本發明涉及一種可熱塑的纖維增強復合材料板材的快速成型方法。屬于復合材料制品加工技術領域。
背景技術：
纖維復合材料制品是指由纖維與樹脂通過各種方式固化成型為制品，在現有技術中，成型工藝有手糊成型、熱壓罐成型、模壓成型、rtm真空輔助成型以及樹脂傳遞模壓工藝rtm：
手糊成型工藝，是用手工將預浸料裱糊在模具上，然后固化成型。存在生產效率低、勞動條件差和勞動強度大等問題。
熱壓罐成型工藝，是用預浸樹脂的碳纖維材料在模具上疊層，并覆上模，利用罐內的高壓空氣向模具施加壓力，并在熱壓灌中加熱固化。存在能耗巨大、溫度壓力升/降耗時長、產量受熱壓罐的體積限制、生產成本高、效率低等問題。
模壓成型工藝，是將預浸樹脂的碳纖維材料放入金屬模具中，升溫加壓后使多余的膠液溢出來，然后再高溫固化成型，冷卻脫膜后成品就出來了。雖然具有高效、制件質量好、尺寸精度高、受環境影響小等優點，但存在能耗大、升溫降溫過程長、模具需求量大和投入成本高等問題。
樹脂傳遞模壓工藝rtm，是先將增強材料做成預成型件放入封閉模具中，在真空和壓力的條件下，樹脂被注入模具而固化成型。此方法具有環保、形成的層合板性能及雙面質量好的特點，適用于成形大型整體件。但存在樹脂通過壓力注射進入模腔形成的零件孔隙含量較大、纖維含量較低、樹脂在纖維中分布不勻、樹脂對纖維浸漬不充分以及生產效率低、人工程度高等問題。
綜上所述，現有技術的纖維復合材料成型方法，在鋪布上，都是采用手工將增強材料或者預浸料鋪入模具的方式，存在效率低下、產品誤差大的問題。
從大規模的熱壓罐到后面的rtm成型工藝，在固化這塊，都是將樹脂通過壓力導入或者注入模具內，因為樹脂的粘度和流動性性，所以，樹脂不能完全浸潤到增強材料中，從而影響產品的外觀紋路以及強度等性能。
由現有工藝制備出來產品，在后期有一個很長的后處理工序，如：打磨、噴涂等，且采用手工處理，產品成品率非常低，成本也比較高。
現有技術的工藝手工化程度高，勞動強度大，產品生產程序復雜、周期長，產品成本高，比較適用于制作樣品，實現批量產非常困難，影響整個制品行業的發展；
總體來說，現有纖維復合材料成型工藝，存在手工化程度高、加工周期長、效率低下、導致產品成本高、難于實現量產化的問題。為此，需要研究一種適用于增強纖維材料的快速成型工藝，實現制品量產化的目的。
技術實現要素：
本發明的目的，是為了解決現有纖維復合材料成型工藝存在手工化程度高、加工周期長、效率低下、導致產品成本高、難于實現量產化的問題，提供一種可熱塑的纖維增強復合材料板材的快速成型方法，具有機械化程度高、加工周期短、效率高、產品成本低和便于實現量產化的特點。
本發明的目的可以通過采取如下技術方案達到：
一種可熱塑的纖維增強復合材料板材的快速成型方法，其特征在于包括如下步驟：
1)準備好成型設備和材料；設置具有預浸、鋪設、疊合、控溫控壓、真空壓合成型、剪裁、加熱和模壓成型結構的專用設備，準備好可熱塑成型的樹脂溶液和纖維增強材料；
2)制作纖維膠片；將纖維增強材料浸入可熱塑成型的樹脂溶液中，使可熱塑成型樹脂充分浸潤在纖維增強材料上，然后在50-120℃溫度條件下烘烤3-30分鐘，制得纖維膠片；
3)制作可熱塑纖維增強層壓復合材料；取步驟2)所述的纖維膠片進行1-5層疊合，將疊合后的纖維膠片置于可程式控溫控壓的真空壓機中，在真空狀態、在0.1-10pma的壓力條件，將真空壓機內的溫度控制在150-300℃，使疊合膠片在在150-300℃溫度條件下壓合3-90分鐘，制成可熱塑纖維增強層壓復合材料；
4)剪裁模板，根據產品的尺寸要求，用剪裁機構裁切成可熱塑纖維增強層壓復合板的模板；
5)模板加熱軟化；將步驟4)裁剪好的模板放在加熱設備上進行預熱軟化，加熱溫度為110℃-250℃，軟化時間10s-50s；
6)模壓成型；將軟化的模板放入模具內，用壓力機快速壓制成型，模壓壓力為3-50kg，模壓溫度50℃-180℃，成型時間1min-10min；
7)制得產品成品；模板脫模，修邊，制成纖維增強復合材料板材成品。
