软模闭模纤维增强复合材料制品加工装置及加工方法

技术领域

本发明涉及纤维增强复合材料制品加工装置及加工方法的改进，尤其是一种对操作工人技术水平要求较低，且能够生产出高强度、高表面质量产品，初期投资较小的加工装置及加工方法。

背景技术

纤维增强复合材料是将碳纤维、玻璃纤维或玄武岩纤维等高性能连续纤维浸渍于环氧树脂、不饱和聚酯树脂或乙烯基树脂等形成整体复合材料。由于纤维增强复合材料具有如下特点：（1）比强度高，比模量大；（2）材料性能具有可设计性；（3）抗腐蚀性和耐久性能好；（4）热膨胀系数与混凝土的相近。这些特点使得纤维增强复合材料能满足现代结构向大跨、高耸、重载、轻质高强以及在恶劣条件下工作发展的需要，同时也能满足现代建筑施工工业化发展的要求，因此被越来越广泛地应用于各种民用建筑、桥梁、公路、海洋、水工结构以及地下结构等领域中。

现有技术中，纤维增强复合材料制品的成型工艺形式较多，主要有传统手糊工艺、模压工艺、RTM、拉挤工艺、缠绕工艺等。其中传统手糊工艺需要操作工人先铺一层纤维材料再刷一层胶液，然后再铺一层纤维材料再刷一层胶液，如此逐层铺刷，直至达到工艺要求，在逐层铺刷的过程中，需要用刷子挤出气泡，以免产品中有气泡影响整体强度；采用传统手糊工艺由于每层纤维材料是整张连续纤维，则所成型的产品强度高，但是手工操作无法实现自动化生产，生产效率低，对操作工人技术水平要求高，且产品表面质量差。模压工艺是采用模压机成型，自动化程度高，但是初期设备投资大，且纤维材料必须是破碎状，产品强度相对较低，对于低强度范围的产品可以适用，但不适用高强度范围产品以及小批量、多品种的产品生产。RTM工艺属于半自动成型，其原材料成本高，尤其是导流网（通常30-50元/m²）耗材价格昂贵，生产效率相对较低；拉挤工艺通常适用于型材加工，缠绕工艺通常适用于圆筒状产品加工，应用范围相对较窄。

发明内容

本发明提出一种软模闭模纤维增强复合材料制品加工装置及加工方法，兼顾传统手糊工艺强度高和模压工艺自动化程度高的优点，对操作工人技术水平要求较低，产品表面质量高，初期投资较小。

为了达到上述技术目的，本发明所提出的软模闭模纤维增强复合材料制品加工装置的技术方案是：一种软模闭模纤维增强复合材料制品加工装置，包括模具固定架、加压固定架、设置在加压固定架上的多个加压部件、上模具、下模具、震动装置和电控系统；

所述模具固定架包括底座和支撑框架，所述支撑框架包括上横梁，所述加压固定架固设在所述上横梁上；

多个所述加压部件中，包括至少一个垂直于所述上模具的垂直加压部件；

所述上模具位于所述加压部件的下方，其包括薄壁刚性模具壳体和包覆在薄壁刚性模具壳体下表面上的柔性内衬层，所述薄壁刚性模具壳体与所述加压部件相接触且固连于所述垂直加压部件，其在所述加压部件的压力作用下具有弹性变形能力；

所述下模具为刚性模具，其固定在所述底座上；

所述震动装置设置在所述下模具的一侧。

所述薄壁刚性模具壳体材质为玻璃钢，其厚度范围为1-2mm，所述柔性内衬层的材质为耐有机溶剂腐蚀的弹性材料，其厚度范围为3~5mm；所述下模具的材质为玻璃钢，其厚度范围为5-20mm。

所述垂直加压部件对应所述上模具的中心部位，多个所述加压部件中，除所述垂直加压部件外，还包括侧部加压部件，所述侧部加压部件分布在所述垂直加压部件的外侧，对应所述上模具的侧部。

所述侧部加压部件向外倾斜设置。

所述底座独立设置，其下方设置有顶升机构。

所述底座具有行走轮。

本发明还提出了一种基于上述软模闭模纤维增强复合材料制品加工装置的软模闭模纤维增强复合材料制品加工方法，包括如下步骤：

1）垂直加压部件启动，带动上模具向上运动至开模位置，在下模具内铺设与模腔形状相适配的至少一张纤维增强复合材料，然后向下模具内置入胶液，胶液的质量依纤维增强复合材料种类和质量而定；

2）启动震动装置震动下模具，使胶液对纤维增强复合材料进行充分浸润；

3）垂直加压部件带动上模具向下运动进行合模并进行加压，然后由中心向外围间隔时间t开启侧部加压部件对上模具进行加压排出材料内的气体，当达到预定压力时，保压至制品固化成型，停止加压；

