RTM LRTM工藝實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用

1  輕型RTM工藝介紹
　　傳統(tǒng)的RTM工藝，由于是閉模工藝，具有減少揮發(fā)性有機(jī)物(VOC)排放(可達(dá)SPPm以下)、擴(kuò)大可用原材料范圍、降低用工、環(huán)境友善以及可得到兩面光潔的產(chǎn)品等優(yōu)點(diǎn)。但是在RTM工藝中，樹脂的注入是在較高的壓力和流速下進(jìn)行的，因此我們要使模具的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度大到足夠在注射壓力下不破壞、不變形。通常采用帶鋼管支撐的夾芯復(fù)合材料，或用數(shù)控機(jī)床加工的鋁?；蜾撃?，這使制造費(fèi)用增大，只有對產(chǎn)量足夠大的產(chǎn)品，才能抵消模具費(fèi)用。此外為了閉合模具，要使周邊有足夠的箝緊能力或使用閉合模具的壓力系統(tǒng)。上述因素都限制了RTM工藝在大產(chǎn)品上的應(yīng)用，否則模具會(huì)變得很重．而且投資也會(huì)很大。
　　輕型樹脂傳遞模塑工藝(RTM一Light)又稱為LRTM，ECO，Vacuum Molding或VARTM。是近年來發(fā)展迅速的低成本制造工藝，目前在船艦、汽車、工業(yè)和醫(yī)用復(fù)合材料領(lǐng)域中應(yīng)用已有超過RTM工藝的趨勢。
　　RTM一Light工藝保留了RTM工藝的對模工藝，從而幾乎保留了RTM工藝的所有的優(yōu)點(diǎn)。但其上模為半剛性的玻璃鋼模，厚度一般為6一8mm，通常不需要用鋼管加固，模具有一個(gè)寬約100mm的剛性周邊，由雙道密封帶構(gòu)成一個(gè)獨(dú)立的密封區(qū)，只要一抽真空模具即閉合，非常方便、快捷。然后對模腔內(nèi)抽真空，利用模內(nèi)的負(fù)壓和較低的注射壓力將樹脂注入模具，使樹脂滲入預(yù)先鋪設(shè)的增強(qiáng)纖維或預(yù)制件中。RTM—Light的模具費(fèi)用低，而且由于模內(nèi)的受壓降低，其模具已和開模相近，很容易從開模工藝的模具改造過來。
　　RTM一Light的主要設(shè)備包括樹脂注入裝置、模具、抽真空裝置和其它輔助工具等。(圖l)

 2  輕型RTM和常規(guī)RTM比較
　　(1)模具
　　模具是這兩種工藝的最大差別，在RTM投資中，由于注射壓力大，相當(dāng)部分的成本花在模具和夾緊裝置上。這樣對于產(chǎn)量少的產(chǎn)品在價(jià)格上是不適合的。RTM工藝模具使用壽命可達(dá)5000件以上，生產(chǎn)效率高，適合年產(chǎn)2000件以上的產(chǎn)品。
　　RTM一Light的最大優(yōu)勢在于其模具生產(chǎn)成本的低廉性，費(fèi)用大概只有常規(guī)RTM模具的一半，但模具使用壽命也低于RTM模具，適合年產(chǎn)1000件左右的產(chǎn)品。 RTM一Light工藝所生產(chǎn)的產(chǎn)品尺寸可以比傳統(tǒng)RTM大，通常產(chǎn)品小到相當(dāng)于一個(gè)藍(lán)球帽，大到長8m的船體(約25m2)，但這不是尺寸的最終限制。產(chǎn)品尺寸小于藍(lán)球帽的難度是鋪加纖維，而產(chǎn)品大于8m,在如何處理上模上有難度。
　　玻璃鋼模具的缺點(diǎn)是模具表面的使用壽命短。為了得到優(yōu)良的模具壽命和產(chǎn)品的重復(fù)性和尺寸精度，RTM - Light和RTM工藝的模具都必須高質(zhì)量和具有精確的截面。在復(fù)合材料模壓工藝中，最終產(chǎn)品的表面要求的成本可達(dá)到最終產(chǎn)品價(jià)格的60%。復(fù)合材料模具能達(dá)到汽車表面質(zhì)量的使用次數(shù)為500次，然后要進(jìn)行模具的表面處理。增加壽命的一個(gè)方法是使用可更換模具面(ex-changeablemold skins)，如JHm Technologies公司的專利ZIP RTM技術(shù)，可用于RTM和RTM一Light工藝。通過使用可更換模具面來替代易損的模具表面，從而延長模具壽命和提高模具質(zhì)量，模具使用壽命可達(dá)到8000一10000次。當(dāng)同時(shí)使用幾個(gè)可更換模具面時(shí)，由于可以在模具外的可更換模具面上直接上膠衣并加熱，從而大大提高了生產(chǎn)效率。
