复合材料热压罐成型模具设计研究
复合材料热压罐成形模具型面补偿设计方法研究

复合材料热压罐成形模具型面补偿设计方法研究作者:赵敏黄红端来源:《中国科技纵横》2018年第24期摘要:复合材料在固化成形时经常会出现变形问题,对复合材料构件的精度、尺寸、外形产生了很大影响。
基于此,本文认为应通过补偿模具型面,让材料变形量得到抵消。
从热压罐成型工艺概况出发,对热压罐成型的模具型面补偿设计进行分析与探究,希望为相关人员提供一些帮助与建议。
关键词:复合材料;模具型面;补偿设计中图分类号:TH162 文献标识码:A 文章编号:1671-2064(2018)24-0050-020 引言进行热压罐成型的模具型面补偿设计的思路是使构件成形之后的形状尺寸符合设计要求,高温状态构件的理想形状应为构件由低温升至固化温度发生膨胀而产生的形状。
固化周期模具热变形属于弹性变形,也就是材料经过固化脱模会恢复到原有的模具型面形状,设计模具型面的基础是对固化点温度下模具型面几何形状的精准预测。
通过对补偿以后的数值进行模拟,发现使用模具型面的热补偿方法进行模具型面的设计可以使复合材料在制件成形时受到的复合材料、模具两者的力学、热学性能不一致与固化过程中的固件变形问题得到补偿。
1 热压罐成型工艺概况通过热压罐成型工艺,能够对复合材料的真空度、压力、温度等多个工艺参数进行在线实时控制并做到时序化,因此该工艺在新能源、交通、兵器、电子、航天航空等复合材料构件领域得到了广泛应用。
但热压罐成型工艺在使用过程中经常遇到一些问题。
金属成型模具与复合材料构件相比线膨胀系数会比较大,而且树脂基體固化前,构件由于热压罐的压力作用和模具贴的很紧,和模具较近的纤维需要承受拉应力,这时复合材料构件的剪切模量比较低,构件的厚度方向应力没有较好的传递能力使其厚度方向会有应力梯度出现。
伴随固化工艺不断进行,树脂完完全全的固化,构件中残留了顺着厚度方向没有均匀分布的应力,构件完成固化以后释放残余应力从而导致变形。
与此同时,模具结构形式与导热性能会对复合材料构件中分布的固化温度场造成影响,从而对构建中最终残余应力的分布与大小造成影响。
复合材料制造工艺中的成型原理与模具设计

复合材料制造工艺中的成型原理与模具设计复合材料是由两种或多种不同材料组合而成的材料,具有轻质、高强度、耐腐蚀等优点,在各个领域得到广泛应用。
复合材料制造过程中的成型原理和模具设计起着至关重要的作用。
本文将探讨复合材料制造工艺中的成型原理以及与之相关的模具设计。
一、复合材料成型原理复合材料在成型过程中,可以选择多种方法,如手工制作、模压、拉伸成型、注塑等。
不同的成型原理适用于不同类型的复合材料。
下面将介绍几种常见的成型原理:1. 手工制作手工制作是一种常见的成型方法,适用于简单形状的复合材料制作。
成型过程中,可以使用刷涂法、浸渍法或者层叠法进行。
手工制作的优点是工艺简单,无需复杂的模具,适用于小批量生产或者样品制作。
2. 模压模压是一种常用的复合材料成型方法,适用于制作平面或者简单曲面的构件。
在模压过程中,需要将预浸料或者干布层叠压入模具中,然后通过压力和热固化使其成型。
模压可以分为开模压和闭模压两种形式,根据需要选择合适的模具。
3. 拉伸成型拉伸成型是制作复合材料板材或者管道的常用方法。
在拉伸成型过程中,需要将预浸料或者预浸布放置在拉伸机上,通过牵引力将其拉伸至所需尺寸,并通过加热或者热固化使其固化。
拉伸成型的优点是能够制作出较大的尺寸构件,并且具有较好的力学性能。
4. 注塑注塑是一种常见的成型方法,主要适用于复材的小型构件。
在注塑过程中,需要将预浸料加热至熔融状态,然后通过注射机将熔融料注入模具中,经过冷却固化成型。
注塑具有高效率、高精度的特点,可以制作出复杂形状的构件。
二、复合材料模具设计模具设计是复合材料制造中的重要环节,合理设计的模具能够提高生产效率和成品质量。
以下是一些常见的模具设计原则:1. 合理选择材料模具的选择应根据复合材料的成型温度、压力和化学性质等因素综合考虑。
模具材料应具有良好的耐热性、耐腐蚀性和机械强度,在长期高温、高压和化学介质的作用下不发生变形和破裂。
2. 确定模具结构模具结构的设计要考虑到复合材料的成型工艺和构件的尺寸要求。
