真空灌注工藝簡介王玄 V21_2015-from CQUFSAE

1、 重慶大學FSAE方程式賽車車身碳纖維真空灌注成型工藝報告王玄重慶大學FSAE賽車隊201X年XX月XX日一、 2013年車身制作總結(jié)2013年車身、座椅等采用的手糊工藝制作，總體來說效果不理想，主要有以下一些問題：l 工作量大；l 樹脂揮發(fā)，工作環(huán)境惡劣；l 不能去除多余的樹脂，導致車身樹脂-纖維比過大，脆性大，且內(nèi)部氣泡含量多，機械性能差；l 樹脂浪費量大，且用量不穩(wěn)定，不同操作者、不同部件可復制性差；l 表面質(zhì)量差，精度低，易起泡；l 光潔度差同時加大了后續(xù)打磨、上漆等美化處理程序的難度和工作量。同時，手糊工藝二、 2014年車身制作工藝選擇2014年擬采用其他的成型工藝，其中可選方案主

2、要有：1. 預浸料熱壓罐法(Autoclave) 在模具上逐層干法鋪貼預浸料復合材料，制袋密封，送入熱壓釜，先在袋內(nèi)抽真空產(chǎn)生負壓，加熱至一定溫度，高溫下加高壓固化。特點：精度高，纖維含量高，質(zhì)量較好，但是需要熱壓釜，成本過高。2. 樹脂膜滲透工藝(Resin Film infusion，RFI) 將預催化樹脂膜放人模腔內(nèi)，在其上覆增強材料，再用真空袋封閉模腔，抽真空并加熱模具使模腔內(nèi)的樹脂膜融化，滲透到纖維層(一般是由下至上)，最后固化制得制品。特點：周期較長3. 樹脂傳遞模塑成型工藝(Resin Transfer Molding，RTM) 將增強織物置于模具中形成一定的形狀，再將樹脂注射進

3、入模具、浸漬纖維并固化的一種復合材料生產(chǎn)工藝。以RTM為基礎(chǔ)發(fā)展為VARTM和SCRIMP法。3.1 真空輔助樹脂傳遞模塑工藝（Vacuum Assisted RTM，VARTM） 在RTM的基礎(chǔ)上，在注射樹脂前預先在腔內(nèi)抽真空用注射機注入樹脂（或者邊抽真空邊注射樹脂）3.2 樹脂浸漬模塑成型工藝(Seemann Composites Resin infusion Manufacturing process，SCRIMP) 利用薄膜將增強材料密封于單邊模具上，完全借助于真空將低黏度樹脂吸入，利用高滲透率介質(zhì)沿增強材料的表面快速浸漬，并同時向增強材料厚度方向進行浸潤的加工工藝特點：RTM 為閉模

4、壓力注射，便于自動化操作，但同時高壓力需要高強度、高剛度的雙面模具和樹脂壓注機，以及具有較大合模力的設備，模具制造相對復雜，要求較高，成本也太高。 VARTM是在RTM的基礎(chǔ)上結(jié)合抽真空工藝發(fā)展起來的，通過真空輔助改善模具型腔內(nèi)樹脂的流動性、浸漬性，更好地排盡氣泡，再用注射機注入樹脂，提高了樹脂流動和浸潤纖維的能力，提高了增強材料的含量；可使用相對較小的注射壓力，減小了對模具和設備的要求，投資減小(對車隊依然較高)；SCRIMP纖維含量高，制品力學性能優(yōu)良；樹脂浪費率低；產(chǎn)品性能的均勻性和重復性比開模產(chǎn)品好得多4. 真空袋工藝(Vacuum bagging ) 預先浸潤增強纖維，在模具內(nèi)鋪好后

5、鋪設真空袋，抽真空后在負壓下固化成型特點：減少產(chǎn)品氣泡；有效控制產(chǎn)品含膠量；均勻加壓，產(chǎn)品的性能均勻5. 真空灌注成型Vacuum Infusion Process，VIP 真空灌注成型 (Vacuum Infusion Process，VIP)，也稱為真空輔助樹脂灌注成型技術(shù)(Vacuum Assisted Resin Infusion，VARI) ，是在RTM工藝基礎(chǔ)上發(fā)展的一種新型高性能、低成本的復合材料制件的成型工藝，在航空航天、風電等領(lǐng)域受到廣泛的重視。考慮到真空灌注工藝相對于之前的手糊工藝孔隙率低，缺陷少，有較高的制品密實度和層間粘接強度，因而有更高的機械性能和更輕的重量，而熱壓罐

