2-熱壓罐成型和VARI成型工藝(PPT52頁)

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1、潘利劍潘利劍航空復合材料結構制造基本原理航空復合材料結構制造基本原理第二課第二課熱壓罐成型和熱壓罐成型和VARIVARI成型工藝成型工藝航空復合材料結構制造基本原理航空復合材料結構制造基本原理航空復合材料結構制造基本原理航空復合材料結構制造基本原理熱壓罐成型熱壓罐成型真空輔助成型真空輔助成型內容提要內容提要航空復合材料結構制造基本原理航空復合材料結構制造基本原理航空復合材料結構制造基本原理航空復合材料結構制造基本原理熱壓罐成型熱壓罐成型航空復合材料結構制造基本原理航空復合材料結構制造基本原理航空復合材料結構制造基本原理航空復合材料結構制造基本原理熱壓罐成型工藝過程熱壓罐成型工藝熱壓罐成型工藝航

2、空復合材料結構制造基本原理航空復合材料結構制造基本原理航空復合材料結構制造基本原理航空復合材料結構制造基本原理熱壓罐成型工藝熱壓罐成型工藝第一步：預浸料制備（纖維浸潤樹脂）第一步：預浸料制備（纖維浸潤樹脂）航空復合材料結構制造基本原理航空復合材料結構制造基本原理航空復合材料結構制造基本原理航空復合材料結構制造基本原理n 手工下料手工下料n 自動下料：自動下料：拖刀、高頻振蕩刀、超聲刀拖刀、高頻振蕩刀、超聲刀第二步：預浸料裁剪（根據結構幾何尺寸）第二步：預浸料裁剪（根據結構幾何尺寸）熱壓罐成型工藝熱壓罐成型工藝航空復合材料結構制造基本原理航空復合材料結構制造基本原理航空復合材料結構制造基本原理航

3、空復合材料結構制造基本原理第三步：預浸料鋪放第三步：預浸料鋪放v手工鋪放：適合小型復雜結構，工程中需手工鋪放：適合小型復雜結構，工程中需激光投影定位，過程中需要預壓實激光投影定位，過程中需要預壓實v自動鋪放：自動鋪帶、自動鋪絲適合大型自動鋪放：自動鋪帶、自動鋪絲適合大型相對簡單結構相對簡單結構熱壓罐成型工藝熱壓罐成型工藝航空復合材料結構制造基本原理航空復合材料結構制造基本原理航空復合材料結構制造基本原理航空復合材料結構制造基本原理第三步：預浸料鋪放第三步：預浸料鋪放熱壓罐成型工藝熱壓罐成型工藝航空復合材料結構制造基本原理航空復合材料結構制造基本原理航空復合材料結構制造基本原理航空復合材料結構制

4、造基本原理自動鋪帶技術 ATLv 優點 適合大型結構件鋪層 大幅度節省時間、勞力，速度較手工 提高10倍 節省原材料，廢品率僅3-5%(手工25-30%)纖維鋪貼角度更準，重復性好v 應用實例A380中央翼盒、尾翼、襟翼，B787機翼蒙皮ATL:Automated Tape Laying第三步：預浸料鋪放第三步：預浸料鋪放熱壓罐成型工藝熱壓罐成型工藝航空復合材料結構制造基本原理航空復合材料結構制造基本原理航空復合材料結構制造基本原理航空復合材料結構制造基本原理自動鋪絲技術 AFPv 優點(與ATL相比）適合于大曲面的制件v 應用實例B787機身，A380后機身非承壓部分AFP:Automate

