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浅谈先进复合材料构件成型模具和工装技术发展趋势

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浅谈先进复合材料构件成型模具和工装技术发展趋势
时间:2023-08-09 01:08:26     小编:李玉林

复合材料已成为与钛合金、铝合金、合金钢并驾齐驱的四大航空结构材料之一(在B787结构上的用量达总重的50%,A350XWB结构上的用量达总重的52%),其中应用最为广泛的仍然是玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维、硼纤维等高性能纤维增强的先进树脂基复合材料(以下简称先进复合材料)。基于先进复合材料的反应特性和满足先进复合材料构件内部质量的特定需求,在先进复合材料构件成型过程中,需要加热、加压和抽真空等外在工艺条件。先进复合材料特别突出的成型特点就是材料成型和构件成型最终同时完成,这就决定了先进复合材料构件的形位精度主要依靠模具工装来保证,而且模具材料和模具结构必须满足易于传热、传压和真空完整性好等要求。

1 基于成型工艺条件的模具发展趋势

1.1 成型压力

无论是先进热固性树脂基复合材料,还是先进热塑性树脂基复合材料,其成型过程都需要施加外界压力的压实过程,以排出构件中的空气、压实空隙并实现增强纤维的均匀分布。施加外界压力有几种工艺方式:(1)构件的一面为刚性模具,另一面为依赖气体或液体传压的弹性模具(例如传统热压罐工艺)或依赖机械传压的刚性模具(例如传统模压工艺),这是最常用的方式;(2)以热胀材料为芯模,刚性材料为阴模,构件置于芯模和阴模之间,这种方式用于DC-10飞机方向舵后上段和海豚直升机的水平尾翼;(3)以热膨胀系数高的材料为芯模,热膨胀系数低的材料为阴模,构件置于热膨胀系数差异比较大的芯模和阴模之间;(4)以刚性材料为芯模,热收缩材料为包覆袋,构件置于热膨胀系数差异比较大的芯模和包覆袋之间。

1.2 成型温度

不管是热固性树脂基复合材料固化,还是热塑性树脂基复合材料熔化,都需要加热以达到合适的成型温度。复合材料构件的成型模具应当满足加热构件的升温效率和构件温度场分布的均匀性,这种模具按加热方式来划分有几种结构形式:(1)以加热的空气或者惰性气体为传热载体,对蛋框式模具加热(以对流换热方式为主,温度较高时热辐射占的份额也比较大);(2)把热电阻和循环水管直接埋入成型模具中,传热方式以热传导为主。

1.3 真空度

降低先进复合材料构件的空隙率,需要提供合适的真空度工艺条件。目前工程上提供真空的方式大致有:(1)用腻子密封好的一次性使用真空袋连接真空贮气罐,贮气罐与真空泵相连或者真空袋与真空泵直接相连;(2)用可多次重复使用的真空袋连接真空贮气罐,贮气罐与真空泵相连或者真空袋与真空泵直接相连。

2 基于构件成型质量的模具发展趋势

在先进复合材料构件的成型过程中,如果模具材料与复合材料的热膨胀系数不匹配,就会对构件的成型质量产生明显影响。第一,成型过程要经历升温、保温和降温阶段,复合材料与模具热膨胀系数不匹配会使构件与模具接触区域由于摩擦力而产生固化变形。第二,在降温过程中模具比复合材料构件收缩量大很多,带有型面的构件会在制造过程中产生损伤。第三,在升温过程中,复合材料构件尺寸随着模具的热膨胀而变化;在保温过程中,复合材料构件尺寸变化比较小;在降温过程中,复合材料构件尺寸随着模具的热收缩而变化;在整个热历程中,如果模具材料与复合材料的热膨胀系数不匹配,复合材料构件的尺寸偏差会比较大。因此,先进复合材料构件(特别是大型、复杂构件)成型模具应尽可能选用热膨胀系数与复合材料相近的材料,如殷钢、碳泡沫、碳毡等。

