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大尺寸复合材料结构的真空辅助树脂传递模塑自动加工工艺


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麦  大尺寸复合材料结构的真空辅助树膳    妻 辜   传递模塑自动加工工艺   圭  
摘 要 真 空辅助树 脂传递 模 塑工 艺( A T 通 常  V R

M)
用于制造大尺寸复合 材料 零件 。在 本研 究 中, 开发 了被 称  为按 顺序 多浇 口自动化树 脂传递模 塑( MA T M l g 的先  S R — oi ) n 进 V R M 系统 ,旨在使 浸渍工艺完全 自动化 。在树脂 注入  AT

的典型距离相同。注入浇 口过早打开 , 在注入导管  下面将导致大的干斑点扩展。零件厚度树脂性能或 

预形件特性变化等新 的应用 , 可能需要费用大的试 
验和误差处理研究 , 以优化按顺序打开浇 口。  

和在 线控 制期 间 , 系统 引入 了按 顺序 注入 V R M 工 艺、 该 AT  
控 制流动 的操作机 构、 测流动特性 的传感元件 , 探 使操作机  构的开、关得到优化 。在 实验 室规模 工艺试验期 阃, 成功地 
论 证 了该 工 艺 。  

S A T模塑法首次使该 工艺完全 自动化 ,当 M R一   模具安装的流体传感元件在个别浇 口探测表面流前  沿时 , 按顺序注入时间打开注入浇 口。该过程完全  是 自动的 , 并不取决于树脂渗透性变化 、 预形件特  性变化或其它变化 因素。此外 , M R 一 S A T模塑 系统  不需要花大费用对常规按顺序注入流程进行试验和  误差研究 , 因此不需要树脂浸渍期间通常要求的技 

关键词

复合材料 

结构 

V R M  AT

工艺 

引  言 

V R M技术是显著降低大尺寸复合材料结构  AT 制造成本潜力的液体模塑工艺 。在浸渍期间, 树脂  流优先渗透表面, 并同时沿渗透预形件厚度方 向流  动, 使制造大型零 件成为可能 。使用诸如 乙烯基 
酯、 酚醛 、 环氧等各种树脂 , 在室 温真空压力下 ,   室温可以迅速浸渍大零件 , 因此模具成本和主要设  备投资较低。  

术, 但必须规定注入浇口数量和传感元件位置。  
1 vA   恻 工艺过 程 

V R M是复合材料 制造 工艺, AT 涉及 干增强纤 

维在织物、 带或其它块体中铺层形成压模 内的预形 
件( 图 1 如 所示) 在负压( , 例如 , 真空 ) 由液态树  下 脂浸渍预形件 , 接着 固化和脱模。V R M 工艺的  AT 优点包括使用单侧面模具 , 该模具可以降低加工模 

在很大的复合材料结构 中, 要求多个注入浇 口  
来保证在树脂凝 结之前完全浸透零件。分布介质、   预形件和浇 口 及排气孔位置的选择通常以与过去相  同应用的试验为基础 , 因此 , 对基于模拟试验的最 

具成本和其 它主要 的投入费用 。 此外 , 由适 用于预 

近分析和有限元分析(E ) F A 进行了研制以计算作为 
树脂 、 预形件及分布介质性能函数的参数。树脂 的  

渗入过程需要 进行工程监督 ,以在正确 的时间间  隔, 打开注入浇 口。通常工程人员的反馈仅仅是 以   目视表面浸润测量为基础 。一般来说 , 在分布介质  表面注入期间,由于整个厚度的浸渍 , 模具表面流 
前沿落后于观察到的表面流前沿。对于厚截面复合 

材料零件 , 非浸润区尺寸可与按顺序注入浇 口之间  
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图 1 铺设零件和 V R M 工艺 过程简 图  AT
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形件表面层的高渗透性的分布介质迅速浸渍大的零  件。当注人浇 口打开时 , 树脂优先渗透表面并 同时  渗透预形件厚度方向流动。对于流动前沿 , 表面流  动前沿超前于模具流动前沿。超前时间对厚预形件 
是重要的, 在大结构中, 要求许 多注人浇 口和真空  排气 口, 并且流动前沿变得十分复杂 , 大程度上  很 取决于打开浇 口的顺序。  
目  

V R M)I期 间不饱 和区  A T J n
渗 

2o . 

