LRTM：迅速發(fā)展的低成本制造技術(shù)

LRTM工藝保留了RTM工藝的對(duì)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。
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、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(shù)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(duì)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(shù)脂傳遞模塑工藝(RTM－Light)又稱為L(zhǎng)RTM、ECO、Vacuum Molding或VARTM。是近年來(lái)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(guò)RTM工藝的趨勢(shì)。

LRTM工藝保留了RTM工藝的對(duì)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(duì)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(shù)脂注入模具，使樹(shù)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(kāi)模相近，很容易從開(kāi)模工藝的模具改造過(guò)來(lái)。


圖 1，LRTM的主要設(shè)備包括樹(shù)脂注入裝置、模具、抽真空裝置

123,123

LRTM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(duì)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。

LRTM的最大優(yōu)勢(shì)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。 LRTM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(zhǎng)8m的船體(約25平方米)，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，LRTM和RTM工藝的模具都必須有高質(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LRTM工藝。通過(guò)使用可更換模具面來(lái)替代易損的模具表面，從而延長(zhǎng)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。

本文來(lái)自123

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LRTM工藝的注射壓力一般不超過(guò)0.1MPa，通常在0.03-0.07MPa。樹(shù)脂注射速率隨多種因素影響，如樹(shù)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／分鐘。


圖 2 LRTM工藝的模具

為防止模具變形或沖開(kāi)上模(尤其是在注射口位置)，這就要求對(duì)壓力有一個(gè)較為嚴(yán)格的控制。用于LRTM工藝的注射設(shè)備一般都帶有壓力反饋裝置，對(duì)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(jiǎn)單的氣壓控制系統(tǒng)和配合用的電子閉環(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(rùn)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。 123456

3、生產(chǎn)效率和成本

由于注射壓力較低，樹(shù)脂的流速不能加速到最佳流速，LRTM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(duì)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，LRTM工藝只能生產(chǎn)4一6模。對(duì)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LRTM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(lái)通過(guò)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LRTM工藝替代開(kāi)模工藝后，車間變得井然有序，利用原有的50名工人，和3000平方米車間面積，使得產(chǎn)量增加了25%。據(jù)該公司聲稱和原開(kāi)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LRTM工藝通常從周邊流入，從中心排出。我們知道，當(dāng)樹(shù)脂從樹(shù)脂管道進(jìn)入模腔后，與織物相遇，織物對(duì)樹(shù)脂會(huì)產(chǎn)生一個(gè)阻力。阻力的大小和織物的滲透率、樹(shù)脂的粘度以及樹(shù)脂的流速有關(guān)，當(dāng)織物和樹(shù)脂選定的情況下，則和樹(shù)脂的流速成正比。以一個(gè)面積為3平米、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，則阻力可增加到0.1MPa以上，從而導(dǎo)致模具的打開(kāi)或漲?，F(xiàn)象，并導(dǎo)致樹(shù)脂流動(dòng)前鋒失控及產(chǎn)品形成干斑等問(wèn)題。為此必須要降低流速，但這又延長(zhǎng)了注入時(shí)間，所以從中心注入，往往要超過(guò)6分鐘。當(dāng)從周邊注入時(shí)，樹(shù)脂首先進(jìn)入一個(gè)間隙約為1mm的幾乎無(wú)阻力的周邊流道，然后再進(jìn)入纖維，由于樹(shù)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(duì)樹(shù)脂在織物中的流速也減慢，阻力也減小，注入流量可增加，注入時(shí)間可縮短。試驗(yàn)表明，對(duì)于一個(gè)0.2平米的產(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(shù)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(duì)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(duì)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(zhǎng)燈柱，采用長(zhǎng)形流道。Brands公司的6m2樓板，由于是不對(duì)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(shù)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(duì)角線安排的樹(shù)脂進(jìn)口。

5、產(chǎn)品精度、結(jié)構(gòu)及其它

RTM和LRTM產(chǎn)品的尺寸粘度和重復(fù)性都受模壓用樹(shù)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(shù)脂流動(dòng)速率和注射壓力的影響。對(duì)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LRTM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LRTM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80千克/立方米，而LRTM和ZIP RTM工藝的壓力較低，他所用的泡沫密度可小到37千克/立方米。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LRTM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。LRTM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(kāi)模工藝相比LRTM的投資還是相對(duì)較高，必須考慮產(chǎn)量對(duì)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(duì)LRTM的使用。

