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1、液體模塑成型LCM工藝概述

現(xiàn)如今高性能復(fù)合材料的制造技術(shù)多種多樣，其中最廣泛使用的是預(yù)浸料技術(shù)。然而，部分零部件也可以通過使用復(fù)合材料液體模塑成型工藝（liquid composite molding，LCM )，直接由低粘度樹脂和干態(tài)增強(qiáng)材料制造。選擇用于制造特定零件的工藝取決于所需的幾何形狀、性能、成本和生產(chǎn)效率。

復(fù)合材料液體模塑成型工藝（LCM )，與基于預(yù)浸料的制造技術(shù)存在顯著不同。在LCM工藝中，樹脂和增強(qiáng)纖維在同一成型操作中結(jié)合并固化，為結(jié)構(gòu)件制造商提供了不同的加工路線。

 

圖1 常見的連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料成型技術(shù)

 

近年來，已經(jīng)開發(fā)了許多LCM工藝（圖1），其中樹脂傳遞模塑（Resin Transfer Moulding，RTM）、液體樹脂灌注（Liquid Resin Infusion，LRI）和樹脂膜灌注（Resin Film Infusion，RFI）是最主要的也是最常見的工藝。圖2顯示了LCM工藝的主要加工流程。

 

圖2 LCM主要工藝流程

 

在大多數(shù) LCM 工藝中，一種稱為預(yù)制體（Preform）的預(yù)成型增強(qiáng)材料被放置在模具中并用樹脂浸漬。浸漬路徑可以是沿著平面、厚度或平面/厚度相結(jié)合，如下圖3所示。

圖3 LCM工藝中樹脂浸漬方向

 

雖然樹脂的浸漬路徑有助于確定所用LCM工藝的類型，但它不是最重要的因素。注射（Injection）和灌注（Infusion）之間的主要區(qū)別在于模具的復(fù)雜性和施加的壓力。

對(duì)于RTM，通常使用相匹配的金屬工具，這可以為部件的每個(gè)表面提供良好的尺寸公差和表面光潔度，并且注射壓力通常大于1bar。對(duì)于灌注，模具的一面將是一個(gè)靈活的真空袋，可以施加到零件上的最大壓力是大氣壓力。

LCM 工藝的主要優(yōu)點(diǎn)是：

潛在的更高程度的零件集成

減少對(duì)高壓釜和冷庫(kù)的投資

降低運(yùn)輸成本

減少裝袋、包裝、修整和整理廢棄物

縮短加工周期

適合更高的生產(chǎn)率

與預(yù)浸料相比，厚度精度和表面光潔度更好

 

2、樹脂傳遞模塑RTM工藝概述

樹脂傳遞模塑（RTM）作為一種復(fù)合材料制造工藝，它是將低粘度、反應(yīng)性樹脂泵入包含預(yù)制件或增強(qiáng)材料的匹配模具中。樹脂填充模具，使纖維在固化前濕潤(rùn)。

RTM在許多應(yīng)用中用于制造高質(zhì)量零件，其主要特點(diǎn)是可實(shí)現(xiàn)相對(duì)大批量的自動(dòng)化生產(chǎn)以及凈形狀和高尺寸公差。RTM工藝被認(rèn)為是手動(dòng)復(fù)合材料成型工藝的一種經(jīng)濟(jì)高效的替代方法，并且傳統(tǒng)上已被航空航天行業(yè)用來制造一級(jí)和二級(jí)結(jié)構(gòu)零件。

 

圖4 由空客法國(guó)公司（Airbus France）制造的空客A380副翼翼梁，使用了HexFlow®RTM樹脂和Injectex®編織碳纖維增強(qiáng)材料

 

2.1 RTM工藝優(yōu)點(diǎn)

a）、樹脂和增強(qiáng)纖維分離

干纖維結(jié)構(gòu)更易于處理和懸垂

可實(shí)現(xiàn)較厚且復(fù)雜的形狀

粘合劑便于處理干態(tài)加固材料和鋪層

b）、可獲得高性能精密成型件

嚴(yán)格的尺寸公差

表面質(zhì)量好

機(jī)械性能媲美高壓釜成型零件

c）、空隙率<1%

d）、減少步驟并降低成本

無需裝袋

可實(shí)現(xiàn)樹脂最少處理

減少的修整和精加工操作

短固化周期短

低壓操作（通常小于7 bar）

e）、流程可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化

高生產(chǎn)率 

低廢品

2.2 工藝缺點(diǎn)