6、法等對設備等要求較高，成本高，現(xiàn)階段不適合車隊使用；故綜合質(zhì)量、可操作性、經(jīng)濟性、車隊條件等因素2014年擬采用碳纖維真空灌注成型工藝，三、 真空灌注成型工藝簡介：1. 工藝過程是在高硬度、高表面質(zhì)量的單面模具上干法鋪貼增強材料（玻璃纖維，碳纖維，凱芙拉，夾心材料等，有別于真空袋工藝），然后鋪真空袋材料（先鋪上脫模布，接著是導流布，最后是真空袋），連接抽真空體系，并抽出體系中的空氣，在模具型腔中形成較高負壓，利用真空產(chǎn)生的壓力把液態(tài)樹脂通過預先設計并鋪設的注膠管路壓入纖維層中，讓樹脂浸潤增強材料最后充滿整個模具，制品固化后，揭去真空袋材料，從模具上得到所需的光潔制品。圖1.真空灌注工藝2. 真

7、空灌注工藝優(yōu)點：l 模具成本低，只需單面剛性模具，適用于設計大型、復雜外形l 更高的樹脂纖維比，孔隙率低，缺陷少，更高的機械性能，更輕的重量l 減少樹脂浪費，降低生產(chǎn)成本l 樹脂用量穩(wěn)定，易于控制；l 外形可控，尺寸精確，表面質(zhì)量高，減少準備時間與維修次數(shù)，降低工作量l 揮發(fā)物少，不用預先浸潤纖維，可操作性好，工作環(huán)境好3. 同時也應該注意以下問題：l 真空灌注工藝相對復雜，對操作人員要求較高。要求操作者熟悉工藝流程，掌握操作要領(lǐng)，了解可能產(chǎn)生的問題及解決方案；l 管路布置。真空灌注法要求合理布置真空管和樹脂導入管，每個部件的真空管和樹脂導入管的布置是不盡相同的，在鋪層前就要充分考慮好；l 樹

8、脂灌注一旦開始，就幾乎不能采取任何措施來糾正錯誤。例如出現(xiàn)一點真空泄露時，即使是少量的氣體進入也會導致整個產(chǎn)品報廢，所以一定要精心準備。l 要有好的心態(tài)，熟練之前會有一些部件（或者不止一些）部件被毀掉。l 正式制作前，練習制作樣塊。關(guān)鍵是通過錯誤學習經(jīng)驗。4. VIP工藝用材料及設備、輔材n #M 01模具泡沫、02 模具膠衣（易打磨底膠、高光膠衣）、03模具樹脂、04表面氈、05短切氈、06方格布、07封孔劑、08拋光劑、09潔模劑、10脫模劑n #C 01碳纖維、02灌注樹脂、03固化劑、04強芯氈、05輕質(zhì)結(jié)構(gòu)芯材、06結(jié)構(gòu)膠粘劑、n #HC 01脫模布、02隔離膜、03導流布、04真空

9、袋膜、05密封膠帶、06快干噴膠、07真空管、08螺旋管、09彈簧夾鉗、10 T型接頭、11注膠座、n #G 01真空泵、02樹脂收集器（含壓力表、調(diào)壓閥）、03膠衣噴槍、04拋光機、 05修邊槍、06電子秤、07樹脂桶、08配膠桶、09固化劑量瓶、10羊毛拋光盤、11美工刀、12滾輪、13手糊毛刷、14口罩、15橡膠手套注：#M-模具材料；#C-主要材料；#HC-真空耗材；#G-工具；詳細參考：碳纖維 丙烯腈基機織斜紋6K炭布，連續(xù)氈； 玻璃纖維 連續(xù)氈優(yōu)于短切氈；編織布優(yōu)于方格布；有利于樹脂流動和浸潤纖維注意要選用無堿玻璃纖維表面氈30-40g/m2; 短切氈300-450g/m2; 方格

