在上一篇文章「複合材料到底是什麼?」中,我們介紹了複合材料的基礎知識以及「先進複合材料」的構成要素。本文將重點介紹基本的製造技術。
當用先進複合材料生產零件時,在選擇合適的製造工藝時需要考慮許多因素。最常見的是通過一個稱為手動疊層的過程手工完成所有操作。 首先是取一張由所需纖維組成的薄片,並將其切割成所需的正確尺寸和輪廓,以適合模具形狀。將預定數量的部分(稱為帘布層)分層,直到達到所需的厚度。複合材料製造中使用多種材料,但從現在開始,我們將重點放在單向材料上。
如圖1所示,一片單向纖維的所有纖維都沿同一方向行進。其他類型的纖維片可以是:雙軸,三軸,斜紋等,其中纖維可以沿多個不同方向行進,無論取向如何,都可以產生強度。當使用單向纖維時,最重要的是纖維的方向正確,因為這決定了最終零件的強度。即使纖維稍有偏差,也會對最終成品產生不利影響。一旦板材鋪在模具上,材料必須「潤溼」。潤溼是指將未固化的基體施加到纖維上直到它們完全飽和。在零件充分潤溼後,「裝袋」過程就可以開始了。裝袋套是一個多步驟的過程,最終結果是在塑料薄膜和模具之間形成氣密密封。
樹脂轉移是一種廣泛被許多製造商採用的技術。一般來說,這一過程與手工塗覆直到塗樹脂的步驟相同。樹脂轉移工藝主要有兩種。第一種使用真空袋和真空泵吸引樹脂使其通過纖維,稱為真空輔助樹脂傳遞模塑(VARTM), 詳見圖2。
在VARTM中,纖維在乾燥狀態下被裝入袋中,然後樹脂罐連接在一端,另一端是真空泵。施加真空後,它將開始抽吸整個部分的樹脂,直到所有織物被潤溼為止。保持真空狀態下,小心地拆下並密封樹脂罐,然後在烤箱或高壓釜中開始固化過程。
第二種方法更先進,也更昂貴,只有在大量生產相同零件的情況下才可行。使用這種工藝的主要行業是汽車工業,每年相同零件的數量高達數十萬件。這個過程被稱為樹脂傳遞模塑(RTM)。該過程與VARTM非常相似,但是它不是使用袋子來固定板層,而是使用了兩部分模具,通常稱為翻蓋式模具。 這種翻蓋式模具有一個頂部和底部的模具,通過液壓相互封閉,通過純力產生密封。然後通過泵將兩部分環氧樹脂壓過整個模具和纖維,從而產生正壓。詳見圖3。
RTM過程的速度可以通過泵施加的壓力量來控制。高壓,高速。低壓,低速。這種工藝在控制零件厚度和表面光潔度方面也做得更好,使其更適合汽車製造。當樹脂被推入時,金屬模具被加熱,甚至在纖維完全潤溼之前就開始固化過程。業界已經對該工藝進行了優化,以至於在幾分鐘之內就可以將每個部件溼潤並固化了!
綜上,選用哪種工藝由需求決定。VARTM最適合數量較少的較大零件,而RTM最適合數量較多的較小零件。這也取決於有幾個表面需要A級表面處理(要求無缺陷且光潔度高),如果只有一面需要,VARTM是經濟實惠的選擇,而如果兩面都需要A級,則需要RTM才可滿足要求。
直到最近幾年,樹脂轉移的製造過程都主要是手工完成的。當然,在某些工序中,機器減少了加工時間和人工操作,例如層切割和樹脂轉移,但是層板在模具中的實際應用仍然是手工完成的。