4）模具开模、脱模、切割处理。

所述纤维增强复合材料可以为玻璃纤维、碳纤维或玄武岩纤维；在步骤1）中，当所述纤维增强复合材料为玻璃纤维毡时，胶液质量为玻璃纤维毡重量的60%-70%，当所述纤维增强复合材料为玻璃纤维方格布时，胶液质量为玻璃纤维方格布重量的1.5-2倍；当所述纤维增强复合材料为碳纤维布时，胶液质量为碳纤维布质量的2-3倍；当所述纤维增强复合材料为玄武岩纤维布时，胶液质量为玄武岩纤维布质量的1-1.5倍。

所述胶液的组分及重量份为不饱和聚酯树脂100份、促进剂0.5~2份，固化剂0.5~2份。

与现有技术相比，本发明具有以下优点和积极效果：1、本发明软模闭模纤维增强复合材料制品加工装置及加工方法可以和自动化设备配合实现生产过程的半自动化，相比传统手糊工艺，大大提高生产效率；2、上模具采用薄壁刚性模具外壳和柔性内衬层的配合形式，下模具为刚性模具，在成型过程中，刚性的下模具可以在震动装置的作用下使胶液对纤维增强复合材料进行充分浸润，上模具的薄壁刚性模具外壳既可以保证制品定型，又能与柔性内衬层一起在加压部件的加压作用下发生弹性变形可以将加压力传递至成型材料内，以实现自动排出材料内部气体的作用，从而避免了传统手糊工艺使用大量人工排出气泡的工序，且可以实现布置纤维增强复合材料和放置胶液的分步进行，无需如传统手糊工艺需逐层铺刷，大大提高了生产效率并降低了对操作人员技术水平的要求；3、采用本发明加工装置及加工方法，纤维增强材料也为整张材料，则所成型的产品强度高；4、相对于现有RTM工艺则不使用导流网、真空泵等装置，就可以实现产品内部无空腔、密实无缺陷，产品表面光滑平整；不需要开钢模、投资油压机，初期投资规模较小，可以灵活安排生产。

附图说明

图1为本发明软模闭模纤维增强复合材料制品加工装置的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细地说明。

参照图1，本实施例一种软模闭模纤维增强复合材料制品加工装置，包括模具固定架10、加压固定架20、设置在加压固定架20上的多个加压部件30、上模具40、下模具50、震动装置60和电控系统70，图中A为制品；模具固定架10包括底座11和支撑框架12，支撑框架12包括上横梁121，加压固定架20固设在上横梁121上；多个加压部件30中，包括至少一个垂直于上模具40的垂直加压部件31；上模具40位于加压部件30的下方，其包括薄壁刚性模具壳体41和包覆在薄壁刚性模具壳体41下表面上的柔性内衬层42，薄壁刚性模具壳体41与加压部件30相接触且固连于垂直加压部件31，其在加压部件30的加压压力作用下具有一定的弹性形变能力；而下模具50为刚性模具，其固定在底座11上；震动装置60设置在下模具50的一侧，在纤维增强复合材料制品加工成型过程中在下模具50内充填纤维增强复合材料和胶液时震动下模具50，使胶液充分浸润纤维增强复合材料。

其中，对于上模具40来说，其薄壁刚性模具壳体41是在保证其能与刚性的下模具50配合定型制品的基础上，要求其还能够在加压部件30的加压压力作用下有一定的弹性形变能力，进而可以将压力通过柔性内衬层42传递给纤维材料和胶液，柔性内衬层42的弹性形变能力较强，则通过薄壁刚性模具壳体41与柔性内衬层42的配合，可以使胶液在加压部件30的加压压力下充分并均匀地浸润纤维增强复合材料。进一步地，薄壁刚性模具壳体41的材质优选玻璃钢（纤维强化塑料），其厚度范围为1-2mm，玻璃钢质轻而硬，机械强度高，可承受可承受弯曲、压缩和剪切应力，在其厚度较薄时仍能保证较高的机械强度，不会由于其在加压部件30的加压压力下的变形影响其对制品的定型能力；当然，薄壁刚性模具壳体41也可以选用其他薄壁钢材，以能够保证制品定型且能在加压部件30的加压压力下具有一定的弹性变形能力即可。对于柔性内衬层42，其材质为耐有机溶剂腐蚀的弹性材料，比如硅橡胶等，其厚度范围为3~5mm其通过粘接的方式固设在刚性模具壳体41上，或者通过其他固定方式固定，本实施例对此不作具体限制。下模具50的材质为玻璃钢或者其他钢材，其厚度范围为5-20mm，其作用在于配合上模具40对产品进行定型。

