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復(fù)合材料模具的制造
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。下面是小編收集整理的復(fù)合材料模具的制造,歡迎閱讀,希望大家能夠喜歡。
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)氧樹脂板甚至粘土或木材制成。
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。
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。
“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JEDILLSLEY說(shuō),“最初,樹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。
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。
AMBER的低溫固化環(huán)氧樹脂模具預(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。
最近,相關(guān)的一些公司開始通過(guò)開發(fā)無(wú)需高溫高壓處理或增加樹脂用量的預(yù)浸料來(lái)開發(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。
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。
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,包括模具樹脂糊或樹脂板、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CEOLIONELPUGET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。”
樹脂糊在這類部件,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)氧樹脂或聚氨酯樹脂糊;樹脂糊固化后,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脂糊上形成模具。
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。
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。
拓展:復(fù)合材料無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)
1、概述
復(fù)合材料之所以能夠成為20 世紀(jì)迅速地在工業(yè)部門推廣應(yīng)用的新材料、新結(jié)構(gòu), 無(wú)損檢測(cè)技術(shù)發(fā)揮了十分重要的推動(dòng)作用, 反過(guò)來(lái), 復(fù)合材料也為無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的迅速發(fā)展帶來(lái)了更多的研究空間。一些過(guò)去在金屬材料無(wú)損檢測(cè)中因技術(shù)障礙而面臨困境的檢測(cè)技術(shù), 在復(fù)合材料對(duì)無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的需求牽引下, 得到了新的飛速發(fā)展。如針對(duì)初期基于金屬材料及其結(jié)構(gòu)在負(fù)載作用下產(chǎn)生應(yīng)力波的物理現(xiàn)象的聲發(fā)射檢測(cè)技術(shù)、基于物理波相干原理的激光全息干涉檢測(cè)技術(shù)、激光超聲檢測(cè)技術(shù)等, 幾乎都是70 年代問世, 80 年代在應(yīng)用中由于物理信號(hào)特征解釋困難、環(huán)境條件要求苛刻或技術(shù)上有待進(jìn)一步突破等原因, 難以在工程上找到用武之地, 自90 年代后則得到了迅速的應(yīng)用發(fā)展。