　　(2)注射壓力、流量和設(shè)備
　　RTM工藝的注射壓力一般在0.1一0.4MPa,而RTM一Light工藝的注射壓力一般不超過.1MPa，通常在0.03-0.07MPa。
　　樹脂注射速率隨多種因素影響，如樹脂粘度，部件尺寸，纖維類型和鋪層結(jié)構(gòu)等，通常的注射速率為1.3一2升／分。
　　為防止模具變形或沖開上模(尤其是在注射口位置)，這就要求對壓力有一個(gè)較為嚴(yán)格的控制。用于RTM一Light工藝的注射設(shè)備一般都帶有壓力反饋裝置，對壓力作閉環(huán)控制。也可以在RTM標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備線上設(shè)計(jì)一個(gè)簡單的氣壓控制(VMPC模具保護(hù))系統(tǒng)和一個(gè)和VMPC配合用的POD電子閉環(huán)系統(tǒng)，就可以在不導(dǎo)致模具變形和破壞的情況下，利用原生產(chǎn)設(shè)備得到最佳的生產(chǎn)率。
　　設(shè)備研究也在向低價(jià)化和多用途化發(fā)展，Plastech的SSB注射設(shè)備，采用專利的活塞改造精密計(jì)量泵，其催化劑最低配比可達(dá)0.5%，配合工業(yè)用MPG(Mould pressureguard)，可由機(jī)器自行控制泵速，在12一15秒，可浸漬1m2增強(qiáng)材料，浸潤速度可精確控制。駭設(shè)備配置其它選項(xiàng)，還可用于手糊工藝的配膠和刷膠等。
　　(3)生產(chǎn)效率和成本
　　RTM一Light工藝是一個(gè)低成本生產(chǎn)技術(shù)。相比傳統(tǒng)RTM技術(shù)，模具成本低、不需要復(fù)雜的籍緊裝置或壓力系統(tǒng)、投資小、操作簡單，節(jié)約人力資本等。和開模工藝相比，它具有產(chǎn)品尺寸精度高，空隙率低、生產(chǎn)時(shí)苯乙烯的揮發(fā)量少，環(huán)境友善、材料浪費(fèi)量少(樹脂利用率可達(dá)95%)，廢品率低，生產(chǎn)效率高等優(yōu)點(diǎn)。
　　由于注射壓力較低，樹脂的流速不能加速到最佳流速，以前RTM一Light工藝的生產(chǎn)速度比RTM工藝少一半，以每班8小時(shí)計(jì)，對于采用膠衣表面和非加熱模工藝，RTM工藝每班可生產(chǎn)10一12模，RTM - Light工藝只能生產(chǎn)4一6模。對于一個(gè)34平方英尺需要加熱固化的產(chǎn)品，RTM工藝，在使用水壓機(jī)，加熱模具，并有5個(gè)可更換模時(shí)，每班可生產(chǎn)40模。同樣情況的RTM - Light工藝，可生產(chǎn)20模。但不需要用水壓機(jī)，模具價(jià)格也低一半。
　　近年來通過模具設(shè)計(jì)和工藝控制的改進(jìn)，兩者生產(chǎn)速度已接近。如Xiraplas公司在采用RTM一Light工藝替代開模工藝后，車間變得井然有序，利用原有的50名工人，和3000m2車間面積，使得產(chǎn)量增加了25%。據(jù)該公司聲稱和原開模工藝相比，生產(chǎn)效率提高了90%。
　　(4)流道設(shè)計(jì)
