熱壓罐成型和VARI成型工藝

潘利劍航空復(fù)合材料結(jié)構(gòu)制造基本原理第二課熱壓罐成型和VARI成型工藝熱壓罐成型真空輔助成型內(nèi)容提要熱壓罐成型熱壓罐成型工藝過(guò)程熱壓罐成型工藝熱壓罐成型工藝第一步：預(yù)浸料制備（纖維浸潤(rùn)樹(shù)脂）手工下料自動(dòng)下料：拖刀、高頻振蕩刀、超聲刀第二步：預(yù)浸料裁剪（根據(jù)結(jié)構(gòu)幾何尺寸）熱壓罐成型工藝第三步：預(yù)浸料鋪放手工鋪放：適合小型復(fù)雜結(jié)構(gòu)，工程中需激光投影定位，過(guò)程中需要預(yù)壓實(shí)自動(dòng)鋪放：自動(dòng)鋪帶、自動(dòng)鋪絲適合大型相對(duì)簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)熱壓罐成型工藝第三步：預(yù)浸料鋪放熱壓罐成型工藝自動(dòng)鋪帶技術(shù)ATL

優(yōu)點(diǎn)適合大型結(jié)構(gòu)件鋪層大幅度節(jié)省時(shí)間、勞力，速度較手工提高10倍節(jié)省原材料，廢品率僅3-5%(手工25-30%)

纖維鋪貼角度更準(zhǔn)，重復(fù)性好

應(yīng)用實(shí)例A380中央翼盒、尾翼、襟翼，B787機(jī)翼蒙皮ATL:AutomatedTapeLaying第三步：預(yù)浸料鋪放熱壓罐成型工藝自動(dòng)鋪絲技術(shù)AFP

