碳纖維復合材料HP-RTM模壓成形裝備

文／武健，米新征·天津市天鍛壓力機有限公司

本文對碳纖維復合材料HP-RTM 模壓成形工藝所需的裝備進行介紹，詳細闡述了碳纖維復合材料模壓成形裝備的剪裁機、預成形裝備、模壓成形裝備和切割機等。HP-RTM 模壓成形工藝是復合材料生產中一種制造高纖維體積含量的大型復雜構型的成形方法，它是由普通的塑料制品模壓成形演變而來的，是一種對熱固性樹脂和熱塑性樹脂都適用的碳纖維復合材料成形方法。模壓成形基本過程是：在模腔（模腔需要預先制作成特定尺寸）中鋪放按性能和結構要求設計的增強材料預成形體，然后將預制體放入液壓機模腔內，在壓力注入或外加真空輔助條件下，液態樹脂在閉合模具里流動并排出氣體，同時浸潤干態纖維預成形體，加熱固化，得到制品。

碳纖維復合材料HP-RTM 是將傳統RTM 技術與模壓技術結合的新型技術，在能夠保證產品質量的同時極大地縮短生產時間，從而降低生產成本。HP-RTM 模壓成形制件具有輕質高強、抗疲勞性能好、破損安全性高、耐腐蝕性好等優點，在航空航天、高鐵、電子、軍工等領域具有廣泛的應用。

碳纖維復合材料具有輕質高強、可設計性好、耐腐蝕、整體成形以及性能可設計等諸多優良特性，能夠取代傳統金屬成為新型輕量化材料，將碳纖維復合材料應用于汽車領域，以期在減輕車身重量、提高燃油效率方面有所突破。

HP-RTM 工藝可一次性快速成形大型、復雜構件，所得制品表面光潔，無需太多后續處理，簡化了工作流程，提高了工作質量。并且如果用預成形體制備，則可做到尺寸控制，可設計性強，實現自動化或半自動化生產。

目前，隨著國內HP-RTM 成形工藝的高速發展與推廣，已經基本形成一套完善的生產裝備組成，其生產設備主要由四個部分組成，分別為裁切單元、預成形單元、模壓單元和切割加工單元等。其中裁切單元由多層上料裝置、裁切裝置、出料裝置等組成；預成形單元由預成形上料裝置、預熱處理爐、預成形壓機、預成形模具、下料裝置等組成；模壓成形單元由上料臺、上料機器人，大噸位液壓機、模壓模具、抽真空裝置、注膠機、下料機器人、出料平臺等組成；切割加工單元由五軸機切割系統、激光器、冷水機、雙工位滑臺、冷干機及其控制系統等組成。

裁切單元

利用裁切機可以將高強度的碳纖維編織物裁切成工件需要的外形尺寸，經過單層裁切多層鋪料，或者采用多卷同時開卷裁切，實現多層碳纖維預制體的裁切，裁切臺如圖1 所示，具體工藝流程為：

圖1 裁切臺

⑴首先人工將碳纖維卷料安裝到放料架上；

⑵人工將碳纖維卷料的料頭放入壓料輥內；

⑶開動裁切機將料頭帶入裁切臺指定位置，并進行初始位置定位裁切；

⑷裁切機按照輸入圖紙要求進行裁切加工；

⑸裁切完成后，輸送到下料臺；

⑹人工或機器人將裁切好的料取出轉運到下一工序。

預成形單元

通過預成形單元可以將裁切完成的碳纖維編織物多層預制體壓制成形，為后序的高壓注入樹脂提供前期準備，有序的將多個單層碳纖維編織物經過倒運→加熱→壓制→出料工序，完成預制體的壓制。圖2 為天鍛公司預成形生產線，具體工藝流程為：

圖2 天鍛公司預成形生產線

⑴人工將原料放入上料臺中；

⑵機械手將多層料拾取到加熱臺中；

⑶加熱平臺合模進行預成形體預熱；

⑷加熱完成，平臺開模，機械手進入取件；

⑸機械手將預熱后的預制體送入預成形壓機中；

⑹預成形壓機下行，加壓壓制預成形體；

⑺預成形壓機開模，機械手取出壓制完成的預制體；

⑻機械手將成形后的預制體放入下料輥道上，壓制完成。

預成形上料臺及機械手

上料臺在預成形生產線中是用來放置裁切完成后的多層碳纖維預制料，其為可移動的上料臺，通過電機驅動在地面上的地軌上進行進出移動和往復上料，并在上料臺面上布置多個仿形定位裝置，方便人工放置預制料的定位。