翳. 1 o  
1  O 2  O 3  O 40   5  0

+1预 件 O 形  层 + 2 层预 形件  O
+ 3 层预 形件  O + 4 层预 形件  O
6  0 7  0 8  O

按顺序注人经常应用于浸渍大尺寸复合材料零 
件。在这点上 , 对分布介质设置几个 注人浇 口, 按 

长 度,   c m

顺序打 开 注人 管 道 ,可 以使 周 期 时 间最 短。在  V R M加工期 间, AT 树脂浸渍 时间随注人持续时间 
呈指数规 律增加 。为 了优化 注人 大零 件 , 要求 如 
下:  

图 2 未浸透区 的长度和形状取决 于预形件 和分 布介  质( M) 能 , D 性 并影响按顺序注入流 程 

际最短距离 , 然后确定注人浇 口数量 的上限。   凝结时间或期望注人时间用于计算注人浇 口数  量上限。图 3 a 示 出 10 m和 50m 长, () 0c 0c 质量为  604 预形件的注入时间 , 8 .g 预形件为 2 层 , 0 如图2   示 出的相 同预形 件和分布介 质 , 用 A p e o  使 pl dPl i - e mc 公司的 S - 树脂 ,以不同的注人浇口数量  r i a s C1 5 注人。树脂粘度约为 20p 5 c 。这些尺寸对大尺寸复 

1 要求注人浇 口的数量最少 ( ) 浇人浇 口数量 的   下限) ,以保证树脂充满时间小 于保证充满树脂 的  
凝胶时间。   2 )增加注人 浇 口数量将减 少周期时 间, 增  但 加成本( 附加额外装置劳动费 ) 和硬件要求 , 树脂废  料等。注人导管的最小间隔和注人导管数量上限与 

流动前沿的超前时间有关 。分析研究表明, 超前时 
间显然与分布介质 、 预形件 的浸透性及预形件厚度 
有关 。  

合材料零件是常见 的, 以看 出, 可 注入时间随注入  浇 口数量 的增加而按 指数规律 减少 。对 于 10 m 0c  
长的零件 , 个浇 口的注人 时间约为 180 , 1  0 s 对于  2 个浇 口, 减少到 70 。相 同材料 和 5 0m长  0 则 0s 0c 的预形件 注人时 间从 50 i 0 mn减少 到 7m n 0 i。发现  对于 10m长的零件 , 0c 期望 1mn的注人时间 , 5i 注  人导管的下限为 4个 。S - C1 5树脂 的凝结时间约为  2, h 至少要 7个浇 口。图 3 b 观察 到 2 () 0个注人浇  口按顺序注人过程 的周期时间的改进 , 对于小尺寸  预形件 , 装袋所消耗的附加费用和时间抵销了注人 

3 )按顺序打开注人浇 口的最佳时间选择 , 是  注入浇 口下 , 没有干斑能扩大时。当低于浇 口的模 
具表面被浸湿时打开注人口, 以保证完全浸湿和周 

期时间的花费最少 , 最优打开时间在低于浇 口的模  具表面被浸湿以前而且代价最小。   必须考虑流动前沿的形状 , 以确定最佳按顺序  注人流程。低于每个浇 口的区域必须完全充满 , 保 
证复合材料零件 的浸湿。问题是在下面部分被树脂  完全充满时 , 在正 确时 间打开注人 浇 口。试 验表  明, 材料性能保持恒定时 , 在浸渍 时间, 未浸透 区  不改变其形状和范围。分析模型能够预测未浸透区  的形状和范围, 如图 2 所示 。未浸透区范围随预形  件的厚度而增加 。对于 1 层 604  . 0 8 .g 玻璃纤维预  E 形件和 5 %的 R x r 公司的覆盖材料 , 0 of d o 未浸透 区  长度约为 3 c 对 于 2 2m; 0层 ,约为 5 c 对 于 3  0 m; 0 层, 约为 6 c 对于 4 8 m; 0层 , 约为 8 c 。对于 2 层  0m 0 样品, 在树脂到达表面上 的注入浇 口后 , 第二个注  人导管必须打开约 5 c 以保证 在这个位置完全  0m, 浸湿。该超前长度可以用作两个注人导管之间的实 
?

