CN1380849A - 用注塑法制造纤维增强构件的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用注塑法注射母体材料来制造由干式纤维复合半成品组成的纤维增强塑料构件的方法。其中纤维复合半成品(1)放置在一个模具(3)上,且在该半成品的一个表面(11)配置了一个促流装置(15)。用一种透气但不透母体材料的膜(7)形成包围半成品(1)的第一空间(10),用一种不透气和不透母体材料的箔(19)形成位于第一空间(10)和周围之间的第二空间(27)。通过从第二空间(27)抽出空气把母体材料从一个贮料罐中吸入已抽真空的第一室(10)中,且促流装置(15)引起面向它的半成品(1)的表面上方的母体材料分布并使母体材料垂直渗入半成品(1)中。

Description

用注塑法制造纤维增强构件的方法和装置
本发明涉及一种用注塑法和随即用低压固化的干式纤维复合半成品制造纤维增强塑料构件的方法以及实施该方法的一种装置。
这类方法采用干式纤维复合半成品即所谓预制品来制造具有可解卷、不可解卷或不可完全解卷的几何形状的构件。这种干式纤维复合半成品可以是织物、多轴稀布或经轴增强的单向半成品。上述预制品用于制造由纤维复合材料制成的部件，并在用树脂浸渍和进行固化之前需要一道中间工序。
这种方法作为所谓的树脂薄膜浸渍法(RFI)是人所熟知的。这种方法是把干的碳纤维(CFK)、碳纤维织物或碳纤维稀布放入一个固化装置中，并从外面涂敷一定的非液态的树脂膜。然后把这样组成的和抽真空的固化模具在一个压热锅中或在一个别的压力容器中在温度和压力作用下进行固化。但使用压力容器和需要复杂的模具费用很大，而且这种方法在保护温度和压力方面也相当复杂，所以这种方法的使用范围是有限的。
此外，DE-OL 198 13 105 A1公开了一种用干式预制品来制造纤维复合构件的方法，在这种方法中，纤维和母体材料在一个至少包括两部分的、构成一个型腔的模具内成型，型腔中的空气可以排出，即在型腔一侧的孔前面放置一层多孔薄膜，膜孔的尺寸设计成能使空气畅通无阻地排出，而又能挡住型腔中的母体材料。
尽管DE-OL 198 13 105 A1提出的解决方案不用加压，但其缺点是，用这种方法制造的构件的尺寸是有限的，因为母体材料只能有限地流入纤维即预制品中，即例如通过设置的一个中央母体浇口来浇入母体，因为母体必须沿着预制品平面即沿着纤维流动。由于所经的距离和材料阻力，所以对母体来说，这个流动方向具有最大的流阻。因而在流动方向内的浸透是有限的。DE-OL 198 13 105 A1的另一种解决办法是，母体呈面积状地渗入。为此，在构件表面放置若干树脂贮罐，这些树脂贮罐分别需要单独的、花费大的输入管来把树脂输送到预制品，所以在每个部位上都存在漏失的危险(废品危险)。
这种方法的另一个缺点是，只能很有限地满足对要制造的构件提出的质量标准，因为可能的树脂通道通过真空箔和薄膜到达预制品表面在构件的许多部位都可能造成母体材料透过薄膜，从而从上方封住薄膜。在这种情况下，不再具有排气的作用并在固化过程中由于反应(例如由于夹杂的空气、化学分离、挥发成分等等)而在各层内形成微孔，这些微孔不可能消除，从而降低构件质量。
另一类熟知的低压法例如真空辅助树脂注塑(不知道申请号，德国航空公司)不用薄膜和两部分的真空室。这类方法解决了抽真空和超过母体材料沸点范围的温度过程所引起的微孔问题，所以在构件中不存在微孔。但其缺点是，在构件的每一个部位都必须很精确地保持温度和真空度控制，才能避免局部达到母体的沸点范围，从而避免局部的微孔形成。在大型构件的情况下，这种精确的过程控制很难实现，而且费用高昂。这种方法还有一个缺点是，由于持续地抽真空而可把母体材料从构件中抽出，从而形成微孔。为了防止由于抽出的母体材料损害真空泵，需要附加地设置一个树脂捕集器。
