碳纤维复合材料HP-RTM模压成形工艺所需的装备介绍

文/吴健、米新政·天津天锻出版社有限公司

本文介绍了碳纤维复合材料HP-RTM成型工艺所需的设备，详细介绍了碳纤维复合材料成型设备的切割机、预成型设备、成型设备和切割机。 HP-RTM成型工艺是在复合材料生产中制造具有高纤维体积含量的大型复杂结构的成型方法。 它是由普通塑料制品的成型演变而来。 它是一种用于热固性树脂和热塑性树脂的方法。 所有合适的碳纤维复合材料成型方法。 成型的基本过程是：将根据性能和结构要求设计的增强材料预制件放入模具型腔中（模具型腔需要预先制成特定尺寸），然后将预制件放入液压机的模具型腔中。加压、注射或在外部真空辅助的情况下，液态树脂在闭合的模具内流动并排出气体。 同时渗透干纤维预制件，加热固化，得到产品。

碳纤维复合材料HP-RTM是传统RTM技术与成型技术相结合的新技术。 在保证产品质量的同时可以大大缩短生产时间，从而降低生产成本。 HP-RTM成型件具有重量轻、强度高、抗疲劳性能好、损伤安全性高、耐腐蚀性能好等优点。 广泛应用于航空航天、高铁、电子、军事等领域。

碳纤维复合材料具有轻质、高强、可设计性好、耐腐蚀、整体成型、可设计等诸多优异性能。 它们可以替代传统金属作为新型轻质材料。 碳纤维复合材料在汽车领域的应用是为了减轻车身重量。 在重量和燃油效率方面取得了突破。

HP-RTM工艺可以一次性快速成型大型复杂部件。 所得产品表面光滑，不需要太多后续加工，简化了工作流程，提高了工作质量。 而如果用预制件制备，可以实现尺寸控制，可设计性强，实现自动化或半自动化生产。

目前，随着国内HP-RTM成型技术的快速发展和推广，已基本形成成套的生产装备。 生产设备主要由四部分组成，即切割单元、预成型单元、成型单元和切割加工单元等。切割单元由多层上料装置、切割装置、出料装置等组成； 预成型机组由预成型上料装置、预热炉、预成型压力机、预成型模具、出料装置组成。 ; 成型单元由上料台、上料机器人、大吨位液压机、成型模具、真空装置、注胶机、卸料机器人、卸料平台等组成； 切割单元由五轴机切割系统、激光、冷水机、双工位滑台、冷干机及其控制系统组成。

切割单元

切割机可将高强度碳纤维编织物切割成工件所需尺寸。 通过单层切割、多层铺布，或者多卷同时放卷切割，实现多层碳纤维预制体的切割。 切割台如图1所示，具体工艺流程为：

⑴首先将碳纤维卷材手动安装到放卷架上；

⑵ 手动将碳纤维卷端部放入压辊内；

⑶ 启动切割机，将料头带到切割台上的指定位置，并在初始位置进行定位切割；

⑷切割机根据输入图纸要求进行切割加工；

⑸切割完成后，输送至卸料台；

⑹ 人工或机器人取出切割好的材料并传送至下一道工序。

图1 切割台

预制单元

切割好的碳纤维编织多层预成型件可通过预成型单元压制成型，为后续高压注射树脂提供前期准备。 多根单层碳纤维编织物有序地输送、加热、压制、排出。 材料工序完成，完成预制体的压制。 图2为天锻公司预成型生产线。 具体工艺流程为：

⑴ 人工将原材料放入上料台；

⑵机器人拾取多层材料进入加热台；

⑶ 加热平台闭合模具，对瓶胚进行预热；

⑷加热完成后，平台打开模具，机器人进入拾取零件；

⑸机器人将预热好的瓶坯送入预成型压机；

⑹预成型压机向下运动，对预成型体加压；

⑺预成型机打开模具，机器人取出压制好的瓶坯；

⑻机器人将成型的预制体放到卸料辊道上，压合完成。

图2 天锻公司预成型生产线

预成型装载台和机器人

上料台用于在预成型生产线上放置切割后的多层碳纤维预成型件。 它是一种可移动的载物台，由电机驱动，在地轨上进出和往复运动。 装载台上设有多个仿形定位装置，方便预制材料的手动定位。