優(yōu)點(diǎn)(與ATL相比）適合于大曲面的制件

應(yīng)用實(shí)例B787機(jī)身，A380后機(jī)身非承壓部分AFP:AutomatedFiberPlacement自動(dòng)鋪絲視頻第三步：預(yù)浸料鋪放熱壓罐成型工藝真空空袋袋透氣氣氈氈有孔孔隔隔離離膜膜1吸膠膠氈氈有孔孔隔隔離離膜膜2脫模模布布預(yù)浸浸料料脫模模布布脫模模劑劑模具具抽真真空空密封封膠膠帶帶第四四步步：：封封裝裝熱壓壓罐罐成成型型工工藝藝?真空空袋袋：：提提供供真真空空環(huán)環(huán)境境?透氣氣氈氈：：保保持持真真空空袋袋內(nèi)內(nèi)均均一一的的真真空空壓壓力力（（分分壓壓））?有孔孔隔隔離離膜膜1：防防止止樹(shù)樹(shù)脂脂流流動(dòng)動(dòng)至至透透氣氣氈氈，，但但是是需需要要小小分分子子氣氣體體能能夠夠通通過(guò)過(guò)至至透透氣氣氈氈?吸膠膠氈氈：：吸吸收收被被擠擠出出而而過(guò)過(guò)剩剩的的樹(shù)樹(shù)脂脂?有孔孔隔隔離離膜膜2：讓讓樹(shù)樹(shù)脂脂和和小小分分子子氣氣體體能能夠夠通通過(guò)過(guò)?脫模模布布：：讓讓復(fù)復(fù)合合材材料料制制品品表表面面具具有有布布紋紋便便于于后后續(xù)續(xù)粘粘接接或或噴噴漆漆工工序序，，同同時(shí)時(shí)脫脫模模布布應(yīng)應(yīng)能能夠夠從從制制件件表表面面剝剝離離?脫模模劑劑：：防防止止樹(shù)樹(shù)脂脂粘粘住住模模具具表表面面熱壓壓罐罐成成型型工工藝藝放輔料、打真空袋熱壓壓罐罐成成型型工工藝藝熱壓壓罐罐固固化化工工藝藝的的設(shè)設(shè)定定，，主主要要包包括括溫溫度度，，壓壓力力，，時(shí)時(shí)間間，，真真空空度度，，升升溫溫速速率率等等參參數(shù)數(shù)設(shè)設(shè)定定，，不不同同樹(shù)樹(shù)脂脂體體系系，，固固化化工工藝藝不不同同真空空壓壓力力外加加壓壓力力溫度度時(shí)間第五步：熱熱壓罐內(nèi)固固化成型樹(shù)脂粘度變變化熱壓罐成型型工藝用于制造B787機(jī)身筒體的的熱壓罐(23.2×9.1米)熱壓罐成型型工藝熱壓罐固化用成型模具選材原則足夠的剛度度、強(qiáng)度以以保證不變變形良好的熱傳傳導(dǎo)性和熱熱穩(wěn)定性與構(gòu)件相匹匹配的熱膨膨脹系數(shù)易于成型和和加工，低低成本材料特點(diǎn)鋁導(dǎo)熱性和加工工藝性好，但熱膨脹系數(shù)大，并且硬度低，易受損傷鋼剛性大，使用溫度高，但升溫速率慢。高溫成型大型制件時(shí)需考慮熱膨脹碳纖維復(fù)合材料熱膨脹系數(shù)與所成型的復(fù)合材料構(gòu)件一致，剛度大，但材料成本高，耐溫低，有吸濕問(wèn)題Invar鋼熱膨脹系數(shù)低，使用溫度高，但價(jià)格昂貴，升溫速率低熱壓罐固化典型缺陷分層由于層間應(yīng)應(yīng)力或制造造缺陷引起起的層與層層之間的分分離，即層層間的脫膠膠或開(kāi)裂。?？刂品绞皆O(shè)計(jì)和工藝藝上減小殘殘余應(yīng)力提高樹(shù)脂韌韌性分層的顯微微照片熱壓罐固化典型缺陷變形復(fù)合材料制制品與設(shè)計(jì)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)不符符，外形曲曲率等參量量發(fā)生變化化的一種缺缺陷形式控制方式鋪層設(shè)計(jì)(角度、比例例、順序)工藝優(yōu)化(固化溫度、、降溫速度度)模具種類(lèi)(材料類(lèi)型、、結(jié)構(gòu)形式式)強(qiáng)迫矯正(加強(qiáng)筋、施施加應(yīng)力)熱壓罐固化典型缺陷孔隙復(fù)合