5、d Fiber Placement自動鋪絲視頻第三步：預浸料鋪放第三步：預浸料鋪放熱壓罐成型工藝熱壓罐成型工藝航空復合材料結構制造基本原理航空復合材料結構制造基本原理航空復合材料結構制造基本原理航空復合材料結構制造基本原理真空袋真空袋透氣氈透氣氈有孔隔離膜有孔隔離膜1 1吸膠氈吸膠氈有孔隔離膜有孔隔離膜2 2脫模布脫模布預浸料預浸料脫模布脫模布脫模劑脫模劑模具模具抽真空抽真空密封膠帶密封膠帶第四步：封裝第四步：封裝熱壓罐成型工藝熱壓罐成型工藝航空復合材料結構制造基本原理航空復合材料結構制造基本原理航空復合材料結構制造基本原理航空復合材料結構制造基本原理 真空袋：提供真空環境真空袋：提供真空環境

6、 透氣氈：保持真空袋內均一的真空壓力（分壓）透氣氈：保持真空袋內均一的真空壓力（分壓）有孔隔離膜有孔隔離膜1 1：防止樹脂流動至透氣氈，但是需要小分子氣體能夠通過至：防止樹脂流動至透氣氈，但是需要小分子氣體能夠通過至透氣氈透氣氈 吸膠氈：吸收被擠出而過剩的樹脂吸膠氈：吸收被擠出而過剩的樹脂 有孔隔離膜有孔隔離膜2 2：讓樹脂和小分子氣體能夠通過：讓樹脂和小分子氣體能夠通過 脫模布：讓復合材料制品表面具有布紋便于后續粘接或噴漆工序，同時脫模布：讓復合材料制品表面具有布紋便于后續粘接或噴漆工序，同時脫模布應能夠從制件表面剝離脫模布應能夠從制件表面剝離 脫模劑：防止樹脂粘住模具表面脫模劑：防止樹脂粘

7、住模具表面熱壓罐成型工藝熱壓罐成型工藝航空復合材料結構制造基本原理航空復合材料結構制造基本原理航空復合材料結構制造基本原理航空復合材料結構制造基本原理放輔料、打真空袋熱壓罐成型工藝熱壓罐成型工藝航空復合材料結構制造基本原理航空復合材料結構制造基本原理航空復合材料結構制造基本原理航空復合材料結構制造基本原理熱壓罐固化工藝的設定，主要包括溫度，壓力，時間，真空度，升溫速熱壓罐固化工藝的設定，主要包括溫度，壓力，時間，真空度，升溫速率等參數設定，不同樹脂體系，固化工藝不同率等參數設定，不同樹脂體系，固化工藝不同真空壓力外加壓力溫度時間第五步：熱壓罐內固化成型第五步：熱壓罐內固化成型樹脂粘度變化樹脂粘

8、度變化熱壓罐成型工藝熱壓罐成型工藝航空復合材料結構制造基本原理航空復合材料結構制造基本原理航空復合材料結構制造基本原理航空復合材料結構制造基本原理用于制造B787機身筒體的熱壓罐(23.29.1米)熱壓罐成型工藝熱壓罐成型工藝航空復合材料結構制造基本原理航空復合材料結構制造基本原理航空復合材料結構制造基本原理航空復合材料結構制造基本原理熱壓罐固化用成型模具v 選材原則 足夠的剛度、強度以保證不變形 良好的熱傳導性和熱穩定性 與構件相匹配的熱膨脹系數 易于成型和加工，低成本材料特 點鋁導熱性和加工工藝性好，但熱膨脹系數大，并且硬度低，易受損傷鋼剛性大，使用溫度高，但升溫速率慢。高溫成型大型制件時

9、需考慮熱膨脹碳纖維復合材料熱膨脹系數與所成型的復合材料構件一致，剛度大，但材料成本高，耐溫低，有吸濕問題Invar鋼熱膨脹系數低，使用溫度高，但價格昂貴，升溫速率低航空復合材料結構制造基本原理航空復合材料結構制造基本原理航空復合材料結構制造基本原理航空復合材料結構制造基本原理熱壓罐固化典型缺陷v 分層由于層間應力或制造缺陷引起的層與層之間的分離，即層間的脫膠或開裂。v 控制方式 設計和工藝上減小殘余應力 提高樹脂韌性分層的顯微照片航空復合材料結構制造基本原理航空復合材料結構制造基本原理航空復合材料結構制造基本原理航空復合材料結構制造基本原理熱壓罐固化典型缺陷v 變形復合材料制品與設計標準不符，