装载机械手（图3）安装在装载台料位上方。 由多维伺服电机驱动，将预成型材料传送至预热平台。 机械手上布置有多组末端拾取器，用于拾取预制材料。 利用伺服电机的无级调速和稳定特性，可以将预制材料快速传送到指定位置。 设备冲击小，运行平稳。

图3 天锻公司装载机械手

预热平台

预热平台（图4）采用钢结构框架形式，可对预成型碳纤维材料在预成型、压制前进行预热。 其作用是让纤维织物表面的粘合剂达到熔化温度，可以有效地结合多层。 碳纤维织物粘合在一起，对后续高压注塑的质量起着关键作用。

图4 天锻公司预热平台

预热平台由伺服电机驱动，加热台由模温机加热。 加热速度快，控温精度高。 它可以将碳纤维预制件快速加热到预定温度。 设备设有超温、过压、超程等安全保护措施。

预成型液压机

预成型生产线的主要设备是预成型液压机（图5）。 目前我国其吨位一般为200～500t。 机身结构多采用整体框架式。 该型机身抗偏载能力强，滑块导轨采用外置X形可调导轨，液压控制系统采用数字显示、数字控制的比例控制系统。 控制单元采用伺服电机节能方案。 系统运行稳定可靠，降噪效果良好。 电气控制采用工控机显示及操作终端，便于简化操作，人机交互性强，并配有快速换模装置。

图5 天锻公司预成型液压机

瓶坯模具

预成型模具多采用上下模结构，可通过液压机配备的快速换模装置快速更换。 为了适应液压机的压制，常在上下模上加一些过渡垫或承压模板。 增加模具承压面积。 上、下模具采用T型螺钉与压力机滑块、下横梁固定连接。

卸料机器人及卸料平台

卸料机械手采用三自由度框架结构，由伺服电机驱动。 车架采用轻质铝合金结构，既保证了刚性又减轻了重量。 机架上布置多组拾取端拾取器，传送速度可达1m/s，重复定位精度达到±1mm。

卸料平台上设有仿形支架，可通过电机驱动在生产线防护网与卸料位之间移动，方便成品卸料和人员安全。

成型单元

瓶坯经过预成型机组预压成型后，经过输送和人工加固，然后输送至成型生产线的上料台。 由机器人（或人工）输送至压力机，然后进行合模→抽真空→注胶→加压→保压→脱模等工序，然后用机器人（或人工）拾取成型件并将它们放入卸料平台。 成型生产线如图6所示，具体工艺流程为：

⑴ 将预制体人工放置在装载台上；

⑵机器人拾取预制体并放入压机内；

⑶压力机进行合模、抽真空、注胶、压制、保压、脱模、返回，完成压制；

⑷机器人拾取冲压件并将其从模腔中取出；

⑸机器人将零件放置在下料平台上，压合完成。

图6 成型生产线

饲喂平台

装卸平台由安全棚、卷帘门、装卸小车组成。 配备双套三层装载小车，可交替使用，加快生产效率。 手推车采用铝合金型材拼接而成。 它重量轻、强度高、易于手动操作。 小车进出工作站都有相应的传感器，检测其工作位置是否到位。

上下料机器人

上下料机器人（图7）采用六轴机器人，可以拾取装载平台上的预制件并将其放入压力机的模具型腔中。 压力机完成后，成品零件被拾取并放置在卸料机上。 在平台上。

图7 上下料机器人

该机器人的高扭矩关节适合输送大型、重型工件，每个机器人均配备以下组件：机器人本体、机器人附件和真空系统、机器人控制器、示教编程器以及机器人与控制器之间的电缆。 万能末端拾取器采用铝合金主杆，这是手动快换系统的主要结构。 支撑杆由铝合金制成，带有真空吸盘。

成型液压机

目前，国内成型液压机吨位一般为2000～3000t，如图8所示。机身结构多采用组合拉杆框架式。 该型机身抗偏载能力强，滑块采用外置X形可调导轨导向，液压控制系统采用泵控制系统，数字显示、数字控制。 控制单元采用伺服电机节能方案。 系统运行对电网影响小，节能高、噪声低、系统性能稳定可靠、长期运行成本低。 电气控制采用工控机显示及操作终端，操作简单化，人机交互性强。 配备快速换模装置，并设有辅助油路和辅助气路。

