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復(fù)合材料的生產(chǎn)工藝

文章出處:網(wǎng)絡(luò)責(zé)任編輯:管理員人氣:發(fā)表時(shí)間:2015-08-27【

復(fù)合材料的使用已經(jīng)不是什么新鮮事。到大英博物館看一看就可以發(fā)現(xiàn),古代埃及人已經(jīng)采用簡(jiǎn)單但有效的稻草/泥土混合物建造他們的墓穴。 

碳纖維熱壓模具,現(xiàn)在,用于復(fù)合材料成型的模具也稱為工具,可以采用任何材料制成。對(duì)于低溫固化部件或原型部件來(lái)說(shuō),不需要嚴(yán)格控制尺寸的精確性,模具通常采用玻纖、高密度泡沫、可加工的環(huán)氧樹(shù)脂板甚至粘土或木材制成。 

內(nèi)容來(lái)自123456



對(duì)于高溫固化部件來(lái)說(shuō),或者需要高尺寸精度時(shí),或者模具要用于大量部件的生產(chǎn)時(shí),模具必須具有更高的性能。這類模具所采用的材料包括因鋼(一種鎳/不銹鋼合金)、鋼、鋁、鎳和碳纖維。 

模具材料的選擇通常要參考熱膨脹系數(shù)(CTE)、循環(huán)周期數(shù)、制品公差、表面質(zhì)量要求、固化工藝、材料的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度、固化設(shè)備和成本來(lái)進(jìn)行。 

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鋼和鋁通常是高性能模具的首選材料,但它們?cè)谏a(chǎn)復(fù)合材料部件時(shí)也有重大缺陷。在高溫固化過(guò)程中,模具和部件的CTE通常相差很遠(yuǎn)而無(wú)法相容。高價(jià)金屬合金(例如因鋼)具有更加相似的CTE,但其加工成本很高。對(duì)于大型部件來(lái)說(shuō),這類模具的尺寸和重量使其難以加工、移動(dòng)和存儲(chǔ)。 

復(fù)合材料模具 

如果復(fù)合材料模具的材料與最終產(chǎn)品的材料相近,那么即使無(wú)需昂貴的金屬模具也可以得到高性能的制品。過(guò)去復(fù)合材料模具僅僅是專業(yè)的航空和F1技術(shù)人員所知的一種藝術(shù),而現(xiàn)在已被賽車制造商到航空業(yè)領(lǐng)導(dǎo)者(例如波音和空客)廣泛應(yīng)用。經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展和改進(jìn),復(fù)合材料模具制造已不再那么藝術(shù),而成為一種更加穩(wěn)定高效的工藝。 

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“工業(yè)復(fù)合材料的應(yīng)用歷史已經(jīng)超過(guò)50年,”Amber復(fù)合材料公司歐洲地區(qū)銷售經(jīng)理Jed Illsley說(shuō),“最初,樹(shù)脂和織物的處理采用的是濕法手糊工藝,但這顯然不是一種能夠精確控制樹(shù)脂用量的好方法。在高精度儀器嚴(yán)格控制浸漬條件的情況下,將織物用樹(shù)脂浸漬后,就可以得到一種性能穩(wěn)定的材料,也就是今天我們所熟知的預(yù)浸料。最近,模具預(yù)浸料已經(jīng)成為高精度復(fù)合材料模具的標(biāo)準(zhǔn)制造方法。” 

隨著預(yù)浸料性能(包括可操作性、室溫下的使用壽命和正確的粘度)的逐漸改進(jìn),這種模具制造方法現(xiàn)在已變得更加簡(jiǎn)便和經(jīng)濟(jì)。新一代復(fù)合材料正在越來(lái)越多的領(lǐng)域得以應(yīng)用。 
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Amber復(fù)合材料公司由一個(gè)小型的專家團(tuán)隊(duì)于1988年在英國(guó)創(chuàng)立,開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)高性能的復(fù)合材料預(yù)浸料。預(yù)浸料技術(shù)那時(shí)還處于初級(jí)階段,早期的團(tuán)隊(duì)參與了預(yù)浸料商業(yè)化應(yīng)用的一些研究。Amber總部位于英國(guó)諾丁漢郡(革命性的工業(yè)織布和碳纖維工業(yè)的搖籃),在那里他們與F1車隊(duì)和其他許多高性能應(yīng)用設(shè)計(jì)人員緊密合作。正是這些高要求客戶的需求推動(dòng)了今天的模具材料的發(fā)展。 

今天,Amber為全球眾多行業(yè)提供服務(wù),包括航空航天、汽車、船艇和通訊。 
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Amber的低溫固化環(huán)氧樹(shù)脂模具預(yù)浸料HX50和HX70以及先進(jìn)復(fù)合材料集團(tuán)(ACG)的LTM系列現(xiàn)在已成為航空、汽車、船艇、工業(yè)和賽車行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品。不斷的改進(jìn)使得這些材料便于處理和使用,并賦予模具A級(jí)表面和極長(zhǎng)的使用壽命。有些系統(tǒng)現(xiàn)在可以承受200℃的高溫,一些最新的材料使得復(fù)合材料模具適用于更多的成型工藝。 