2.1 殷钢

殷钢作为复合材料成型模具材料,其特点包括:(1)与复合材料匹配的热膨胀系数(CoefficientofThermalExpansion,CTE)低;(2)耐温性能好,适合复合材料高温成型;(3)真空完整性好,适合复合材料真空封装成型;(4)热传导良好,能够提高复合材料热历程成型效率;(5)机械加工性能好,不需要大量额外的技术投入;(6)材料成本高昂。殷钢材料应用于航空复合材料构件的成型模具。

2.2 碳泡沫

碳泡沫是一种刚开发出来的新型复合材料成型模具材料,其特点包括:(1)与碳纤维复合材料同属于碳材料,CTE匹配得相当好,尺寸稳定性好;(2)重量轻,适合大尺寸复合材料构件成型;(3)耐高温,适合复合材料成型;(4)易于快速成形,易于机械加工和胶接成形,成本较低;(5)满足气密性需要特殊处理;(6)碳泡沫适合制造小批量复合材料构件的成型模具。碳泡沫用作典型航空复合材料构件的模具材料。

2.3 碳毡

近几年开始了关于应用碳毡作为复合材料成型的模具材料的研究,其特点包括:(1)与金属材料相比,因重量更轻而易于搬运,并且下部基础结构投资少,因升降温速率更快而节省能源消耗和制造周期,易于机械加工和修理,可以更改模具尺寸而适于复合材料构件研制;(2)与传统复合材料相比,适于制造复杂形状模具,易于改变模具表面尺寸;(3)碳毡适合制造小批量复合材料构件的成型模具。

3 满足复杂构件脱模的功能模具发展趋势

有些航空复合材料构件的几何外形非常复杂,如翼面类的纵横加筋壁板、机身类的M形加筋壁板和S形进气道非开敞结构等。这些复杂构件成型和脱模对模具材料和模具结构都有特殊要求,近几年出现了一些能够满足这些要求的具有特殊功能的模具结构和模具材料,主要有2类:一类是易溶模具,以水溶性模具为代表;另一类是易变形模具,以形状记忆高分子模具为代表。

3.1 易溶模具

易溶模具是指采用在某种溶剂中易于溶解的材料运用浇铸法或模压法制成空心或实心的模具。复合材料构件依赖这种模具成型后,从开口处通入合适温度的溶剂,使模具材料溶解进而从构件中流出。流出的溶体和砂子经清理后可重复使用。比较有代表性的是用水做溶剂,即水溶性模具,国外已有把水溶性模具用于共固化成型复合材料副翼的研究。

3.2 易变形模具

易变形模具是指这种模具在某一种物理状态下保持一定模具形状,在另一种物理状态下变成另外的模具形状。比较有代表性的易变形模具是形状记忆高分子模具,这种模具通常由记忆成型构件原始形状的固定相和随温度变化能发生可逆软化与硬化变化的可逆相组成。固定相的作用是记忆与回复成型构件原始形状,而可逆相的作用则是发生与固定形变。国外已有研究把形状记忆高分子模具用于缠绕成型S形复合材料构件。

4 满足低成本/短周期的工装发展趋势

针对近几年先进复合材料结构尺度大、形状复杂的特点,对先进复合材料构件制造提出了低成本/短周期的要求。为了满足这些需求,在成型工装方面呈现柔性化发展趋势。

柔性工装是指针对几何形状相似的一类工装,基于灵活的工装设计和工装制造理念,运用先进的工装设计和工装制造技术,在成熟的刚性工装技术基础上,对工装的型腔或者成型表面进行快速的再利用、再组合、再加工的工装。近几年,国外发展了SPT(SubtractivePinTooling)技术,通过分块组合和细杆调节型面高度的方式来快速、低成本地制造同一类相似工装。柔性工装理念和技术可用于先进复合材料构件制造定位和固化后切边夹持等工序。

5 结束语

近几年来,先进复合材料构件成型的模具材料和模具结构出现了许多形式,为复合材料构件制造提供了更多的手段和方法。先进复合材料构件对成型的压力、温度和真空条件有具体要求,从模具材料和模具结构方面可以采用适当方式来满足。这些新模具材料和新模具结构技术,有的已经进入可批量生产状态(如殷钢),有的尚处于研究阶段(如形状记忆高分子模具),所以需要分情况、按要求地选择运用这些新模具材料和新模具结构技术。