　　 一般RTM工藝的流道設(shè)計(jì)都從中心注入，從周邊排出。但RTM-Light工藝通常從周邊流入，從中心排出。我們知道，當(dāng)樹脂從樹脂管道進(jìn)入模腔后，與織物相遇，織物對樹脂會(huì)產(chǎn)生一個(gè)反壓力(阻力)。反壓力的大小和織物的滲透率、樹脂的粘度以及樹脂的流速有關(guān)，當(dāng)織物和樹脂選定的情況下，則和樹脂的流速成正比。以一個(gè)面積為3M2，厚度為3mm的產(chǎn)品為例，一般注入壓力為0.05MPa，注入時(shí)間為6min，注入流量為1.33L/min。如果從中心注入，并保持流量不變，則反壓力可增加到0.1MPa以上，從而導(dǎo)致模具的打開或漲?，F(xiàn)象，并導(dǎo)致樹脂流動(dòng)前鋒失控及產(chǎn)品形成干斑等問題。為此必須要降低流速，但這又延長了注入時(shí)間，所以從中心注入，往往要超過6分鐘。當(dāng)從周邊注入時(shí)，樹脂首先進(jìn)入一個(gè)間隙約為1mm的幾乎無阻力的周邊流道，然后再進(jìn)入纖維，由于樹脂進(jìn)入纖維的通路增加(由一個(gè)點(diǎn)變成一個(gè)周邊)，相對樹脂在織物中的流速也減慢，反壓力也減小，注入流量可增加，注入時(shí)間可縮短。試驗(yàn)表明，對于一個(gè)0.2m2的產(chǎn)品，從周邊注人的時(shí)間為2.1分鐘，而從中心注入為9分鐘，速度相差四倍。當(dāng)然RTM工藝也可以從周邊注入樹脂，其內(nèi)腔的壓力梯度不變，但壓力的最高點(diǎn)從原中心點(diǎn)移到周邊，這對控制模具的變形是有利的，因?yàn)槟＞叩闹苓厔傂詢?yōu)于中心區(qū)，但同時(shí)對周邊的密封要求也提高了。
　　流道設(shè)計(jì)隨產(chǎn)品而異，如Spectrayte公司的18m長燈柱，采用長形流道。Brands公司的6m2樓板，由于是不對稱結(jié)構(gòu)，采用兩個(gè)出口，在不同的結(jié)構(gòu)中心，各放了一個(gè)樹脂收集器(Catchpot)，注射時(shí)間15分鐘。而荷蘭皇家海軍的13m2船體制造，由于產(chǎn)品較大，采用了兩個(gè)對角線安排的樹脂進(jìn)口。
　　(5)產(chǎn)品精度、結(jié)構(gòu)及其它
　　RTM和RTM一Light產(chǎn)品的尺寸粘度和重復(fù)性都受模壓用樹脂、工藝控制和產(chǎn)品固化情況的影響。產(chǎn)品截面精度還受工藝中樹脂流動(dòng)速率和注射壓力的影響。對于RTM工藝當(dāng)模具按標(biāo)準(zhǔn)制造，不發(fā)生彎曲，合適的夾緊裝置或用壓機(jī)夾緊，則部件的尺寸精度重復(fù)性很好，厚度偏差不大于0.OlOmm。而RTM一Light工藝通常上模有一定的變形，但產(chǎn)品尺寸精度也可以達(dá)到士0.020mm。個(gè)別地方為4士0.030mm。
　　RTM和RTM一Light工藝都可壓制夾芯材料。芯材可采用輕木和泡沫。但RTM工藝有高的注射壓力，限制了低密度泡沫材料的使用，泡沫最低密度不小于80Kg/m3，而RTM一Light和ZIP RTM工藝的壓力較低，他所用的泡沫密度可小到37Kg/m3。但要指出的是在制造夾芯材料時(shí)，芯材的尺寸精確性要滿足模具要求，以保證模壓工藝和產(chǎn)品質(zhì)量的重復(fù)性。
　　RTM和RTM一Light工藝也可以使用預(yù)制件和嵌件，當(dāng)使用預(yù)制件時(shí)可得到高纖維體積含量的產(chǎn)品。
　　RTM-Light工藝產(chǎn)品可以不上膠衣，只要一般的脫模蠟，產(chǎn)品就可脫模。但RTM產(chǎn)品如不用膠衣，脫模較為困難。
　　和開模工藝相比RTM一Light的投資還是相對較高，必須考慮產(chǎn)量對于配置模具必需的成本的合理性。此外，工藝的專業(yè)性強(qiáng)，日常維護(hù)任務(wù)重也影響一些手工鋪層的復(fù)合材料制造商對RTM一Light的使用。
　　相對于RTM來說，RTM一Light擁有耗能低，對模具的剛性等指標(biāo)要求不是太高等的優(yōu)點(diǎn)，但是對樹脂的黏度，樹脂和增強(qiáng)材料的相容性，還有對樹脂前鋒的前進(jìn)速度的要求很高。

3  輕型RTM工藝中要注意的問題