本发明的目的在于，提出一种用注塑法来制造由干式纤维复合半成品组成的纤维增强塑料构件的方法以及实施该方法的一种装置，这种方法也适用于较大的构件，并用它可达到尽可能简单的工艺流程和同时达到高的构件质量。
这个目的是通过各项独立权利要求的特征部分来实现的。其他的结构型式可从各项从属权利要求得知。
用本发明的解决办法可获得很高质量的构件。这对航空用的高负荷碳纤维增强塑料结构是特别有利的。构件质量的典型特征参数例如是固化碳纤维增强塑料层内的含孔量和作为所谓的温度极限值(TG-wert)测出的耐温性，该温度极限值表示工艺过程后母体材料的所谓玻璃转变温度。
本发明的解决办法特别适用于制造由碳纤维(CFK)、玻璃纤维(GFK)、聚芳基酰胺纤维(AFK)、硼纤维(BFK)或杂配材料制造的纤维增强塑料构件，其几何形状可以是可解卷的、不可解卷的或不可完全解卷的。这种解决办法也适用于制造无加固的和加固的大面积饰板、塑料模具或损坏的纤维复合材料(FVW)构件的搭接修复。加固可以是一种所谓的整体加固(用碳纤维增强塑料等制成的型材，用夹芯材料和碳纤维增强塑料等组合的型材)或典型的大面积夹芯结构。
本发明的解决办法提供了一个制造纤维增强构件、塑料模具和通过真空注塑技术以及在真空下通过无压热锅或无过压的固化进行的搭接修补。
下面结合附图来说明本发明，它们表示：
图1实施本发明方法的本发明装置的示意断面图；
图2图1所示装置中作为夹芯帽形方案的整体加固的构件的典型结构；
图3在图1装置中作为T形方案的整体加固的构件的典型结构；
图4在一个所谓的350°F系统时的温度和真空度变化过程；
图5在一个所谓的室温(RT)系统时的典型温度和真空度变化过程；
图6本发明装置另一种结构型式的示意断面图。
图1所示的装置表示被制造的构件或干式纤维复合半成品1，该构件放置在例如用一块支承板5支承的模具3上。该构件或层压塑料可以是用碳纤维、玻璃纤维、聚芳基酰胺纤维、硼纤维或杂配制成的纤维增强塑料构件，其几何形状可以是解卷的、不可解卷的或不可完全解卷的，并特别适用于制造无加固的和加固的大面积饰板、塑料模具或损坏的纤维复合材料构件的搭接修复。其中，加固可以是一种所谓的整体加固(用碳纤维增强塑料等制成的型材，用夹芯材料和碳纤维增强塑料等组合的型材)或典型的大面积夹芯结构。模具2具有一个用来安置构件1或必要时支承板5的合适的形状并可用各种合适的材料例如木材、钢材、板材、玻璃等构成。
构件1用半渗透的膜7覆盖，该膜可以透气，但可阻止母体材料的渗透。膜7在圆周面8的外面尽可能靠近构件1用一个密封圈9密封，该密封圈用来密封由膜7和支承板5或模具表面3构成的第一空间10。另一种办法是，膜7也可围绕整个构件，如图6所示。这样就可用密封圈9(图6)或也可不用该密封圈实现膜7的整体结构。在构件1和膜7之间可在面向膜7的构件1的整个表面11上方设置一种剥离织物13(可以选择)和一个作为促流装置15用的衬垫，该剥离织物或衬垫的作用是使膜7与构件1的表面11保持一定的距离。促流装置15可以是栅格或网栅，也可以是一种刚性的编织物或在真空下不会严重压实的针织物或编织物，并可例如用金属、塑料或纺织半成品制成。
由支承板5、构件1、带密封圈9以及带剥离织物13的膜7和促流装置15组成的装置17用一种不透气的箔19覆盖。该箔围绕膜7的周边用密封件21密封在模具3上，这样，由模具3的外表面23和箔19的内壁25构成的第二空间或内腔27四周都是密封的。在箔19和膜7之间放一种通气织物32，该织物例如可以是玻璃布、纤维网等等。该通气织物32的作用是使从内腔27中通过该膜排出的空气和气体在内腔25中沿着膜表面通过真空29泵抽走。内腔27可用一个真空泵29(未示出)和一根引入内腔27中的相应气管31抽真空。此外，在内腔27中伸入了第二根管33，母体材料尤其是树脂要通过该管流入内腔27中。