上料臺上料位上方配備有上料機械手(圖3)，其通過多維度伺服電機驅動，實現將預制料轉運到預熱平臺中。機械手上布置有多組端拾器，用來拾取預制料，利用伺服電機的無極調速和穩定特性，可實現把預制體快速轉運至指定位置，設備沖擊小且運行平穩。

圖3 天鍛公司上料機械手

預熱平臺

預熱平臺(圖4)采用鋼結構框架形式，可以對預制體碳纖維料進行預成形壓制前的預熱，其作用是讓纖維織物表面的粘結劑達到熔融的溫度，可以有效地將多層碳纖維織物粘結在一起，對后續的高壓注膠成形質量起到關鍵作用。

圖4 天鍛公司預熱平臺

預熱平臺采用伺服電機驅動，通過模溫機對其加熱臺面進行加熱，升溫速度快，溫控精度高，可迅速將碳纖維預制體升溫到預定溫度，設備配備過溫、過壓、超程等安全保護措施。

預成形液壓機

在預成形生產線中主要設備當屬預成形液壓機(圖5)，目前國內其噸位一般多為200 ～500t，機身結構多采用整體框架式，此種機身的抗偏載能力強，滑塊導向采用外X 型可調導軌導向，液控系統采用比例控制系統，帶數字顯示和數字控制。調控單元采用伺服電機節能方案，系統運行平穩可靠，降噪效果好。電氣控制采用工控機顯示和操作終端，方便簡化操作，人機交互性強，并配備快速換模裝置。

圖5 天鍛公司預成形液壓機

預成形模具

預成形模具多采用上、下模結構，通過液壓機配備的快速換模裝置進行快速更換，為適應液壓機的壓制，多會在上、下模上再增加一些過渡墊板，或者承壓模板，用以增加模具承壓面積。上、下模具采用T 形螺釘與壓機的滑塊和下梁進行固定連接。

下料機械手及出料平臺

下料機械手采用三自由度框架結構，由伺服電機驅動，框架采用輕質鋁合金結構，既保證了剛度，又減輕了重量，框架上布置多組拾取端拾器，移載速度可達1m/s，重復定位精度達到±1mm。

出料平臺上布置有仿形托架，通過電機驅動可以在產線護網與出料位進行移動，方便成品出料及人員操作安全。

模壓成形單元

在經過預成形單元預壓制成形后的預制體，被轉運人工補強后，運送到模壓成形生產線的上料臺，機器人搬運(或者人工)送到壓機中，然后合?！檎婵铡⒛z→加壓→保壓→脫模等工序，再經由機器人(或者人工)將成形制件拾取放入出料平臺。模壓成形生產線見圖6，具體工藝流程為：

圖6 模壓成形生產線

⑴人工將預制體放在上料臺上；

⑵機器人將預制體拾取放入壓機中；

⑶壓機進行合模、抽真空、注膠、壓制、保壓、脫模、回程動作完成壓制；

⑷機器人將壓制完成的制件拾取出模腔；

⑸機器人將制件放在下料平臺上，壓制完成。

上料平臺

上料平臺由安全棚、卷簾門、上料小車組成。配備雙組3 層上料小車，可交替使用上料，加快生產效率。小車采用鋁合金型材拼接完成，重量輕、強度高，人工操作方便，小車進出工位都有相應傳感器，可檢測其工作位置是否到位。

上下料機器人

上下料機器人(圖7)采用六軸機器人，可實現拾取上料平臺上的預制體制件，將其放入壓機的模腔內，待壓機壓制完成后，將成品制件拾取放在下料平臺上。

圖7 上下料機器人

機器人的大扭矩關節適合傳送大型和重型工件，且每個機器人裝配有以下部件：機器人本體、機器人附件及真空系統、機器人控制器、示教編程器、機器人與控制器之間的電纜。通用端拾器采用鋁合金主桿，手動快換系統的主體結構，支桿為鋁合金材質加真空吸盤。

模壓成形液壓機

目前，國內模壓成形液壓機的噸位一般多為2000 ～3000t，如圖8 所示，機身結構多采用組合拉桿框架式，此種機身的抗偏載性強，滑塊采用外X型可調導軌導向，液控系統采用泵控系統，為數字顯示和數字控制。調控單元采用伺服電機節能方案，系統運行對電網沖擊小，節能性高、噪聲低、系統性能穩定可靠，長期運營成本低。電氣控制采用工控機顯示和操作終端，方便簡化操作，人機交互性強。配備快速換模裝置，隨機配備輔助油路，輔助氣路。