10、布0.4-0.45mm厚；快干噴膠 3M supper67 / 77或風電專用快干噴膠輕質(zhì)芯材 夾層結(jié)構(gòu)芯材的選擇主要考慮三個方面的因素：力學性能（強度、剛度和密度）要求、工藝條件（承受的溫度、制品形狀、芯材的加工等）要求和價格。 PVC泡沫、PET、PMI、SAN或其他線性微孔封閉型塑料，芳綸NOMEX蜂窩具體選擇可參考結(jié)構(gòu)芯材選擇強芯氈 推薦荷蘭蘭拓強芯氈 厚1.5-2.0-2.-5mm；樹脂 力學性能抗拉、彎曲強度要高，耐腐蝕、耐疲勞性能要好具體可咨詢樹脂供應商。低粘度，凝膠時間，固化溫度、放熱峰，浸潤性，韌性等有特殊的要求， 粘度 真空灌注用樹脂粘度范圍在0.10.8Pa.s，一般應在

11、0.120.4Pa.s，低粘度的樹脂有利于灌注。凝膠時間在15-30min。 推薦乙烯基樹脂，粘度約275，很適合真空灌注。另外（聚酯樹脂 粘度475、環(huán)氧樹脂900-975）放熱峰 放熱峰不能過高樹脂選擇可參考附件樹脂系統(tǒng)真空袋 較好的延伸性、柔韌性、抗穿刺性； 推薦尼龍膜，聚丙烯膜脫模布 低孔隙率、低滲透率的薄膜材料； 如PE、PP多孔膜等帶孔隔離膜 聚乙烯PE或聚丙烯PP；厚0.03mm，孔徑0.8mm左右，孔間距5*5mm；密封膠帶 高彈性、表面粘結(jié)性及耐溫性，以丁基橡膠為基膠，添加補強劑、增粘劑等；導流布 鋪層最上一層，位于脫模布之上，真空袋之下；尼龍或聚丙烯，面密度200g/m2真

12、空抽氣注膠管 HDPE聚乙烯材質(zhì)，12-16mm，螺旋管 一種聚乙烯塑料帶子卷成的管子，可透過空氣和樹脂；有一定的抗壓性能；T型接頭 與進膠管匹配；注膠座 與螺旋管匹配，彈簧夾鉗 五金市場購買，或用焊接平臺用夾鉗真空泵 抽速>5L/s，真空度>95%；樹脂捕獲器 密封性好，能承受壓力,內(nèi)涂脫模劑，放置接膠紙筒；流量調(diào)節(jié)器 超聲波測漏儀 可考慮聽診器四、 真空灌注工藝重點問題及解決根據(jù)具體產(chǎn)品確認好使用的增強材料、夾芯材料、樹脂系統(tǒng)；這是直接決定產(chǎn)品質(zhì)量和性能的因素，必須多做了解，做好充分的準備 樹脂：固化劑：促進劑的比例選擇？需要常溫固化；所以大都使用脂肪胺、聚酰胺等，ps：固化劑

13、：促進劑的比例對固化的具體影響？l 咨詢商家，固化劑、促進劑用量越多，固化速度越快；l 色相越淺越好、透明度越高越好、雜質(zhì)越少越好 固化時間多久比較好？l 固化時間隨溫度不同而變化。l 常溫固化時間一般在24小時以上，加熱條件下可適當縮短固化時間；l 但是要注意，加熱固化之前要常溫固化6小時以上，且要緩慢升溫，不能過快，溫度一般60-90； 灌注時間的控制l 樹脂的粘度 樹脂粘度越低，導入時間就越短，因此真空導入宜用低粘度樹脂，這樣可以使樹脂快速充型；可以調(diào)節(jié)樹脂固化劑、促進劑的量；l 注射長度 樹脂注入口與抽氣口的之間的距離，距離短則充型時間亦短。l 壓力差 體系內(nèi)與體系外壓力差越大，對樹脂

14、驅(qū)動力越大，樹脂流速越快，充型時間亦短。l 滲透性 玻纖、碳纖、夾心材料等對樹脂浸潤越好，滲透性越好；多向氈要比方格布，短切氈易被樹脂浸潤。l 灌注時間隨工件大小而定，工件越大，時間越長。一般大小工件灌注時間約為5-10分鐘（從開始導入時計時）； 車身設計l 做好流線造型，空氣動力學效果好，較好的A級曲面也便于制造；避免尖角，復雜結(jié)構(gòu)；l 考慮復雜結(jié)構(gòu)、卷邊、特殊連接等的實現(xiàn) 車身分塊的問題ps： 分塊時要注意的問題？如何分塊？    模具如何分塊？l 分塊要有利于模具設計和制作l 有利于車身灌注成型；l 要有合適的安裝點；l 分塊要方便車身拆裝；l 分割線盡量美