时间提高增益 ( 例如 , 对于 10m 长的零件 , 0c 改进  程序为 6 % , 1 仅需 1 0 s ,   0 ) 对于较大的零件 , 1 注人 
时间可显著地 减少 ( 例如 , 于 50m 长的零件 , 对 0c  

改进程序为 8 % , 需 1h 。这使 注人 时间低 于  5 仅 l) 凝结时间, 并使制造加工单元的生产量提高。   开发 了图形用户界面 ( U ) G I 。输入参数包括预  形件和分 布介质 的性能 , 用真空水 平、树脂 粘  应 度、预形件长度和注人浇 口数量 。计算树脂注人期 
间的到达时间 , 流动速率和未浸透的流动形状 。数  字优化用于找到期望注入时间或凝结 时间最少 的注 

人浇 口 数量 , 在大尺寸复合材料零件 的注人阶段是  重要 的工 具 。 可 以用于 向下选择 正确 的分布 方  它
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∞∞ ∞∞ ∞ ∞∞ ∞∞ ∞0   :   注入时间与注入浇 口关系  (08 6 . 机织织物 ,5 *覆盖层材料S .5 84 0 6 C 1)  
3 o   5o 0

在 S R — o i 期间, A M TM ln dg 在预形件上部设置多 

个注入浇 口, 可以计算使用的注入导管数量及注入  导管之间的距离 , 如上节所述。一般来说, 预埋彼此  平行的注入导管, 在注入期 间保持距离不变和树脂  到达时间。如果成形的零件是复杂的, 或者预形件  厚度、 渗透性等是不均匀的, 可以考虑其它结构。   为了成功地 控制和使 V R M 工艺 过程 自动  AT 化, 可以补充各种传感元件。特别是大厚度 的复合  材料零件 , 在树脂 浸渍和 固化过程期 间,由于成  本、 复杂性和/ 或读 出技术 的可靠性, 于穿透零  对
件 厚 度 的 浸 渍 工 艺 研 究 ,树 脂 浸 渍 又 称 之 为 

  3 o  置 0o 0
2  o   5o 0 2 o  0o 0 l  o   5o 0 l o  0o 0 50 o  o   0  

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S A T编织的区域树脂传递技术监控。该 S A T M R M R  编织系统测量单个传感 和干扰结点之 间的传导性 。  
当树脂到达结点之间时, 连续控制注入阻力和监控  落差 。低成本加工监控 自动化系统具有实时监控流  动前沿及粘度、固化和凝结程度的能力。该系统可 

曾  一  < 捌 

注入长度/m  c

图 3 按顺 序注入减少注入时间 , 从而  提高 了 V R M加工单元 的生产量  AT

以使其 成形 的能力 在复 杂 的 多平 面构 件 中处 理  406  9 个结点传感 器 , 而使 浸渍 过程 的三维监控  从
成为可能 。  

在按顺序注入控制期间, 必须考虑渗透厚度的 
式, 以获得期望的流前形状和注入时间, 并观察材  料性能对所需要的注入浇 口数量的影响。   这些结果表明按顺序注入的潜在好处。 目前 ,   按顺序注入的难题是在几厘米 的穿透深度处可能有 

流动特性 。在传统的树脂传递模型 ( T 或 V R  R M) A— T M加工薄零件时 , 预形件上部和底部之 间的到达  时间几乎是相同的( 例如 , 渗透厚度是均匀 的)  。
图4 出厚截面 V R M加 工期间的实际流动  示 AT 特性。把极月从位于对面具有孔的预形件表 面后端  『 旨
注入 3 、10m长 、 量为 604 0层 0c 质 8 .g的机 织粗 纱织 

