淺議RTM工藝中的模具設(shè)計技術(shù)

周子森

摘 要：RTM工藝是一種閉模成型技術(shù)，在設(shè)計零件的同時設(shè)計模具，將有助于改善制造工藝性、提高產(chǎn)品性能。文章通過介紹RTM工藝模具設(shè)計相關(guān)知識，探討RTM工藝的重要性。

關(guān)鍵詞：RTM；工藝；模具

1 模具的工藝過程簡介

所有使用模具的工藝過程，若在設(shè)計零件的同時設(shè)計模具，將有助于改善制造工藝性、提高產(chǎn)品性能。因為與所有其它模塑工藝相比，RTM工藝涉及的大部分過程都發(fā)生在模具內(nèi)部。模具的用途包括成形纖維預(yù)成形體、分配注入的樹脂并確定樹脂注射量、完成樹脂固化、抑制壓力差、保障脫模。RTM模具在許多方面與其它閉合模具相似。模具確定了零件的外部幾何形狀，對中空零件來說，還確定了內(nèi)部幾何形狀。對于多數(shù)復(fù)合材料制造工藝來說，內(nèi)模線（IML）可能不那么重要（除了管道等）。在RTM工藝中，厚度的變化不僅改變零件的重量，也會影響模具工藝。

模具可以直接從胚料開始制造，也可以從體現(xiàn)幾何外形的范模翻制出來。模具的尺寸可能要根據(jù)熱或化學(xué)收縮而進(jìn)行縮放，為補(bǔ)償預(yù)期的零件變形，模具的形狀也可能要改變。模具必須能承受各種無力載荷，其來源包括預(yù)成形體壓實、樹脂注射、模具密封以及模具內(nèi)部的加壓氣囊或芯模。它還必須包括工藝過程所需的附近，諸如注膠口、出膠口/排氣口、零件脫模機(jī)構(gòu)等。模具還必須保證固化時熱量均勻分配，在某些情況下，還要能夠在注射過程中預(yù)熱樹脂。

典型的航空制件需要承受高溫，因此要求樹脂在較高的溫度下固化。所需的固化溫度取決于樹脂的種類以及制件的應(yīng)用部位，但是通常介于120～175℃之間。該溫度是模具選材的首要指標(biāo)，因此它對模具材料、幾何形狀、物理性能等都有很多影響。

RTM模具必須使用壓機(jī)或是設(shè)置在模具中的鎖緊機(jī)構(gòu)閉合。壓實、注射和固化過程通常需要施加正壓力，因此模具必須有足夠的剛度，以便將載荷傳遞給鎖模機(jī)構(gòu)或壓機(jī)的臺面，而不產(chǎn)生額外的撓曲。此外，模具表面必須能夠經(jīng)受所需次數(shù)的工藝循環(huán)中干纖維對模具的摩擦，而不需要額外的維護(hù)。模具表面還必須與未固化樹脂、脫模劑、模具清洗劑所含的化學(xué)成分相容。

2 模具設(shè)計要求

在RTM工藝過程中，模具設(shè)計應(yīng)遵循結(jié)構(gòu)簡單合理、功能完備、經(jīng)濟(jì)實用的原則。RTM模具設(shè)計受多種因素的制約，因此其設(shè)計應(yīng)滿足以下要求：

模具件數(shù)的選擇應(yīng)合理。模具材料應(yīng)具有良好的機(jī)械、熱學(xué)性能。為保證RTM 產(chǎn)品尺寸的準(zhǔn)確性，RTM模具的加工精度選擇要合適。為避免樹脂粘在模具表面，RTM模具表面的光潔度要高。模具應(yīng)具有準(zhǔn)確、耐用的定位裝置。為保證模具內(nèi)部的壓力與真空度及防止樹脂泄漏，模具應(yīng)具有完善的密封結(jié)構(gòu)。模具中的樹脂進(jìn)口和出口位置應(yīng)合理配置。模具應(yīng)具有完善的夾緊機(jī)構(gòu)。模具中應(yīng)安裝一定的監(jiān)測儀表（如溫度、壓力及粘度等）。如需要，模具中應(yīng)裝備良好的供熱及冷卻系統(tǒng)。考慮到生產(chǎn)過程中模具的搬運(yùn)問題，模具的重量不應(yīng)過重。RTM模具的制造費(fèi)用較高，在設(shè)計中應(yīng)考慮各種因素降低模具的成本。

3 樹脂系統(tǒng)