把连接在一个树脂贮罐(未示出)上的软管或管33引入一个第一空间10内的内腔25中，以便把母体材料输入构件1。如果选用的树脂系统在注射过程中需要热处理时，则模具和母体材料的贮罐应分别放在加热板上、加热室内、可加热的液体(油槽等)内或可调温的炉子内。
对箔19、剥离织物13、膜7、通气织物32和促流装置15的共同要求是，在工艺过程中必须耐受所用的母体系统并耐受过程产生的温度。根据产生的几何形状，这种几何形状必须允许以伸直、折叠等方式进行堆放。
箔19是一种符合先有技术的真空膜，这种膜不透气具有上述特点，其作用是使第二空间27与周围密封。其所用的典型材料为箔或橡胶膜。在180℃(350°F)的使用例子例如可以是聚四氟乙烯(PTFE)、氟化乙丙烯(FEP)等为基材的箔。根据所选用的母体系统及其特定的固化温度，在考虑上述要求的情况下，也可用别的材料。
剥离织物13(在文献中也叫剥离层)具有这样的作用，即在过程结束后，用母体材料填充的促流装置15比较容易剥离即与构件1分离，因为上述所有辅助材料都只是制造构件1采取的辅助措施。剥离织物13与母体材料和构件表面不形成永久连接。这是通过剥离织物的表面结构和/或通过附加的防粘接涂层(例如聚四氟乙烯、硅等)来实现的。作为典型的材料可用玻璃织物、尼龙织物等等。剥离织物必须透气并在两个方向内可渗透母体材料。
膜7是一种例如用工程塑料材料制成的半渗透膜，这种膜能耐受过程引起的温度和介质作用。此外，这种膜透气，但不透与水比较具有粘度的液体。这种特性是通过该膜上设置的透气孔来实现的，这些透气孔或多或少呈大面积状分布在膜表面上。这些孔的尺寸选择成不使母体系统通过。膜的厚度在十分之一毫米的范围内波动。通过使用这种典型的塑料材料提供了包模成型的足够柔软性。
在促流装置15上方的透气织物32的作用是把通过该薄膜排出的空气和别的挥发成分引到真空泵29抽走。这种材料可由任意成分组成，只要能满足过程所用的材料应具有足够的耐温和耐介质作用并在纵向起空气管道即可。为此，可用毛茸垫、织物、针织品、编织物等，它们可用金属、塑料或别的材料。
促流装置15的作用是把通过母体输入管输入空间25中的母体材料分配到构件表面1上。所以促流装置15具有流动通道的作用。在膜19建立真空的情况下，促流装置15具有一个最低厚度，以便实现这种流动。所以在膜7和构件1之间有一个垫片来构成一个流动通道。该促流装置可以是一种编织物、织物、针织物等，它们具有尽可能的粗网眼结构，以便产生很小的流阻。只要能满足上述的共同最低要求(耐温和耐介质)，则可用任一种材料，例如金属或塑料等。为了有助于母体的输送，母体输入管33可在任意距离输入第一空间10中。允许设置分管或多根输入管。在第一空间10中，这根母体输入管具有例如孔眼、横槽、纵槽等形式的孔。从而有助于促流装置中的树脂输送。
图2和图3表示图1所示的本发明装置，只是在图中分别示出了一个不同的构件1，其中相同功能的零件在图中对应相同的参考标记。从图中可以看出，本发明的装置适用于几乎任意形状的构件。图2涉及一种饰板(构件1)的示意图，该构件在一个方向内通过帽形加固。该帽形轮廓具有一个泡沫芯35或一个用别的任意材料构成的具有封闭表面芯，其上放置帽形的干式纤维复合材料半成品34。纤维复合材料34用构件1的相同或相似材料制成。泡沫芯35和半成品34都是构件1的组成部分。
