溯源RTM工藝

RTM工藝應(yīng)用于復(fù)合材料行業(yè)已經(jīng)有50多年了。盡管關(guān)于RTM最初應(yīng)用的時(shí)間不是十分肯定，但是曾經(jīng)有過關(guān)于英國飛機(jī)公司在50年代末開始應(yīng)用RTM工藝的相關(guān)報(bào)道。據(jù)艾倫?哈珀介紹，自1973年他在英國艾爾斯伯里公司（Aylesbury）工作就開始接觸RTM工藝。當(dāng)時(shí)，他們從K&C模具公司買了一臺(tái)1:1泵機(jī)，制造了第一套R(shí)TM模具?；仡櫾缙诘哪＞吖に嚂r(shí)，艾倫?哈珀用“不堪回首”形容。他說，當(dāng)時(shí)的工藝在注射樹脂時(shí)只能通過模具中央的一個(gè)孔注入，直到看到模具的四個(gè)角落都流過樹脂時(shí)，人們才真正知道模具里是充滿樹脂的。因此你可以想像，經(jīng)過反復(fù)幾次生產(chǎn)后，模具的排氣口會(huì)堆著越積越厚、早已變干的、如石筍狀的樹脂，常年累月下來必然造成巨大的浪費(fèi)。雖然后來人們確實(shí)采取了更好的設(shè)計(jì)方案，比如將模腔封死，然后在其周圍鋪設(shè)導(dǎo)流管，直接將樹脂引流到外接到模具頂部的樹脂收集器中。但這么做仍然不能避免嚴(yán)重的浪費(fèi)，雖然模具是封閉的，模腔上的排氣口仍然會(huì)釋放些許苯乙烯廢氣，不僅需要定期清洗，而且每個(gè)周期后還需要重新更換。

直到80年代中后期，樹脂注射工藝才開始顯現(xiàn)出一些自動(dòng)化的跡象。當(dāng)時(shí)工藝的主要進(jìn)展在于，操作人員不必?cái)y帶著注射閥爬到模具上方，將注射頭插入模具的注入口中，同時(shí)在整個(gè)注射過程中緊緊抓住注射頭。待注射完成后將注射閥拔出，然后再迅速用塞子堵上模具的注入口，以防止樹脂倒流。當(dāng)談到早期的RTM工藝，人們可能會(huì)笑，但是在那個(gè)年代，這樣的工藝確實(shí)存在了許多年。

圖1：在早期的RTM工藝過程中，操作人員需要手持注射閥，將其插入模具的注入口中

而后，自動(dòng)注射閥（AutoSprue）的發(fā)明又將RTM自動(dòng)化的程度提高了一些，因?yàn)樗嫒斯⑵洳迦肽＞叩牟襟E。但是，對(duì)模腔中樹脂的處理仍然使用的是舊方法。

圖2：早期設(shè)計(jì)復(fù)雜的模具注射閥

圖3：當(dāng)今先進(jìn)的增壓渦輪模具注射閥

隨著RTM工藝的進(jìn)一步發(fā)展，出現(xiàn)了更為先進(jìn)的輕型樹脂傳遞模塑工藝—LRTM，該工藝的首次應(yīng)用是于1970年在德國。到1996年，法國Alwo公司主管讓?雅克（Jean Jacques Sick）將LRTM工藝介紹給美國MVP公司閉模工藝專家查爾斯?圖爾（Charles Tur）和法國國家成人職業(yè)協(xié)會(huì)（AFPA）復(fù)合材料講師讓?保羅（Jean Paul Galichet）。

當(dāng)時(shí)，查爾斯?圖爾還有另一個(gè)身份是比利時(shí)原料供應(yīng)商Socomer的技術(shù)支持顧問，他一直致力于推進(jìn)這項(xiàng)新工藝的進(jìn)展，并對(duì)他們的客戶進(jìn)行相關(guān)培訓(xùn)。AFPA講師讓?保羅則將這門新工藝作為技術(shù)培訓(xùn)教案教授給學(xué)生。

與此同時(shí)，肖馬拉復(fù)合材料公司（Chomarat Composites）也將混合氈—Rovicore推向市場，由于很好地迎合了低壓注塑樹脂滲透工藝的需求，一經(jīng)上市就廣受好評(píng)。到1998年，肖馬拉公司開始奔走于世界各地，實(shí)地向客戶展示如何運(yùn)用LRTM新技術(shù)和模具制造Rovicore混合氈。

同年，查爾斯?圖爾將LRTM介紹給Plastech公司（當(dāng)時(shí)是艾倫?哈珀的公司），后者當(dāng)即看到了這項(xiàng)新工藝的真正優(yōu)勢和潛力，趁熱打鐵開發(fā)了一套R(shí)TM設(shè)備和模具配件（如密封件等），為其客戶提供了一個(gè)完整的LRTM工裝包。Plastech還將LRTM技術(shù)作為在其全球RTM的培訓(xùn)課程的內(nèi)容之一。