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浅析复合材料在汽车包装设计上的应用
发布时间:2022-11-11
引言 汽车工业是世界上主要大国的经济支柱产业之一。据中国汽车工业协会最新统计,2015年我国汽车产销量超过2450万辆,连续7年蝉联全球第一,已成为全球汽车生产、销售第一大国,但是汽车工业在发展过程中也面临诸多难题,如交通安全......
通信工程施工员先进事迹材料
发布时间:2013-12-13
尊敬的各位领导:大家好!我叫xxx,是中通四局第一合作部的职工,现为徐州办事处负责人,负责工程质量的监督、工程进度的控制、人员调配、工程项目收尾等工作。很荣幸这次被推荐为先进个人上报,我感到万分的激动,深知这是组织对我的信......
虚拟三维服装展示技术的现状与发展趋势
发布时间:2015-09-09
摘要:虚拟三维服装展示技术经历了简单服装变形形态的静态模拟到三维复杂服装动态模拟的过程。从建模技术、动态模拟、褶皱处理、虚拟展示构造方法等方面,提出系统的设计方案,归纳整理出适合三维服装虚拟展示的主要技术方案,系统地......
浅谈水暖工程中新型管材的安装技术要点
发布时间:2023-02-22
摘 要:随着水暖施工技术的发展,很多新型管材得以应用,但是这些新型管材与传统的管材相比,安装方面有一定的差异,因此水暖施工人员在应用新型管材时,应该掌握其安装技术要点,按照安装技术的具体要求进行安装。另外,新型管材的类......
中小学信息技术教材的现状与发展趋势
发布时间:2023-01-14
" 信息技术教材直接关系到未来人材的培养,本文就国内外中小学信息技术教材的内容和特点进行了比较与分析。 一、我国信息技术教材的特点 1.部分教材以应用软件(主要是MSOffice)的教学为中心,以学习操作使用软件的方法顺序为主线安排......
绿色建筑技术的施工现状和发展趋势研究
发布时间:2023-01-02
摘 要:随着我国的能源呈现越来越紧张的态势,且随着能源的消耗量的不断增加,各种问题都不断的呈现出来,因此,人们越来越意识到节约能源的重要性。为此,本文主要对绿色建筑技术的现状及发展趋势作了相关的分析与探讨,以供参考。 ......
金属基复合材料
发布时间:2015-09-10
金属基复合材料是现代复合材料领域的一个重要分支,被广泛应用于航空航天、电子包装、汽车以及娱乐电子产品。本书一经出版,受到了科学家以及工程师的广泛关注。自第1版出版以来,关于金属基复合材料的认识不断深入,并且为了提高能源......
浅谈中小轮式拖拉机技术的发展趋势
发布时间:2015-07-29
摘 要:农业的机械化程度直接决定着我国农业的发展水平,而轮式拖拉机作为农业生产的重要生产技术资料,在农业的发展过程中扮演着不可或缺的角色。文章从中小轮式拖拉机的发展现状出发,通过分析当前中小轮式拖拉机行业发展和认证体系......
浅谈《材料成型工艺基础》多媒体立体化教学模式的构建与实践
发布时间:2016-12-01
1 、多媒体立体化教学模式的构建 《材料成型工艺基础》是我校机械设计制造与自动化品牌专业一门重要的技术基础课,在机械基础课程体系中体现出承上启下的桥梁作用,主要介绍材料成形机理、工艺与设备、成形方法和零件结构工艺性等内容......
煤矿高效掘进技术现状与发展趋势
发布时间:2022-11-21
摘 要:煤炭作为我国主要的能源材料,具有巨大的开发利用价值,但随着社会体制的改进、时代经济的发展,我国对于能源的需求日益增大,煤炭产业的开采挖掘由传统的露天或者浅层开采转变为深地层的勘探。因此,诸如煤炭类的主要能源开采......
谈生态猪养殖技术的发展趋势