圖8 天鍛公司2500 噸模壓成形液壓機

根據工藝需求配備四角調平功能，此系統為單獨的閉環系統，平行度控制系統參數為自動調節，調節控制精度±0.1mm，當液壓機在承受較大偏心負載時，通過調平系統迅速作出反應，使壓機平行度得以精確保持。

抽真空系統

抽真空裝置是HP-RTM 工藝中必不可少的設備，它主要用于對合模后的模腔進行抽真空作業，使模腔內產生真空的狀態，達到快速將模腔抽真空的效果。一般在標準大氣壓下，模腔真空度可達到-0.098MPa。

注膠機

注膠機可以將樹脂原料按照一定計量混合后，通過模具預留注膠口注入模腔內進行熱塑或者熱固成形。注膠機采用特殊的設計，原料會以要求的溫度在管路內流動，同時進行適當的脫氣，然后以精確的流量和比例進行計量。這套設備還帶有夾套料罐，通過導熱油模溫機和熱交換器，將原料溫度加熱到100℃。

料罐還帶有專門的真空脫氣系統，可去除樹脂原料中殘留的氣泡，避免最后固化的復合材料部件中出現氣孔。

HP-RTM 工藝注膠機中最關鍵的設備是混合頭，液態的原料通過計量泵在混合頭內達到一定的壓力，然后通過專門的噴嘴將這種壓力轉化成噴射混合的動能。兩種或多種原料會通過這些噴嘴在混合腔內充分高壓對撞混合，這種高壓對撞會產生一種強烈的湍流，以實現最佳的混合效果。

HP-RTM 模壓成形模具

HP-RTM 模壓模具為上、下模結構，垂直壓制工藝。上模由上墊板、上模板、上模墊塊、頂出缸、抽真空控制缸及導向柱等組成。下模由下墊板、下模板、下模墊塊、頂出缸、抽真空控制缸及導向柱等組成。

上模由T 形螺栓與壓機上滑塊固定連接，下模由T 形螺栓與壓機下橫梁固定連接。

在模具型腔和型芯側各布置有6 個吹氣頂出油缸，抽真空開關油缸，包括2 個壓力傳感器和4 個PT100 溫度傳感器。

模具的型腔和型芯鋼材采用國產P20(3Cr2Mo)，P20 鋼材適用于制作塑料模和壓鑄低熔點金屬的模具材料。此材料具有良好的可切削性及鏡面研磨性能。

在模具試模完成后，對模具進行電鍍處理。

下料平臺

如圖9 所示，下料平臺采用皮帶循環輸送機構，當機器人將成品件放置到下料臺一端時，皮帶機轉動將制件傳送到另一端，到位置后停止，人工將制件取下。

下料平臺具有防跑偏功能和跑偏調整功能、張緊皮帶機構，皮帶表面帶有耐切割層，耐沖壓件切割、不易老化。

切割加工單元

目前，主流加工設備主要為激光切割機(圖10)、水刀切割機、數控高速機床等，在上述設備中，近些年常用的為激光切割機，切割加工單元由五軸機切割系統、激光器、冷水機、雙工位滑臺、冷干機及其控制系統等組成。切割速度：直線切割速度可達2.4m/min；切割精度≤±0.1mm/m；碳化層：厚度0.03 ～0.15mm；重復加工(定位)精 度：±0.05mm；加 工 幅 面( 長× 寬× 高)：3000mm×1800mm×550mm。

圖10 激光切割機

總結

國內設備發展起步晚，高端產品主要依賴進口設備。國內設備主要針對低端產品，工藝落后，智能化程度低，精度及產品穩定性較差，缺乏競爭力。

碳纖維復合材料輕量化HP-RTM 模壓成形裝備是傳統沖壓成形工藝的技術升級，是集輕量化零部件的模壓成形、機械制造、液壓、檢測與控制等多學科先進技術為一體的成套工藝裝備。該技術未來將在國內航空航天、汽車、高鐵等領域被廣泛采用，采用HPRTM 模壓成形這種先進的成形工藝技術，同時匹配了相應的機械手、輸送系統、溫控設備和真空設備，成功解決了新型碳纖維復合材料制件效率低、穩定性差、精度低等棘手問題。綜上所述，碳纖維復合材料輕量化HP-RTM 智能化成套裝備將會具有較明顯優勢，競爭力十分突出。