图3中的构件1同样是一块饰板，它在纵向内用一个或多个T型筋36加固。所以按图3制造的构件1是由单个组成部分1和34组成的。其中T形筋34用构件1的相同或相似的材料制成。此外，这个构件方案需要一个支撑37来固定干的并在未浸渍状态中稳定的T形筋36。该支撑37可用常用的刚性或半柔软的模具材料例如金属、木材、橡胶、塑料等制成。由于与母体材料产生直接接触，支撑37的材料必须在工艺过程中相对于母体材料保持其形状。
图4和5表示不同种类的树脂系统的典型的真空变化过程91和温度变化过程92。其中，图4的变化过程涉及350°F系统，而图5则涉及室温系统。
温度变化过程和真空变化过程至少分为两个阶段，即注射阶段101和固化阶段103。在这两个阶段后还可设置一个回火阶段102。温度在注射阶段101内比在固化阶段103内低。
温度变化和真空控制这样进行，使固化的构件达到理想的质量、很少甚至没有孔和适当的纤维体积比。温度的给定值可从母体材料的材料要求中得知。而真空度则在整体过程中直至固化都与所选用的母体材料无关，亦即真空度在母体材料从液体变成不可逆固态的整个过程中都可保持在相同的水平。必须保持的正常值和公差例如为1至10毫巴(绝对压力，接近理想真空)。在固化阶段103以后不再需要真空。需要的温度变化过程可作如下的描述：在完全真空情况下的注射阶段101的过程中，所需的温度由母体粘度曲线来确定。这个温度是这样选择的，即母体材料变成足够流态，以便用真空抽力通过输料管33输入内腔25中。这是这个过程所需的最低温度。与此同时，这个温度不允许选得很高，以至达到固化(粘度损失、母体呈固态)。所以过程温度应这样调节(视所选用的母体材料而定)：能够进行注射(很小的粘度)，且在固化前的剩余时间，即内腔25用母体材料完全注满应具有足够的时间(专业术语叫胶凝时间)。注射阶段过程中所需的典型粘度例如为1至1000毫帕秒。在350°F(180℃)系统时的典型温度例如为：注射阶段101为70至120℃，固化阶段103约为100至180℃，回火阶段102约为160至210℃。
在选用的母体材料例如为室温母体材料时，最好这个方案的注射温度101等于固化温度103等于回火温度102。
在注射阶段101(图4)之前已建立真空。根据本发明的方法，注射时所需的真空一般为1至10毫巴，这个真空度一直持续到固化阶段结束而不允许下降。
下面介绍本发明工艺步骤：
按结构设计规定把干材料(例如碳纤维增强塑料纺织物、织物等)放入一个任意的固化模中，所以层结构是由半成品单层组成的。模具用脱模剂或隔离膜和剥离织物(一起构成构件1下侧的支承层5)进行预处理，以免母体材料与模具粘接，并便于构件重新与模具表面分离(脱离)。构件1的干材料最好设有剥离织物13。此外，所谓的促流装置15是简单放置在这个支承层上方的。在复杂的构件1时，用例如耐温的粘接带进行局部的侧向固定是有意义的。在该促流装置15上放置只透气但不透液体的膜7，并用密封件21密封，然后将透气织物32放在膜7上面并用箔19和密封件21密封周围。在这个过程中，母体输入管33和真空管29用市售的套管和密封件按图1引入。
在放上以上材料和膜或真空膜19后，第一空间10用真空泵抽真空。与此同时，母体材料贮罐与该系统连接，以便把母体材料送入第一空间10中。通过真空产生一个压力降，来把母体材料从贮料罐中吸入已抽真空的第一空间25中。从现在起，母体材料或多或少畅通无阻并几乎与其粘度特性无关而通过促流装置15和输料管33分配到构件表面上。存在的空气则通过内腔27的持续抽真空而通过膜7排出。在流阻大的层结构内，母体材料不流动。确切地说，母体材料从构件表面垂直向下渗入压层中。所以在构件任意点上的最大流程直接与该点的构件厚度有关。因此，流阻很小，这样也可用那些由于其粘度而在过去不可能渗透的树脂系统，并可生产尺寸大的构件。
