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熱壓罐選型

2025年03月03日 09:47:36      來(lái)源:山東中航泰達(dá)復(fù)合材料有限公司 >> 進(jìn)入該公司展臺(tái)      閱讀量:11

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熱壓罐的選型要綜合考慮的因素包括:
1) 預(yù)計(jì)產(chǎn)品尺寸;
2) 產(chǎn)品樹(shù)脂體系;
3) 樹(shù)脂的性能;
4) 模具的設(shè)計(jì);
5) 生產(chǎn)節(jié)拍。
一、預(yù)計(jì)產(chǎn)品尺寸
用戶(hù)在計(jì)劃采購(gòu)熱壓罐時(shí)必然會(huì)對(duì)產(chǎn)品的尺寸進(jìn)行預(yù)估,通常希望有所預(yù)留,在場(chǎng)地和資金允許的前提下盡量采購(gòu)大些的熱壓罐。
用戶(hù)需要根據(jù)產(chǎn)品的尺寸,綜合考慮模具的尺寸。由于熱壓罐依靠循環(huán)風(fēng)加熱模具,因此,一定要充分考慮氣體的流通通道,不能堵塞罐內(nèi)空間。
但是,不要盲目選用大尺寸型號(hào),受我國(guó)公路運(yùn)輸橋梁通行高度限制,外徑超過(guò)4m就難以運(yùn)輸,對(duì)應(yīng)熱壓罐有效使用直徑約3.5m。在此尺寸以下,熱壓罐可以在廠家制造,運(yùn)輸?shù)桨惭b場(chǎng)地,建設(shè)周期短。此尺寸以上,需進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)制造,建設(shè)周期長(zhǎng),費(fèi)用高。同時(shí)熱壓罐能耗較高,需要綜合考慮廠房的規(guī)模及配電能力。
二、產(chǎn)品樹(shù)脂體系:
復(fù)合材料固化成型,對(duì)熱壓罐性能的要求主要取決于使用的樹(shù)脂體系。在現(xiàn)有常用的熱固性樹(shù)脂中,以環(huán)氧樹(shù)脂及酚醛樹(shù)脂應(yīng)用普遍。
環(huán)氧樹(shù)脂根據(jù)不同的配方,從常溫固化到高溫固化,覆蓋較大的范圍。但是,常溫固化和低溫固化樹(shù)脂,其性能不適合使用熱壓罐,較少用于熱壓罐工藝。常用于熱壓罐工藝的環(huán)氧樹(shù)脂固化溫度從120℃~180℃,通常,環(huán)氧樹(shù)脂體系固化是施加0.6MPa的壓力就可以使力學(xué)性能趨于穩(wěn)定,固化成型后滿(mǎn)足要求。如果形狀復(fù)雜,需要適當(dāng)提高壓力。
酚醛樹(shù)脂體系的使用同樣很廣泛,酚醛樹(shù)脂體系采用烘箱固化的效果可以滿(mǎn)足要求不高的應(yīng)用場(chǎng)合,但是,當(dāng)要求比較高的纖維體積含量、較高的致密性、較低的缺陷時(shí),就需要使用熱壓罐。酚醛樹(shù)脂體系根據(jù)配方及材料性能要求的不同,固化溫度通常從120℃~170℃,固化施加的壓力從0.4Mpa~2Mpa不等。
對(duì)于產(chǎn)品采用環(huán)氧樹(shù)脂及酚醛樹(shù)脂體系的熱壓罐用戶(hù),采用的固化輔助材料均為市場(chǎng)上供應(yīng)的常規(guī)的尼龍薄膜真空袋、無(wú)紡?fù)笟鈿?、真空密封膠帶,這些材料的短時(shí)間耐溫上限通常在170℃~200℃之間。因此對(duì)于這些用戶(hù),選用熱壓罐的額定工作溫度高于200℃是沒(méi)有意義的。熱壓罐廠家通常按照250℃設(shè)計(jì)內(nèi)部耐熱結(jié)構(gòu),如果用戶(hù)能準(zhǔn)確提供使用溫度,熱壓罐廠家可以準(zhǔn)確計(jì)算加熱負(fù)載,減小裝機(jī)功率,達(dá)到節(jié)能的效果。
復(fù)合材料使用的樹(shù)脂體系種類(lèi)很多,有些高性能的樹(shù)脂的使用范圍較小,僅使用于航空航天、電子等領(lǐng)域,如耐高溫的雙馬樹(shù)脂、聚酰亞胺樹(shù)脂、高介電性能的氰酸酯樹(shù)脂。正在研究開(kāi)發(fā)中的熱熔樹(shù)脂系統(tǒng),則是希望大幅降低復(fù)合材料的制造成本,提高制造效率。
使用溫度250℃的熱壓罐可以滿(mǎn)足雙馬樹(shù)脂、氰酸酯樹(shù)脂的固化溫度要求,通常0.6Mpa的壓力可以滿(mǎn)足對(duì)于力學(xué)性能的要求,如果出于其它性能的需求,壓力可能需要進(jìn)一步提高。但是,對(duì)于這兩種復(fù)合材料固化中使用的輔助材料,可靠的耐溫性能約230℃,對(duì)工藝的制約很大。
聚酰亞胺樹(shù)脂是當(dāng)前可實(shí)用的耐溫等級(jí)的樹(shù)脂,固化溫度在300~370℃間,并有進(jìn)一步提高的趨勢(shì),同時(shí)固化壓力要求1.5Mpa以上,甚至2Mpa以上。這就需要配備高溫高壓熱壓罐。高溫高壓熱壓罐本身在技術(shù)上有較大的難度,同時(shí),這個(gè)耐溫等級(jí)的輔助材料工藝性極差,很難保證真空袋的密封,為此,高溫高壓熱壓罐必須配套氮?dú)夤?yīng)系統(tǒng),保證工藝過(guò)程中內(nèi)部氣氛的氧含量≦8%,以杜絕使用中材料失火,建議使用純度95%以上氮?dú)饧訅骸?br style="white-space:normal;"/> 熱熔樹(shù)脂系統(tǒng)復(fù)合材料正在研究開(kāi)發(fā)中,研究者希望應(yīng)用于汽車(chē)等領(lǐng)域。目前還沒(méi)有得到廣泛的應(yīng)用,樹(shù)脂正在不斷的創(chuàng)新中,因此,如何配套熱壓罐還沒(méi)有成熟的參數(shù)。從材料性能的規(guī)律分析,熱熔樹(shù)脂的成型溫度一定要高于使用溫度,熱熔樹(shù)脂的粘度不可能做到低于熱固性樹(shù)脂的粘度。從上述兩點(diǎn)分析,適用于熱熔樹(shù)脂體系的熱壓罐的溫度及壓力要求均應(yīng)稍高于常規(guī)熱壓罐。同時(shí),熱熔樹(shù)脂研究的重要目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)高效成型,因此對(duì)設(shè)備有相應(yīng)的要求,這需要從事材料及工藝研究人員進(jìn)一步探索。
三、樹(shù)脂的性能
樹(shù)脂的性能對(duì)熱壓罐的加壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)起主要作用。