由于復(fù)合材料的先進(jìn)性與其質(zhì)量的離散性和高成本并存, 在實(shí)際應(yīng)用中, 即使是經(jīng)過(guò)研究和試驗(yàn)制訂的合理工藝, 在結(jié)構(gòu)件的制造過(guò)程中還可能會(huì)產(chǎn)生缺陷,引起質(zhì)量問題, 嚴(yán)重時(shí)還會(huì)導(dǎo)致整個(gè)結(jié)構(gòu)件的報(bào)廢, 造成重大經(jīng)濟(jì)損失。因此, 國(guó)外自70 年代以來(lái), 就針對(duì)復(fù)合材料的研究、應(yīng)用開展了全方位的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)研究。早期主要是沿用金屬材料所采取的一些檢測(cè)方法, 進(jìn)行復(fù)合材料的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)探索, 隨著研究工作的深入, 人們對(duì)復(fù)合材料的內(nèi)部規(guī)律和缺陷特征有了更深的認(rèn)識(shí), 發(fā)現(xiàn)完全采用常規(guī)金屬材料無(wú)損檢測(cè)的方法不能解決復(fù)合材料的無(wú)損檢測(cè)問題。因此, 進(jìn)入80 年代后, 才真正走向復(fù)合材料無(wú)損檢測(cè), 研究出了許多適應(yīng)復(fù)合材料特點(diǎn)的無(wú)損檢測(cè)新技術(shù)、新方法, 從而為解決復(fù)合材料的無(wú)損檢測(cè)、促進(jìn)復(fù)合材料的推廣應(yīng)用發(fā)揮了重要作用。
目前復(fù)合材料無(wú)損檢測(cè)已經(jīng)應(yīng)用于材料、結(jié)構(gòu)件和服役無(wú)損檢測(cè)3 個(gè)方面。技術(shù)上已從初期的檢測(cè)方法探索發(fā)展到目前的檢測(cè)方法研究、信號(hào)處理技術(shù)、傳感器技術(shù)、缺陷識(shí)別技術(shù)、成像顯示技術(shù)、儀器設(shè)備技術(shù)、結(jié)構(gòu)件檢測(cè)技術(shù)、定量檢測(cè)與評(píng)估、服役結(jié)構(gòu)壽命評(píng)估、強(qiáng)度評(píng)估和性能測(cè)試等。無(wú)損檢測(cè)技術(shù)已經(jīng)成為復(fù)合材料研究和應(yīng)用中的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù), 融入復(fù)合材料從研究到最終裝機(jī)應(yīng)用的全過(guò)程。
2、復(fù)合材料無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用范圍
復(fù)合材料無(wú)損檢測(cè)主要應(yīng)用于以下3 個(gè)方面:(1)材料無(wú)損檢測(cè);(2)結(jié)構(gòu)無(wú)損檢測(cè);(3)服役無(wú)損檢測(cè)。
2.1 材料無(wú)損檢測(cè)
材料無(wú)損檢測(cè)主要解決材料研究中面臨的問題,進(jìn)行諸如材料內(nèi)部缺陷表征、性能測(cè)試、缺陷基本判據(jù)的建立、無(wú)損檢測(cè)物理數(shù)學(xué)模型的建立等研究。其檢測(cè)對(duì)象主要是試樣、試片, 采用精細(xì)無(wú)損檢測(cè)技術(shù), 面對(duì)材料研究過(guò)程, 重視無(wú)損檢測(cè)物理數(shù)學(xué)模型的建立,重點(diǎn)開展新的檢測(cè)方法研究。采用高分辨率超聲成像檢測(cè)技術(shù)得到的復(fù)合材料內(nèi)部3 個(gè)不同深度位置的超聲層析掃描檢測(cè)結(jié)果, 被檢測(cè)試樣為正交鋪層的碳纖維層壓結(jié)構(gòu), 厚度為1 .5 mm 。從圖中可以看出碳纖維束的取向, 即使是一些位于纖維束之間的細(xì)小缺陷也能較好地檢測(cè)出來(lái),箭頭所指的白色區(qū)域即為纖維束間的細(xì)小缺陷。從中還能清晰地看出, 試樣近表面層靠近左側(cè)纖維束的走向似乎不如右側(cè)有規(guī)律。這些信息的獲得對(duì)材料和工藝研究非常有益, 為得到這種微細(xì)缺陷信息, 必須采用高精度的超聲掃描檢測(cè)技術(shù)。
2.2 結(jié)構(gòu)無(wú)損檢測(cè)
