RTM檢查井蓋用復合材料模具的制作技術
1 前言
樹脂傳遞模塑(RTM)是將樹脂注入閉合模具中浸潤增強材料并固化成型的工藝方法。適于多品種、中批量、高質量先進復合材料成型。RTM工藝有諸多優點。與其它先進的復合材料制造工藝相比，RTM可使用多種纖維增強材料和樹脂體系，制口尺寸精確，有極多的制品表面。它適用于制造高質量復雜形狀的制品，且纖維含量高，成型過程中揮發成分少，環境污染少。生產自動化適應性強，投資少，生產效率高。RTM工藝雖然成本低，但技術要求高，特別是對原材料和模具的要求較高，常遇到氣池難以排盡，表面出現裂紋，纖維浸潤性差，樹脂流動出現死角等問題。隨著RTM成型技術日趨完善，原材料和模具技術的發展及成型技術的不斷進步，上述問題已得到較好的解決。
2 井蓋模具結構的設計及制作方法
2.1 井蓋的形狀與模具的結構
為了解決鑄鐵井蓋脆性大，不耐沖擊，不美觀，重量大，不宜施工且被盜現象嚴重的諸多問題，本文采用結構優化設計的方法研制出RTM玻璃鋼檢查井蓋。該技術已獲得。為了保證玻璃鋼體查井蓋具有足夠的強度和滿足行業標準，經過各種大型軟件分析，產品的形狀如圖1所示結構較為合理。該檢查井蓋已通過鑒定，各項指標均符合標準，是鑄鐵井蓋理想的替代產品。在RTM工藝中模具設計與制作的質量直接關系到制品的質量、生產效率和模具幫命等。因此，模具制作技術是RTM工藝中一個極為重要的環節。與傳統的玻璃鋼手糊模具相比，RTM模具與之有相似之處，也有不同之處。相同之處是利用母模(采用木模，也可用石膏模等)翻制，表面處理及制作技術相同。不同之處是RTM為閉合模，必須采用陰陽兩片模具，且對尺寸精度、剛度、強度、[-page-] 耐熱等要求嚴格得多。圖2為RTM模具層的一般結構圖。由圖2可以看出，用玻璃鋼制作的RTM模具分為七層，即表面層、結構I層、加熱層、保溫層、結構、Ⅱ層、增強層和包裹層。
玻璃鋼檢查井蓋陰模為格柵狀，制作面起伏較大，且過渡面大部分為90°直棱直角,由于該產品的厚度大，固化時的放熱溫度高，這給模具制作提出更高的要求，加大了模具制作難度。針對玻璃鋼檢查井蓋陰模形狀的特殊性，每一層的制作都根據其形狀的特點，采取相應的措施，盡量不產生氣池，少附樹脂，確保足夠的強度和剛度以保證模具的使用壽命。
2.2 模具各層的制作方法及作用[-page-]
模具的表面層一般用耐熱較好的模具的膠衣和表面氈制作，此層通常厚度為0.4~0.8mm。因為制品的表面質量、模具的使用壽命與表面層的質量有很大的關系，所以RTM模具要求表面層光滑平整，無氣泡和砂眼，有較高的硬度并與結構層粘接較好。外層膠衣要求涂刷均勻且不易太厚。在條件允許的情況下好采用噴射的方法。表面氈應剪成與格柵寬窄一樣的小條鋪設，預防表面起皺和氣泡的產生。模具加熱層的發熱休可用電熱布鋪成，引出電極與低壓(小于36V)電源連接。為了使模具加熱均勻，鋪設電熱布時應注意各處功率相等。模具的結構I層用玻璃氈布和短切纖維增強樹脂制作，通常要求6~8mm。它是模具的承載部分，應具有較高的強度和剛度。制作陰模鋪設短切氈和玻璃氈布時，好也將它們裁成與格柵寬度一樣的布條，且應選厚度較薄的氈，預防氣池的產生。模具保溫層的主要作用是保溫和增加模具的剛度。該層用保溫芯塊和玻璃微珠膩子制成。具體配比可參照模具制作的主要步驟及關鍵問題中的④。模具結構Ⅱ層的作用及制作與結構I層的相同。由于此層相對遠離產品，為了降低成本，可選用性能較結構I層稍差一些的樹脂。為了保證模具有足夠的剛度和強度，需要用鋼架加強。鋼架一般采用方鋼，也可選用角鋼或工字鋼焊接而成。外邊的包裹層由玻璃鋼制成，它將與鋼架與模具連成一個整體。以上七層是RTM模具的基本結構，也可根據實際情況減少或增加模具的層數。為了增加模具的強度和剛度，制作模具的玻璃纖維均應選用無堿玻璃纖維氈布和無堿無捻粗紗。
