塑性复合材料作为下一代“绿色”复合材料，相对热固性复合材料，具有更好的力学性能、耐热性能、耐化学腐蚀性能，并且能够回收利用，因此越来越多的应用到航空航天领域零部件的制造中。但是由于热塑性复合材料通常成型温度较高(聚醚醚酮340℃以上)，成型工艺比较复杂，成型质量不易控制，一定程度上限制了热塑性复合材料的发展。

传统的热塑性复合材料成型工艺如拉挤成型工艺通常只能制造固定形状的产品，无法制造结构复杂尺寸较大的产品。模压成型工艺能够实现复杂结构零件的制造，但是对于复杂大曲率结构件，预浸料片材在模具中的铺叠难度较大，预浸料片容易搭叠褶皱，成型时会造成纤维树脂分布不均匀、缺陷增加等问题，导致产品的力学性能不均匀，同时模具局部受力过大，且在高温下成型，模具损耗严重，成本高。

纤维自动铺放成型工艺作为复合材料的先进制造技术，具有精度高、速度快等优势，且能够实现复杂结构件的生产制造。但是针对热塑性复合材料的自动铺放技术发展还不够成熟，尤其是成型温度控制难度高，成型过程温度场均匀性、一致性较差，导致成型件热变形难以预测，层间结合强度不易控制，孔隙率和结晶度难以满足要求，达不到理想的性能和成型精度。

技术实现要素：

本发明目的是提供一种适用于复杂大曲率的热塑性复合材料成型工艺，克服纤维自动铺放成型工艺层间结合强度不易控制，成型件致密性不高，成型质量难以满足要求的缺点，以及传统模压工艺在成型大曲率构件及复杂空心构件时预浸料料片铺叠难度大，预浸料片容易搭叠褶皱，纤维树脂分布不均匀的问题，降低工艺窗口的控制难度，提升成型件的形状精度和力学性能。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种适用于复杂大曲率的热塑性复合材料成型工艺，包括以下步骤：

步骤1：根据热塑性预浸料的宽度和厚度，结合目标构件的形状尺寸，使用路径规划软件通过路径规划求得铺放路径；

步骤2：根据所得铺放路径，在模具的阴模或阳模上进行热塑性预浸料的自动铺放，制成预成型体；

步骤3：将步骤2中得到的预成型体的边缘修整，使预成型体与模具边缘的形状一致，合模加压并进行预热，当温度升至软化温度以上熔融温度以下时，保温，在压力作用下模具自动闭合；

步骤4：继续升温至熔融温度以上，保温保压后，卸压排气；

步骤5：再对模具加压至5～10mpa，维持模具该压力并降温，待温度降至玻璃化转变温度以下后，脱模取出构件。

本发明进一步的改进在于，步骤1中，热塑性预浸料为长纤维热塑性复合材料预浸带。

本发明进一步的改进在于，步骤2中，在进行铺放的阴模或者阳模中留有自动铺放行程延伸余量，对应的，在另一半模具中，将该余量消除，确保合模后的腔体形状与目标构件一致。

本发明进一步的改进在于，步骤2中，预成形体厚度控制在目标构件厚度的1.01～1.15倍，曲率误差在5％以内。

本发明进一步的改进在于，步骤3中，温度升至软化温度和熔融温度的中间值，同时保持压力，使预成型体软化变形贴合模具壁面，并使模具闭合，保温时间为3～5min。

本发明进一步的改进在于，步骤4中，熔融温度以上为熔融温度以上30～50℃。

本发明进一步的改进在于，步骤4中，保温时间为30min，保压压力为20～30mpa。

本发明进一步的改进在于，步骤5中，降温时，先降温至软化温度，然后控制软化温度到玻璃化转变温度的降温速度，从而实现满足要求的结晶度。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

1.相比传统的模压成型工艺，没有了将预浸料片材铺叠到模具里的过程，而是利用纤维自动铺放成型工艺，首先制成预成型体，再对预成型体进行模压，避免了在成型大曲率构件时铺叠难度大，铺叠精度低导致纤维树脂分布不均匀、缺陷增加的问题；

2.制备预成型体时对预成型体的形状尺寸以及性能参数要求不高，降低了自动铺放的工艺窗口控制难度，从而减少了生产成本；

3.该成型工艺通过纤维自动铺放使预成型件能较好的贴合模具，减小了模压过程中模具由于局部受力过大而造成的损耗，增加模具使用寿命；

4.相比单一的纤维自动铺放成型工艺，本发明通过控制模压温度控制结晶温度，避免了纤维自动铺放成型工艺温度场不易控制，热变形难以预测，层间结合强度不易控制，孔隙率和结晶度难以满足要求的问题，通过控制模压过程温度场，调整热变形和结晶度，改善层间结合强度以及孔隙率，最终实现高结晶度、纤维树脂分布均匀、致密、低缺陷的复杂大曲率构件的成型。