結(jié)構(gòu)無(wú)損檢測(cè)主要解決結(jié)構(gòu)在工藝制訂、結(jié)構(gòu)件制造過(guò)程中面臨的問題, 如對(duì)各種結(jié)構(gòu)件進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)所需的儀器設(shè)備等檢測(cè)手段的建立、信號(hào)處理技術(shù)、缺陷判別、標(biāo)準(zhǔn)建立與完善等。檢測(cè)的對(duì)象是各種裝機(jī)應(yīng)用的工程結(jié)構(gòu)件, 需要工程化檢測(cè)技術(shù), 面對(duì)結(jié)構(gòu)件制造過(guò)程, 重視無(wú)損檢測(cè)手段的建立, 重點(diǎn)開展高效可靠的檢測(cè)技術(shù)研究。圖4 是一種典型的針對(duì)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的超聲檢測(cè)設(shè)備, 可以用于多種復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的自動(dòng)掃描檢測(cè)。
2.3 服役無(wú)損檢測(cè)
服役無(wú)損檢測(cè)主要研究裝機(jī)結(jié)構(gòu)件在服役過(guò)程中所需的無(wú)損檢測(cè)方法、手段等, 包括提供有關(guān)結(jié)構(gòu)件殘余壽命、剩余強(qiáng)度、損傷擴(kuò)展等綜合信息的評(píng)估。檢測(cè)的對(duì)象是裝機(jī)后的各種服役結(jié)構(gòu)件, 采用易實(shí)現(xiàn)、快速可行的外場(chǎng)檢測(cè)技術(shù), 面對(duì)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的安全服役全過(guò)程, 重視外場(chǎng)檢測(cè)技術(shù)與結(jié)構(gòu)件的安全服役的質(zhì)量保證, 重點(diǎn)開展外場(chǎng)檢測(cè)技術(shù)研究。如中國(guó)航空工業(yè)制造工程研究所研制生產(chǎn)的FCC 外場(chǎng)復(fù)合材料檢測(cè)儀,是目前用于外場(chǎng)復(fù)合材料服役結(jié)構(gòu)件無(wú)損檢測(cè)的主要儀器, 具有很高的檢測(cè)分辨率。
3、復(fù)合材料無(wú)損檢測(cè)技術(shù)現(xiàn)狀
經(jīng)過(guò)不斷的研究、發(fā)展和完善, 目前超聲和X 射線照相法檢測(cè)已成為2 種最主要和成熟的復(fù)合材料無(wú)損檢測(cè)技術(shù)。特別是超聲檢測(cè)技術(shù), 由于被檢測(cè)物理量與復(fù)合材料內(nèi)部缺陷存在最為良好的可精確表述的物理數(shù)學(xué)關(guān)系, 因此, 通常復(fù)合材料構(gòu)件都要求采用超聲方法進(jìn)行100 %無(wú)損檢測(cè)。大量的研究和應(yīng)用也表明, 超聲是目前國(guó)內(nèi)外復(fù)合材料無(wú)損檢測(cè)最為實(shí)用有效、應(yīng)用最為廣泛的無(wú)損檢測(cè)技術(shù), 它能可靠地檢測(cè)出復(fù)合材料中的分層、疏松、孔隙等大部分危害性缺陷;诔暦瓷浠夭ㄔ, 目前可以檢測(cè)到復(fù)合材料內(nèi)部微細(xì)缺陷信息, 采用超聲層析檢測(cè)技術(shù)還可以得到復(fù)合材料結(jié)構(gòu)內(nèi)部不同深度、不同截面位置的C 掃描、T掃描和B 掃描檢測(cè)結(jié)果。對(duì)于一些特殊的復(fù)合材料結(jié)構(gòu), 或者特殊缺陷(如夾層結(jié)構(gòu)中的芯缺陷)及重要部位(如連接接頭和較為受力部位), 則采用X 射線照相法輔助檢測(cè)。利用X 射線衰減原理, 可以檢測(cè)出引起材料厚度或密度1 %~ 2 %變化的缺陷, 但對(duì)于碳纖維/樹脂基復(fù)合材料, 由于其密度小、缺陷大多位于鋪層之間, 缺陷的存在引起的厚度變化非常小, 因此, X 射線照相法一般不用于這類復(fù)合材料的無(wú)損檢測(cè), 它主要用于夾層結(jié)構(gòu)的無(wú)損檢測(cè)。
聲顯微和超聲層析是揭示復(fù)合材料內(nèi)部微細(xì)規(guī)律的精細(xì)無(wú)損檢測(cè)技術(shù)。
在眾多的無(wú)損檢測(cè)方法中, 目視檢測(cè)、敲擊法檢測(cè)、超聲諧振法檢測(cè)是最為廉價(jià)的復(fù)合材料無(wú)損檢測(cè)方法。
超聲相關(guān)、X 射線背散射、聲-超聲、聲發(fā)射等檢測(cè)技術(shù), 都在復(fù)合材料無(wú)損檢測(cè)中尋找應(yīng)用空間, 但在復(fù)合材料研究和結(jié)構(gòu)件制造過(guò)程中, 目前還較難找到應(yīng)用場(chǎng)合。