10、外形曲率等參量發生變化的一種缺陷形式 v 控制方式 鋪層設計(角度、比例、順序)工藝優化(固化溫度、降溫速度)模具種類(材料類型、結構形式)強迫矯正(加強筋、施加應力)航空復合材料結構制造基本原理航空復合材料結構制造基本原理航空復合材料結構制造基本原理航空復合材料結構制造基本原理熱壓罐固化典型缺陷v 孔隙復合材料成型過程中形成的微觀小孔v 氣孔孔隙長大到一定程度，成宏觀狀態出現的一種缺陷形式孔隙氣孔航空復合材料結構制造基本原理航空復合材料結構制造基本原理航空復合材料結構制造基本原理航空復合材料結構制造基本原理熱壓罐固化典型缺陷v 脫粘兩層復合材料膠接界面之間發生大面積的脫開現象v 富脂與貧膠復

11、合材料制件中部分區域樹脂含量過高，稱為富脂；部分區域樹脂含量過低，稱為貧膠。v 夾雜制造過程中無意間帶進制件中的雜質，如顆粒、碎片、膜片等航空復合材料結構制造基本原理航空復合材料結構制造基本原理航空復合材料結構制造基本原理航空復合材料結構制造基本原理整體化成型技術v 共固化(Co-curing)兩個或兩個以上的零件經一次固化成型而制成一個整體制件的工藝方法v 二次膠接(Secondary Bonding)兩個或多個預固化的復合材料零件通過膠接而連在一起，其間僅有的化學或熱的反應是膠膜的固化（Boeing定義)v 共膠接(Co-bonding)把一個或多個已經固化成型而另一個或多個尚未固化的零件

12、通過膠 粘劑(一般為膠膜）在一次固化中固化并膠接成一個整體制件的工藝 方法，是共固化與二次膠接的組合。航空復合材料結構制造基本原理航空復合材料結構制造基本原理航空復合材料結構制造基本原理航空復合材料結構制造基本原理整體化成型技術優點v 減少零件數目和連接件數目v 易于實現翼身融合體布局v 增加機體表面光滑完整程度v 避免鉆孔，減少構件加工損傷A340垂直安定面：零件數2000件100件A310、A330垂直安定面：零件數2000件 20件航空復合材料結構制造基本原理航空復合材料結構制造基本原理航空復合材料結構制造基本原理航空復合材料結構制造基本原理平尾工藝方案-整體共固化整體化成型實例航空復合

13、材料結構制造基本原理航空復合材料結構制造基本原理航空復合材料結構制造基本原理航空復合材料結構制造基本原理平尾外伸盒端工藝方案整體化成型實例航空復合材料結構制造基本原理航空復合材料結構制造基本原理航空復合材料結構制造基本原理航空復合材料結構制造基本原理整體化成型技術風險v 成型：大件報廢，風險增大v 模具：大而復雜，工裝成本上升v 檢測：大型件的無損檢測v 材料：膠粘劑，特殊材料需要在成型與裝配成本之間進行平衡航空復合材料結構制造基本原理航空復合材料結構制造基本原理航空復合材料結構制造基本原理航空復合材料結構制造基本原理真空樹脂注入成型特點：真空樹脂注入成型特點：衍生自衍生自RTMRTM工藝工藝

14、 基本特點與基本特點與RTMRTM相同相同 樹脂流動由真空壓力驅動樹脂流動由真空壓力驅動(與與RTMRTM不同不同)僅需半面模具，另一面為真空袋僅需半面模具，另一面為真空袋 制品一面光滑制品一面光滑 低成本工裝設備低成本工裝設備 模具通常需要加熱以固化樹脂模具通常需要加熱以固化樹脂 生產周期較長生產周期較長 機械化，自動化程度低機械化，自動化程度低 制品力學性能較高，缺陷少制品力學性能較高，缺陷少 適合制造大型，超大型部件適合制造大型，超大型部件真空輔助工藝真空輔助工藝液體成型工藝液體成型工藝航空復合材料結構制造基本原理航空復合材料結構制造基本原理航空復合材料結構制造基本原理航空復合材料結構制