2.3 RTM工藝對井蓋模具的要求
RTM模具應保證制品尺寸與形狀的精度及上、下匹配的精度，使制品表面精度達到A級標準。它須配備夾緊和頂開上下模的裝置及制品脫模裝置。在模壓力、注射力及開模壓力下表現出足夠高的強度和剛度，50~150KPa注射壓力下不損壞不變形。模具使用壽命較長，可加熱，并經受樹脂固化放熱峰值的溫度。[-page-] 通常經一萬次80~120℃的熱沖擊的實驗而不開裂不變形。模具設計有合理的注射孔流道和排氣孔。采用橡膠條為密封材料，保證樹脂流滿模具型腔，而不溢出樹脂，制品里無氣泡，無瑕疵。上下模密封性能好。除制品邊緣外，模內樹脂漏損率<1%，制造成本要低。
為了滿足上述要求，玻璃鋼檢查井蓋模具與其它RTM復合材料模具一樣也設有鎖緊，開模和脫模裝置。合模采用導銷，因為RTM模具的穩定性不如SMC用的金屬模具，并且很少固定在壓機上，用導銷的目的是確保上、下模具閉合精度。RTM模具設計的另一個重要問題是制品脫模。根據井蓋的成型特點，本文適當地設置了脫模裝置（氣噴及嵌件推出）。模具上設有注射口和排氣口，RTM工藝要求注射口必須垂直于模具，注射時務必使樹脂能垂直注入型腔中。如果不垂直注射則會使樹脂碰到注射口而反射到型腔中，破壞樹脂在型腔內的流動規律，又會造成型腔內形成大量氣泡，導致注射失敗，所以希望注入口在模具的部位的下端。此模具的注射口選在陰?？拷笾睆教幍睦呱希员ＷC注入的樹脂以注入口為中心按同心圓在型腔內流動。排氣口數量可按制品的尺寸和形狀確定。設計排氣口的原則是排氣口應位于樹脂流動的高處和樹脂較難到達的地方。這樣有利于趕盡空氣、浸透纖維并減少樹脂流失。筆者在靠近產品大直徑處的陽模上選了3個排氣孔，即左端和右端各一個，上端一個。密封材料一般為橡膠，改性橡膠或硅橡膠，用于封閉在模具邊緣。
3 井蓋模具制作的主要步驟及關鍵問題
通常先制作陰模。制作步驟如下：
(1)先將制品模型固定在一個大平板上，其功能是在模具分型面上形成裙邊以便安裝密封膠條。為了保證精度，可以根據所用樹脂的收縮率留放一定的收縮余量。制品的模型采用木材，也可以用石膏、泡沫塑料等材料制成。要注意把模型的表面修理平整。在模型制作上一定要舍得花功夫?？偟膩碇v，玻璃鋼模具尺寸的精度終是取決于模型的精度。[-page-]
(2)在制品模型上涂刷脫模劑、膠衣樹脂。為了脫模方便，脫模劑需要多涂幾次，一定要保證當模型將臘充分吸收后再涂另一次，應選用脫模性能較好的脫模劑(8#臘)。為了保證制品表面平整、光潔，膠衣采用噴射的方法比較合適。噴射膠衣時應注意調節噴槍的氣流量，使膠衣樹脂霧化均勻，不呈現顆粒狀，操作噴槍時起槍收槍都應在模具外，以免造成膠衣流掛，影響表面質量。注意噴射一定要均勻且不宜太厚。制作RTM模具所采用的模具膠衣應有較高的沖擊韌性，較高的耐熱性與較低的收縮率，一般采用乙烯基脂型的模具膠衣。本模具采用了耐高溫的CCP-071進口膠衣樹脂。這種膠衣耐高溫、硬度高、韌性好，在反復沖擊條件下不易產生裂紋，經精細的拋光后達到鏡面效果。
(3)考慮到產品的厚度較大，待噴射膠衣層固化后可在陰模中間安裝一個氣托，并對稱預埋4個嵌件(長螺母)以保證脫膜更加順利。將注射口及排氣口放到已選好的部位，貼表面氈。表面氈須鋪設平整，如有折疊或搭接必須割刀修齊。表面氈可用刷子浸少量樹脂浸透，但應注意含膠量，既要能充分浸潤纖維，又不能過多。含膠量高，氣泡不易排除，而且造成固化放熱大，收縮率大。RTM模具樹脂要求耐熱性及剛性好，有一定的沖擊韌性，收縮率小，所以結構I層采用了2001乙烯基樹脂。表面氈層樹脂固化后要挑氣泡，挑氣泡時注意不要劃破膠衣層。挑完氣泡適當打磨，除去除毛刺及浮層，即可開始手糊幾層300g/m2無堿短切氈，厚度一般為5mm，等待固化。挑完氣泡后再手糊3~4層方格布。