材料成成型過(guò)程中中形成的微微觀小孔氣孔孔隙長(zhǎng)大到到一定程度度，成宏觀觀狀態(tài)出現(xiàn)現(xiàn)的一種缺缺陷形式孔隙氣孔熱壓罐固化典型缺陷脫粘兩層復(fù)合材材料膠接界界面之間發(fā)發(fā)生大面積積的脫開(kāi)現(xiàn)現(xiàn)象富脂與貧膠膠復(fù)合材料制制件中部分分區(qū)域樹(shù)脂脂含量過(guò)高高，稱(chēng)為富富脂；部分分區(qū)域樹(shù)脂脂含量過(guò)低低，稱(chēng)為貧貧膠。夾雜制造過(guò)程中中無(wú)意間帶帶進(jìn)制件中中的雜質(zhì)，，如顆粒、、碎片、膜膜片等整體化成型技術(shù)共固化(Co-curing)兩個(gè)或兩個(gè)個(gè)以上的零零件經(jīng)一次次固化成型型而制成一一個(gè)整體制制件的工藝藝方法二次膠接(SecondaryBonding)兩個(gè)或多個(gè)個(gè)預(yù)固化的的復(fù)合材料料零件通過(guò)過(guò)膠接而連連在一起，，其間僅有有的化學(xué)或或熱的反應(yīng)應(yīng)是膠膜的的固化（Boeing定義)共膠接(Co-bonding)把一個(gè)或多多個(gè)已經(jīng)固固化成型而而另一個(gè)或或多個(gè)尚未未固化的零零件通過(guò)膠膠粘劑(一般為膠膜膜）在一次次固化中固固化并膠接接成一個(gè)整整體制件的的工藝方法，是共共固化與二二次膠接的的組合。整體化成型技術(shù)優(yōu)點(diǎn)減少零件數(shù)數(shù)目和連接接件數(shù)目易于實(shí)現(xiàn)翼翼身融合體體布局增加機(jī)體表表面光滑完完整程度避免鉆孔，，減少構(gòu)件件加工損傷傷A340垂直安定面面：零件數(shù)2000件100件A310、A330垂直安定面面：零件數(shù)2000件20件平尾工藝方方案-整體共固化化整體化成型實(shí)例平尾外伸盒盒端工藝方方案整體化成型實(shí)例整體化成型技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)成型：大件件報(bào)廢，風(fēng)風(fēng)險(xiǎn)增大模具：大而而復(fù)雜，工工裝成本上上升檢測(cè)：大型型件的無(wú)損損檢測(cè)材料：膠粘粘劑，特殊殊材料需要在成型與與裝配成本之之間進(jìn)行平衡衡真空樹(shù)脂注入入成型特點(diǎn)：：?衍生自RTM工藝?基本特點(diǎn)與RTM相同?樹(shù)脂流動(dòng)由真真空壓力驅(qū)動(dòng)動(dòng)(與RTM不同)?僅需半面模具具，另一面為為真空袋?制品一面光滑滑?低成本工裝設(shè)設(shè)備?模具通常需要要加熱以固化化樹(shù)脂?生產(chǎn)周期較長(zhǎng)長(zhǎng)?機(jī)械化，自動(dòng)動(dòng)化程度低?制品力學(xué)性能能較高，缺陷陷少?適合制造大型型，超大型部部件真空輔助工藝藝液體成型工藝藝大型，超大型型殼類(lèi)部件液體成型工藝藝真空輔助工藝藝脫模修整封裝材料鋪放導(dǎo)入樹(shù)脂噴涂膠衣配樹(shù)脂模具清理，脫模劑的涂抹抹纖維織物，脫脫模布，導(dǎo)流網(wǎng)，導(dǎo)流流管和真空管管密封膠帶，真真空袋連接樹(shù)脂收集集器和真空泵保壓，檢查氣氣密性脫泡按固化工藝固固化1.2VARI成型工藝流程程準(zhǔn)備模具抽真空2.1VARI工藝對(duì)樹(shù)脂要要求1黏度低，粘度度范圍：0.1-0.3Pa.s;2足夠長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)內(nèi)黏度不變，，有利于浸透透、排氣