15、造基本原理大型，超大型殼類部件液體成型工藝液體成型工藝真空輔助工藝真空輔助工藝航空復合材料結構制造基本原理航空復合材料結構制造基本原理航空復合材料結構制造基本原理航空復合材料結構制造基本原理脫模修整封 裝材料鋪放導入樹脂噴涂膠衣配樹脂模具清理，脫模劑的涂抹纖維織物，脫模布，導流網，導流管和真空管密封膠帶，真空袋連接樹脂收集器和真空泵保壓，檢查氣密性脫泡按固化工藝固化 1.2 VARI成型工藝流程準備模具抽真空航空復合材料結構制造基本原理航空復合材料結構制造基本原理航空復合材料結構制造基本原理航空復合材料結構制造基本原理2.1 VARI工藝對樹脂要求n 1 黏度低，粘度范圍：0.1-0.3Pa.

16、s;n 2 足夠長時間內黏度不變，有利于浸透、排氣;n 3 可在較低溫度下完全固化;n 4 固化時無需額外壓力，只需真空壓力;n 5 具有良好的力學性能，滿足結構使用要求;n 6 具有較高的玻璃化轉變溫度，滿足耐熱要求。航空復合材料結構制造基本原理航空復合材料結構制造基本原理航空復合材料結構制造基本原理航空復合材料結構制造基本原理2.2 VARI工藝樹脂種類聚酯樹脂、乙烯基樹脂、環氧樹脂、雙馬樹脂、氰酸酯樹脂等。成本較低，強度和耐熱性較差，主要應用于船舶領域。性能相對較高，主要應用于航空航天領域，風機葉片也大多采用環氧樹脂。航空復合材料結構制造基本原理航空復合材料結構制造基本原理航空復合材料結

17、構制造基本原理航空復合材料結構制造基本原理2.3 VARI樹脂低粘度平臺（工藝窗口）預報樹脂粘度-溫度曲線樹脂粘度-時間曲線對同一種樹脂，通常二者不可兼得VARI樹脂兩個重要工藝參數：注膠溫度，操作時間根據具體結構，選擇合適的注膠溫度，同時滿足粘度和工藝操作時間要求VARI樹脂要求：粘度低，操作時間長航空復合材料結構制造基本原理航空復合材料結構制造基本原理航空復合材料結構制造基本原理航空復合材料結構制造基本原理最佳交聯固化溫度范圍起始固化溫度峰值溫度升溫速率0/min起始固化溫度（凝膠溫度）升溫速率0/min峰值溫度（固化溫度）2.4 樹脂固化特性不同升溫速率下樹脂體系的DSC分析外推法求升溫

18、速率為0/min固化起始溫度和峰值溫度樹脂固化溫度航空復合材料結構制造基本原理航空復合材料結構制造基本原理航空復合材料結構制造基本原理航空復合材料結構制造基本原理2.4 樹脂固化特性-50050100150200250300350400HH t/min等溫DSC掃描固化時間航空復合材料結構制造基本原理航空復合材料結構制造基本原理航空復合材料結構制造基本原理航空復合材料結構制造基本原理2.5 NCF織物NCF（non-crimp fabrics）織物是利用先進的經編技術將連續的長纖維經多層平直鋪放并進行Z向縫合而形成的無卷曲的定向結構織物。NCF織物普通機織物航空復合材料結構制造基本原理航空復合