大的干斑, 需要修理或必须刮掉。为改进浸润性 ,   对大零件延迟几分钟到数小时打开 , 这会增加周期  时间。装有传感元件反馈 的 自动化系统( 如下节概  括) 可以改进零件 与零件质量 , 使周期最短 , 并取 
消 工艺监 控 。   2 按顺 序 多浇 口 自动化 树脂 传递模 塑 

物, 7 ( 在 个 渗透厚度) 位置 由4 0个平 面型组成 的  S A T构成网格的传感元件监控树脂流。平面型传  MR 感元件的间隔被固定为5m, c 并在不同层渗透。   在初始的不稳定区域之后 , 流动前沿随单一渗  透厚度角度( 2 ) 约 。 扩展 , 与位置和厚度无关 , 仅受  预形件构造( 织物厚度和渗透性及分布介质 ) 控制 。   基于树脂到达上部表面 , 树脂人 口打开将使树  脂迅速浸湿低于注入导管 的下层 , 并实际上分离 2   个树脂流动前沿 , 导致大的干斑扩展。使用按顺序  注入的传统 V R M加工是以上表面流前 的 目测检  AT 验为基础。对于较厚的零件 , 在加工期间 , 这种方  法出现干斑形成的概率较大 。埋人或模具安装流动  传感元件可以减轻风险。   为 了证 明 S A T M R M模压原则 , 埋人 的机织传  感元 件可 以 由模 具安 装传 感元 件取代 , 图7 如 所 
?

S A TM l n M R —o i d g系统在 U —C 中是 V R M DC M A T 

加工单元 的组成部分 , 并由自动打开或关闭注入浇  口的阀门系统和优化浇 口打开的监督控制计算机组  成 。此外 , 在试验期间 , 使用装有处理软件 的计算 
机控制的 C D摄像 机拍摄表面上的流动特性 , C 可  以计算实时到达时间。将数据输入到监控用的计算 

机的高精度天平 , 测量注入树脂质量。同时 , 该系  统能够测量注入树脂质量和流动速率 , 树脂 到达表 

层的时间 , 树脂渗透零件厚度流动特性 , 粘度和固 
化特 性 。  

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O 2 4 6 8 l  l   l   l   l  2O 2  2   2   2   3   3  3  3  3 \             0 2 4 6 8   2 4 6 8 O 2 4 6  

下 o n层(   层)
排气孔 

S W节点数 

图 4 渗透厚度为 3 层机织粗纱织物 的流动特性  O

示。这允许重复制造 , 而不需要增加与埋人传感元  件的人 1 出口有关 的附加费用 和时间。模具安装  : 3 / 传感元件工作原理与直流电阻测量原理及 S A T M R  编织传感元件相 同。在 预形  模具 界面上 ( 如底  部) 的注入导管 的下面放置传感元件时 , 允许在这  些点上对完全浸湿 的预形件进行测量 。安装多个传  感元件 , 同时监控注入导管,以保证在每个位置浸  湿。可以选择传感元件间隔,以保证潜在的任何干 

对这样一种单 口注入 , 在约 20 和 30 后 , 0s 0s 表面  层完全被充满。   图 6 出按顺序注入和传统注人中, 示 容器 内树 
脂质量损失。在约 16 , 5 s 4 0 , 4 s 24 和 2 s 在这些点上 

打开夹紧 阀并提 高流动速率到初始注入期 间的水  平 。零件最终在 50 期间完全 由树脂充满 , 8s 由图 3  
的理论预测结果 (5 s 与试验获得结果 之间的差  80 )