本發明的目的還可以通過采取如下技術方案達到：
進一步地，所述纖維增強材料，包括但不限于碳纖維、玻璃纖維、芳綸纖維或玄武巖纖維；所述纖維增強材料的纖維，包括長纖、短纖、混編、單向等各種纖維材料。
進一步地，步驟2)中制得的膠片，先進行3-30分鐘烘烤，再進入步驟3)的生產流程，烘烤溫度為50-120℃。
進一步地，步驟3)制得的可熱塑纖維增強層壓復合材料，其厚度為0.2-5mm。
進一步地，步驟3)可熱塑纖維增強層壓復合材料的制備條件是：溫度為120-300℃、壓力為0.1-10pma、真空度0-130毫米汞柱、加熱時間為3-90分鐘。
進一步地，所述步驟3)的壓力控制方式：包括但不限于多段溫度壓制、多段壓力壓制、多段真空壓制，可連續成形、高壓釜成型機成型、真空層壓機成型。
進一步地，所述可熱塑纖維增強層壓復合材料，可以多次成型；所述可熱塑樹脂，包括但不限于聚酰氨、聚醚醚酮、聚碳酸酯、聚甲基丙烯酸甲酯樹脂材料的其中一種或二種以上組合，或者由上述樹脂經環氧改性后的樹脂；
進一步地，所述裁切板材，是在常溫狀態進行的各種剪裁。
進一步地，所述預熱軟化，該預熱過程不限于模具內外，在10s-50s時間將板材預熱到110℃-250℃。
進一步地，所述模壓成型，是指模具壓力為3kg-50kg；模壓溫度為50℃-180℃，成型時間10s-30s。
本發明具有如下突出的有益效果：
1、發明由于設置了具有預浸、鋪設、疊合、控溫控壓、真空壓合成型、剪裁、加熱和模壓成型結構的專用設備，使材料的預浸、鋪設、疊合、控溫控壓、真空壓合成型、剪裁、加熱和模壓成型工序都是由機械設備完成，無需手工預浸、鋪設材料，也無需使用大型設備，因此能夠解決現有纖維復合材料成型工藝存在手工化程度高、加工周期長、效率低下、導致產品成本高、難于實現量產化的問題，具有機械化程度高、加工周期短、效率高、產品成本低和便于實現量產化等特點和有益效果。
2、本發明可縮短產品工藝加工周期、簡化工藝流程，節省后處理加工工序、降低成本；用機械操作替代現有的手工鋪布方式，提高產品的加工效率；避免樹脂高壓導入或者注入，解決目前樹脂浸潤不充分、不均勻的問題，提高產品表觀質量和整體性能；快速成型、實現量產化。
3、本發明利用板材壓制成型，替代手工鋪布的方式，提高了效率和產品精度；采用樹脂與纖維固化壓制板材，該板材平整性好、致密度高，樹脂對纖維浸潤充分，解決了現有技術所存在的砂眼、氣泡、不平整帶來的外觀質量問題，并提升了產品的強度性能；采用預熱軟化成型，成型時間大大縮短，實現批量生產的目的；簡化工藝流程，避免了后處理工序，節省了人力成本，提高了生產效率，降低了生產能耗。
具體實施方式
具體實施例1：
本實施例1涉及的基于可熱塑的纖維增強復合材料板材的快速成型方法，其特征在于包括如下步驟：
1)準備好成型設備和材料；設置具有預浸、鋪設、疊合、控溫控壓、真空壓合成型、剪裁、加熱和模壓成型結構的專用設備，準備好可熱塑成型的樹脂溶液和纖維增強材料；
2)制作纖維膠片；將可熱塑成型的樹脂均勻涂布在碳纖布上，使可熱塑成型樹脂充分浸潤在碳纖布上，然后在120℃條件下烘烤5分鐘，制得碳纖維膠片；
3)制作可熱塑纖維增強層壓復合材料；取步驟2)所述的取上述纖維膠片2層進行疊合，置于可程式控溫控壓的真空壓機中，在真空狀態，在0.9pma的壓力條件，制品溫度在180℃條件下壓合10分鐘，制成0.5mm厚度的纖維層壓復合材料板材；
4)剪裁模板，根據產品的尺寸要求，用裁切機構裁切精準可熱塑性纖維層壓復合材料板材，大小為0.3*0.5m；
5)模板加熱軟化；將步驟4)裁剪好的模板放在加熱設備上進行預熱軟化板材放到加熱設備上加熱軟化，軟化溫度110℃，軟化時間40s；
6)模壓成型；將軟化后的板材放入模具內，壓制成型，壓力為10kg，溫度為50℃，壓制時間10min；
7)制得產品成品；模板脫模，修邊，制成纖維增強復合材料板材成品。
具體實施例2：
本具體實施例2的特點是：
1)將可熱塑成型的樹脂均勻涂布在碳纖布上，在130℃條件下烘烤4分鐘，制得纖維膠片；