　　RTM一Light工藝是一個(gè)專業(yè)性較強(qiáng)的工藝，操作人員必須經(jīng)過適當(dāng)?shù)呐嘤?xùn)。如果沒有合理的纖維鋪層、好的氣密性和精確的模具安裝，沒有一致的樹脂流道控制，產(chǎn)品就會(huì)出現(xiàn)雜亂的干斑，徑向氣泡，以及樹脂富集等問題。下面對相關(guān)問題作簡要解說。
　　(1)密封性
　　RTM一Ligh工藝對細(xì)節(jié)性問題要求較高，特別是模具的密封性問題。周邊夾緊用的真空槽的真空度越低越好。內(nèi)腔的真空度一般控制在15mm一Hg左右。周邊夾緊用真空密封槽采用柔性氯丁橡膠的翼式密封圈(Wing seal profile)，其底部寬為20mm，密封圈接頭處要垂直切割，用柔性膠粘劑膠合，以保證其彈性。外圈再用6mm寬硅橡膠封邊。
　　在模塑的過程中，除了要注意模具真空密封膠的密封性，還要注意到模具的裝配、密封圈和管子的連接、以及模具的裂口等造成的泄漏。事實(shí)上，任何密封口或者是樹脂入口處的接頭，包括真空區(qū)的出口都應(yīng)該嚴(yán)格的檢查。一個(gè)更為隱蔽的漏氣原因是，在模具面板的表面有裂紋，這些原因通常不被發(fā)現(xiàn)。這種問題的解決方法是，在模具內(nèi)部未達(dá)到真空以前，用催化劑調(diào)制過的樹脂涂抹在模具的外表面，這是一種很有效的方法。
　　此外密封面要保持清潔，盡量不用溶劑清洗。脫模劑最好選擇免清洗的半永久性脫模劑。
　　(2)上下模的精密配合。
　　上下模的精密配合有助于模內(nèi)空腔的壓力平衡，使樹脂滲透均勻，有助于產(chǎn)品質(zhì)量的提高。由于上模是半剛性模，每次合模必須仔細(xì)校正。
　　如果在產(chǎn)品同一位置連續(xù)地出現(xiàn)白斑，這可能是因?yàn)槟＞唛]合的不準(zhǔn)確，造成內(nèi)腔的不準(zhǔn)確性，這直接導(dǎo)致了內(nèi)腔厚度的不均勻。在這種情況下，假設(shè)玻璃纖維的鋪層是均勻的，注射過程中樹脂的流動(dòng)會(huì)具有選擇性，它會(huì)選擇厚度(間隙)比較大的地方，所以在內(nèi)腔比較薄的區(qū)域就會(huì)導(dǎo)致白斑的出現(xiàn)。
　　較差的模具定位是造成模具配合不好的重要原因。當(dāng)模具的邊銷安裝好之后，模具的X軸和Y軸就自然而然地確定下來了。如果邊銷的定位不當(dāng)，就會(huì)造成不可預(yù)測的錯(cuò)誤和改變注射的特性。
　　 (3)合理的鋪層和原材料選擇，
　　由于成型壓力低RTM一Light工藝對織物的鋪層要求更為嚴(yán)格，不合理的鋪層，尤其是搭接頭的處理，會(huì)嚴(yán)重影響樹脂流道的一致性，從而造成產(chǎn)品的樹脂富集或缺膠(干斑)現(xiàn)象等。
　　在鋪層時(shí)可籍助噴膠固定織物，使鋪層更為平整。但噴膠必須和所用樹脂相溶性好，過多的噴膠對產(chǎn)品最終性能還是有一定影響。
　　不同的織物和氈對工藝有很大的影響，要盡量使用滲透率好的增強(qiáng)材料，現(xiàn)在的O.c.閉模氈或“Hi一Flow”復(fù)合氈的樹脂流速可比通常的短切氈快一倍。
　　應(yīng)根據(jù)產(chǎn)品要求的不同選擇合適的樹脂體系。盡量使用低粘度、低收縮率的樹脂。其標(biāo)準(zhǔn)和真空樹脂擴(kuò)散工藝的要求相當(dāng)。
　　(4)表面裂紋
　　產(chǎn)品表面的裂紋，會(huì)經(jīng)常在角邊區(qū)域觀察到。這是一個(gè)在樹脂富集區(qū)常見的問題。這也可以追溯到模具的制造上去。如果兩個(gè)半模不能很好地彼此配合，就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)超過預(yù)期厚度的余量。為解決這個(gè)問題，除了可修正半模之外，還可以在這些較厚的地方通過增加額外的玻璃纖維來彌補(bǔ)厚度，以防止產(chǎn)品的裂紋。