别, 可以解释为分析模型考虑在整个浸渍期间稳定 
的不饱和区域 。   如试验验证( 如图 6 所示 ) 常规注入相同尺寸  ,

斑小于临界尺寸。当模具表面的所有传感元件测量  流动树脂时, 打开下一个导管 ,由夹紧阀获得按顺 
序 自动化注入过程 , 这控制注入导管打开和关闭。   初始 , 打开第一个注入导管的树脂流在分布介质上  面正在向孔 的位置 流动。树脂慢 慢地渗透厚度浸  渍, 此后到达表面上 的第二个浇 口, 使第二个浇 口   延迟打开 , 直到所有传感元件 指示 这个厚度浸湿。   使用多传感元件在下个阀门打开前将保证所有干斑  的消失。此外 , 关闭初始注入导管 , 以便保证该区  域的压实压力和防止侧流。继续该过程 , 直到注入 
整个零件。   下面谈一下对 10r × 5m, 8 .g 0 e 1e 604 的机织零  a 件按顺序注入 的步骤。使 用计算 机控制 系统 ,用 

的零件( 用一个注入导管) 需要 3 的注入时间 (   倍 一 1 0 ) 对 于大尺 寸 、   s。 8 大宽 度复合 材料 零件 , 由于 
分布介质 上的到达 时间  ( 宽的介质) 沿板  

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S. C1 5树脂注入 2 层厚的复合材料零件 , 0 与前节流  程图概括的一样 , 放置注入导管, 用位于零件左侧  的排气通道 隔开。夹 紧阀在流 程 图上部 ,可以看 

零件位 置/   c m

图 5 按树脂注入期 间 , 树脂在零件表面上 的到达时间 

见, 并在过程期 间, 按顺 序打开。在分布介质内的  
树脂 , 分别在 0 , 0 , 6 , 5 s 2 1 到达注入  s 1s 4 s 10 及 0 s 导管的位置。  
在按顺 序注 入10 m 时的质 量损 失  0c 板
lO O  8  O 6  O

紧阀3  

开(2s 4 o 

分析记录的图像 , 沿零件长度表面 目 测到达 时  间, 如图 5 所示。可以看到 , 在表面上,到达 时间  
按指数增加, 直到约 10 。在这点上 , 5s 树脂在第二 

周期时间减少6 % 6 
开(5 s 24 )   阀3 打开(4¥ 16   按顺序注入 
40 0  8o 0  t  / s 12 o  o   l4 0  0  

瑟o 4  
2  0 O  u O  

个导管下面到达 , 并打开浇 口,曲线 的斜率减小 ,   这与树脂较快速度相对应。但是仅从整个表面层完 
全浸湿的周期 时间,不能表明控制方法有所改进。  
?

图 6 按顺序注 入可 以减 少 6 %的周期  0

6 ? 2  

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参考文献 
20 0 0 

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16 0  0  



1 0    0 2
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注入距离/   c m

图 7 从 注入浇 口顺 2e 5 c 7 c 5 m, 0 m, 5m和 10 m 0c  

n   c n lg     myA t   x , of k, a dTeh oo yfrAr   f rNe tN r l VA,u e1   o e o J n  5—

长度上树脂渗透厚度 的到达时间 

1 , 19 )  7 (9 8 .
3 B meih R.Giepe,   W . d Fn       e t  K e l s i J J a   ik B K.I rv d l r n mpo e  

附加导管 , 可以忽略增加 的注入树脂量。图 1 示  1

D m g  o rn It 1.'o  i tcigadC ie? a ae l a t n  T e    ̄n rV aS thn    o j   l i n n c
t n Rei  rn fr Modn , rc e ig o  e Ameia   i   sn T a s   lig P o edn o e s ft   h rn c S ceyfrC mp stsT i o it    o oi   h ̄ o e nlTeh ia  o frn e. a- t  c nc lC ne c B   l e l

出从按顺序注入和单一浇 口注入 , 在距离注入浇 口   2c 5c 7c 5 m, 0m, 5m和 10m长度后, S A T编  0c 用 M R 织系统测量的透过厚度 的到达时间。按顺序控制流  程的结果使完全注入零件总时间减少 6% 。最初 , 0  
在注 入 2 c 长度 后 , 两 个注 入 流程 (4 s与  5m 对 16

i r MD,et b r 2 ,19 ) t o , S p m e 1— 3 ( 9 8  me e 2
4 T ie M. Ar u ,S h d   Vau m  s td R sn   .Pk , Mc t r c a e D. c u Asi e   e i  h s