热压罐成型复合材料固化变形机理及控制研究

热压罐成型复合材料固化变形机理及控制研究程文礼,邱启艳,陈 静(中航工业北京航空制造工程研究所,北京100024)摘要 复合材料零件固化变形是多种因素综合作用的结果,如何优化结构及制造工艺以降低固化变形是许多科研工作者长期研究的课题。
根据过程诱导应力和变形产生机理可将影响固化变形的因素分为热应力、固化收缩应力、温度梯度与树脂固化度、压力分布和树脂流动、模具与零件的相互作用等。
分别介绍了这几种因素导致固化变形的机理,同时阐述了目前固化变形控制的研究进展。
关键词 复合材料 热压罐成型 固化变形 机理 回弹 模具Study on the Cure-induced Deformation Mechanism and Control ofComposite Structures in Autoclave ProcessCHENG Wenli,QIU Qiyan,CHEN Jing(AVIC Beijing Aeronautical Manufacturing Technology Research Institute,Beijing 100024)Abstract Cure-induced deformation is caused by integrated effect of multiple factors for composite component,and how to optimize the structure and processing to reduce the deformation is the subject for many scientists to studyfor years.Based on the process-induced stress and deformation of the factors generating mechanism,the curing de-formation can be divided into thermal stress,curing shrinkage stress,temperature gradient and degree of cure,pre-ssure distribution and resin flow,tool-part interaction.The cure-induced deformation mechanism of these types of fac-tors is introduced and research progress of deformation control is described.Key words composites,autoclave process,cure-induced deformation,mechanism,spring-in,mold 程文礼:男,1982年生,硕士,工程师,从事树脂基复合材料研发和制造工作 E-mail:huangshan_bipt@163.com 复合材料结构在经历高温固化成型及冷却过程后,由于材料的热胀冷缩效应、基体树脂的化学收缩效应以及复合材料与成型所用模具材料在热膨胀系数上的显著差异,导致结构在固化过程中存在残余应力,脱模后在室温下的自由形状与预期的理想形状之间会产生一定程度的不一致,通常将这种不一致状态称为构件的固化变形[1]。
7复合材料热压罐成型技术解析

复合材料热压罐成型技术
主讲:梅启林 单位:材料学院
School of Materials Science and Engineering
一、前言
? 热压罐:
航空复合材料制品的主要生产设备,具有整体加热系统的大型压力容器。
? 优点:
(1)大范围内适应各种材料对加工条件的要求 高温环氧175oC,600KPa 聚酰亚胺300~400oC, 1MPa
? 主要工艺过程 (1)均匀稳定树脂膜的制备----关键 (2)树脂熔融浸渍纤维 (3)预浸料冷却 (4)预浸料收卷
School of Materials Science and Engineering
预浸料的性能
? 外观 ? 物理性能