(4)敷上含填料(玻璃微珠)的聚酯樹脂團料，厚度為5mm。團料的配比為樹脂：微珠=1~2:8~9。固化劑及促進劑量按團料劑及促進劑后分別進行攪拌，[-page-] 再加入玻璃微珠。團料尚未固化前，將掰成小塊的保溫芯材料在模具背面的玻璃微珠內。待模具基本固化后用粗砂紙進行粗略打磨，在上面再糊一層短切氈、3層方格布，然后安裝由角鋼或方鋼焊接成的加強框架。鋼骨架先進行退火處理，以清除焊接應力。方鋼的一側應等份地用鋼鋸成豁口后，再根據已作模具的尺寸彎成圓狀，且中間垂直對稱地焊成米字型肋，并垂直對稱地焊4條腿，使模具能平穩站立。對稱平行地焊兩條鋼管，以便移動模具。鋼骨架與模具背面之間的間隙要先填平，以提高加強框架的效果，使整個框架平面與模具背面接觸良好，并用無捻粗紗布將框架糊牢。
(5)模具固化后脫模，切割模具毛邊，在加強框架的適當位置焊接定位、鎖緊裝置，清理模腔雜物。這樣半個模具就制作完成了。然后在此基礎上翻制另外一樣模具。
(6)按照制品厚度在已做好的半模上巾蠟片。所有蠟片縫都用橡皮泥補平。第二片模具在膠衣層噴涂完畢后，還需按預先設計的位置放置注射口和排氣口。按照個半模的制作方法糊制第二個半模，并安裝加強框架，在對應的位置焊接定位，鎖緊裝置。
(7)脫模，清除蠟片，研磨拋光，貼密封條。這樣整個RTM模具就制作完畢。
4 結束語
RTM模具制作是一個關鍵環節。目前國內RTM模具制作技術較為薄弱。由于國內模具制作原材料的限制，加上玻璃鋼品種變化多，模具形狀變化較大，造成制作上的困難。但通過幾年的探索，RTM模具的制作已取得了長中的進步。
樹脂傳遞模塑(RTM)是將樹脂注入閉合模具中浸潤增強材料并固化成型的工藝方法。適于多品種、中批量、高質量先進復合材料成型。RTM工藝有諸多優點。與其它先進的復合材料制造工藝相比，RTM可使用多種纖維增強材料和樹脂體系，制口尺寸精確，有極多的制品表面。它適用于制造高質量復雜形狀的制品，且纖維含量高，成型過程中揮發成分少，環境污染少。生產自動化適應性強，投資少，生產效率高。RTM工藝雖然成本低，但技術要求高，特別是對原材料和模具的要求較高，常遇到氣池難以排盡，表面出現裂紋，纖維浸潤性差，樹脂流動出現死角等問題。隨著RTM成型技術日趨完善，原材料和模具技術的發展及成型技術的不斷進步，上述問題已得到較好的解決。
2 井蓋模具結構的設計及制作方法
2.1 井蓋的形狀與模具的結構
為了解決鑄鐵井蓋脆性大，不耐沖擊，不美觀，重量大，不宜施工且被盜現象嚴重的諸多問題，本文采用結構優化設計的方法研制出RTM玻璃鋼檢查井蓋。該技術已獲得。為了保證玻璃鋼體查井蓋具有足夠的強度和滿足行業標準，經過各種大型軟件分析，產品的形狀如圖1所示結構較為合理。該檢查井蓋已通過鑒定，各項指標均符合標準，是鑄鐵井蓋理想的替代產品。在RTM工藝中模具設計與制作的質量直接關系到制品的質量、生產效率和模具幫命等。因此，模具制作技術是RTM工藝中一個極為重要的環節。與傳統的玻璃鋼手糊模具相比，RTM模具與之有相似之處，也有不同之處。相同之處是利用母模(采用木模，也可用石膏模等)翻制，表面處理及制作技術相同。不同之處是RTM為閉合模，必須采用陰陽兩片模具，且對尺寸精度、剛度、強度、[-page-] 耐熱等要求嚴格得多。圖2為RTM模具層的一般結構圖。由圖2可以看出，用玻璃鋼制作的RTM模具分為七層，即表面層、結構I層、加熱層、保溫層、結構、Ⅱ層、增強層和包裹層。