3

可在較低溫度下完全固化;

4

固化時(shí)無(wú)需額外壓力，只需真空壓力;

5

具有良好的力學(xué)性能，滿(mǎn)足結(jié)構(gòu)使用要求;

6

具有較高的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度，滿(mǎn)足耐熱要求。2.2VARI工藝樹(shù)脂種類(lèi)類(lèi)聚酯樹(shù)脂、乙乙烯基樹(shù)脂、、環(huán)氧樹(shù)脂、、雙馬樹(shù)脂、、氰酸酯樹(shù)脂脂等。成本較低，強(qiáng)強(qiáng)度和耐熱性性較差，主要要應(yīng)用于船舶舶領(lǐng)域。性能相對(duì)較高高，主要應(yīng)用用于航空航天天領(lǐng)域，風(fēng)機(jī)機(jī)葉片也大多多采用環(huán)氧樹(shù)樹(shù)脂。2.3VARI樹(shù)脂低粘度平平臺(tái)（工藝窗窗口）預(yù)報(bào)樹(shù)脂粘度-溫度曲線(xiàn)樹(shù)脂粘度-時(shí)間曲線(xiàn)對(duì)同一種樹(shù)脂脂，通常二者者不可兼得VARI樹(shù)脂兩個(gè)重要要工藝參數(shù)：：注膠溫度，，操作時(shí)間根據(jù)具體結(jié)構(gòu)構(gòu)，選擇合適適的注膠溫度度，同時(shí)滿(mǎn)足足粘度和工藝藝操作時(shí)間要要求VARI樹(shù)脂要求：粘粘度低，操作作時(shí)間長(zhǎng)最佳交聯(lián)固化化溫度范圍起始固化溫度度峰值溫度升溫速率0℃/min起始固化溫度度（凝膠溫度））升溫速率0℃/min峰值溫度（固化溫度））2.4樹(shù)脂固化特性性不同升溫速率率下樹(shù)脂體系系的DSC分析外推法求升溫溫速率為0℃/min固化起始溫度度和峰值溫度度樹(shù)脂固化溫度度2.4樹(shù)脂固化特性性等溫DSC掃描固化時(shí)間2.5NCF織物NCF（non-crimpfabrics）織物是利用用先進(jìn)的經(jīng)編編技術(shù)將連續(xù)續(xù)的長(zhǎng)纖維經(jīng)經(jīng)多層平直鋪鋪放并進(jìn)行Z向縫合而形成成的無(wú)卷曲的的定向結(jié)構(gòu)織織物。NCF織物普通機(jī)織物2.5NCF織物（1）更好的拉伸伸性能；（3）更高的損傷傷容限；與普通織物結(jié)結(jié)構(gòu)上的差別別：NCF織物的紗線(xiàn)是是伸直而相互互平行的，而而普通織物的的線(xiàn)是卷曲的的。NCF織物為多層結(jié)結(jié)構(gòu)，目前最最多可達(dá)八層層，而普通織織物一般只有有兩層。NCF織物各層之間間用縫線(xiàn)線(xiàn)縫縫合，紗線(xiàn)不不容易移動(dòng)，，而普通織物物的紗線(xiàn)容易易滑動(dòng)。與普通織物性性能上的差別別（2）更高的抗疲疲勞性能；（4）更好的浸潤(rùn)潤(rùn)性，更高的的工作效率。。3.1VARI成型的主要問(wèn)問(wèn)題出現(xiàn)干斑、干干區(qū)；（局部滲透率率變化、流道道效應(yīng)等）夾雜氣泡；（漏氣、樹(shù)脂脂脫泡不干凈凈，小分子揮揮發(fā)等）厚度或纖維體體積含量不均均勻；（壓力梯度等等）1432纖維體積含量量低。（固化壓力低低，不超過(guò)一一個(gè)大氣壓力力等）1采用粘度低、、力學(xué)性能好好的樹(shù)脂;2樹(shù)脂粘度應(yīng)在在0.1~0.3Pa·s范圍內(nèi)，便于于流動(dòng)和滲透透;3足夠長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)內(nèi)樹(shù)脂粘度不不超出0.3Pa·s;4樹(shù)脂對(duì)纖維浸浸潤(rùn)角小于8°;5足夠的真空度度，真空度不不低于-97KPa;6選擇合適的導(dǎo)導(dǎo)流介質(zhì)，利利于樹(shù)脂流動(dòng)動(dòng)和滲透;7保證良好的密密封，防止空空氣進(jìn)入體系系而產(chǎn)生氣泡泡;8合理的流道設(shè)設(shè)計(jì)，避免缺缺陷的產(chǎn)生。。3.2VARI成型的技術(shù)要要求4.1VARI成型厚度影響響因素123織物所受的凈凈壓力織物的壓縮特特性織物與樹(shù)脂的的相互作用VARI成型厚度4.2VARI成型壓力分析析為總壓力（大氣壓力，，且保持不變變）樹(shù)脂壓力預(yù)成型體所受受的凈壓力樹(shù)脂吸注前樹(shù)脂吸注過(guò)程程中樹(shù)脂吸注完織物處于干態(tài)態(tài)，凈壓力為為大力樹(shù)脂浸入后，，樹(shù)脂承擔(dān)一一部分壓力，，織物凈壓力力減小樹(shù)脂管關(guān)閉，，樹(shù)脂壓力減減小，織物凈凈壓力增大4.2VARI成型壓力分析析4.3VARI成型厚度監(jiān)測(cè)測(cè)VARI成型厚度監(jiān)測(cè)測(cè)裝置渦流傳感器控制與數(shù)據(jù)采采集系統(tǒng)厚度監(jiān)測(cè)結(jié)果果第一階段：樹(shù)脂吸注，織織物厚度迅速速增大第二階段持續(xù)注膠，厚度基本不變化第三階段：注膠結(jié)束，關(guān)關(guān)閉樹(shù)脂管，，厚度迅速減小小4.3VARI成型厚度監(jiān)測(cè)測(cè)流道設(shè)計(jì)最VARI工藝的主要部部分之一，包包括樹(shù)脂流道道和真空管路路設(shè)計(jì)。