(1)单位面积纤维的质量( GB7192-8)7 (2)树脂含量( GB7192-8)7 (3)挥发分含量( GB6056-8)5 ( 4)粘性(表征预浸料铺覆性和层间粘合性的指标) ( 5)流动度(一定条件下,预浸料树脂可流出的数量占预浸料质量的百分比,
设计力学、理化性能
School of Materials Science and Engineering
预浸料的制备
? 溶液浸渍法(辊筒缠绕法、连续排铺法)
( 1)辊筒缠绕法
特点:
间歇性、设备简单、生产效率低、批量小
实验室或小批量生产
工作原理:
一系列变速机构 ---- 调节辊筒转动、导丝辊丝杠横向移动速度比 ---- 纤维间距
工艺参数:
纤维状态(单丝根数、总纤度、捻度等 ---- 影响浸渍程度和含胶量)
胶液浓度(影响含胶量最严重的因素 ---- 调节胶液密度、温度来控制)
牵引速度
复合材料热压罐设备制备树脂基复合材料的性能研究

复合材料热压罐设备制备树脂基复合材料的性能研究复合材料是一种由两种或多种不同物质组成的材料,具有优异的机械性能、化学性能和热性能等特点,在诸多领域具有广泛的应用前景。
其中,树脂基复合材料作为一种常见的复合材料,具有较好的成型性能、强度、刚度和耐腐蚀性能,被广泛应用于航空航天、汽车、建筑和电子等领域。
本文将对复合材料热压罐设备制备树脂基复合材料的性能进行研究,包括强度、硬度、断裂韧性、耐热性等方面的试验分析,并进一步探讨树脂基复合材料在实际应用中的潜力和优势。
首先,研究表明,复合材料热压罐设备制备的树脂基复合材料在强度方面具有较好的性能。
通过改变热压罐设备中的温度、压力和压制时间等工艺参数,可以调控复合材料内部的纤维分布和树脂固化程度,从而改变其强度水平。
试验结果显示,适当的工艺参数可以使树脂基复合材料的强度达到或超过传统材料,满足实际应用的要求。
其次,复合材料热压罐设备制备的树脂基复合材料在硬度方面也具有显著的优势。
硬度是衡量材料抗压性能的重要指标,可以反映材料的刚性和耐磨性。
通过调控热压罐设备的工艺参数,可以使树脂基复合材料的硬度得到精确控制。
试验结果表明,增加压力和提高温度等参数可以显著提高硬度值,进一步提升材料的耐用性和使用寿命。
此外,复合材料热压罐设备制备的树脂基复合材料在断裂韧性方面也具有良好的表现。
断裂韧性是材料在受力过程中吸收能量的能力,直接决定了材料对抗外界冲击和振动的能力。
实验结果显示,树脂基复合材料具有较高的断裂韧性,表明该材料能够在受到外界冲击时保持较好的稳定性,从而减少事故和损坏的发生率。
最后,针对复合材料热压罐设备制备的树脂基复合材料耐热性能进行了研究。
耐热性是复合材料在高温环境下能否保持稳定性和性能的重要指标。
试验结果显示,树脂基复合材料在高温下具有较好的稳定性和耐热性,能够承受高温环境下的长时间使用。
这种优异的耐热性使得树脂基复合材料成为一种理想的材料选择,在高温环境下应用广泛。
复合材料热压罐设备制备铝基复合材料的工艺研究

复合材料热压罐设备制备铝基复合材料的工艺研究铝基复合材料是一种具有优异性能和广泛应用前景的材料。
为了实现铝基复合材料的大规模生产,热压罐设备的制备工艺研究显得尤为重要。
本文将探讨利用复合材料热压罐设备制备铝基复合材料的工艺研究。
铝基复合材料在航空航天、汽车制造、电子设备等领域具有广泛应用。
其性能优异,包括高强度、高刚度、低密度和优良的耐热性能。
然而,由于铝和常用的增强材料之间存在较大的悬殊,传统的加工方法难以实现材料的有效复合,因此需要研究新的制备工艺。
复合材料热压罐设备是一种常见的制备铝基复合材料的工艺。
该设备主要由热压机、热压模具和控制系统组成。
在制备过程中,首先将铝基材料切割成所需形状,并将增强材料分布在铝基材料表面。
然后,将该组合放入热压模具中,并根据所需的温度和压力条件进行热压。
热压过程中的温度和压力条件是制备铝基复合材料的关键因素。
在热压过程中,温度和压力的选择应根据铝和增强材料的特性进行。
通过控制热压罐设备中的温度和压力,可以实现铝基材料和增强材料的有效结合,形成强度高、刚度好的复合材料。
此外,为进一步提高铝基复合材料的性能,可以采用预先处理和增强材料的表面改性等方法。
预先处理可以在复合材料热压罐设备制备之前对铝基材料和增强材料进行表面清洁和粗化处理,以增加它们之间的物理和化学吸附力。