對(duì)于復(fù)合材料在固化工藝中采用什么樣的溫度曲線(xiàn),在什么時(shí)候加壓,是決定復(fù)合材料最終質(zhì)量的關(guān)鍵。如何決定這兩個(gè)參數(shù),重要的依據(jù)是代表樹(shù)脂固化過(guò)程的兩條曲線(xiàn):

樹(shù)脂名稱(chēng)

固化溫度

工作壓力

1

環(huán)氧樹(shù)脂

120--180

0.6Mpa

2

酚醛樹(shù)脂

120--170

0.4Mpa—2.0Mpa

3

雙馬樹(shù)脂

230

0.6Mpa以下

4

氰酸酯樹(shù)脂

230℃以下

1.0Mpa以下

5

聚酰亞胺樹(shù)脂

300--370

1.5Mpa—2.0Mpa

6

熱熔樹(shù)脂

待定

待定















三、樹(shù)脂的性能
樹(shù)脂的性能對(duì)熱壓罐的加壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)起主要作用。
對(duì)于復(fù)合材料在固化工藝中采用什么樣的溫度曲線(xiàn),在什么時(shí)候加壓,是決定復(fù)合材料最終質(zhì)量的關(guān)鍵。如何決定這兩個(gè)參數(shù),重要的依據(jù)是代表樹(shù)脂固化過(guò)程的兩條曲線(xiàn):