进一步地，垂直加压部件31对应上模具40的中心部位，多个加压部件30中，除垂直加压部件31外，还包括侧部加压部件32，侧部加压部件32位于垂直加压部件31的外侧，对应上模具40的侧部。本实施例中，加压部件30为气缸，当然可以为气囊、油缸等，垂直加压部件31既可以为上模具40的开合模提供动力，同时又同侧部加压部件32一样作为上模具40的加压部件，其数量可以为一个或两个以上，以所成型制品形状和尺寸而定。侧部加压部件32的分布按照所成型制品的形状而定，比如若成型的制品为普通的平板状制品，则侧部加压部件32与垂直加压部件31一样垂直于上模具40，若成型的制品为汽车导流罩、面板类具有侧部的制品，则侧部加压部件32会朝向此类制品的侧部。且若制品尺寸较大，侧部加压部件32可以由内向外逐级逐层分布多排多列，如图1所示即为垂直加压部件31两侧各有内外两层侧部加压部件32，以更充分均匀地使胶液浸润纤维增强复合材料。

优选地，由于本实施例纤维增强复合材料制品加工装置所加工的制品通常为导流罩、面板类具有侧部的制品，则侧部加压部件32向外倾斜设置，以更有效地作用在制品的侧部上。

由于制品不同，则上模具40和下模具50之间的成型空间尺寸不同，为便于尽可能适用于各种尺寸的制品成型，本实施例中底座11独立设置，其下方设置有顶升机构80，顶升机构80可以是气缸或油缸等，通过顶升机构80调节底座11的高度，以适用于成型不同的制品。同时，底座11独立设置，其可以单独脱离加工装置本体，便于制品成型完成后取出制品。

进一步地，为便于移动底座11，可以在其下方设置行走轮111。

本实施例还提出了一种软模闭模纤维增强复合材料制品加工方法，包括如下步骤：

1）垂直加压部件31启动，带动上模具40向上运动至开模位置，此时垂直加压部件31所起作用并非加压，而是为上模具40的开模动作提供动力；开模后，在下模具50内铺设与模腔形状相适配的至少一张纤维增强复合材料，然后向下模具50内置入胶液以覆盖纤维增强复合材料，胶液的重量依纤维增强复合材料种类和重量而定；

2）启动震动装置60震动下模具50，使胶液对纤维增强复合材料进行充分浸润，即使胶液充分浸入至纤维增强复合材料中，当纤维增强复合材料为多层时，胶液也能渗透至各层纤维增强复合材料中；

3）垂直加压部件31带动上模具40向下运动进行合模并进行加压，然后由中心向外侧间隔时间t依次开启侧部加压部件32，对上模具40进行分级加压以使胶液充分并均匀地浸润纤维增强复合材料同时排出材料内的气体，当达到预定压力时，保压至制品固化成型，停止加压，通常保压时间约为30~60min；

4）模具开模、脱模、切割处理。

具体地，胶液可以采用手工倾倒的方式置入下模具50模腔内，或者采用胶液专用喷枪喷射或喷洒在纤维增强复合材料上，为了使胶液更好地浸润玻纤增强材料，胶液应尽可能地均匀覆盖纤维增强复合材料。震动装置60启动的时间为5-10min，以使胶液充分浸润纤维增强材料；侧部加压部件32与垂直加压部件的加压时间间隔t以1-3min为宜，以充分排出材料内的气泡，且若制品尺寸较大、侧部加压部件32由内向外逐级逐层分布多排多列时，由内向外各级侧部加压部件32的开启也应间隔时间t进行开启，即先开启内层侧部加压部件32，然后每间隔时间t再逐级开启外层侧部加压部件32，以使气体气泡由材料中心逐渐向外侧挤出。

进一步地，纤维增强复合材料的种类有多种，常用的通常有玻璃纤维、碳纤维或玄武岩纤维，而对于玻璃纤维，其通常又分为玻璃纤维毡和玻璃纤维布，碳纤维通常为碳纤维布，玄武岩纤维通常为玄武岩纤维布。在步骤1）中，当纤维增强复合材料为玻璃纤维毡时，胶液质量为玻璃纤维毡重量的60%-70%，当纤维增强复合材料为玻璃纤维方格布时，胶液质量为玻璃纤维方格布重量的1.5-2倍；当纤维增强复合材料为碳纤维布时，胶液质量为碳纤维布质量的2-3倍；当纤维增强复合材料为玄武岩纤维布时，胶液质量为玄武岩纤维布质量的1-1.5倍。

进一步地，胶液的组分及重量份为不饱和聚酯树脂100份、促进剂0.5~2份，固化剂0.5~2份，可实现初期30min内不凝胶，30min后迅速凝胶，此30min由于震动装置60震动下模具50、加压部件30进行加压都需要时间，则采用此组分及重量份的胶液，可保证30min内不凝胶，为震动和加压均预留了时间，当加压结束后迅速凝胶，则又有利于提高生产效率。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。