玻璃鋼檢查井蓋陰模為格柵狀，制作面起伏較大，且過渡面大部分為90°直棱直角,由于該產品的厚度大，固化時的放熱溫度高，這給模具制作提出更高的要求，加大了模具制作難度。針對玻璃鋼檢查井蓋陰模形狀的特殊性，每一層的制作都根據其形狀的特點，采取相應的措施，盡量不產生氣池，少附樹脂，確保足夠的強度和剛度以保證模具的使用壽命。
2.2 模具各層的制作方法及作用[-page-]
模具的表面層一般用耐熱較好的模具的膠衣和表面氈制作，此層通常厚度為0.4~0.8mm。因為制品的表面質量、模具的使用壽命與表面層的質量有很大的關系，所以RTM模具要求表面層光滑平整，無氣泡和砂眼，有較高的硬度并與結構層粘接較好。外層膠衣要求涂刷均勻且不易太厚。在條件允許的情況下好采用噴射的方法。表面氈應剪成與格柵寬窄一樣的小條鋪設，預防表面起皺和氣泡的產生。模具加熱層的發熱休可用電熱布鋪成，引出電極與低壓(小于36V)電源連接。為了使模具加熱均勻，鋪設電熱布時應注意各處功率相等。模具的結構I層用玻璃氈布和短切纖維增強樹脂制作，通常要求6~8mm。它是模具的承載部分，應具有較高的強度和剛度。制作陰模鋪設短切氈和玻璃氈布時，好也將它們裁成與格柵寬度一樣的布條，且應選厚度較薄的氈，預防氣池的產生。模具保溫層的主要作用是保溫和增加模具的剛度。該層用保溫芯塊和玻璃微珠膩子制成。具體配比可參照模具制作的主要步驟及關鍵問題中的④。模具結構Ⅱ層的作用及制作與結構I層的相同。由于此層相對遠離產品，為了降低成本，可選用性能較結構I層稍差一些的樹脂。為了保證模具有足夠的剛度和強度，需要用鋼架加強。鋼架一般采用方鋼，也可選用角鋼或工字鋼焊接而成。外邊的包裹層由玻璃鋼制成，它將與鋼架與模具連成一個整體。以上七層是RTM模具的基本結構，也可根據實際情況減少或增加模具的層數。為了增加模具的強度和剛度，制作模具的玻璃纖維均應選用無堿玻璃纖維氈布和無堿無捻粗紗。
2.3 RTM工藝對井蓋模具的要求
RTM模具應保證制品尺寸與形狀的精度及上、下匹配的精度，使制品表面精度達到A級標準。它須配備夾緊和頂開上下模的裝置及制品脫模裝置。在模壓力、注射力及開模壓力下表現出足夠高的強度和剛度，50~150KPa注射壓力下不損壞不變形。模具使用壽命較長，可加熱，并經受樹脂固化放熱峰值的溫度。[-page-] 通常經一萬次80~120℃的熱沖擊的實驗而不開裂不變形。模具設計有合理的注射孔流道和排氣孔。采用橡膠條為密封材料，保證樹脂流滿模具型腔，而不溢出樹脂，制品里無氣泡，無瑕疵。上下模密封性能好。除制品邊緣外，模內樹脂漏損率<1%，制造成本要低。
為了滿足上述要求，玻璃鋼檢查井蓋模具與其它RTM復合材料模具一樣也設有鎖緊，開模和脫模裝置。合模采用導銷，因為RTM模具的穩定性不如SMC用的金屬模具，并且很少固定在壓機上，用導銷的目的是確保上、下模具閉合精度。RTM模具設計的另一個重要問題是制品脫模。根據井蓋的成型特點，本文適當地設置了脫模裝置（氣噴及嵌件推出）。模具上設有注射口和排氣口，RTM工藝要求注射口必須垂直于模具，注射時務必使樹脂能垂直注入型腔中。如果不垂直注射則會使樹脂碰到注射口而反射到型腔中，破壞樹脂在型腔內的流動規律，又會造成型腔內形成大量氣泡，導致注射失敗，所以希望注入口在模具的部位的下端。此模具的注射口選在陰?？拷笾睆教幍睦呱希员ＷC注入的樹脂以注入口為中心按同心圓在型腔內流動。排氣口數量可按制品的尺寸和形狀確定。設計排氣口的原則是排氣口應位于樹脂流動的高處和樹脂較難到達的地方。這樣有利于趕盡空氣、浸透纖維并減少樹脂流失。筆者在靠近產品大直徑處的陽模上選了3個排氣孔，即左端和右端各一個，上端一個。密封材料一般為橡膠，改性橡膠或硅橡膠，用于封閉在模具邊緣。