膜7用来避免局部气垫。如果例如形成流锋的关闭，并由此在内腔25的构件1中产生封闭的气垫而没有随空气抽出，则不可能有树脂流入该气垫中。这样就会产生一个缺陷点(没有浸透)。不透气的膜7防止了这种现象，因为在构件的任一点上空气都可垂直于表面通过该膜进入可排气的没有树脂的真空空间27中并在该处在膜7的上方通过真空连接29用透气织物32抽走。该膜不渗透树脂。所以不需要监控流锋，因为浸渍过程是自动调节的。浸渍的程度直接随过程提供的浇入的树脂量及浇入的纤维量而定。
在完全浸透后，在保持相同真空度的情况下，通过适当的温度进行固化。对以前的工艺过程来说，由于化学过程产生的气泡(母体冒泡、挥发成分等)势必在制成的构件中形成孔。而这里通过膜7则防止了这种现象，在为通过膜7可进行垂直于构件表面的永久排气。
在完成固化后，构件即可脱模。这就是说，所有的工艺辅助材料都必须用手重新从构件1上清除掉并从模具3中取出构件。具有用母体浸渍的半成品的这种脱模的硬化构件可根据要求进行纯粹的热后处理(在区段102进行回火)。回火也可在脱模之前进行，但为了减少模具占用时间，都不在脱模之前进行回火。
用本发明方法制造的构件的尺寸几乎是不受限制的。当然，在制造之前必须考虑到构件的搬运问题(运输等)。构件的最小尺寸是没有的。可达到的最大取决于所用的树脂型号和提供的注射时间。该注射时间是通过经济限制而不是通过技术限制来确定的。其他不希望有的副作用例如固化过程中的放热反应只与树脂系统有关，而与方法无关。
综上所述，本发明涉及一种用注塑法注射母体材料来制造由干式纤维复合半成品组成的纤维增强塑料构件的方法，在这种方法中，从第二空间27中抽走空气，从而使第一空间10与第二空间27产生一个压力差，且母体材料从贮料罐吸入已抽真空的第一空间10。由于促流装置15，母体材料被分布到面向膜7的半成品1的表面上并垂直渗入半成品1中。通过促流装置在构件表面上的母体材料的分布以及通过膜箔在构件和促流装置上方的大面积排气的可能性相结合可在真空下无过压固化时达到理想的质量。

Claims (2)

1.用注塑法注射母体材料来制造由干式纤维复合半成品组成的纤维增强塑料构件的方法，包括下列步骤：
1.1把纤维复合半成品(1)放到一个模具(3)上，其中把促流装置(15)放到半成品(1)的表面上；
1.2用透气但不透母体材料的膜(7)至少在一侧围绕半成品(1)形成第一空间(10)，且母体材料可引入第一空间(10)中；
1.3用一种不透气和不透母体材料的密封箔(19)朝模具(3)的周围界定一个空间，以形成与第一空间(25)相邻的第二空间(27)；
1.4从第二空间(27)抽出空气，从而把母体材料从贮料罐中吸入已抽真空的第一空间(10)中，且促流装置(15)引起面向它的半成品(1)的表面上方的母体材料分布并使母体材料垂直渗入半成品(1)中。
2.用注塑法注射母体材料来制造由干式纤维复合半成品组成的纤维增强塑料构件的装置，包括：一个用来放置纤维复合半成品(1)的模具(3)；一种透气但不透母体材料的膜(7)，该膜至少一侧围绕半成品(1)放置并形成第一空间(10)，母体材料可引入该第一空间中；一个布置在半成品(1)的表面(11)上的促流装置(15)；一个邻接第一空间(25)的、相对于模具(3)密封的第二空间(27)，该第二空间用一种不透气和不透母体材料的箔(19)界定周围而成，其中在从第二空间(27)抽出空气时，母体材料从贮料罐吸入已抽真空的第一空间(10)中，且促流装置(15)引起面向它的半成品(1)的表面上方的母体材料分布并使母体材料垂直渗入半成品(1)中。
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