相對(duì)于RTM來(lái)說(shuō)，LRTM擁有耗能低，對(duì)模具的剛性等指標(biāo)要求不是太高等的優(yōu)點(diǎn)，但是對(duì)樹(shù)脂的黏度，樹(shù)脂和增強(qiáng)材料的相容性，還有對(duì)樹(shù)脂前鋒的前進(jìn)速度的要求很高。

LRTM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(guò)適當(dāng)?shù)呐嘤?xùn)。如果沒(méi)有合理的纖維鋪層、好的氣密性和精確的模具安裝，沒(méi)有一致的樹(shù)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(shù)脂富集等問(wèn)題。下面對(duì)相關(guān)問(wèn)題作簡(jiǎn)要解說(shuō):

輕型RTM工藝中要注意的問(wèn)題

LRTM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(guò)適當(dāng)?shù)呐嘤?xùn)。如果沒(méi)有合理的纖維鋪層、好的氣密性和精確的模具安裝，沒(méi)有一致的樹(shù)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(shù)脂富集等問(wèn)題。下面對(duì)相關(guān)問(wèn)題作簡(jiǎn)要解說(shuō)。

1、密封性

RTM一Ligh工藝對(duì)細(xì)節(jié)性問(wèn)題要求較高，特別是模具的密封性問(wèn)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(guò)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(shù)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(wèn)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(guò)的樹(shù)脂涂抹在模具的外表面，這是一種很有效的方法。 123456

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(shù)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(guò)程中樹(shù)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(lái)了。如果邊銷的定位不當(dāng)，就會(huì)造成不可預(yù)測(cè)的錯(cuò)誤和改變注射的特性。 123456

3、合理的鋪層和原材料選擇

由于成型壓力低LRTM工藝對(duì)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(shù)脂流道的一致性，從而造成產(chǎn)品的樹(shù)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(shù)脂相溶性好，過(guò)多的噴膠對(duì)產(chǎn)品最終性能還是有一定影響。

不同的織物和氈對(duì)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(shù)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(shù)脂體系。盡量使用低粘度、低收縮率的樹(shù)脂。其標(biāo)準(zhǔn)和真空樹(shù)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(shù)脂富集區(qū)常見(jiàn)的問(wèn)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(guò)預(yù)期厚度的余量。為解決這個(gè)問(wèn)題，除了可修正半模之外，還可以在這些較厚的地方通過(guò)增加額外的玻璃纖維來(lái)彌補(bǔ)厚度，以防止產(chǎn)品的裂紋。 內(nèi)容來(lái)自123456

在大面積的平面區(qū)，會(huì)發(fā)現(xiàn)由于產(chǎn)品過(guò)厚而產(chǎn)生的模具上的裂紋。這是由于操作者任意加大樹(shù)脂的注射速度造成的。注射的速度過(guò)快，就會(huì)使得模具的內(nèi)腔膨脹，如果注射過(guò)程在一個(gè)很短的時(shí)間內(nèi)完成的話，那么腔體就沒(méi)有時(shí)間來(lái)恢復(fù)，所以過(guò)多的樹(shù)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(shù)脂的溢出

為了接收在模塑結(jié)束之前排出的樹(shù)脂，許多制造者感到有必要用一個(gè)較大的樹(shù)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(shù)脂充填過(guò)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(shù)脂到達(dá)樹(shù)脂收集器后再停止注射，那么接著你會(huì)看到過(guò)多的樹(shù)脂會(huì)因?yàn)檫^(guò)度膨脹的模具恢復(fù)到原來(lái)的尺寸而流進(jìn)樹(shù)脂收集器。為了克服這種可能，你只能更換一個(gè)較大的樹(shù)脂收集器來(lái)防止樹(shù)脂的溢出。

內(nèi)容來(lái)自123456

解決這個(gè)問(wèn)題的簡(jiǎn)單方法是，預(yù)先計(jì)算要用多少樹(shù)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(shù)脂。另外的方法是通過(guò)精確的氣壓控制來(lái)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(lái)了更為準(zhǔn)確的模具填充信息，避免了較大樹(shù)脂接收器的需要。這樣的一個(gè)系統(tǒng)，保證每次注射過(guò)程后有10到100毫升的余量已足夠，這使得樹(shù)脂的浪費(fèi)達(dá)到最低，保證了利潤(rùn)的增加。

輕型RTM的應(yīng)用領(lǐng)域

目前常見(jiàn)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(yú)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。