15、觀，有較好的視覺效果；可參考汽車的車身分割線； 真空灌注時樹脂流動的死角解決方案ps：有哪些具體的解決方法？l 改變配比、提高溫度等，提高樹脂流動性l 鋪設導流布；l 添加樹脂導入口；l 改變注膠管鋪設方法；l 芯材開槽、模具開槽；l 利用重力，改變模具放置方法 灌注過程發(fā)生漏氣時解決方案？l 夾緊抽氣管，關(guān)閉真空泵，快速查找漏氣原因并修正；l 在密封膠旁邊補一條通氣纏繞管,把氣引到抽氣口,避免進入到產(chǎn)品上； 導入方式的選擇線性導入、多邊導入、外圍導入、中心導入；多點導入、從底部導入；多點導入由底部到頂部導入，避免氣泡產(chǎn)生樹脂桶最好低于模具最低點 夾層結(jié)構(gòu)芯材的選擇l 抗壓強度要滿足要求l 灌

16、注用芯材最好是輕質(zhì)高強的結(jié)構(gòu)芯材，如巴沙木，PMI結(jié)構(gòu)泡沫，也可考慮PVC結(jié)構(gòu)泡沫、NOMEX芳綸蜂窩、鋁蜂窩等夾芯材料， 芯材開槽與開孔l 窄且深的溝槽，窄的槽間距20mm；l 孔徑2mm；孔間距小如50mm； 車身與車架的連接怎么方便快速裝拆？合理布置安裝點采用快拆螺母；塑料卡扣；VIP真空灌注成型一般工藝流程第一步：準備模具VIP 也需要高質(zhì)量的模具，表面要有較高的硬度和較高的表面質(zhì)量（最好是鏡面），并且模具邊緣至少保留15 厘米的法蘭邊，以鋪設密封膠帶和螺旋管。模具要清理干凈，然后打脫模劑。潔模-潔模過程是要將模具表面上的拋光劑殘余或油劑等清除掉，使隨后加上的封孔劑及脫模劑（蠟）可牢固

17、地附在模具上。先將船牌69潔模水用紗布擦在模具表面然后抹干，再涂一層船牌69潔模水，讓其充分揮發(fā)干后（約半小時），再用干凈干布擦至光亮。封模-船牌86封孔劑，用紗布均勻地涂在模面上，讓其干透（約3060分鐘），再用干凈干布擦至光亮。如果是新模具，要封孔四次，如果是舊模翻新，封孔兩次即可。打脫模劑-可選擇美國產(chǎn)三星牌102、金冠牌8、或船牌333三種皆可，金冠牌較硬、船牌較軟，三星牌最好；涂脫模蠟最好用紗布把適量脫模蠟包起來然后擠過紗布均勻地涂覆到模具表面上，這樣既均勻又節(jié)省，不致于脫模蠟大量散落，待其干透（3060分鐘），再用手包干凈紗布擦或拋光機拋至光亮照人。新模具要上4至5次脫模蠟，才可使

18、用。第一只產(chǎn)品脫模后，以后每一次脫模上一次脫模蠟即可。第二步： * 膠衣面可以根據(jù)制品的要求，可以用產(chǎn)品膠衣和打磨膠衣，選用類型有鄰苯，間苯和乙烯基。用手刷和噴射的方法施工膠衣。第三步：鋪設增強材料選用增強材料- 碳纖維，夾芯材料這要依據(jù)制品強度要求來定。碳纖維：機織斜紋6K炭布，鋪3-4層，拐角、復雜地方可使用快干噴膠輔助粘貼定位；酌情用快干膠(502即可)在幾個重點部位加強以免等下開始刷上樹脂時某些地方會翹起邊緣要留夠余量，保證剪裁后能得到所需尺寸的工件；夾芯材料：PMI為閉孔泡沫，但在與面板相接處泡沫芯材最好處于開孔狀態(tài)，有利于樹脂的填充，浸潤效果較好，能形成較好的粘結(jié)界面；第四步：真空