表面改性则可以通过在增强材料表面涂覆一层特殊涂层,提高其与铝基材料之间的相容性和界面结合力。
除了温度、压力和表面处理等工艺参数的选择外,还需要对热压时间进行控制。
适当的热压时间可以保证材料内部的温度和压力均衡,并使铝基材料和增强材料间的界面结合更牢固。
通过调整热压时间,可以获得不同性能要求的铝基复合材料。
当然,复合材料热压罐设备的制备工艺也还存在一些挑战和问题。
例如,因为铝和增强材料之间的熔点和热膨胀系数差异较大,热压过程中易出现热应力集中和裂纹形成。
此外,在复合材料内部容易产生气泡和夹杂物,这对材料的性能和密度也会产生负面影响。
复合材料模压成型设备中的模具设计与制造研究

复合材料模压成型设备中的模具设计与制造研究随着科技的不断发展和应用的广泛推广,复合材料在多个领域中逐渐取代了传统材料。
复合材料由两种或多种不同材料组成,具有优良的性能,例如高强度、低密度、耐腐蚀等。
在实际应用中,模具是复合材料模压成型过程中不可或缺的一部分。
模具的设计与制造直接影响到成品的质量和生产效率。
因此,研究复合材料模压成型设备中的模具设计与制造是十分必要的。
首先,模具的设计是模压成型的关键。
模具设计应遵循以下原则:符合产品几何形状,易于排料和冷却,具有足够的强度和刚性。
在考虑复合材料模具设计时,需要考虑材料的特性,例如其热膨胀系数、热导率以及可能的压力。
此外,模具还应具备良好的耐磨损性和耐化学腐蚀性。
模具的内腔表面还应光滑,以减少复合材料在成型过程中的摩擦力。
在实际设计过程中,工程师需要综合考虑以上因素,使用CAD等辅助设计软件进行模具的设计,并进行模拟分析以验证设计的合理性。
其次,模具的制造是模具设计的实际落地。
模具的制造需要选用合适的材料,通常是金属或有机高分子材料。
金属模具由于其高强度和刚性常常被优先考虑。
但是,金属模具的制造工艺复杂,成本较高。
相比之下,有机高分子材料制成的模具成本相对较低,但其机械性能较差。
在实际制造过程中,可以根据具体要求选择模具材料。
制造过程中需要使用先进的机械设备,如数控加工中心、电火花等。
对于复材模具而言,还需要考虑纤维布局的影响,以确保成型过程中无纤维偏聚的现象发生。
此外,在复合材料模压成型设备中,还需要考虑其他因素对模具设计和制造的影响。
例如,成型过程中施加的压力和温度条件,模具的定位方式等。
这些因素对模具的寿命、成品的质量和产能有着重要影响。
因此,在模具设计和制造的过程中,需要充分考虑这些因素,并与成型机械设备的性能相匹配。
在实际应用中,复合材料模压成型设备中的模具设计与制造的研究和应用得到了广泛关注。
通过合理的模具设计与制造,可以大大提高生产效率、降低生产成本、提升产品质量。
复合材料模具制造技术研究进展与应用前景

复合材料模具制造技术研究进展与应用前景复合材料模具制造技术是一种结合了高分子材料和传统模具制造技术的新型模具制造技术。
它具有独特的优势和潜力,在各个领域都有着广泛的应用前景。
本文将就复合材料模具制造技术的研究进展和应用前景进行探讨。
复合材料是由两种或两种以上的材料通过某种方法组合而成的材料,其中一种为增强材料,一种为基体材料。
增强材料可以提高基体材料的强度和刚度,从而使复合材料具有优异的性能。
复合材料模具制造技术利用复合材料的优异性能,结合传统模具制造技术的工艺流程和工具设备,可以制造出具有高精度、高强度和复杂形状的模具。
研究进展方面,目前复合材料模具制造技术已经在多个领域取得了重要的突破。
首先,在航空航天领域,复合材料模具制造技术可以用于制造飞行器的复材结构零部件。
由于复合材料具有高强度、低密度和独特的耐腐蚀性能,可以有效提高飞行器的性能。
其次,在汽车工业领域,复合材料模具制造技术可以用于制造汽车的车身和零部件。
与传统金属模具相比,复合材料模具具有更高的强度和刚度,可以减轻汽车整车的重量,提高燃油效率。
此外,在电子电器领域,复合材料模具制造技术可以用于制造微电子器件的封装和连接器件。
利用复合材料的优异性能,可以提高微电子器件的性能和可靠性。
应用前景方面,复合材料模具制造技术具有广阔的市场前景和应用前景。
首先,随着航空航天工业和汽车工业的快速发展,对于高精度、高强度和复杂形状的模具需求不断增加。