LRTM工藝在90年代一經(jīng)推出，立即給市場帶來了一個(gè)更清潔的樹脂注射系統(tǒng)。除了具有明顯的成本和輕量優(yōu)勢，該工藝還降低接觸液體樹脂混合物的機(jī)會(huì)。LRTM的出現(xiàn)代表著整個(gè)閉模工藝發(fā)展的頂峰期，如今的用戶在操作上已經(jīng)變得越來越嫻熟，能按需精準(zhǔn)的建造模具。LRTM跟RTM很像，也是采取上下兩片閉合模具，但是比傳統(tǒng)RTM工藝的生產(chǎn)工作環(huán)境更清潔，而且浪費(fèi)率更低。與RTM相反，LRTM工藝是讓樹脂先流經(jīng)模具周邊，最后多余的樹脂從位于中央的出口流出。所有這些過程都在真空密封環(huán)境中進(jìn)行，因此揮發(fā)性有機(jī)化合物排放量幾乎為零。

RTM向LRTM的過渡

可以說，LRTM現(xiàn)在已經(jīng)在世界各地成為主流閉模工藝，盡管新RTM項(xiàng)目仍在實(shí)施，但無法改變其漸漸淡出的趨勢。原因很簡單，LRTM可以用僅占RTM三分之一的時(shí)間成本和三分之一的生產(chǎn)成本，制備出專業(yè)性強(qiáng)，尺寸精確的閉模制件。當(dāng)然我們更不能忽視，如果在相同的生產(chǎn)經(jīng)營基礎(chǔ)上，LRTM比RTM需要安裝更少的基礎(chǔ)設(shè)施，和具備均勻化合理化的成本投入。

過去，人們常認(rèn)為LRTM僅限于制備相對(duì)簡單和規(guī)模小的零件，但事實(shí)已經(jīng)證明，LRTM同樣可以制造部分形狀復(fù)雜，甚至夾金屬或泡沫芯的制件。即使纖維量高達(dá)55-62％的復(fù)合材料部件也可以利用LRTM成型工藝完成制備，而且單組分樹脂體系的注射和固化溫度只需要分別達(dá)到80℃和180℃即可。

此外，制件的規(guī)模也基本不受限制，LRTM已經(jīng)廣泛用于造船業(yè)就是一個(gè)最好的佐證。

幾年前推出了一種多層插入模具技術(shù)（Multiple Insert Tooling technology-- MIT），即將RTM的A模插入多層副模。當(dāng)其中一層被注射樹脂時(shí)，另一層還可以做凝膠用，剩下的一層用來鋪設(shè)玻璃纖維。這可能會(huì)大大增加一套模具設(shè)備的生產(chǎn)量，從而縮短生產(chǎn)周期，要知道生產(chǎn)周期是決定制件注射和固化速度的唯一因素。在壓制過程中，可以迅速調(diào)整預(yù)加載層的位置，以保證能馬上投入新的注射周期。但是，隨著LRTM工藝開始流行，人們看到LRTM工藝可以像MIT一樣實(shí)現(xiàn)低成本量產(chǎn)，最主要的是人們不再需要昂貴的模壓設(shè)備。

一臺(tái)裝備了多個(gè)LRTM模具的巴西MVC成型機(jī)每天實(shí)際生產(chǎn)650件表面積達(dá)到1.5平方米的膠衣涂層制品，多模LRTM的制備效率由此可見一斑。如今，LRTM設(shè)備生產(chǎn)商紛紛鼓勵(lì)他們的用戶至少用兩個(gè)A模配一個(gè)B模的方式以使生產(chǎn)效率翻番，而成本卻只需要增加三分之一。

圖4：利用大流量LRTM制備的電話亭

投資氣動(dòng)控制注射系統(tǒng)（pneumatically-controlled injection system）成為近年來的一種趨勢。例如，純氣動(dòng)PneuJect III注塑機(jī)模型，可提供可編程的催化劑增加控制，自動(dòng)沖洗和催化劑流量報(bào)警，精密注塑壓力/流量控制，催化劑/溶劑水平控制和警報(bào)功能。所有這些功能的實(shí)現(xiàn)不需要任何電器輔助，很適合玻璃鋼車間環(huán)境。而純氣動(dòng)設(shè)備需要?dú)鈩?dòng)壓力/真空傳感器（PPVS）的配合，即通過它感知LRTM模內(nèi)的注塑壓力，因此達(dá)到安全控制設(shè)備的產(chǎn)出水平的目的。

圖5：安裝在模具流道上的氣動(dòng)壓力傳感器，利用直接氣流有效控制設(shè)備的注射率

圖6：氣動(dòng)模具填充傳感器

氣動(dòng)設(shè)備的引入也推動(dòng)著氣動(dòng)壓力傳感器朝著更智能化的方向發(fā)展，用戶可以根據(jù)設(shè)置通過它準(zhǔn)確感知樹脂是否充滿模腔。原理是通過傳感器向設(shè)備發(fā)送信號(hào)，來控制樹脂注射的進(jìn)程，因此大大節(jié)省了操作者的勞力，和降低了人力估計(jì)的不準(zhǔn)確因素。此外，傳感器還可以在無操作員介入的條件下，通過發(fā)送關(guān)閉信號(hào)實(shí)現(xiàn)對(duì)大型模具多個(gè)真空排氣口的自動(dòng)控制。需要注意的一點(diǎn)是，這些純氣動(dòng)設(shè)備都必須從頭開始設(shè)計(jì)，因?yàn)樵谀壳暗氖袌錾蠜]有相當(dāng)?shù)脑O(shè)備。