用于大型零件加工時(shí)成本較高

只能采用低粘度樹脂（0.1至1 Pa.s）

對(duì)于低生產(chǎn)率而言，成本效益不高

工具密封不當(dāng)會(huì)導(dǎo)致樹脂泄漏

與最新一代預(yù)浸料相比，韌性較低

2.3 加工流程

大多數(shù)RTM過程包括以下幾個(gè)流程（示意圖如下圖所示）：

a）、預(yù)成型（預(yù)制）：將干態(tài)增強(qiáng)材料加工成具有最終幾何形狀的預(yù)制件。目的是為了便于處理，并防止注塑過程中織物滑落。

b）、成型：首先，對(duì)包含預(yù)制件的模具全真空處理，以排出空氣；然后將樹脂注入模具。在注射過程中，樹脂填充模具腔并完全浸漬預(yù)制件。

c）、固化：加熱模具，從而實(shí)現(xiàn)樹脂的聚合/固化。

d）、脫模：固化完成，零件在冷卻時(shí)具有足夠的強(qiáng)度以進(jìn)行脫模。

圖5 RTM工藝流程示意圖

 

3、液體樹脂灌注LRI工藝概述

 

液體樹脂灌注成型工藝（Liquid Resin Infusion，縮寫LRI）是傳統(tǒng)RTM工藝的一種變體，它通過使用單面模具并與特定的真空袋裝置相結(jié)合。

 

真空袋裝置可提供樹脂分布和固化。由于LRI是在一個(gè)真空膜下進(jìn)行的,它不需要特殊的模具，所以大大降低了制造成本，并且用這種工藝可以制出大而厚的復(fù)雜部件。

 

圖6 典型LRI工藝示意圖

3.1 LRI工藝流程

a）、纖維預(yù)制件的鋪層：

將增強(qiáng)纖維放置在剛性工具表面上，加固層完成后，就用樹脂分配介質(zhì)覆蓋，最后用可成型的真空袋覆蓋。

b）、樹脂制備：

在某些情況下，可以預(yù)熱樹脂使其具有較低的粘度。如果樹脂已被處理過，建議進(jìn)行脫氣。

c）、用樹脂浸漬預(yù)制件：

根據(jù)零件尺寸和形狀，通過單個(gè)或多個(gè)入口引入樹脂。樹脂的分配通道網(wǎng)絡(luò)集成到真空袋裝置中，以控制樹脂流入復(fù)雜零件。浸漬前，空氣通過真空口從預(yù)制件中排出。樹脂罐連接到入口。罐子可以保持在大氣壓下。

真空口和真空罐之間的壓差迫使樹脂進(jìn)入高多孔流動(dòng)介質(zhì)，該介質(zhì)在通過零件厚度注入之前，將樹脂分布在零件表面。真空袋提供固結(jié)壓力。有時(shí)可以使用第二個(gè)真空袋來保證真空度和固結(jié)壓力。

 

圖7 注射袋樣圖

 

d）、固化浸漬預(yù)成型體：

灌注過程通常在中間溫度下進(jìn)行，此時(shí)樹脂粘度足夠低，可以進(jìn)行良好的灌注，但不足以啟動(dòng)固化過程。一旦灌注完成，溫度將升高至最終固化溫度。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)和使用適當(dāng)?shù)脑鰪?qiáng)材料，可以獲得高質(zhì)量復(fù)合材料零件所需的60%纖維體積的高質(zhì)量組件。

3.2 LRI工藝相比于RTM的優(yōu)勢(shì)

與RTM工藝相比，LRI主要優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在：

可以加工體積較大的零部件，特別是具有較大表面的零件，例如厚蓋和機(jī)身面板；

與相對(duì)昂貴的RTM配對(duì)模具相比，LRI采用了簡(jiǎn)單的單面模具；

降低了基礎(chǔ)設(shè)備和工具的成本。