复合材料液体成型技术LCM(Liquid Composite Molding)是将液态聚合物注入铺有纤维预成型体的闭合模腔中,或加热预先放入模腔内的树脂薄膜使其熔化,液态聚合物在流动充模的同时完成对纤维的浸渍,经过固化过程成型为制品的复合材料制备技术。相较于其他传统复合材料成型工艺,LCM具有闭模成型环境友好、工艺成本较低、制件表面光滑质量高、制件范围广:可一次浸渍成型夹芯、加筋、预埋件等的大型构件。LCM工艺中易产生的制件产品缺陷有树脂浸润阶段的气泡、树脂过集和固化过程中的干斑、残余应力等,通过控制浸渍和固化过程相关工艺参数等可以有效降低相应缺陷。目前LCM技术已广泛应用于航空航天、汽车部件、高铁、船舶等制造行业,如俄罗斯联合航空制造集团(UAC)在其MS-21单通道飞机上采用液体成型工艺制造机翼结构,据称相对于热压罐工艺,液体成型工艺能实现减重10%,成本降低30%,能源损耗降低50%,工时减少30%。虽然上述数据有待证实,但液体成型工艺的成本优势毋庸置疑。随着国家层面对节能减排和新能源汽车的大力支持,以及目前国内相对欧美国家在复合材料成型工艺方向明显的技术差距,具备诸多优势的LCM技术在国内汽车轻量化领域市场潜力巨大、前景广阔。

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图1 Safran (赛峰) 3D 编织 RTM 复合材料航空涡扇发动机叶片

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图2 宝马i3复合材料车身

1. RTM Resin Transfer Molding

RTM是将液态热固性树脂及固化剂由计量设备分别从储桶内抽出,经静态混合器混合均匀,由注射枪注入预先铺有纤维增强材料的闭模内,经充模、固化、脱模后加工成制品。

VARTM (Vacuum Assisted RTM)

VARTM顾名思义是在RTM工艺基础上先在闭模内抽真空,再注入树脂,或者仅靠模腔内真空造成的内外压力差注入树脂的工艺,由于采用了抽真空的技术,对气泡的降低有明显效果。RTM与VARTM工艺流程比较如图3所示。

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图3 RTM与VARTM工艺流程比较

2. Light-RTM

Light-RTM工艺在VARTM工艺技术的基础上,采用半刚性模具和刚性模具配合构成制件型腔,并采用真空密封技术,成型模具的可以反复使用,大大降低了模具成本及制件制造成本;同时采用类环形通道从模具四周注胶,以及收集杯集料技术,大改善了树脂的流动充模,提高了生产效率。Light-RTM模具示意图如图4所示。

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图4 Light-RTM模具示意图

在树脂充模过程中不同于RTM技术的由注入口向四周扩散,Light-RTM采用周边注入的方法,如图5所示。

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图5 Light-RTM树脂充模过程

3. SCRIMP Seemann Composite Resin Infusion Molding Process

Seemann是该工艺专利技术注册公司的名称。SCRIMP工艺是在VARTM基础上增加将树脂通过专门设计的树脂分配系统在真空作用下注入模腔内。其中根据树脂分配系统的不同又可以细分为高渗透性介质SCRIMP和引流槽型SCRIMP工艺。

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图6 两种SCRIMP工艺原理

4. RFI

RFI工艺是将预先制备的树脂膜或稠状树脂块安放在成型模的底部,其上层覆以预成型坯,然后依照真空袋成型工艺的要点将模腔封装,加热使树脂膜(块)熔融,采用真空将树脂由下向上抽吸,从而填满整个坯料(即预制体)空间,固化成型后得到复合材料制件的工艺。

5HP-RTM High Pressure-RTM

高压RTM技术是目前比较热门的适于大批量生产高性能热固性复合材料零件的新型RTM工艺技术。它采用预成型件、钢模,真空辅助排气,高压混合注射和在高压下完成树脂对纤维的浸渍和固化的工艺。相较于传统RTM,HP-RTM工艺具有诸多优点:(1)充模快、浸润效果好,显著减少了气泡,降低了孔隙率;(2)使用高活性、低粘度树脂,缩短了生产周期,工艺稳定性和可重复性高;(3)使用内脱模剂和自清洁系统,制件表面效果优秀,厚度和形状偏差小。可实现低成本、短周期(大批量)、高质量生产。笔者曾与负责宝马i3与i8系列复合材料车身复材成型工艺研究的Bickerton教授交流该技术,Bickerton教授证实宝马早在十余年前就广泛采用了此技术,实现了复合材料汽车部件的快速成型。德国德国迪芬巴赫公司和克劳斯玛菲公司联合开发的全自动HP-RTM工艺中心,包括预制件的制造(预浸料裁剪、放置等)、压力和注射单元(部件的高压注射成型和快速固化)、完成单元(脱模和自清洁)三个主体部分,实现了HP-RTM工艺全自动化,目前我国仅有某民营复材企业进口两台该设备。

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图7 HP-RTM

6. HP-CRTMHigh Pressure- compression RTM

HP-CRTM是在HP-RTM工艺的树脂注射前,增大密封模腔间隙,增大树脂注入通道,注胶结束后再将模具在高压下完全闭合,树脂体系随闭合压力流动充模,成型压力相对较低,避免了纤维的冲动,提高了树脂的渗透率与流动距离,提高了纤维的浸渍速度,有效避免了纤维干斑的产生,缩短了制件成型周期。

总结整个LCM技术,无论采用哪种具体成型工艺方法,树脂浸渍的过程都是所有方法中必不可少的过程,而LCM工艺中主要的缺陷如气泡等也是在浸渍过程中产生的。因此对LCM工艺成型中树脂浸渍特性的研究对提升复材部件的制造质量和优化工艺参数具有重要意义。

参考文献:

[1] 张彦飞,刘亚青,杜瑞奎,代建学.复合材料液体模塑成型技术(LCM)的研究进展[J].塑料,2005(02):31-35.

[2] 张莉. 轻质RTM与传统RTM的比较[A]. 中国硅酸盐学会玻璃钢学会、《玻璃钢/复合材料》杂志社.第十六届玻璃钢/复合材料学术年会论文集[C].中国硅酸盐学会玻璃钢学会、《玻璃钢/复合材料》,2005:3.

[3] ADDIN EN.REFLIST Ali, M. A., R. Umer, K. A. Khan, Y. A. Samad, K. Liao and W. Cantwell (2017). "Graphene coated piezo-resistive fabrics for liquid composite molding process monitoring." Composites Science and Technology 148: 106-114.