发布时间:2023-03-18
摘要:社会经济的全面发展使人对肉类食品的需求量逐渐上升,养殖行业发展受到人们广泛关注。猪肉是肉类食品需求量的主要部分,在时代社会不断向前发展之下,猪肉高品质成为人们高品质生活的追求。生态猪养殖技术作为猪肉高品质重要保证,自然受到人们关注。文章就生态猪养殖技术及发展趋势做探讨。关键词:生态猪;养殖技术;发展趋势市场经济逐渐完善下,人们生活水平较以往明显提高,人们不再只关注自己的衣食住行,而是对自己的.........
软件工程的发展趋势分析
发布时间:2017-03-16
摘要:随着经济的发展与进步,软件工程作为计算机发展的产出物,包含系统平台、程序语言、软件开发等多方面知识,在推动经济发展中扮演重要的角色。本文分析了软件的发展和本质,阐述了软件工程发展现状,对提出未来发展趋势和对策。关键......
广播电视技术的发展趋势浅析
发布时间:2023-02-05
摘 要 随着信息一体化的不断发展,对信息采集的重要性也日益凸显。令传统的广播电视行业受到一定程度的冲击,本文对广播电视技术的发展趋势,广播电视技术发展对社会生活的影响,用户行为对广播电视技术的发展影响,广播电视技术的发......
新时期计算机软件开发技术发展趋势分析
发布时间:2023-02-27
在网络信息化不断发展的市场环境中,计算机软件开发在其中占据了重要的发展地位。在新社会环境的影响下,促使计算机软件开发技术不仅在计算机发展中占据重要的地位,该是现阶段科技技术发展中的重要观点。但同时在新时期中发展计算机软件开发技术的过程中,存在很多影响因素,因此在实际应用中,需要结合实际情况和发展需求,不断创新软件开发技术,从而发展符合时代进步的计算机软件开发技术。1计算机软件开发技术的发展特点随着.........
现代模具行业现状与发展趋势综述
发布时间:2023-02-11
[摘要] 本文介绍了当前模具行业模具设计与制造技术的现状,尤其是CAD/CAE/CAM集成技术,并对模具技术的 发展 趋势做出了 分析 。 [关键词] 现代 模具设计制造CAD/CAE/CAM 一、前言 二、现代模具的设计 将客户提......
基于逆向工程的模具修复技术
发布时间:2023-02-01
【摘 要】模具在制造业中应用日益广泛,使用过程中不可避免地产生磨损或破损。逆向工程提供了模具修复的新途径,本文介绍利用逆向工程技术进行模具修复的方法及其关键技术,以提高模具修复的精度和效率,降低模具成本,延长其使用寿命......
浅谈服装工厂的技术经济发展
发布时间:2023-06-26
摘要:我国是世界上最大的服装生产国和消费国,随着 中国 加入世界贸易组织之后,我国的服装产业面临着巨大的挑战和机遇,服装工厂要想更好的 发展 ,必须不断的改革和创新,这样才有利于自身的 经济 发展。本文通过研究目前我国服装......
先进材料热分析中的反应和机理
发布时间:2022-07-30
众所周知,强的原子间连接形成各种性能较强的材料,所以,材料热降解是极其重要的研究领域。人们能用热的稳定性分析来分析材料在具有挑战性的环境条件下的性状,反过来,具有挑战性环境下材料的性状表现又提供材料使用寿命的有价值的信息。曝露在高温环境下的聚合物的化学键的断开机理是很难研究的,也难以跟踪其反应历程。关于这一主题,在已经发表的文献中有用的信息并不多。本书在高温条件下材料降解时发生的反应和它们的机理方.........
浅谈地质灾害监测技术现状与发展趋势
发布时间:2023-02-22
摘要:本文对地质灾害监测方法的应用现状进行了总结,并对地质灾害监测方法的发展趋势进行了预测,另外提出了进行地质灾害监测技术优化集成的基础和优化原则。 关键词:地质灾害;监测方法;现状;发展趋势 一、概述 地质灾害监测的主......
