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熱壓罐選型

2019-10-30
熱壓罐的選型要綜合考慮的因素包括:
1)   預計產品最大尺寸;
2)   產品樹脂體系;
3)   樹脂的性能;
4)   模具的設計;
5)   生產節拍。
一、預計產品最大尺寸
    用戶在計劃采購熱壓罐時必然會對產品的尺寸進行預估,通常希望有所預留,在場地和資金允許的前提下盡量采購大些的熱壓罐。
    用戶需要根據產品的尺寸,綜合考慮模具的尺寸。由于熱壓罐依靠循環風加熱模具,因此,一定要充分考慮氣體的流通通道,不能堵塞罐內空間。
    但是,不要盲目選用大尺寸型號,受我國公路運輸橋梁通行高度限制,外徑超過4m就難以運輸,對應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,運輸到安裝場地,建設周期短。此尺寸以上,需進行現場制造,建設周期長,費用高。同時熱壓罐能耗較高,需要綜合考慮廠房的規模及配電能力。
二、產品樹脂體系:
   復合材料固化成型,對熱壓罐性能的要求主要取決于使用的樹脂體系。在現有常用的熱固性樹脂中,以環氧樹脂及酚醛樹脂應用最為普遍。
    環氧樹脂根據不同的配方,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氧樹脂固化溫度從120℃~180℃,通常,環氧樹脂體系固化是施加0.6MPa的壓力就可以使力學性能趨于穩定,固化成型后滿足要求。如果形狀復雜,需要適當提高壓力。
    酚醛樹脂體系的使用同樣很廣泛,酚醛樹脂體系采用烘箱固化的效果可以滿足要求不高的應用場合,但是,當要求比較高的纖維體積含量、較高的致密性、較低的缺陷時,就需要使用熱壓罐。酚醛樹脂體系根據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。
    對于產品采用環氧樹脂及酚醛樹脂體系的熱壓罐用戶,采用的固化輔助材料均為市場上供應的常規的尼龍薄膜真空袋、無紡透氣氈、真空密封膠帶,這些材料的短時間耐溫上限通常在170℃~200℃之間。因此對于這些用戶,選用熱壓罐的額定工作溫度高于200℃是沒有意義的。熱壓罐廠家通常按照250℃設計內部耐熱結構,如果用戶能準確提供最高使用溫度,熱壓罐廠家可以準確計算加熱負載,減小裝機功率,達到節能的效果。
    復合材料使用的樹脂體系種類很多,有些高性能的樹脂的使用范圍較小,僅使用于航空航天、電子等高端領域,如耐高溫的雙馬樹脂、聚酰亞胺樹脂、高介電性能的氰酸酯樹脂。正在研究開發中的熱熔樹脂系統,則是希望大幅降低復合材料的制造成本,提高制造效率。
    最高使用溫度250℃的熱壓罐可以滿足雙馬樹脂、氰酸酯樹脂的固化溫度要求,通常0.6Mpa的壓力可以滿足對于力學性能的要求,如果出于其它性能的需求,壓力可能需要進一步提高。但是,對于這兩種復合材料固化中使用的輔助材料,可靠的耐溫性能約230℃,對工藝的制約很大。
    聚酰亞胺樹脂是當前可實用的耐溫等級最高的樹脂,固化溫度在300~370℃間,并有進一步提高的趨勢,同時固化壓力要求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上有較大的難度,同時,這個耐溫等級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氣供應系統,保證工藝過程中內部氣氛的氧含量≦8%,以杜絕使用中材料失火,建議使用純度95%以上氮氣加壓。
    熱熔樹脂系統復合材料正在研究開發中,研究者希望應用于汽車等領域。目前還沒有得到廣泛的應用,樹脂正在不斷的創新中,因此,如何配套熱壓罐還沒有成熟的參數。從材料性能的規律分析,熱熔樹脂的成型溫度一定要高于使用溫度,熱熔樹脂的最低粘度不可能做到低于熱固性樹脂的最低粘度。從上述兩點分析,適用于熱熔樹脂體系的熱壓罐的溫度及壓力要求均應稍高于常規熱壓罐。同時,熱熔樹脂研究的重要目標是實現高效成型,因此對設備有相應的要求,這需要從事材料及工藝研究人員進一步探索。
三、樹脂的性能
    樹脂的性能對熱壓罐的加壓系統的設計起主要作用。


對于復合材料在固化工藝中采用什么樣的溫度曲線,在什么時候加壓,是決定復合材料最終質量的關鍵。如何決定這兩個參數,重要的依據是代表樹脂固化過程的兩條曲線:

 

樹脂名稱

固化溫度

工作壓力

 

1

環氧樹脂

120--180

0.6Mpa

 

2

酚醛樹脂

120--170

0.4Mpa—2.0Mpa

 

3

雙馬樹脂

230

0.6Mpa以下

 

4

氰酸酯樹脂

230℃以下

1.0Mpa以下

 

5

聚酰亞胺樹脂

300--370

1.5Mpa—2.0Mpa

 

6

熱熔樹脂

待定

待定

 















三、樹脂的性能
    樹脂的性能對熱壓罐的加壓系統的設計起主要作用。
對于復合材料在固化工藝中采用什么樣的溫度曲線,在什么時候加壓,是決定復合材料最終質量的關鍵。如何決定這兩個參數,重要的依據是代表樹脂固化過程的兩條曲線:



樹脂在固化過程中的流動性,決定了熱壓罐需要配備的加壓系統的設計方式:
?   如果樹脂的流動性可以控制的很好,不會過度流出,那么對加壓時機的要求就不高,優良的樹脂可以實現“始加壓”,開始升溫就開始加壓。對于具有這種樹脂特性的復合材料產品,熱壓罐的加壓系統設計允許比較簡單,可以使用空壓機直接向罐內打氣,省略大型的儲氣罐,可以降低設備費用。但是當熱壓罐規格較大時,需要配套大功率的空壓機,配電要求提高,綜合費用需要根據具體情況進行測算。
     如果樹脂的流動性過大,就一定要控制加壓時機,這時需要在某個時間點在較短的時間段內完成加壓。這種情況下的熱壓罐加壓系統設計需要配備大型儲氣罐。對熱壓罐控制系統的要求非常高,需要熱壓罐軟件具有如下基本功能:
? 應控制模具溫度,而非空氣溫度;
? 加壓的控制必須與溫度關聯隨動,實現在預定的溫度點加壓;
? 當熱壓罐內的多件模具的溫度存在差異,需要實現等待各模具均進入加壓窗口再實施加壓。加壓過程要快。
      壓力容器在1.6Mpa分級,高于1.6Mpa的熱壓罐,費用會有比較顯著的增加。壓力要求高,熱壓罐容器的重量隨之增加,成本提高。同時,為熱壓罐供氣的空壓機等設施的規格要加大,造成建設費用的提高。因此,對于用戶而言,合理選擇常用壓力是非常重要的,要建立一個概念,廠家的設計壓力一定要稍大于常用壓力,設計壓力是出于安全的考慮的設計余量,常用壓力是用戶工藝中使用的實際壓力,按照用戶的常用壓力配套的供氣系統,在使用中才是合理并經濟的。
      注:有些復合材料產品,為達到特殊的性能指標,要求很高的成型壓力。雖然就壓力容器而言,并沒有限制。但是從安全性以及經濟性考慮。熱壓罐的設計壓力超過5Mpa是不適當的,設備制造難度加大,成本大幅提高,可靠性大幅降低。因此,如果復合材料的成型壓力一定要超過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。
四、模具的設計
    復合材料模具有很多種,一般包括復合材料模具、金屬模具,金屬模具又包括鋁模具、鋼模具。模具的形式根據各復合材料生產商的產品特點及工藝習慣而定。
    模具形式的選用,對熱壓罐的加熱系統的設計有影響。
復合材料模具,熱容量相對較小,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,精度高。
    熱壓罐對模具的升溫,通過循環風傳熱實現。因此,熱壓罐內模具的溫度分布規律如圖示意,呈現前高后低。



    對于小尺寸熱壓罐,由于產品尺寸小,這個差異相對小些,大多數情況下不用過多考慮,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,要求過高增大裝機功率,增大成本,實際使用中意義不大。
對于大尺寸熱壓罐,模具的溫差不容小視,需要經過計算,為保證模具各部位溫差在一定范圍內,只能降低模具的升溫速率。因此實際生產中,大尺寸產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有意義,大幅度增加建造成本。
五、生產節拍
    熱壓罐相對其它復合材料成型設備,材料的綜合性能最佳,適應性最大,工藝可控性最好,模具成本相對較低,因此在復合材料行業應用越來越廣。但是,熱壓罐也存在很大的局限性,如耗能高,成型效率低等。
    生產節拍要求,決定了熱壓罐的真空及熱電偶通道數量。生產節拍要求高,同時進罐模具多,真空及熱電偶通道就要求多。但是要求過多的通道數,設備成本大增,故障率提高,維護成本提高,需要經過合理測算。
    當前,復合材料的應用范圍越來越廣,復合材料低成本快速制造成為技術發展的重要方向。而實現低成本快速制造,除樹脂、模具等技術因素,固化設備是重要的環節。
    ★ 絕大部分樹脂的性能,在升溫速率提高時,最低粘度都呈現降低趨勢,這對于復合材料成型質量是有利的。有些品種的樹脂(如聚酰亞胺),差異十分大,使得采用這種樹脂制備產品,在常規熱壓工藝下,產品的缺陷多,性能降低。但是在快速升溫工藝下,可以實現高品質。
   
    復合材料在汽車上的應用,是當前復合材料技術發展的一大方向,也是當前復合材料技術發展的一大推動力。汽車當前采用鋼材制造,生產效率極高,具有“一分鐘工藝”之稱,以復合材料替代金屬,生產效率是第一位的。
    為實現高效生產,目前有多種技術方向。包括熱固性樹脂、熱塑性樹脂、RTM、模壓、非熱壓罐技術等等。
    本公司瞄準技術發展方向,分析各種方向的優缺點,認為熱壓罐技術,只要能夠解決能耗和成型周期問題,仍然有很大優勢,適應性強,質量可靠,模具要求低。
    本公司開發的改進型熱壓罐快速成型技術,具有下列特點:
  • 可以在30min~1h內完成中低溫樹脂的固化;
  • 可以將高溫樹脂的固化成型周期從約20小時縮短到3~5小時;
  • 比傳統熱壓罐節約能源90%以上;
  •  固化后材料力學性能與傳統熱壓罐相同,某些狀態可以略有提高。
  • 熱壓罐成型工藝



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