19、袋材料鋪設及設備連接先鋪上脫模布，接著是導流布，最后是真空袋。 鋪脫模布-脫模布鋪在碳纖維之上的第一層，以方便脫模。脫模布要覆蓋整個碳纖維表面，最好比碳纖維鋪層略大；按模具大小剪裁，用膠帶粘貼定位，防止之后鋪貼時移動； 可加鋪帶孔隔離膜 鋪導流網(wǎng)-鋪在脫模布之上；導流網(wǎng)用于促進樹脂流動；按模具大小適當剪裁，用膠帶粘貼定位，防止之后鋪貼時移動；在邊角處不能平滑鋪貼時可用剪刀剪開，以防出現(xiàn)褶皺； 放置螺旋管-螺旋管用密封膠條固定在導流網(wǎng)之上，使樹脂能迅速分布于模具樹脂注入端，并沿導流網(wǎng)流到另一端； 在合上真空袋之前，要仔細考慮樹脂和抽真空管路的布置，以便樹脂流動充型；否則有的地方樹脂會無法浸潤到。

20、對于復雜零件，樹脂不易到達的部位可添加螺旋管，采用多點注射，多線灌注；用膠帶定位螺旋管； 放置注膠座-注膠座建議使用硅橡膠材質(zhì)，底部有一個凹槽與螺旋管配套；底端凹槽卡在在螺旋管中間位置，以使樹脂流過注膠座進入螺旋管；合理布置進膠口位置和數(shù)量； 在螺旋管上再鋪一層導流網(wǎng)便于抽真空和注膠； 放置真空抽氣座-抽氣座也是硅橡膠材質(zhì)，底部有多個凹槽，使抽真空時空氣快速抽出；使用時將抽氣座置于導流網(wǎng)之上； 貼密封膠條（也可在鋪增強材料之前貼）-密封膠條是一種柔韌的粘性膠帶；-沿模具邊緣粘貼，用于粘貼真空袋，抽氣后形成真空環(huán)境；-先不要揭去密封膠帶貼紙，以便后續(xù)鋪設真空袋時不會被粘住；-拐角處要注意，粘貼盡

21、量順滑，表面不要褶皺，以免漏氣； 鋪真空袋-真空袋鋪在最上面一層，要保證足夠大；一般比模具多20cm；-適度打褶，不能太緊；-時應特別注意：一邊揭去密封膠帶貼紙，一邊貼真空袋，不要嘗試把密封膠條的貼紙全部揭掉再鋪真空袋，以免真空袋在鋪好之前就被粘上；-確認真空袋在粘貼位置沒有褶皺、重疊；-鋪設時要非常小心，以免一些尖銳物刺破真空袋。-粘好后要認真按壓，確保密封完好；很重要 連接并密封樹脂導入管用剪刀在樹脂吸入口剪切45°左右的開口，以防入口被堵；在注膠座開口處用小刀小心開十字小口，用密封膠條在樹脂導入口纏繞幾圈，插入注膠管，用密封膠條小心密封； 連接并密封真空抽氣管用同樣的方法連接并

22、密封抽氣管 準備樹脂罐罐內(nèi)涂上脫模蠟，以便倒出樹脂；內(nèi)放可取出的一次性容器，如紙杯等，可丟棄； 連接真空泵和樹脂收集器用適當長度的真空抽氣管連接真空泵和樹脂收集器； 夾緊樹脂導入管用彈簧夾鉗夾緊樹脂導入管；第五步：抽真空鋪完這些材料后，準備妥當后即可開啟真空泵對整個體系抽真空，抽氣時不斷調(diào)整真空袋位置，使其鋪貼良好，真空袋較緊時可暫時調(diào)低抽速，調(diào)整細節(jié)部位后，再開啟抽盡空氣。盡量把體系中空氣抽空，并檢查氣密性，氣密性合格后才能注膠。這一步很關(guān)鍵，如有漏點存在，當樹脂導入時，空氣會進體入體系，氣泡會在漏點向其它地方滲入，甚至于有可能整個制品報廢。檢查方法：抽完真空后，壓力應在-0.1Mpa左右，壓力過大說明漏氣