论数控技术的发展趋势
发布时间:2013-12-18
【论文摘要】:随着计算机业的快速发展,数控技术也发生了根本性的变革,是近年来应用领域中发展十分迅速的一项综合性的高新技术,文章结合国内外情况,分析了数控技术的发展趋势。 1. 引言 数控技术是一门集计算机技术、......
浅析未来家具设计的发展趋势
发布时间:2022-09-24
摘 要:随着经济的迅速发展,新理念、新材料、新技术不断涌现,这些都直接影响着家具设计的发展方向和发展范围。作为与人们日常生活息息相关的器具,家具在未来会以哪些形式出现?哪种设计会倍受青睐?本文通过目前的市场发展情势来对......
分析铝基复合材料的研究现状及发展
发布时间:2017-06-19
一、铝基复合材料的研究现状(一)铝基复合材料的概述铝基复合材料是具有很大实用性的一种复合材料。纤维增强铝基复合材料和颗粒增强铝基复合材料是根据增强体的不同而区别开的两种铝基复合材料。其增强相的形态通常为长纤维、短纤维、晶须以及颗粒四种。除了长纤维之外的另外三种增强相所组成的复合材料为非连续增强铝基复合材料;长纤维增强的铝基复合材料的优越性体现在纤维长度性能上。碳化硅铝基复合材料中最常见的增强相,强.........
浅谈茶叶包装设计的瓶颈及发展趋势
发布时间:2015-08-27
摘要:中国是茶叶的故乡,自古便是产茶大国。随着市场经济的发展,茶叶包装的创新设计和绿色包装日益受到人们的关注。在茶叶包装设计中怎样做到兼顾艺术价值和市场价值,是值得包装设计师不断探索和研究的问题。 关键词:茶叶包装;茶......
半导体照明灯具的主要技术及发展趋势-LED技术论文(1)
发布时间:2022-08-30
LED小巧轻量、驱动电压低、全彩色、寿命长、效率高、耐振动、易于控光等特性,为设计用于不同场所和目的的照明系统提供了优越条件。人们习惯于看日光下的东西,对于通用照明来说,人们需要的主要是接近太阳光质量的光源,所以白光LED是半......
制备工艺对Al 基复合材料的结构和性能影响的分析
发布时间:2022-12-07
Al 基粉末冶金摩擦材料由于其具有良好的导热、耐磨及摩擦因数高等特性而广泛应用于飞机、汽车、船舶和工程机械等刹车装置及离合器上。由于纯Al 强度不高,故采取在Al 基体中添加Cu、Mg、Fe 合金元素来提高材料的强度和硬度,通过改变它......
浅析计算机软件开发技术的应用与发展趋势封闭性
发布时间:2022-10-26
1计算机软件开发技术所面临的相关问题1.1版权侵害问题版权问题是所有安全问题中最突出的。根据计算机软件的运行程序,知识权人的权利无法得到保障,而与之相反,计算机软件的使用者却是无比满足,可以很轻易的获取自己所需要的信息。这样做的结果是,极大地挫伤了知识权人的积极性和创造性,进而带来更大的问题。正确的做法是要制定相关的法律法规以使计算机软件朝着健康科学的道路发展。1.2数据安全性问题数据的安全性问题.........
浅谈计算机应用的发展现状和发展趋势
发布时间:2023-06-27
引言 自计算机发明以来,它就在极短的时间内迅速发展,并逐步向多功能个性化发展。计算机的发展也为电子商务时代的开创奠定了基础,电子商务迅速席卷了各个领域,在各个行业中都得到全方位开发和利用,形成了一股新的网络文化。计算机俨然......
我国工业企业规模结构发展趋势探讨
发布时间:2023-02-10
摘 要:工业企业无疑是我国的一大经济支柱,而随着我国的飞速发展,工业企业规模结构逐渐暴露出一些问题,在国家与企业自主调整下,取得了一定的成效。本文将从工业企业规模结构的特点与发展趋势进行讨论。 关键词:工业企业结构规......