3 井蓋模具制作的主要步驟及關鍵問題
通常先制作陰模。制作步驟如下：
(1)先將制品模型固定在一個大平板上，其功能是在模具分型面上形成裙邊以便安裝密封膠條。為了保證精度，可以根據所用樹脂的收縮率留放一定的收縮余量。制品的模型采用木材，也可以用石膏、泡沫塑料等材料制成。要注意把模型的表面修理平整。在模型制作上一定要舍得花功夫?？偟膩碇v，玻璃鋼模具尺寸的精度終是取決于模型的精度。[-page-]
(2)在制品模型上涂刷脫模劑、膠衣樹脂。為了脫模方便，脫模劑需要多涂幾次，一定要保證當模型將臘充分吸收后再涂另一次，應選用脫模性能較好的脫模劑(8#臘)。為了保證制品表面平整、光潔，膠衣采用噴射的方法比較合適。噴射膠衣時應注意調節噴槍的氣流量，使膠衣樹脂霧化均勻，不呈現顆粒狀，操作噴槍時起槍收槍都應在模具外，以免造成膠衣流掛，影響表面質量。注意噴射一定要均勻且不宜太厚。制作RTM模具所采用的模具膠衣應有較高的沖擊韌性，較高的耐熱性與較低的收縮率，一般采用乙烯基脂型的模具膠衣。本模具采用了耐高溫的CCP-071進口膠衣樹脂。這種膠衣耐高溫、硬度高、韌性好，在反復沖擊條件下不易產生裂紋，經精細的拋光后達到鏡面效果。
(3)考慮到產品的厚度較大，待噴射膠衣層固化后可在陰模中間安裝一個氣托，并對稱預埋4個嵌件(長螺母)以保證脫膜更加順利。將注射口及排氣口放到已選好的部位，貼表面氈。表面氈須鋪設平整，如有折疊或搭接必須割刀修齊。表面氈可用刷子浸少量樹脂浸透，但應注意含膠量，既要能充分浸潤纖維，又不能過多。含膠量高，氣泡不易排除，而且造成固化放熱大，收縮率大。RTM模具樹脂要求耐熱性及剛性好，有一定的沖擊韌性，收縮率小，所以結構I層采用了2001乙烯基樹脂。表面氈層樹脂固化后要挑氣泡，挑氣泡時注意不要劃破膠衣層。挑完氣泡適當打磨，除去除毛刺及浮層，即可開始手糊幾層300g/m2無堿短切氈，厚度一般為5mm，等待固化。挑完氣泡后再手糊3~4層方格布。
(4)敷上含填料(玻璃微珠)的聚酯樹脂團料，厚度為5mm。團料的配比為樹脂：微珠=1~2:8~9。固化劑及促進劑量按團料劑及促進劑后分別進行攪拌，[-page-] 再加入玻璃微珠。團料尚未固化前，將掰成小塊的保溫芯材料在模具背面的玻璃微珠內。待模具基本固化后用粗砂紙進行粗略打磨，在上面再糊一層短切氈、3層方格布，然后安裝由角鋼或方鋼焊接成的加強框架。鋼骨架先進行退火處理，以清除焊接應力。方鋼的一側應等份地用鋼鋸成豁口后，再根據已作模具的尺寸彎成圓狀，且中間垂直對稱地焊成米字型肋，并垂直對稱地焊4條腿，使模具能平穩站立。對稱平行地焊兩條鋼管，以便移動模具。鋼骨架與模具背面之間的間隙要先填平，以提高加強框架的效果，使整個框架平面與模具背面接觸良好，并用無捻粗紗布將框架糊牢。
(5)模具固化后脫模，切割模具毛邊，在加強框架的適當位置焊接定位、鎖緊裝置，清理模腔雜物。這樣半個模具就制作完成了。然后在此基礎上翻制另外一樣模具。
(6)按照制品厚度在已做好的半模上巾蠟片。所有蠟片縫都用橡皮泥補平。第二片模具在膠衣層噴涂完畢后，還需按預先設計的位置放置注射口和排氣口。按照個半模的制作方法糊制第二個半模，并安裝加強框架，在對應的位置焊接定位，鎖緊裝置。
(7)脫模，清除蠟片，研磨拋光，貼密封條。這樣整個RTM模具就制作完畢。
4 結束語
RTM模具制作是一個關鍵環節。目前國內RTM模具制作技術較為薄弱。由于國內模具制作原材料的限制，加上玻璃鋼品種變化多，模具形狀變化較大，造成制作上的困難。但通過幾年的探索，RTM模具的制作已取得了長中的進步。