樹(shù)脂在固化過(guò)程中的流動(dòng)性,決定了熱壓罐需要配備的加壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方式:
? 如果樹(shù)脂的流動(dòng)性可以控制的很好,不會(huì)過(guò)度流出,那么對(duì)加壓時(shí)機(jī)的要求就不高,優(yōu)良的樹(shù)脂可以實(shí)現(xiàn)“始加壓”,開(kāi)始升溫就開(kāi)始加壓。對(duì)于具有這種樹(shù)脂特性的復(fù)合材料產(chǎn)品,熱壓罐的加壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)允許比較簡(jiǎn)單,可以使用空壓機(jī)直接向罐內(nèi)打氣,省略大型的儲(chǔ)氣罐,可以降低設(shè)備費(fèi)用。但是當(dāng)熱壓罐規(guī)格較大時(shí),需要配套大功率的空壓機(jī),配電要求提高,綜合費(fèi)用需要根據(jù)具體情況進(jìn)行測(cè)算。
如果樹(shù)脂的流動(dòng)性過(guò)大,就一定要控制加壓時(shí)機(jī),這時(shí)需要在某個(gè)時(shí)間點(diǎn)在較短的時(shí)間段內(nèi)完成加壓。這種情況下的熱壓罐加壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要配備大型儲(chǔ)氣罐。對(duì)熱壓罐控制系統(tǒng)的要求非常高,需要熱壓罐軟件具有如下基本功能:
?應(yīng)控制模具溫度,而非空氣溫度;
?加壓的控制必須與溫度關(guān)聯(lián)隨動(dòng),實(shí)現(xiàn)在預(yù)定的溫度點(diǎn)加壓;
?當(dāng)熱壓罐內(nèi)的多件模具的溫度存在差異,需要實(shí)現(xiàn)等待各模具均進(jìn)入加壓窗口再實(shí)施加壓。加壓過(guò)程要快。
壓力容器在1.6Mpa分級(jí),高于1.6Mpa的熱壓罐,費(fèi)用會(huì)有比較顯著的增加。壓力要求高,熱壓罐容器的重量隨之增加,成本提高。同時(shí),為熱壓罐供氣的空壓機(jī)等設(shè)施的規(guī)格要加大,造成建設(shè)費(fèi)用的提高。因此,對(duì)于用戶(hù)而言,合理選擇常用壓力是非常重要的,要建立一個(gè)概念,廠家的設(shè)計(jì)壓力一定要稍大于常用壓力,設(shè)計(jì)壓力是出于安全的考慮的設(shè)計(jì)余量,常用壓力是用戶(hù)工藝中使用的實(shí)際壓力,按照用戶(hù)的常用壓力配套的供氣系統(tǒng),在使用中才是合理并經(jīng)濟(jì)的。
注:有些復(fù)合材料產(chǎn)品,為達(dá)到特殊的性能指標(biāo),要求很高的成型壓力。雖然就壓力容器而言,并沒(méi)有限制。但是從安全性以及經(jīng)濟(jì)性考慮。熱壓罐的設(shè)計(jì)壓力超過(guò)5Mpa是不適當(dāng)?shù)模O(shè)備制造難度加大,成本大幅提高,可靠性大幅降低。因此,如果復(fù)合材料的成型壓力一定要超過(guò)3Mpa,尺寸較大部件建議使用液壓釜,尺寸較小部件建議使用熱壓機(jī)。
四、模具的設(shè)計(jì)
復(fù)合材料模具有很多種,一般包括復(fù)合材料模具、金屬模具,金屬模具又包括鋁模具、鋼模具。模具的形式根據(jù)各復(fù)合材料生產(chǎn)商的產(chǎn)品特點(diǎn)及工藝習(xí)慣而定。
模具形式的選用,對(duì)熱壓罐的加熱系統(tǒng)的設(shè)計(jì)有影響。
復(fù)合材料模具,熱容量相對(duì)較小,比較容易升溫,但使用周期短,精度較低。金屬模具,熱容量大,升溫慢,使用周期長(zhǎng),精度高。
熱壓罐對(duì)模具的升溫,通過(guò)循環(huán)風(fēng)傳熱實(shí)現(xiàn)。因此,熱壓罐內(nèi)模具的溫度分布規(guī)律如圖示意,呈現(xiàn)前高后低。