Tas r li  f  ae dSrcua L mnt fr pl  rnf Mo n o  L yr  t trl a ia o A pi e dg a e u e ?
c t n o   o d o a Ve il s n en t n l A ai   n Gr u  C mb t 0 n hc e .I tr a o a S MP   i E

15 比较) 6s 树脂几乎在相 同时间内到达 。其后 , 对  于单一浇 lt艺 ,   i 完全充满零件 , 到达时间按指数  规律增加 1 8 s   0 。按顺序注入方案渗透厚度成 比例  7 线性充满零件 , 并在 5 1 后完全充满。该方案保  8s 证零件完全浸湿和树脂注人过程 自动化。总之 , 在  大尺寸复合材料零件 中容易实施控制战略 , 并取消  以前要求的工艺监控 。  
3 结 论 

T hia C ne ne2 ,.7 30,o4— , 19 ) c e ncl o r c ,8 P 34— 8 N v 7 (9 6    fe
5 L wi S M. a u o k   L w  otVA删   e t   Jk b wsiJC. o C s    P oes fr rc s    o
Co mmeca  d Mitr  pia o s Itr ain    m ,  ril n a   l ay Ap lct n . n n t a S i i e ol E

Smps m ad E hbtn Poedn ) 4 2 P 17   y oi     xiio ( rceig ,2, , . 13— u n i s 18 , y 17 Ma4—8 (9 7  , 19 )
6 Komal JB Ho e kB. 0 ieI F B meihK. v r   s t   . mb c   P Uc I  . e t   “O e- m  i c  
ve f  e De eo me to  e AR A/ I   o o i   s  iw o t   vlp n  ft   P B R C mp st A ? h h e s utB d e ”Itr ain lS MP   ch ia  o e n e  a   r g , n e t a  A E Te nc lC n r c , l i n o f e

2 ,.2 8—13 , o4— , 19 ) 8 P 12 29 N v 7 (9 6 
7 N ue    JsaT   g y n L B. u k   .Ma e    E au t n o  w  ot y JS. v a o   f L s l i o C   s
Ma u a trn   e h oo i   o   a g   c l  o o i   hp n f cu i T g c n lge f rL r e S ae C mp s e S i   s t S r cu e . ol t n o   e h i a  a e s— AI t trs C l i   fT c nc P p r u c e o l AA/ ME   AS /

V R M分析模拟 已用于预测按顺序 注入浇 口 AT  

之间的最佳 间隔。间隔是 以要求的注入时间和树脂  注入期间不饱和流动形状为基础。图形用户接 口已   研究成使最佳条件和结果显示 自动化。G I U 已用于  显示按顺序注入过程 的好处 : 对大尺寸复合材料零  件来说 , 减少周期达 9 % 。 o   为 了支持按顺序注入过程 , 介绍了 V R M 的  AT 自动化控制系统 , 它能够在线调节单个注入浇 口的 

AS E AHA AS   t cue .tu trlD n mis& Maei C / / C Sr trs Srcu a  y a c u tr?  

l   n r c ,9 2—10 ,p7—1 , 19 ) as o e nep 9 Cfe 0 1 A r 0 ( 97 
8 W in od PD. ona  . p c t no S I   e h l    W s ik JJ Ap l a o  f C uMP V 删 i i    
Fa r a o   ch oo     eC mpe sd Naua  s It? b ct nTe n lg t t   o rse   tr Ga ne  i i y oh l gae  t g  ytm. n rain   AMP   eh ia  o ? rtd Sr e S s a c e Itn t a S e ol E T nclC n  c
f r n e 2 P 6 —7 0c2 e e , 9, . 7 e 6, t8一No   . v 1 

打开和关闭。按顺序 注入系统靠能从模具安装传感 
元件系统反馈 的计算机控制夹紧阀。周期时间缩短  6 %。该系统取消 了工艺监控 , 6 并保证完全浸湿的  最短周期时间。下一代控制系统将提高 V R M 注  AT 入过程 的自动化装置 , 并包括 自动化树脂混合、固 
化监测和控制。  
曾运红  杨鸿昌  

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飞航导弹 20 年第 1 期  05 2

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