一直以來，熱壓模塑工藝（SMC/BMC/DMC）就是RTM的競爭對(duì)手，不過，從設(shè)備投入上比較，由于必須的鋼制模具和高壓設(shè)備投入早已將模塑工藝劃入了高成本陣營，而采取低壓注射的RTM和LRTM工藝也各有各的優(yōu)勢，將繼續(xù)共存于這個(gè)市場。

目前仍有一部分制造商在擺脫開模工藝后，朝著樹脂膜滲透工藝的方向發(fā)展。然而相比LRTM，滲透工藝不可避免受自身局限性，如單模、成本高、和廢料難以處理等限制其發(fā)展。

企業(yè)轉(zhuǎn)向閉模工藝之初，最常見的問題是如何制造一個(gè)足夠精確的B模具以構(gòu)成一套完整的閉模工裝。許多人看了現(xiàn)場演示后，以為只要采用正確的密封劑，槽模計(jì)數(shù)器，和填充物就能制備出精確的模具，但事實(shí)以失敗居多，原因在于他們不了解如何在尺寸公差范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確性。而這對(duì)于許多人是個(gè)不錯(cuò)的訓(xùn)練課程，可以利用這樣的機(jī)會(huì)對(duì)其中所有的技術(shù)問題進(jìn)行解釋，例如設(shè)備輸出控制，最大的密封件的選擇和安置，注塑及真空排氣，模具加熱，模具材料的選擇，以及實(shí)際過程中的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)。

真空泄漏也是在LRTM常見的問題。原因可以是由真空不足，或注射連接安裝不當(dāng)導(dǎo)致。很顯然，模具制造商需要特別注意這幾點(diǎn)，其實(shí)選取任何一種普通的插入物都能起到幫助?，F(xiàn)在模具制造商需要的是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一的插入連接器。因此，有必要統(tǒng)一插入物的普遍標(biāo)準(zhǔn)，以適用于各種配件，包括注射閥、注射管連接器、法蘭真空連接器、樹脂收集器、二級(jí)真空排氣連接器、氣動(dòng)或電子傳感器、和空氣噴射連接器。

從手糊和噴射工藝轉(zhuǎn)向閉模工藝對(duì)于多數(shù)公司來說是一次技術(shù)文化的沖擊。隨著對(duì)加工溫度，凝膠時(shí)間和生產(chǎn)周期越來越嚴(yán)格的控制，傳統(tǒng)的開模工藝必將遭到拋棄。

RTM/LRTM將何去何從？

存在即是合理。閉模工藝之所以受到歡迎，是因?yàn)樗鼈兡軌驖M足大多數(shù)需求，如果不是的話，一定會(huì)有限制揮發(fā)性有機(jī)化合物排放的新法規(guī)法令頒布。還因?yàn)樗鼈兛梢蕴峁┝艘粋€(gè)大為改善，和為社會(huì)普遍接受的玻璃鋼工作環(huán)境。這種既降低生產(chǎn)廢料率，同時(shí)能幫助制件實(shí)現(xiàn)專業(yè)的雙面品質(zhì)的能力不容小覷。

近來受熱捧的中央澆道孔注射（central runner keyhole injection）方式，即通過B模上一個(gè)直徑1毫米孔注入樹脂，由于避免模腔周邊填充的浪費(fèi)，因此能明顯減少樹脂消耗量及浪費(fèi)。一般來說，中央澆道孔注射適用于高寬比較大的制件，如長3.2米×寬 0.3米的巴士面板。再如，對(duì)周邊7米的模腔進(jìn)行樹脂填充量比中央澆道孔注射量至少高出75％。此外，由于密封劑能對(duì)成型產(chǎn)品的周邊起到密封效果，因此保證整個(gè)生產(chǎn)過程的近零浪費(fèi)率，和制備出凈尺寸制件。

中央澆道孔注射也開始應(yīng)用于LRTM風(fēng)力渦輪葉片的制造，如今多數(shù)葉片制備工藝采取的是濕法手糊和樹脂膜滲透。此外，利用LRTM精密的內(nèi)部設(shè)計(jì)能力生產(chǎn)葉片前緣和后緣可以達(dá)到理想的流線外形和更精確的工程設(shè)計(jì)。

相信RTM / LRTM憑借其先進(jìn)的模具和控制系統(tǒng)技術(shù)，和在成本效率，廢料及消耗量效率，以及在降低揮發(fā)性有機(jī)化合物等方面發(fā)揮的作用，會(huì)在未來很長一段時(shí)間繼續(xù)續(xù)寫輝煌。不過，RTM / LRTM的用戶需要注意：只有努力改善應(yīng)用和對(duì)相應(yīng)的員工進(jìn)行培訓(xùn)，才能真正讓這項(xiàng)先進(jìn)的工藝為之所用。

（來源：復(fù)材在線）