附图说明

图1是本发明的工艺流程图。

图2是本发明大曲率构件示意图。

图3是本发明模压过程示意图。

图4是本发明模压过程中的时间-温度关系曲线。

图5是本发明模压过程中的时间-压力关系曲线。

图中，1为阴模，2为阳模，3为大曲率构件。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做详细描述。

如图1所示，一种适用于复杂大曲率(曲率半径小于500mm)的热塑性复合材料成型工艺，总体过程为：先在模具阴模1或阳模2表面采用纤维自动铺放制成预成型体，并控制纤维角度，再将阴阳模具合模热压，消除间隙等缺陷，并通过控制降温速率控制结晶度，通过纤维自动铺放和模压成型两种工艺结合，使构件纤维树脂分布均匀，致密性和层间结合强度高，实现高质量制造。本发明避免了传统模压成型工艺在成型大曲率构件及复杂空心构件时铺叠难度大，铺叠精度低导致纤维树脂分布不均匀、缺陷增加的问题，同时弥补了单一纤维自动铺放成型工艺温度场控制难度大，成型件层间结合强度、空隙率和结晶度难以满足要求的缺点，并且降低了纤维自动铺放的工艺窗口控制难度，减少了生产成本。

具体包括以下步骤：

步骤1：选取预定的适合纤维自动铺放的热塑性预浸料，根据预浸料的宽度和厚度，结合目标构件的形状尺寸，使用路径规划软件通过路径规划求得铺放路径；其中，预浸料为长纤维热塑性复合材料预浸带。路径规划可根据需求，调整铺层方向，从而控制纤维角度。

步骤2：根据所得铺放路径，在设计好的模具阴模或阳模上进行热塑性纤维的自动铺放，制成预成型体，该预成型体与目标构件之间允许存在一定量的形状尺寸误差，同时对预成型体的层间结合强度和结晶度等性能参数不做要求；如图3所示，模具为适合纤维铺放的模具，在进行铺放的阴模或者阳模中留有自动铺放行程延伸余量a，对应的，在另一半模具中，将该余量消除，确保合模后的腔体形状与目标构件一致。

所述步骤2中的形状尺寸误差主要指厚度方向上的误差以及曲率误差，预成型体厚度控制在最终成型体厚度的1.01～1.15倍，曲率误差在5％以内。

步骤3：如图3所示，将步骤2中得到的预成型体的边缘稍作修整，使预成型体与最终构件的形状一致，合模加压并进行预热，消除间隙等缺陷。当温度升至软化温度以上熔融温度以下时，保持温度，在压力作用下模具自动闭合；如图5所示，最初合模时(软化温度以下)所加压力不宜过大，5～10mpa即可。当温度升至软化温度以上，一般为软化温度和熔融温度的中间值，保持该温度及压力，保证预成型体软化变形贴合模具壁面，使模具闭合，保温时间为3～5min。

步骤4：如图4所示，继续升温至熔融温度以上，保温保压一段时间，随后卸压排气。其中，熔融温度以上一般为熔融温度以上30～50℃，从而保证树脂足够的流动性，保温保压时间为30min，保压压力为20～30mpa，卸压排气过程中应保证模具闭合密实。

步骤5：如图5所示，再对模具加压至5～10mpa，维持模具该压力并降温，先缓慢降温至软化温度，不能太快降温，否则会产生较大的内应力。随后根据成型件力学性能要求，控制软化温度到玻璃化转变温度的降温速度，从而实现满足要求的结晶度；其中，降温过程中，始终保持一定压力，防止构件冷却产生形变。

步骤6：待温度降至玻璃化转变温度以下之后即可脱模取出构件，但为安全起见，一般控制脱模温度在70℃以下，随后进行修整和表面处理得到目标构件，脱模后进行修整得到目标构件。

下面为一个具体实施例。

实施例1

步骤1：选取cf/peek预浸料作为铺放原材料，预浸料宽度为12mm，厚度为0.13mm铺放某大区率构件，参见图2，首先使用路径规划软件通过路径规划求得铺放路径，根据需求，可将铺层方向调整为45°交叉铺放或其他形式。

步骤2：根据所得铺放路径，在设计好的模具阴模1上进行热塑性纤维的自动铺放，制成预成型体；如图3所示，模具为适合纤维铺放的模具，在进行铺放的阴模中留有自动铺放行程延伸余量a，对应的，在另一半模具中，将该余量消除，确保合模后的腔体形状与目标构件一致。