19、材料結構制造基本原理航空復合材料結構制造基本原理航空復合材料結構制造基本原理2.5 NCF織物n（1）更好的拉伸性能；n（3）更高的損傷容限；與普通織物結構上的差別：nNCF織物的紗線是伸直而相互平行的，而普通織物的線是卷曲的。nNCF織物為多層結構，目前最多可達八層，而普通織物一般只有兩層。nNCF織物各層之間用縫線線縫合，紗線不容易移動，而普通織物的紗線容易滑動。與普通織物性能上的差別n（2）更高的抗疲勞性能；n（4）更好的浸潤性，更高的工作效率。航空復合材料結構制造基本原理航空復合材料結構制造基本原理航空復合材料結構制造基本原理航空復合材料結構制造基本原理3.1 VARI成型的主要問題出

20、現干斑、干區；（局部滲透率變化、流道效應等）夾雜氣泡；（漏氣、樹脂脫泡不干凈，小分子揮發等）厚度或纖維體積含量不均勻；（壓力梯度等）1432纖維體積含量低。（固化壓力低，不超過一個大氣壓力等）航空復合材料結構制造基本原理航空復合材料結構制造基本原理航空復合材料結構制造基本原理航空復合材料結構制造基本原理1 采用粘度低、力學性能好的樹脂;2 樹脂粘度應在0.10.3Pas范圍內，便于流動和滲透;3足夠長時間內樹脂粘度不超出0.3Pas;4 樹脂對纖維浸潤角小于8;5 足夠的真空度，真空度不低于-97KPa;6 選擇合適的導流介質，利于樹脂流動和滲透;7 保證良好的密封，防止空氣進入體系而產生氣泡

21、;8 合理的流道設計，避免缺陷的產生。3.2 VARI成型的技術要求航空復合材料結構制造基本原理航空復合材料結構制造基本原理航空復合材料結構制造基本原理航空復合材料結構制造基本原理4.1 VARI成型厚度影響因素織物所受的凈壓力織物的壓縮特性織物與樹脂的相互作用VARI成型厚度航空復合材料結構制造基本原理航空復合材料結構制造基本原理航空復合材料結構制造基本原理航空復合材料結構制造基本原理crnPPP4.2 VARI成型壓力分析為總壓力（大氣壓力，且保持不變）樹脂壓力預成型體所受的凈壓力航空復合材料結構制造基本原理航空復合材料結構制造基本原理航空復合材料結構制造基本原理航空復合材料結構制造基本原

22、理樹脂吸注前樹脂吸注過程中樹脂吸注完4.2 VARI成型壓力分析航空復合材料結構制造基本原理航空復合材料結構制造基本原理航空復合材料結構制造基本原理航空復合材料結構制造基本原理4.3 VARI成型厚度監測VARI成型厚度監測裝置渦流傳感器控制與數據采集系統航空復合材料結構制造基本原理航空復合材料結構制造基本原理航空復合材料結構制造基本原理航空復合材料結構制造基本原理厚度監測結果第一階段：樹脂吸注，織物厚度迅速增大第二階段持續注膠，厚度基本不變化第三階段：注膠結束，關閉樹脂管，厚度迅速減小4.3 VARI成型厚度監測航空復合材料結構制造基本原理航空復合材料結構制造基本原理航空復合材料結構制造基本

23、原理航空復合材料結構制造基本原理流道設計最VARI工藝的主要部分之一，包括樹脂流道和真空管路設計。合理的流道設計 避免樹脂發生干涉以及制件干斑的形成縮短樹脂滲透時間5.1 VARI成型的流道設計航空復合材料結構制造基本原理航空復合材料結構制造基本原理航空復合材料結構制造基本原理航空復合材料結構制造基本原理干斑（樹脂浸漬不充分的區域）干區（樹脂完全未浸漬的區域）流道設計不合理，容易形成干班和干區等嚴重缺陷！5.1 VARI成型的流道設計航空復合材料結構制造基本原理航空復合材料結構制造基本原理航空復合材料結構制造基本原理航空復合材料結構制造基本原理為保持樹脂凝膠前模腔內的持續真空度，需要連續不斷抽