合理的流道設(shè)設(shè)計(jì)避免樹(shù)脂發(fā)生生干涉以及制制件干斑的形形成縮短樹(shù)脂滲透透時(shí)間5.1VARI成型的流道設(shè)設(shè)計(jì)干斑斑（樹(shù)脂脂浸浸漬漬不不充充分分的的區(qū)區(qū)域域）干區(qū)區(qū)（樹(shù)樹(shù)脂脂完完全全未未浸浸漬漬的的區(qū)區(qū)域域））流道道設(shè)設(shè)計(jì)計(jì)不不合合理理，，容容易易形形成成干干班班和和干干區(qū)區(qū)等等嚴(yán)嚴(yán)重重缺缺陷陷?。?.1VARI成型型的的流流道道設(shè)設(shè)計(jì)計(jì)為保保持持樹(shù)樹(shù)脂脂凝凝膠膠前前模模腔腔內(nèi)內(nèi)的的持持續(xù)續(xù)真真空空度度，，需需要要連連續(xù)續(xù)不不斷斷抽抽真真空空排排出出模模腔腔內(nèi)內(nèi)的的氣氣體體，，由由于于樹(shù)樹(shù)脂脂粘粘度度相相對(duì)對(duì)較較低低，，如如果果真真空空通通道道設(shè)設(shè)置置不不合合理理，，抽抽氣氣的的同同時(shí)時(shí)容容易易將將大大量量的的樹(shù)樹(shù)脂脂，，從從而而導(dǎo)導(dǎo)致致制制品品大大面面缺缺膠膠。。過(guò)抽抽真空空通通道道設(shè)設(shè)置置不不合合理理，，容容易易導(dǎo)導(dǎo)致致過(guò)過(guò)抽抽??！5.1VARI成型型的的流流道道設(shè)設(shè)計(jì)計(jì)5.2VARI成型型樹(shù)樹(shù)脂脂流流道道設(shè)設(shè)計(jì)計(jì)方方式式高滲滲透透介介質(zhì)質(zhì)型型溝槽槽型型在模模具具表表面面上上加加工工導(dǎo)導(dǎo)流流槽槽;將高高滲滲透透介介質(zhì)質(zhì)（（導(dǎo)導(dǎo)流流網(wǎng)網(wǎng)））鋪鋪放放在在增增強(qiáng)強(qiáng)體體表表面面，，樹(shù)樹(shù)脂脂從從增增強(qiáng)強(qiáng)體體表表面面向向內(nèi)內(nèi)部部滲滲透透。。在泡泡沫沫芯芯材材上上開(kāi)開(kāi)孔孔或或制制槽槽來(lái)來(lái)作作為為樹(shù)樹(shù)脂脂流流動(dòng)動(dòng)的的通通道道;橫向向與與縱縱向向的的混混合合流流動(dòng)動(dòng)，，形成成拋拋物物線(xiàn)線(xiàn)狀狀樹(shù)樹(shù)脂脂流流動(dòng)動(dòng)前前鋒鋒兩種種形形式式混混合合在模模具具上上加加工工一一個(gè)個(gè)或或幾幾個(gè)個(gè)主主要要的的溝溝槽槽作作為為進(jìn)進(jìn)膠膠的的通通道道，，用用導(dǎo)導(dǎo)流流介介質(zhì)質(zhì)將將樹(shù)樹(shù)脂脂快快速速分分散散。。開(kāi)孔孔開(kāi)開(kāi)槽槽夾夾芯芯材材料料中中樹(shù)樹(shù)脂脂流流動(dòng)動(dòng)5VARI成型型的的流流道道設(shè)設(shè)計(jì)計(jì)與與模模擬擬5.3VARI成型型樹(shù)樹(shù)脂脂流流道道設(shè)設(shè)計(jì)計(jì)原原則則1盡可可能能縮縮短短樹(shù)樹(shù)脂脂流流動(dòng)動(dòng)距距離離，，縮縮短短樹(shù)樹(shù)脂脂流流動(dòng)動(dòng)時(shí)時(shí)間間，，且且各各流流道道之之間間樹(shù)樹(shù)脂脂流流動(dòng)動(dòng)距距離離盡盡量量保保持持一一致致；；2保證證樹(shù)樹(shù)脂脂流流動(dòng)動(dòng)在在樹(shù)樹(shù)脂脂的的工工藝藝操操作作時(shí)時(shí)間間內(nèi)內(nèi)完完成成。。3流道道之之間間不不能能發(fā)發(fā)生生干干涉涉。。但但對(duì)對(duì)于于復(fù)復(fù)雜雜結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)，，如如沒(méi)沒(méi)有有更更為為合合適適的的流流道道設(shè)設(shè)計(jì)計(jì)方方法法，，可可以以在在干干涉涉區(qū)區(qū)域域增增加加快快速速通通道道，，保保證證在在干干涉涉區(qū)區(qū)域域的的樹(shù)樹(shù)脂脂通通暢暢。由于于在在實(shí)實(shí)際際構(gòu)構(gòu)件件的的流流道道設(shè)設(shè)計(jì)計(jì)過(guò)過(guò)程程中中，，往往往往需需要要采采用用多多種種樹(shù)樹(shù)脂脂流流道道組組合合，，只只靠靠工工藝藝實(shí)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)很很難難準(zhǔn)準(zhǔn)確確掌掌握握樹(shù)樹(shù)脂脂在在預(yù)預(yù)成成型型體體中中的的流流動(dòng)動(dòng)狀狀態(tài)態(tài)，，而而且且還還需需要要消消耗耗大大量量的的人人力力和和原原材材料料。。所以以，，通通常常采采用用數(shù)數(shù)值值模模擬擬軟軟件件模模擬擬樹(shù)樹(shù)脂脂流流動(dòng)動(dòng)行行為為，，并并對(duì)對(duì)VARI工藝藝流流道道進(jìn)進(jìn)行行設(shè)設(shè)計(jì)計(jì)。。5.4VARI成型型樹(shù)樹(shù)脂脂流流動(dòng)動(dòng)模模擬擬PAM-RTM是針針對(duì)對(duì)RTM、VARI等液液體體成成型型工工藝藝開(kāi)開(kāi)發(fā)發(fā)的的專(zhuān)專(zhuān)業(yè)業(yè)三三維維過(guò)過(guò)程程模模