其中，形状尺寸误差主要指厚度方向上的误差以及曲率误差，预成型体厚度控制在最终成型体厚度的1.15倍以内，曲率误差在5％以内。

步骤3：如图3所示，将步骤2中得到的预成型体的边缘稍作修整，使预成型体与最终构件的形状一致，合模加压10mpa并进行预热，当温度升至软化温度以上熔融温度以下时，保持温度，在压力作用下模具自动闭合；如图5所示，当温度升至325℃时，保持该温度及压力5min，保证预成型体软化变形贴合模具壁面，使模具闭合。

步骤4：继续升温至390℃，保温同时在30mpa保压30min，随后卸压排气。卸压排气过程中保证模具闭合密实。

步骤5：如图5所示，再对模具加压至10mpa，维持模具该压力并降温，先缓慢降温至软化温度。随后根据成型件力学性能要求，控制软化温度到玻璃化转变温度的降温速度，从而实现满足要求的结晶度；其中，降温过程中，始终保持一定压力，防止构件冷却产生形变。

步骤6：待温度降至70℃以下脱模取出构件，脱模后进行修整得到目标构件。

实施例2

步骤1：选取cf/peek预浸料作为铺放原材料，预浸料宽度为12mm，厚度为0.13mm铺放某大区率构件，首先使用路径规划软件通过路径规划求得铺放路径，根据需求，可将铺层方向调整为45°交叉铺放或其他形式。

步骤2：根据所得铺放路径，在设计好的模具阳模2上进行热塑性纤维的自动铺放，制成预成型体；如图3所示，模具为适合纤维铺放的模具，在进行铺放的阴模中留有自动铺放行程延伸余量，对应的，在另一半模具中，将该余量消除，确保合模后的腔体形状与目标构件一致。

其中，形状尺寸误差主要指厚度方向上的误差以及曲率误差，预成型体厚度控制在最终成型体厚度的1.15倍以内，曲率误差在5％以内。

步骤3：如图3所示，将步骤2中得到的预成型体的边缘稍作修整，使预成型体与最终构件的形状一致，合模加压10mpa并进行预热，当温度升至软化温度以上熔融温度以下时，保持温度，在压力作用下模具自动闭合；如图5所示，当温度升至325℃时，保持该温度及压力5min，保证预成型体软化变形贴合模具壁面，使模具闭合。

步骤4：继续升温至390℃，保温同时在30mpa保压30min，随后卸压排气。卸压排气过程中保证模具闭合密实。

步骤5：如图5所示，再对模具加压至10mpa，维持模具该压力并降温，先缓慢降温至软化温度。随后根据成型件力学性能要求，控制软化温度到玻璃化转变温度的降温速度，从而实现满足要求的结晶度；其中，降温过程中，始终保持一定压力，防止构件冷却产生形变。

步骤6：待温度降至70℃以下脱模取出构件，脱模后进行修整得到目标构件。

实施例3

步骤1：选取cf/pa6预浸料作为铺放原材料，预浸料宽度为12mm，厚度为0.13mm铺放某大区率构件，首先使用路径规划软件通过路径规划求得铺放路径，根据需求，可将铺层方向调整为45°交叉铺放或其他形式。

步骤2：根据所得铺放路径，在设计好的模具阴模上进行热塑性纤维的自动铺放，制成预成型体；如图3所示，模具为适合纤维铺放的模具，在进行铺放的阴模中留有自动铺放行程延伸余量a，对应的，在另一半模具中，将该余量消除，确保合模后的腔体形状与目标构件一致。

其中，形状尺寸误差主要指厚度方向上的误差以及曲率误差，预成型体厚度控制在最终成型体厚度的1.01～1.15倍，曲率误差在5％以内。

步骤3：如图3所示，将步骤2中得到的预成型体的边缘稍作修整，使预成型体与最终构件的形状一致，合模加压5mpa并进行预热，当温度升至软化温度以上熔融温度以下时，保持温度，在压力作用下模具自动闭合；如图5所示，当温度升至200℃时，保持该温度及压力3min，保证预成型体软化变形贴合模具壁面，使模具闭合。

步骤4：继续升温至260℃，保温同时在20mpa保压30min，随后卸压排气。卸压排气过程中保证模具闭合密实。

步骤5：如图5所示，再对模具加压至5mpa，维持模具该压力并降温，先缓慢降温至软化温度。随后根据成型件力学性能要求，控制软化温度到玻璃化转变温度的降温速度，从而实现满足要求的结晶度；其中，降温过程中，始终保持一定压力，防止构件冷却产生形变。

步骤6：待温度降至70℃以下脱模取出构件，脱模后进行修整得到目标构件。