　　在大面積的平面區(qū)，會(huì)發(fā)現(xiàn)由于產(chǎn)品過厚而產(chǎn)生的模具上的裂紋。這是由于操作者任意加大樹脂的注射速度造成的。注射的速度過快，就會(huì)使得模具的內(nèi)腔膨脹，如果注射過程在一個(gè)很短的時(shí)間內(nèi)完成的話，那么腔體就沒有時(shí)間來恢復(fù)，所以過多的樹脂就會(huì)導(dǎo)致模具的裂紋。在極端的情況下，會(huì)產(chǎn)生不可修復(fù)的模具表面的裂紋。
　　(5)樹脂的溢出
　　為了接收在模塑結(jié)束之前排出的樹脂，許多制造者感到有必要用一個(gè)較大的樹脂收集器。這是他們不能精確控制模塑填充的結(jié)果。如果樹脂充填過程進(jìn)行得太快，就難以正確判斷什么時(shí)間停止注射。因?yàn)槿绻?dāng)你看到樹脂到達(dá)樹脂收集器后再停止注射，那么接著你會(huì)看到過多的樹脂會(huì)因?yàn)檫^度膨脹的模具恢復(fù)到原來的尺寸而流進(jìn)樹脂收集器。為了克服這種可能，你只能更換一個(gè)較大的樹脂收集器來防止樹脂的溢出。
　　解決這個(gè)問題的簡單方法是，預(yù)先計(jì)算要用多少樹脂。但是在模塑大件制品時(shí)，很難準(zhǔn)確地知道要用多少的樹脂。另外的方法是通過精確的氣壓控制來為操作者提供信息，以避免操作者的盲目判斷。腔內(nèi)的氣壓讀數(shù)，為操作帶來了更為準(zhǔn)確的模具填充信息，避免了較大樹脂接收器的需要。這樣的一個(gè)系統(tǒng)，保證每次注射過程后有10到100毫升的余量已足夠，這使得樹脂的浪費(fèi)達(dá)到最低，保證了利潤的增加。
　　如果在模具的邊沿真空區(qū)出現(xiàn)樹脂溢出，可以有如下幾種原因：
　?、倜芊饽z的密封不良
　　當(dāng)密封膠的路徑不在一個(gè)水平的位置時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生樹脂的泄漏現(xiàn)象，在模具的面板上如果有凸起部分，就要保證在這個(gè)部分的密封膠有足夠的壓力，以至于完全密封。一種比較好的方法是安裝一種動(dòng)態(tài)膠條，這種動(dòng)態(tài)膠條，可在復(fù)雜的邊沿路徑上自適應(yīng)密封面，當(dāng)模具閉合的時(shí)候這種膠條可以微微地膨脹而達(dá)到密封。
　　②纖維在模具中的不當(dāng)放置
　　纖維在模具中放置時(shí)局部過厚或者是沒有充分的修剪，以至于纖維不能完全被放置于模具中，并且一些纖維在密封膠的路徑上，這些將直接導(dǎo)致樹脂的泄漏，所以在做每一次的模塑之前都要認(rèn)真地檢查纖維的鋪層。
　?、嘧⑸鋲毫^大
　　另一個(gè)比較常見的引起密封膠條泄漏樹脂的原因是在注射過程中，注入管道中的壓力太大RTM一Light的模具閉合僅僅是靠大氣壓的作用，樹脂注射機(jī)可以產(chǎn)生比實(shí)際需要更大的壓力，如果沒有比較靈敏和準(zhǔn)確的壓力控制，樹脂將會(huì)泄漏進(jìn)入真空區(qū)，這將導(dǎo)致模具周圍真空的流失和模具制作的失敗。
　?、苷婵彰芊獾氖?br>　　不管是長期的還是暫時(shí)的邊緣真空損失，都會(huì)導(dǎo)致樹脂的泄露。所以不要在同一個(gè)真空系統(tǒng)下，接入幾個(gè)模具，因?yàn)檫@樣將導(dǎo)致主要真空區(qū)的真空度降低。其實(shí)一個(gè)簡單的自動(dòng)真空鎖閥門就有助于降低這種真空度失去的可能。

4  輕型RTM的應(yīng)用領(lǐng)域
　　目前常見的應(yīng)用領(lǐng)域，有航空航天、軍事、交通、建筑、船舶和能源等不一而足。例如：航空航天領(lǐng)域的艙門、風(fēng)扇葉片、機(jī)頭雷達(dá)罩、飛機(jī)引擎罩等：軍事領(lǐng)域的魚雷殼體、油箱、發(fā)射管等；交通領(lǐng)域的輕軌車門、公共汽車側(cè)面板、汽車底盤、保險(xiǎn)杠、卡車頂部擋板等；建筑領(lǐng)域的路燈的管狀燈桿、風(fēng)能發(fā)電機(jī)機(jī)罩、裝飾用門、椅子和桌子、頭盔等；船舶領(lǐng)域的小型劃艇船體、上層甲板等。