未來(lái)的復(fù)合材料無(wú)損檢測(cè)將更加追求快速高效,因此, 基于干涉原理和溫度場(chǎng)分布原理的激光全息干涉檢測(cè)技術(shù)和熱/紅外成像檢測(cè)技術(shù), 因其具有非接觸、可大面積掃描、快速等特點(diǎn), 將成為復(fù)合材料結(jié)構(gòu)無(wú)損檢測(cè)的良好技術(shù)。但目前還必須突破一些技術(shù)難題, 賦予這些檢測(cè)技術(shù)新的工程應(yīng)用內(nèi)涵, 才能使其廣泛用于復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的無(wú)損檢測(cè)。
4、復(fù)合材料無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展
未來(lái)復(fù)合材料的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)應(yīng)圍繞以下幾個(gè)方面開展研究。
(1)針對(duì)復(fù)合材料裝機(jī)結(jié)構(gòu)件的快速高效無(wú)損檢測(cè)技術(shù)。
賦予傳統(tǒng)復(fù)合材料無(wú)損檢測(cè)新的技術(shù)內(nèi)涵, 使之更適合未來(lái)復(fù)合材料的低成本設(shè)計(jì)、制造和裝機(jī)應(yīng)用主流, 通過(guò)提高傳統(tǒng)檢測(cè)技術(shù)的功效, 達(dá)到提高檢測(cè)效率、降低檢測(cè)成本的目的。開展無(wú)損檢測(cè)新技術(shù)和新方法的研究, 探索研究適合復(fù)合材料的快速高效無(wú)損檢測(cè)技術(shù)和方法。美國(guó)等復(fù)合材料用量較大的國(guó)家,自90 年代后期已經(jīng)開始將復(fù)合材料無(wú)損檢測(cè)技術(shù)研究的重點(diǎn)轉(zhuǎn)移到快速高效的無(wú)損檢測(cè)方向, 而且有了初步應(yīng)用成果。
(2)針對(duì)新型復(fù)合材料的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)。
與發(fā)達(dá)國(guó)家相比, 目前我國(guó)復(fù)合材料無(wú)損檢技術(shù)的研究深度和發(fā)揮作用的程度還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。在復(fù)合材料及其應(yīng)用研究過(guò)程中, 如果能很好地掌握其內(nèi)部微細(xì)規(guī)律, 對(duì)復(fù)合材料工藝制訂、結(jié)構(gòu)制造等將具有重要的作用和意義。復(fù)合材料的一個(gè)重要結(jié)構(gòu)特征就是內(nèi)部各組分之間物理界面復(fù)雜, 如果能利用無(wú)損檢測(cè)技術(shù)得到這些界面的全部信息, 將會(huì)對(duì)材料研究和工藝分析起十分重要的指導(dǎo)作用。
(3)復(fù)合材料無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的升華。
未來(lái)復(fù)合材料無(wú)損檢測(cè)只有與材料的性能、結(jié)構(gòu)件的壽命和剩余強(qiáng)度密切結(jié)合, 才能發(fā)揮更大的作用。近年來(lái)國(guó)外已經(jīng)在這方面開展了大量的研究工作。
(4)國(guó)內(nèi)復(fù)合材料無(wú)損檢測(cè)硬件的自主建設(shè)。
復(fù)合材料無(wú)損檢測(cè)也是一個(gè)技術(shù)產(chǎn)業(yè), 其研究成果和效益在很大程度上是通過(guò)為復(fù)合材料應(yīng)用部門提供無(wú)損檢測(cè)硬件平臺(tái)和技術(shù)支持來(lái)實(shí)現(xiàn)的。必須經(jīng)過(guò)自身的努力和投入才能得到一流的技術(shù), 形成自己的技術(shù)產(chǎn)業(yè), 發(fā)揮效益, 復(fù)合材料無(wú)損檢測(cè)行業(yè)也不例外, 真正的技術(shù)和手段必須通過(guò)自主研究和開發(fā), 當(dāng)然, 可以充分利用國(guó)際技術(shù)平臺(tái), 但不應(yīng)盲目地采購(gòu)實(shí)物。
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