2)取上述纖維膠片3層進行疊合，置于可程式控溫控壓的真空壓機中，在真空狀態，在0.8pma的壓力條件，制品溫度在200℃條件下壓合5分鐘，制成0.5mm厚度的纖維層壓復合材料板材；
3)根據產品的尺寸要求，用自動裁切機裁切精準可熱塑纖維板材，大小為1.0*0.8m；
4)將板材放到紅外溫度機下面加熱到120℃，軟化時間：20s；
5)軟化后的板材放入模具內，壓制成型，壓力為30kg，溫度為100℃，壓制時間5min
6)固化完成后，脫模
7)修邊，完成。
具體實施例3：
本具體實施例3的特點是：
1)將可熱塑成型的樹脂均勻涂布在碳纖布上，在150℃條件下烘烤3分鐘，制得纖維膠片；
2)取上述碳纖維膠片4層進行疊合，置于可程式控溫控壓的真空壓機中，在真空狀態，在0.7pma的壓力條件，制品溫度在190℃條件下壓合5分鐘，制成0.6mm厚度的纖維層壓復合材料板材；
3)根據產品的尺寸要求，用自動裁切機裁切精準可熱塑纖維層壓復合材料板材，大小為1.2*1.5m；
4)將板材放入模具上，加熱模具到200℃，板材軟化；壓制成型的壓力為30kg，成型時間15s
5)脫模、修邊，完成。
其他具體實施例：
本發明其他具體實施例的特點是：
一種基于可熱塑的纖維增強復合材料板材的快速成型方法，其特征在于包括如下步驟：
1)準備好成型設備和材料；設置具有預浸、鋪設、疊合、控溫控壓、真空壓合成型、剪裁、加熱和模壓成型結構的專用設備，準備好可熱塑成型的樹脂溶液和纖維增強材料；
2)制作纖維膠片；將纖維增強材料浸入可熱塑成型的樹脂溶液中，使可熱塑成型樹脂充分浸潤在纖維增強材料上，然后在50-120℃溫度條件下烘烤3-30分鐘，制得纖維膠片；
3)制作可熱塑纖維增強層壓復合材料；取步驟2)所述的纖維膠片進行1-5層疊合，將疊合后的纖維膠片置于可程式控溫控壓的真空壓機中，在真空狀態、在0.1-10pma的壓力條件，將真空壓機內的溫度控制在150-300℃，使疊合膠片在在150-300℃溫度條件下壓合3-90分鐘，制成可熱塑纖維增強層壓復合材料；
4)剪裁模板，根據產品的尺寸要求，用剪裁機構裁切成可熱塑纖維增強層壓復合板的模板；
5)模板加熱軟化；將步驟4)裁剪好的模板放在加熱設備上進行預熱軟化，加熱溫度為110℃-250℃，軟化時間10s-50s；
6)模壓成型；將軟化的模板放入模具內，用壓力機快速壓制成型，模壓壓力為3-50kg，模壓溫度50℃-180℃，成型時間1min-10min；
7)制得產品成品；模板脫模，修邊，制成纖維增強復合材料板材成品。
進一步地，步驟3)制得的可熱塑纖維增強層壓復合材料，其厚度為0.2-5mm。
進一步地，所述纖維增強材料，包括但不限于碳纖維、玻璃纖維、芳綸纖維或玄武巖纖維；所述纖維增強材料的纖維，包括長纖、短纖、混編、單向等各種纖維材料。
進一步地，步驟2)中制得的膠片，先進行3-30分鐘烘烤，再進入步驟3)的生產流程，烘烤溫度為50-120℃。
進一步地，步驟3)可熱塑纖維增強層壓復合材料的制備條件是：溫度為120-300℃、壓力為0.1-10pma、真空度0-130毫米汞柱、加熱時間為3-90分鐘。
進一步地，所述步驟3)的壓力控制方式：包括但不限于多段溫度壓制、多段壓力壓制、多段真空壓制，可連續成形、高壓釜成型機成型、真空層壓機成型。
進一步地，所述可熱塑纖維增強層壓復合材料，可以多次成型；所述可熱塑樹脂，包括但不限于聚酰氨、聚醚醚酮、聚碳酸酯、聚甲基丙烯酸甲酯樹脂材料的其中一種或二種以上組合，或者由上述樹脂經環氧改性后的樹脂；
進一步地，所述裁切板材，是在常溫狀態進行的各種剪裁。
進一步地，所述預熱軟化，該預熱過程不限于模具內外，在10s-50s時間將板材預熱到110℃-250℃。
進一步地，所述模壓成型，是指模具壓力為3kg-50kg；模壓溫度為50℃-180℃，成型時間10s-30s。
綜上所述，本發明所提出的成型工藝，可以快速一體成型，簡化了工藝流程，提高產品生產效率和整體性能，降低產品成本，快速實現量產化。