图8 天锻公司2500吨模压成型液压机

根据工艺要求配备四角调平功能。 该系统是一个独立的闭环系统。 并行度控制系统的参数自动调整。 调节控制精度为±0.1mm。 当液压机承受较大偏心载荷时，调平系统响应迅速。 ，从而能够准确地保持压力机的平行度。

抽真空系统

真空装置是HP-RTM工艺中不可缺少的设备。 主要用于模具闭合后对模具型腔进行抽真空，使模具型腔内形成真空状态，达到快速对模具型腔抽真空的效果。 一般在标准大气压下，模腔真空度可达-0.098MPa。

注胶机

注胶机可将树脂原料按一定量混合后，通过模具预留的注射口注入模具型腔，进行热塑性或热固性成型。 注胶机采用特殊设计。 原料将在所需的温度下在管道中流动，同时进行适当的脱气，然后以精确的流量和比例进行计量。 该设备还设有夹套料罐，通过导热油模温机和热交换器将原材料温度加热至100℃。

料罐还具有特殊的真空脱气系统，可以去除树脂原料中残留的气泡，避免最终固化的复合材料部件出现气孔。

HP-RTM工艺注胶机中最关键的设备是混合头。 液体原料通过计量泵在混合头内达到一定的压力，然后这种压力通过特制的喷嘴转化为喷射混合的动能。 两种或多种原料通过这些喷嘴在混合室内受到高压碰撞而充分混合。 这种高压碰撞会产生强烈的湍流，以达到最佳的混合效果。

HP-RTM压缩成型模具

HP-RTM成型模具具有上下模结构，采用立式压制工艺。 上模由上垫、上模板、上模垫、顶出气缸、真空控制气缸和导柱组成。 下模由下垫板、下模板、下模垫板、顶出气缸、真空控制气缸和导柱组成。

上模通过T型螺栓与压力机上滑块固定连接，下模通过T型螺栓与压力机下梁固定连接。

模腔和型芯每侧有6个吹塑顶出气缸和真空开关气缸，其中包括2个压力传感器和4个PT100温度传感器。

模具型腔、型芯钢材采用国产P20（3Cr2Mo）。 P20钢适用于制作塑料模具和压铸低熔点金属的模具材料。 该材料具有良好的机械加工性和镜面研磨性能。

试模完成后，对模具进行电镀。

卸货平台

如图9所示，卸料平台采用皮带循环输送机构。 当机器人将成品零件放置在卸载平台的一端时，皮带输送机旋转，将零件传送到另一端。 到达位置后停止并手动移除零件。 。

图9 卸货平台

卸料平台具有防跑偏、调偏、张紧皮带机构等功能。 皮带表面设有耐切割层，耐冲压件切割，不易老化。

切割加工单元

目前主流的加工设备主要是激光切割机（图10）、水射流切割机、数控高速机床等，上述设备中，激光切割机是近年来应用较多的。 切割加工单元由五轴机切割系统组成，由激光器、冷水机、双工位滑台、冷干机及其控制系统组成。 切割速度：线切割速度可达2.4m/min； 切割精度≤±0.1mm/m； 碳化层：厚度0.03～0.15mm； 重复加工（定位）精度：±0.05mm； 加工幅面（长×宽×高）：3000mm×1800mm×550mm。

图10 激光切割机

总结

国内装备发展起步较晚，高端产品主要依赖进口设备。 国产设备主要针对低端产品，技术落后、智能化程度低、精度和产品稳定性较差，缺乏竞争力。

碳纤维复合材料轻量化HP-RTM成型设备是传统冲压成型工艺的技术升级。 是集轻量化零件成型、机械制造、液压、检测与控制等多学科先进技术为一体的成套工艺装备。 该技术未来将广泛应用于国内航空航天、汽车、高铁等领域。 采用HPRTM成型先进的成型工艺技术，并匹配相应的机械手、输送系统、温控设备和真空设备，成功解决了该问题。 新型碳纤维复合材料零件存在效率低、稳定性差、精度低等棘手问题。 综上所述，碳纤维复合材料轻量化HP-RTM智能成套设备将具有明显的优势和突出的竞争力。

——文章选自《锻造与冲压》2023年第10期

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