24、真空排出模腔內的氣體，由于樹脂粘度相對較低，如果真空通道設置不合理，抽氣的同時容易將大量的樹脂，從而導致制品大面缺膠。過抽真空通道設置不合理，容易導致過抽！5.1 VARI成型的流道設計航空復合材料結構制造基本原理航空復合材料結構制造基本原理航空復合材料結構制造基本原理航空復合材料結構制造基本原理5.2 VARI成型樹脂流道設計方式高滲透介質型溝槽型在模具表面上加工導流槽;將高滲透介質（導流網）鋪放在增強體表面，樹脂從增強體表面向內部滲透。在泡沫芯材上開孔或制槽來作為樹脂流動的通道;橫向與縱向的混合流動，形成拋物線狀樹脂流動前鋒兩種形式混合在模具上加工一個或幾個主要的溝槽作為進膠的通道，用導流

25、介質將樹脂快速分散。開孔開槽夾芯材料中樹脂流動5 VARI成型的流道設計與模擬航空復合材料結構制造基本原理航空復合材料結構制造基本原理航空復合材料結構制造基本原理航空復合材料結構制造基本原理5.3 VARI成型樹脂流道設計原則1盡可能縮短樹脂流動距離，縮短樹脂流動時間，且各流道之間樹脂流動距離盡量保持一致；2保證樹脂流動在樹脂的工藝操作時間內完成。3流道之間不能發生干涉。但對于復雜結構，如沒有更為合適的流道設計方法，可以在干涉區域增加快速通道，保證在干涉區域的樹脂通暢。航空復合材料結構制造基本原理航空復合材料結構制造基本原理航空復合材料結構制造基本原理航空復合材料結構制造基本原理 由于在實際構

26、件的流道設計過程中，往往需要采用多種樹脂流道組合，只靠工藝實驗很難準確掌握樹脂在預成型體中的流動狀態，而且還需要消耗大量的人力和原材料。所以，通常采用數值模擬軟件模擬樹脂流動行為，并對VARI工藝流道進行設計。5.4 VARI成型樹脂流動模擬航空復合材料結構制造基本原理航空復合材料結構制造基本原理航空復合材料結構制造基本原理航空復合材料結構制造基本原理PAM-RTM是針對 RTM、VARI 等液體成型工藝開發的專業三維過程模擬軟件能夠方便地模擬出樹脂在預成型體內的流動狀態、壓力分布及充模時間等可以節約大量的人力和物力為VARI工藝的流道設計、工藝中瑕疵點的排除起著重要作用5.4 VARI成型樹

27、脂流動模擬航空復合材料結構制造基本原理航空復合材料結構制造基本原理航空復合材料結構制造基本原理航空復合材料結構制造基本原理上端面下端面肋方案方案進進 膠膠出出 膠膠模擬時間模擬時間/s 112條肋，下端面條肋，下端面 上端面上端面19800 2下端面下端面12條肋，上端面條肋，上端面68400 312條肋，下端面條肋，下端面 各肋中間各肋中間11條通道，上端面條通道，上端面19500 方案1方案3加筋壁板構件方案1：滲透速度最快，通道干涉。方案 2：沒有干涉，速度過慢。方案 3：沒有干涉，速度較快。5.4 VARI成型樹脂流動模擬航空復合材料結構制造基本原理航空復合材料結構制造基本原理航空復合材料結構制造基本原理航空復合材料結構制造基本原理 復合材料VARI成型技術已成為十分具有活力的復合材料低成本技術，但我國對這項技術的研究起步較晚，技術不是很成熟，以下幾個方面有待于我們進一步研究：l 1 低粘度、高性能、工藝時間期長的VARI樹脂基體的開發；l 2 VARI工藝過程影響參數的系統化研究；l 3 制品缺陷形成機理和影響因素的研究；l 4 數值模擬的細觀化和精確化研究；l 5 模擬和實踐操作相結合，提高VARI工藝的技術水平。演講完畢，謝謝觀看！