RTM對樹脂系統(tǒng)的要求是：粘度相對較低（0.15-1.5Pa.s），對增強(qiáng)材料浸潤性好，便于樹脂在型腔內(nèi)順利、均勻地通過，并充分浸漬纖維，快速充滿整個型腔；固化放熱峰低（100-130℃），以免損傷玻璃鋼模具；膠凝時間和固化時間短，并可以有效大幅度的調(diào)節(jié)，這樣可以縮短固化周期以提高生產(chǎn)效率；樹脂固化時收縮率小，以保證產(chǎn)品的精度；樹脂系統(tǒng)不含溶劑，固化時無低分子物析出，同時又事宜添加填料，尤為重要的是樹脂內(nèi)氣泡的自身消除性好（不指排除）。

要根據(jù)最終制品的性能來選擇樹脂體系，另外還要求：粘度相對較低，適應(yīng)期長，對增強(qiáng)纖維的浸潤性好，凝膠時間短，且揮發(fā)性小。粘度低，則能在纖維束間和纖維束內(nèi)順利、均勻的通過；適應(yīng)期長，可以保證樹脂在凝膠前，已通過模具并浸漬增強(qiáng)材料；凝膠時間短，可以縮短成型周期；浸潤性好，揮發(fā)性小，則有利于氣泡的排除，使成型的構(gòu)件內(nèi)部孔隙含量少。

現(xiàn)在國內(nèi)滿足上述要求的UP的生產(chǎn)廠家不多，除少數(shù)大型的樹脂生產(chǎn)廠家外，一般均不生產(chǎn)。本次試驗采用的不飽和聚酯樹脂191#。不飽和聚酯樹脂191#是由二元酸（酐）和二元醇（及其縮合物）經(jīng)酯化反應(yīng)，縮聚成線性不飽和聚酯樹脂，然后經(jīng)具有交聯(lián)作用的活性單體溶劑（苯乙烯）所溶解而配制成的透明粘稠液體。本產(chǎn)品在加入適量引發(fā)劑后，能在常溫下較快交聯(lián)固化，成為堅實的固體，可用來粘合多種金屬和非金屬材料，固化后具有良好的耐水、耐腐蝕等性能。

質(zhì)量指標(biāo)：1.外觀：無色透明粘稠液體 2.固體含量：62±3% 3.粘度：40—60秒（涂4號杯，25℃）4.酸值：≤35mgKOH/克。

相對密度在1.11～1.20左右，固化時體積收縮率較大，固化樹脂的一些物理性質(zhì)如下：

絕大多數(shù)不飽和聚酯樹脂的熱變形溫度都在50～60℃，一些耐熱性好的樹脂則可達(dá)120℃。紅熱膨脹系數(shù)α1為（130～150）×10-6℃；不飽和聚酯樹脂具有較高的拉伸、彎曲、壓縮等強(qiáng)度；不飽和聚酯樹脂耐水、稀酸、稀堿的性能較好，耐有機(jī)溶劑的性能差，同時，樹脂的耐化學(xué)腐蝕性能隨其化學(xué)結(jié)構(gòu)和幾何開關(guān)的不同，可以有很大的差異；不飽和聚酯樹脂的介電性能良好。

4 RTM模具設(shè)計

在設(shè)計RTM成型用的模具時，主要考慮的是成型過程中模具本身的變形、注膠口的位置、排氣口的位置及整個模腔的密封。

①注膠口的位置。原則上注膠口應(yīng)在模具的最低處，且盡量靠近模具的形心。注膠口應(yīng)開在制品不醒目的位置，否則影響制品外觀；注膠口必須垂直于模具，注射時務(wù)必樹脂垂直注入模腔中，如果不處置注射，則會使樹膠碰到注射口而反射到模腔中，破壞了樹脂在模腔內(nèi)的流動規(guī)律，又會造成大量的氣泡，影響注射的成功。注入口一般用軟鋼加工，逆止閥采用聚四氯乙烯或乙烯加工。

②排氣口。原則上排氣口在模具的最高處，同時也是常規(guī)氣泡的死角處，這樣有利于趕盡空氣、浸漬樹脂并減少樹脂的流逝。

③密封。模具一般采用橡膠、改性橡膠或硅橡膠作為密封材料，密封位置一般在模具的邊緣。另外，密封的方法還需要另行考慮排氣問題。

參考文獻(xiàn)

[1]RTM成型工藝對復(fù)合材料制品性能的影響[J].閆剛，樊曉斌，張笑梅，趙丹，趙大為. 材料開發(fā)與應(yīng)用.2008（02）.

[2]RTM主要缺陷的研究進(jìn)展[J].齊燕燕，劉亞青，張艷君. 工程塑料應(yīng)用.2006（12）.