传统的金属模具制造技术在满足这些需求方面存在困难,而复合材料模具制造技术可以很好地解决这一问题。
其次,随着电子电器产品的普及和更新换代,对于微电子器件封装和连接器件的需求也在不断增加。
复合材料模具制造技术可以满足这一需求,提高微电子器件的性能和可靠性。
此外,复合材料模具制造技术还可以应用于其他领域,如医疗器械、建筑材料和能源装备等。
综上所述,复合材料模具制造技术是一种结合了高分子材料和传统模具制造技术的新型模具制造技术。
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随着复合材料在飞机结构件上用量的逐步增加,零件越来越大而复杂,并逐步使用到主承力件上,这对复合材料制件的质量提出了更高的要求。
因复合材料制件的固化成型特点,其质量在很大程度上取决于成型模具的质量,而高质量的模具来源于科学、合理的设计,特别是对于大型模具,除模具质量对制件质量的影响外,模具的尺寸、重量对模具成本以及复材制件的总制造成本有很大影响。
通过对复合材料热压罐成型模具的设计、制造、转运及使用验证等工程研究及分析,结合复材模具设计的经验方法,归纳出以下几点模具设计原则。
满足制件结构及工艺要求
在设计复合材料成型模具前,要对制件的设计输入进行充分分析,以产生模具结构的初步概念。
(1)分析制件的工程结构。
通常有壁板、梁、肋、长桁、接头、以及整体盒段等结构形式。
根据制件结构形式,可对模具有个大致概念,壁板常为大型框架结构;梁一般较长,常有阴模、阳模形式(图1、图2);长桁一般为细长结构;整体盒段一般需上下合模。
(2)分析制件的工程界面。
是否有气动面、装配面、胶接面等,一般情况下可确定这些面为贴膜面;但如果这些面结构较复杂时,设计可考虑在工程界面侧添加补偿层,此时贴膜面可设计在工程界面的背面。
(3)分析制件的质量要求。
制件的外形轮廓尺寸精度直接影响到模具的质量要求及成本,可通过设计合理的模具结构、定位方法及加工方法来达到精度要求。
(4)分析制件的成型工艺方法,是共固化、共胶接还是二次交接(图3)。
共固化中,所有层为湿铺层一次进罐,需要较多模具组合到一起同时使用,通常整套模具较复杂;共胶接为干湿件进罐固化,需要一部分零件的成型模具,及已固化零件与湿铺层二次进罐固化的模具;二次胶接时所有零件已固化,通过胶膜把他们固化到一起,需要所有零
铺贴模具加铺层重量,以及铺带头的压力作用在模具底座的支撑点上。
(5)工装转运过程。
整套模具加制件的重量作用在模具的轮子上。
(6)工装在热压罐里的情况。
在177℃时(此时的材料许用值小于常温下的许用值),整套模具加制件的重量作用在模具底座的支撑点上。
细节设计要求
复合材料模具设计中细节设计非常重要,直接影响到模具使用的可操作性、方便性及自动化程度,甚至影响复合材料制件的质量。
模具上的细节设计(图7)包括但不限于以下内容:
(1)产品线:即产品的外形轮廓线,用于非数控切边时使用,决定了产品的外形尺寸的精度;设计时应考虑模具材料的膨胀因素作适当缩放处理,产品线的位置精度和宽度精度都需要根据复材制件外形尺寸精度要求定义在模具设计中。
(2)铺贴线:由于制件边缘铺贴不完全齐整,以及流胶、挡胶条、打真空袋等因素导致固化后产品边缘质量不高,需要在产品线外一定距离开始铺贴,在制件上将留有一定余量待加工掉。
同时,铺贴线用于无激光投影时手工铺贴定位,以控制铺贴余量,既不浪费太多的料,又能保证产品质量。
通常铺贴线到产品线可留20~30mm。
(3)基准孔:用于模具机加和检测时作为基准,精度要高,并保证可重复使用。
基准孔坐标值通常刻于模具上便于使用。
(4)靶标孔:用于手动铺贴时放置激光投影的靶标,以定位铺层区域。
靶标孔按实测值即可,坐标值刻于模具上。
(5)自动铺带十字刻线:十字刻线中心用于自动铺带时目标定位,十字线中心点的坐标刻于模具上。
(6)复材制件定位孔:也叫制件工艺耳片孔,用于复材制件在脱模后检测、机加和装配时作定位基准,精度要求高。
此孔需要有相应的钻模板来准确定位,钻孔需要在脱模前进行,孔应该在模具的法线方向。
(7)余量区:在铺贴线到模具边缘需要留有一定距离用于打真空袋及自动铺带退料。
通常手工铺贴模具的余量区在100~200mm,而自动铺带则需要200~300mm。