复材应用|复合材料在船舶上的应用(第八部分)

(接第七部分)

三,主要成型工艺

3.1 手糊成型

复合材料游艇制造多采用手糊成型工艺,手糊成型工艺借助于模具生产,其分模和脱模过程与游艇造型联系较为紧密,对于其他也用于模具进行游艇建造的工艺具有很强参考意义。

目前国内游艇企业多采用玻璃钢手糊成型工艺,其工艺过程是在模具上涂刷含有固化剂的树脂,再在其上铺贴一层按要求剪裁好的纤维织物,用刷子、压辊、刮刀挤压织物,使其均匀浸胶排除气泡后,再涂刷第二层纤维织物,反复重复上述步骤直到达到所需要厚度为止。然后在一定压力加热固化成型或利用树脂自身释放热量固化成型,最后脱模得到复合材料制品。从设计资料到产品制成共经历木模制作、阴模制作、产品糊制、脱模、修剪合成几个步骤,如下图所示:

图56 手糊成型生产游艇

图57 游艇产品脱模

手糊成型工艺进行游艇制造,这种制造模式属于劳动密集型生产,在生产过程里对工人身体危害较大。

图58 玻璃钢游艇生产场景

3.2 RTM成型

RTM成型是将增强纤维先置于模具中形成一定形状,再将树脂注射入模具内浸渍纤维并固化成型的一种工艺方法。RTM 成型工艺模具制备和喷涂胶衣工序与手糊成型工艺相同,脱模后各工序也同手糊成型工艺相同。RTM 成型工艺采用闭模操作,不污染环境,降低有机物挥发量,成型效率较高,制品两面光滑,增强材料可预先铺放,具有一定的结构和力学性能可设计性,生产成本低较低。

图59 RTM成型制备游艇

3.3注塑成型(Injection Molding)

注塑成型(Injection Molding)方法生产效率高,适用于形状复杂部件的批量生产。英国Halmatic舰船制造公司是树脂注塑技术的早期代表,曾经用该工艺生产Trintella系列游艇的船壳和甲板。今天该公司用此工艺生产49英尺、56英尺和66英尺的Moody系列巡逻舰。同样,英国Vosper Thornycroft造船厂在拥有自己的树脂注塑技术专利后,使得这一工艺应用更广,它适用于碳纤维、纺纶、玻璃纤维与聚酯、乙烯基酯、环氧和酚醛基复合材料,也适合于夹芯结构。目前树脂注塑成型又发展了微型注塑、高填充复合注塑、泡沫注塑、水辅注塑等方法。

3.4 真空注射成型(scrimp工艺)

真空注射成型工艺对于大型船舶的舱板和结构件的制造是很有用的。英国Vosper Thornycroft造船厂最早应用此工艺成功制造了Sandown级猎雷舰上层结构的零部件。这种工艺是在模具型面上铺放增强材料,而后在其上铺放真空薄膜,将其边缘密封后,再将型腔内抽真空,使树脂体系在真空作用下注入模腔。真空注塑成型可排除增强材料中气体,利于树脂流动与浸渍,固化后,可得纤维含量高的复合材料制品。

图60 真空注射成型工艺原理图

图61 真空注射成型工艺生产游艇

3.5 双层真空袋渗透工艺

美国Seeman Composites公司研制开发的真空辅助成型工艺,由于可控树脂和纤维含量,无需额外材料连接芯材,可减轻舰船重量,成为目前舰船制造中的最先进成型技术,各国也正在研究此项技术。

图62 进行双层真空袋渗透准备,内部刚铺装好一层真空袋

图63 套上外袋的制件,准备进行独立的抽真空

图64 外袋进行密封抽真空

现代舰船制造领域中,计算机辅助工程(Computer Aided Engineering,简称CAE)数字化虚拟技术已成为关键的核心技术。采用该技术可利用数据库模拟产品工作状态的边界和载荷条件,分析构件的内部剪切应力分布共性规律,通过计算和分析方法,编制参数化结构设计软件。建立科学准确的模型,并掌握在载荷作用下的缺陷、损伤状态、各项应力分布规律。能够使实物的形状、特征、边界条件及载荷情况的计算结果真实可靠。同时利用理论计算来确定工艺参数,指导工艺过程,为制品的使用和制造工艺提供设计理论依据。可实现铺层、下料、浸渍、成型、固化等工序的数字模拟。

计算机辅助工程数字化虚拟技术在舰船结构部件中应用最典型的是船用全复合材料推进螺旋桨。利用树脂传递成型工艺过程进行仿真设计。通过虚拟设计、虚拟样机、虚拟制造三个过程,完成船用全复合材料推进螺旋桨的模型建立,纤维体积含量的确定,料片的形状,铺放,预制等过程完成预制件的制作。通过虚拟设计和不断优化,我国已成功研制了第一个1︰1全复合材料推进螺旋桨,如下图所示:

图65 全复合材料推进螺旋桨

(未完待续)

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