基于3D打印技术材料的现状和发展方向
发布时间:2022-11-16
摘要:近年来,3D打印概念进入了人们的视线,并引起了无数发展遐想。有人把“3D打印技术”看作是“第三次工业革命”的主要标志之一,因为它带给我们的各领域的变革不可预估。这在一定程度上类似于当年网络概念的出现,开始人们根本无......
分析材料成型及控制与自动化技术
发布时间:2023-01-22
材料成型及控制主要包含锻造技术、焊接技术、锻压技术等三大技术。随着如今社会经济的发展,材料成型及控制技术越来越被人们所重视,是一个具有发展前景好,应用范围广的基础加工技术。除了传统行业的领域外,它广泛应用于航空、建筑、船舶等多方技术领域,并起到重要作用。为了迎合时代发展,要实现材料成型及控制技术,也就是实现上述三个技术,让其得到更好的发展,为我国经济做出贡献。一、材料成型及控制的现状我国的材料成型.........
浅论建筑装饰工程精益化生产管理的发展和趋势
发布时间:2022-08-22
摘要:随着我国经济的猛速发展,人们对生活和工作环境的要求日益攀登,由此给装饰工程施工企业带来了各种管理、资源、人才的压力,这类聚集的压力不得不使得装饰工程施工企业的面貌焕然一新或深化改革。由于甩掉了沉重的包袱、有效地改......
复合材料结构中的损伤效应的建模简化方法
发布时间:2023-07-12
随着复合材料的应用日益增多,人们更想了解复合材料结构在飞机、汽车、海洋与陆地建筑物中的应用是如何长期发挥作用的,了解损伤是如何影响结构的性能,以便人们在进行设计时,考虑如何尽量减少这些不可避免的损伤和缺陷。本书比较详细地介绍了设计和分析含有损伤的复合材料结构的许多新老主要方法,如对于有孔的以及受冲击损伤的结构,提供了有效而精确的分析方法;介绍了复合材料的一种新的疲劳分析方法;提供了设计指南,并对如.........
浅谈造型艺术的形式和构成
发布时间:2023-02-03
摘要:图象被画家归纳和表现于画面,已不再是堆砌于现实生活中随意摆放的物体,而是赋予了它们在画面上各自不同的位置、空间并产生了一种新的关系,成为表达一定思想与情感而实现艺术美的目的。运用理性的规律和合理的法则创造出来的......
京津冀协同发展模式下涉外复合型技术人才培养模式
发布时间:2022-12-20
摘 要:纵观可知,人才竞争为二十一世纪竞争的主流趋势,随着社会的不断进步,城市经济发展更加难以脱离人才培养而直接独立存在,人才重要性越发突显。基于京津冀协同发展模式应用,需充分结合院校教学实际情况,全面树立科学教育理念......
3D打印制造技术发展趋势及对我国结构转型的影响
发布时间:2022-12-06
摘 要:随着我国社会经济的快速发展,同时也推动了我国3D打印制造技术的发展,作为新兴信息技术中重要的组成部分,3D打印制造技术的发展引起了人们的广泛关注[1]。3D打印制造技术主要是在传统的制造技术中引入现代发达的信息技术,从......
浅谈智能小区宽带接入及其技术发展趋势
发布时间:2022-12-20
浅谈智能小区宽带接入及其技术发展趋势 浅谈智能小区宽带接入及其技术发展趋势 浅谈智能小区宽带接入及其技术发展趋势 摘要 文章讨论了当前我国智能小区宽带接入所面临的问题,并对智能小区接入网技术的发展趋势做......
浅谈一种磷酸锌纳米结构材料的简易合成
发布时间:2016-09-06
纳米结构,其独特的尺寸、形态和性质依赖特性被广泛研究,推进了材料科学与技术突飞猛进的发展。各种各样的合成方法被尝试。良好的维度、形态、化学组成和物理化学性质成为研究者期望的目标,然而,对于生产领域的规模化合成来说,合成......