Illsey提到了F1賽車生產(chǎn)商和美洲杯賽艇制造商:“F1車隊(duì)需要大量小型但復(fù)雜的部件,而賽艇制造商可能會(huì)需要一個(gè)30米長(zhǎng)的部件。兩者都需要非常高的尺寸精度。” 

今天的高性能賽艇模具通常采用模具預(yù)浸料制成的,就像軍事和航天行業(yè)的模具一樣。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的發(fā)展,復(fù)合材料甚至被商業(yè)航空領(lǐng)域廣泛采用。例如,A350的整個(gè)機(jī)翼將采用碳纖維制成,大量的模具將采用復(fù)合材料預(yù)浸料。波音新機(jī)型B787由50%以上的復(fù)合材料組成,一些非常大的生產(chǎn)模具也是由復(fù)合材料模具預(yù)浸料制成的。 
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最近,相關(guān)的一些公司開(kāi)始通過(guò)開(kāi)發(fā)無(wú)需高溫高壓處理或增加樹(shù)脂用量的預(yù)浸料來(lái)開(kāi)發(fā)低成本的復(fù)合材料模具。這種產(chǎn)品適用于制造大型部件和無(wú)法承受高溫的部件。 

復(fù)合材料模具的優(yōu)勢(shì) 

復(fù)合材料模具相比傳統(tǒng)金屬模具的優(yōu)勢(shì)在于,復(fù)合材料模具具有較低的生產(chǎn)成本,而且便于處理和存儲(chǔ)。對(duì)于需要精確尺寸的高性能部件來(lái)說(shuō),復(fù)合材料模具與部件的CTE更加接近,在固化過(guò)程有助于保持尺寸的完整性。 
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復(fù)合材料模具比幾年前更加普遍和環(huán)保,加工效率也更高?,F(xiàn)在的預(yù)浸料有各種粘度、固化溫度和尺寸可選。 

“智利的一個(gè)ALMA望遠(yuǎn)鏡的開(kāi)發(fā)是一個(gè)很好的應(yīng)用實(shí)例。”Illsley說(shuō),“這個(gè)望遠(yuǎn)鏡由一系列部件組成,每個(gè)部件必須完全一樣和精確。為了達(dá)到嚴(yán)格的精度要求,他們使用了HX50模具預(yù)浸料。為解決大型模具使用過(guò)程中面臨的問(wèn)題,我們?yōu)槠涮峁┝祟A(yù)切割成塊的模具預(yù)浸料。”

 

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位于智利的大型ALMA望遠(yuǎn)鏡
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該望遠(yuǎn)鏡由一組相同尺寸和精度的部件組成, 
為滿足要求,制造商采用了HX50模具預(yù)浸料
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復(fù)合材料變得普遍的另一個(gè)原因在于復(fù)合材料系統(tǒng)的可用性,客戶可以購(gòu)買到全系列的材料,包括模具樹(shù)脂糊或樹(shù)脂板、膠粘劑、脫模劑和預(yù)浸料,所有這些都可以從一個(gè)供應(yīng)商那里獲得,而且所有材料都可以完美相容。Axson是一個(gè)提供全方位服務(wù)的供應(yīng)商,其整體解決方案系統(tǒng)增長(zhǎng)迅速。 

Axson技術(shù)公司CEO Lionel Puget說(shuō):“最近我們?yōu)榈聡?guó)一家造船廠的賽艇生產(chǎn)提供了一系列的模具材料,包括SC175環(huán)氧樹(shù)脂糊、EC85表面膠衣、HX50模具預(yù)浸料和EG42膠衣,從而幫助其以較低成本,快速生產(chǎn)出高精度高性能的賽艇。” 
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樹(shù)脂糊在這類部件,特別是大型模具的生產(chǎn)中起著重要作用。采用樹(shù)脂糊,可以使用成本相對(duì)較低的數(shù)控
銑床粗略切割一個(gè)低成本低密度的樣品;然后在其上方覆蓋一層環(huán)氧樹(shù)脂或聚氨酯樹(shù)脂糊 ;樹(shù)脂糊固化后,可以將其加工成所需的尺寸,形成一個(gè)低成本模具樣品 ;然后模具預(yù)浸料被鋪放在精確切割好的樹(shù)脂糊上形成模具。 
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這種模具制造方法顯著縮短了大型精確部件的制造時(shí)間和成本。 

最新的模具預(yù)浸料(例如HX90N)可以滿足低溫固化的特殊需求,同時(shí)具有極好的表面質(zhì)量。HX90N具有很低的熱膨脹率(比同等材料低60-70%)、極好的表面質(zhì)量以及耐高溫性能。 

HX90N的這種優(yōu)異性能使其非常適用于對(duì)模具預(yù)浸料有嚴(yán)格要求的一些領(lǐng)域,并以幫助模具制造商滿足了航空、汽車和交通運(yùn)輸行業(yè)越來(lái)越嚴(yán)格的各種應(yīng)用需求。 
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大型和小型復(fù)合材料結(jié)構(gòu)比以往更快速、更便宜,也更精確,設(shè)計(jì)者可以利用復(fù)合材料的這些優(yōu)勢(shì)將其用于越來(lái)越多的高性能應(yīng)用中。
 
 

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