對(duì)于小尺寸熱壓罐,由于產(chǎn)品尺寸小,這個(gè)差異相對(duì)小些,大多數(shù)情況下不用過(guò)多考慮,為縮短工藝周期,可以要求熱壓罐空載升溫速率3~5℃/min。建議采用3℃/min,要求過(guò)高增大裝機(jī)功率,增大成本,實(shí)際使用中意義不大。
對(duì)于大尺寸熱壓罐,模具的溫差不容小視,需要經(jīng)過(guò)計(jì)算,為保證模具各部位溫差在一定范圍內(nèi),只能降低模具的升溫速率。因此實(shí)際生產(chǎn)中,大尺寸產(chǎn)品模具的升溫速率一般在30℃/h左右。因此大尺寸熱壓罐要求高的空載升溫速率沒(méi)有意義,大幅度增加建造成本。
五、生產(chǎn)節(jié)拍
熱壓罐相對(duì)其它復(fù)合材料成型設(shè)備,材料的綜合性能,適應(yīng)性,工藝可控性,模具成本相對(duì)較低,因此在復(fù)合材料行業(yè)應(yīng)用越來(lái)越廣。但是,熱壓罐也存在很大的局限性,如耗能高,成型效率低等。
生產(chǎn)節(jié)拍要求,決定了熱壓罐的真空及熱電偶通道數(shù)量。生產(chǎn)節(jié)拍要求高,同時(shí)進(jìn)罐模具多,真空及熱電偶通道就要求多。但是要求過(guò)多的通道數(shù),設(shè)備成本大增,故障率提高,維護(hù)成本提高,需要經(jīng)過(guò)合理測(cè)算。
當(dāng)前,復(fù)合材料的應(yīng)用范圍越來(lái)越廣,復(fù)合材料低成本快速制造成為技術(shù)發(fā)展的重要方向。而實(shí)現(xiàn)低成本快速制造,除樹(shù)脂、模具等技術(shù)因素,固化設(shè)備是重要的環(huán)節(jié)。
★ 絕大部分樹(shù)脂的性能,在升溫速率提高時(shí),粘度都呈現(xiàn)降低趨勢(shì),這對(duì)于復(fù)合材料成型質(zhì)量是有利的。有些品種的樹(shù)脂(如聚酰亞胺),差異十分大,使得采用這種樹(shù)脂制備產(chǎn)品,在常規(guī)熱壓工藝下,產(chǎn)品的缺陷多,性能降低。但是在快速升溫工藝下,可以實(shí)現(xiàn)高品質(zhì)。
復(fù)合材料在汽車(chē)上的應(yīng)用,是當(dāng)前復(fù)合材料技術(shù)發(fā)展的一大方向,也是當(dāng)前復(fù)合材料技術(shù)發(fā)展的一大推動(dòng)力。汽車(chē)當(dāng)前采用鋼材制造,生產(chǎn)效率,具有“一分鐘工藝”之稱(chēng),以復(fù)合材料替代金屬,生產(chǎn)效率是的。
為實(shí)現(xiàn)高效生產(chǎn),目前有多種技術(shù)方向。包括熱固性樹(shù)脂、熱塑性樹(shù)脂、RTM、模壓、非熱壓罐技術(shù)等等。
本公司瞄準(zhǔn)技術(shù)發(fā)展方向,分析各種方向的優(yōu)缺點(diǎn),認(rèn)為熱壓罐技術(shù),只要能夠解決能耗和成型周期問(wèn)題,仍然有很大優(yōu)勢(shì),適應(yīng)性強(qiáng),質(zhì)量可靠,模具要求低。
本公司開(kāi)發(fā)的改進(jìn)型熱壓罐快速成型技術(shù),具有下列特點(diǎn):
  • 可以在30min~1h內(nèi)完成中低溫樹(shù)脂的固化;
  • 可以將高溫樹(shù)脂的固化成型周期從約20小時(shí)縮短到3~5小時(shí);
  • 比傳統(tǒng)熱壓罐節(jié)約能源90%以上;
  • 固化后材料力學(xué)性能與傳統(tǒng)熱壓罐相同,某些狀態(tài)可以略有提高。
  • 熱壓罐成型工藝



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