RTM工藝涉及的加工設(shè)備主要包括注射裝置和模具兩部分。模具的用途包括增強體預(yù)成型,確定構(gòu)件形貌和樹脂流動路徑,對樹脂加熱固化、保障脫模等。根據(jù)所要生產(chǎn)的構(gòu)件的不同和工藝方案的不同,模具具有極高的可設(shè)計性。根據(jù)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)與工藝一體化設(shè)計的特點,在零件設(shè)計的同時設(shè)計模具是十分必要的。
在大型結(jié)構(gòu)件的注塑過程中,如果注膠和出膠系統(tǒng)的選擇不當(dāng),那么就會造成澆注時間過長,樹脂在未充滿構(gòu)件之前已經(jīng)有一部分固化,導(dǎo)致樹脂流動性變差,最終使構(gòu)件不能完全成型,變?yōu)閺U品;注膠系統(tǒng)和出膠系統(tǒng)選擇不當(dāng),會造成樹脂使用量變大,浪費樹脂,甚至需要修改后或設(shè)計工裝/模具,從而導(dǎo)致工藝成本提高。此外,正確選擇注膠和出膠系統(tǒng)還可以降低復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件在成型過程中出現(xiàn)的干斑數(shù)量,避免氣泡的產(chǎn)生。對于復(fù)雜形狀的結(jié)構(gòu)件,合理安排注膠口和出膠口的位置和數(shù)量,適時地開啟和關(guān)閉注膠口和出膠口,同樣可以避免工藝過程中出現(xiàn)的問題,避免修改或重新設(shè)計工裝/模具,提高產(chǎn)品的質(zhì)量。
注膠口和出膠口的位置是RTM模具設(shè)計工作需要最早確定的設(shè)計參數(shù)。不同的注膠口和出膠口位置選擇會直接影響樹脂的填充路徑、總的填充時間、填充過程中樹脂在腔體內(nèi)的壓力分布、樹脂前鋒流動速度、樹脂損失量等,進而決定產(chǎn)品是否可能存在氣泡、干斑的分布和數(shù)量等缺陷水平。不合理的注/出膠口選擇甚至可能導(dǎo)致樹脂無法充滿等情況。
在模具設(shè)計之初采用計算機仿真技術(shù)模擬在不同的注/出膠口方案中樹脂在型腔內(nèi)的填充過程,就可以提前預(yù)測樹脂能否填滿整個型腔,總的注塑時間是否合理,以及樹脂損失量等,從而減少試模次數(shù)和盡可能避免模具的重新設(shè)計。
對于結(jié)構(gòu)復(fù)雜的復(fù)合材料構(gòu)件,諸如蒙皮加筋結(jié)構(gòu)的一次成型,往往需要多個注膠口和多個出膠口通過相應(yīng)的開關(guān)進程控制來實現(xiàn)充分的填充。此時,即便采用了相同的注膠口/出膠口分布方案,注/出膠口的開關(guān)歷程不同,填充情況也會截然不同。因此,模具設(shè)計不僅要給出模具的CAD數(shù)模,還要給出各個膠口的開關(guān)歷程方案。
使用PAM-RTM,可以通過設(shè)置與相應(yīng)傳感器相關(guān)聯(lián)的控制開關(guān)來控制各膠口的開關(guān)狀態(tài)。從而模擬在各種開關(guān)歷程中,樹脂的注塑情況,從而快速高效地得到較為合理的樹脂注塑方案。
對于船體、風(fēng)電葉片等大型復(fù)合材料產(chǎn)品往往采用真空輔助RTM成型工藝(VARI工藝)來生產(chǎn)。對于這些大尺寸的產(chǎn)品,不僅僅需要注膠口和注膠口位置的選擇,往往還需要通過使用導(dǎo)流管道,將大的構(gòu)件劃分成多個填充區(qū)域,從而避免了樹脂在增強體的多孔介質(zhì)中傳遞過長距離,縮短注塑時間并降低宏觀干斑出現(xiàn)的可能。
采用計算機仿真技術(shù)能夠快速預(yù)報不同的導(dǎo)流方案對注塑過程的影響,幫助模具設(shè)計人員快速地確定較為合理的導(dǎo)流管道分布。
結(jié)束語
隨著復(fù)合材料產(chǎn)品向著尺寸更大、更厚,結(jié)構(gòu)更復(fù)雜,一體化程度要求更高等特點,RTM工藝將更多得到各個工業(yè)領(lǐng)域的關(guān)注。作為RTM工藝相關(guān)設(shè)備中影響產(chǎn)品質(zhì)量最顯著的設(shè)備,RTM模具設(shè)計也正面臨著新一輪的挑戰(zhàn)。將計算機仿真技術(shù)融入到RTM模具的設(shè)計工作中能夠有效地提高設(shè)計效率,盡可能地避免模具的重新設(shè)計,降低多次試模引起的時間成本和經(jīng)濟成本。