连续纤维增强热塑性复合材料复合构件的快速成形方法技术

本发明专利技术公开了一种连续纤维增强热塑性复合材料复合构件的快速成形方法，通过超声振动对型腔中的热塑性复合材料板局部进行精准均匀加热，结合注塑平台提供的锁模力，在超声波模具、动模板和定模镶块的共同作用下完成热塑性复合材料板热压变形，获得目标几何形状结构；同时，注塑机将高温熔融热塑性树脂经主流道注射至热塑性复合材料结构表面，超声振动使热塑性复合材料表面温度维持在基体熔点以上，实现注塑熔体与热塑性复合材料结构的高性能粘结成形。本申请解决了传统工艺造成的“解固结”难题，并提高了热塑性复合材料复合构件的整体力学性能，可用于不同基体材料的热塑性复合材料复合构件的成形制造。合材料复合构件的成形制造。合材料复合构件的成形制造。

【技术实现步骤摘要】
连续纤维增强热塑性复合材料复合构件的快速成形方法


[0001]本专利技术涉及轻质高性能热塑性复合材料构件先进成形制造
，具体涉及一种超声振动辅助连续纤维增强热塑性复合材料复合构件的快速成形方法。

技术介绍

[0002]轻量化是新能源汽车主要的研究方向之一。相比于相同车型的传统内燃汽车，由于三电系统的存在，新能源汽车整车质量增加约200
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300kg，其轻量化系数也相应的提高了1.5
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4倍。国内外在新能源汽车轻量化领域已经展开了相关研究工作。其中纤维增强树脂基复合材料因其轻质、同时具有优良的强度、刚度、耐腐蚀性能等优点，是新能源汽车领域理想的轻量化材料之一，例如北汽ARCFOX
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1、前途K50及江苏某新能源乘用车有限公司A28纯电动车采用铝框架+碳纤维零部件混合车身等。由于轻量化结构件服役工况不同、结构形状不一，单一复合材料已不能很好的解决轻量化与高性能之间的矛盾。因此，业界逐渐尝试采用工程塑料（聚合物）、连续纤维增强热塑性复合材料板材、短纤维增强热塑性复合材料等多种材料的组合，根据功能性要求，制造出轻量化与功能性最优的纤维增强热塑性复合材料复合构件。该结构中连续纤维增强的高强度部分作为主要承力件，而短纤维增强特征结构作为次承力件，起到连接与吸能作用。
[0003]在专利号为CN109278242B的专利“一种树脂塑件上一体化成形热塑性复合结构的方法”中，提出纤维增强热塑性复合材料复合构件一体化成形方法。工艺过程主要包括：首先采用烤箱、红外辐射等加热设备对连续纤维增强热塑性复合材料板材进行加热至熔融温度以上，随后将其快速转移到注塑模具中，通过锁模力及注射压力，一方面实现热塑性复合材料结构模压成形，另一方面实现热塑性复合材料结构与注塑结构粘结，缩短了工艺流程，实现纤维增强热塑性复合材料复合构件一体化成形，但该工艺仍存在问题和缺陷：（1）采用外部热源加热热塑性复合材料板，热塑性聚合物具有热导率低、熔点高的特点导致加热熔融周期较长、效率低；（2）热塑性复合材料板在转移到注塑模具过程中表面温度下降，从而导致其与注塑结构之间的异质界面易存在缺陷、粘结强度低，影响复合构件力学服役性能；（3）采用外部热源加热热塑性复合材料板至熔融温度以上，该过程伴随着解固结现象。解固结行为是指材料在加热过程中细观结构的解体和宏观性能的恶化。加热过程中，无外力作用工况下，热塑性复合材料板受热膨胀，称之为解固结现象，由于热塑性树脂基体与纤维热膨胀系数不同，纤维束内及层间将产生大量的空隙，从而影响热塑性复合材料结构的力学性能。因此，迫切需要专利技术一种工序简单、能耗低、粘结界面强度高的高性能连续纤维增强热塑性复合构件制造方法。

技术实现思路

[0004]鉴于目前存在的上述不足，本专利技术提供一种连续纤维增强热塑性复合材料复合构件的快速成形方法，具有高效快速制备高性能连续纤维增强热塑性复合材料构件，适应大批量自动化生产，同时能够节约能源，降低生产成本等优点。
[0005]为了达到上述目的，本专利技术提供一种续纤维增强热塑性复合材料复合构件的快速成形方法，所述快速成型方法采用的模具为超声振动辅助热压
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注塑模具；所述超声振动辅助热压
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注塑模具包括超声振动辅助热压系统和注射成型系统；所述超声振动辅助热压系统包括超声波模具、变幅杆、换能器、超声波发生器、控制器、电源、动模板，所述注射成型系统包括注射料筒、主流道和定模板，所述定模板内设有定模镶块；所述快速成型方法包括以下步骤：步骤（a），定位阶段：将热塑性复合材料板裁剪、清洗、干燥后放置于动模板的腔中；步骤（b），超声振动摩擦局部加热阶段：开启超声振动使得动模板的腔中的热塑性复合材料板产生超声振动，同时，推动动模板向定模板方向移动，直至热塑性复合材料板与所述定模镶块接触时，停止移动，超声振动的热塑性复合材料板与定模镶块摩擦从而对热塑性复合材料板待折弯局部区域进行加热至熔融温度；步骤（c），热塑性复合材料板热压成形阶段：在超声振动作用下，待热塑性复合材料板待折弯局部区域的温度超过熔融温度，动模板继续向定模板方向移动，直至动模板与定模板完全贴合；步骤（d），表面特征结构注塑成型阶段：超声振动继续作用使热塑复合材料板上表面保持熔融温度以上，同时注塑机将高温熔融热塑性树脂经主流道注射至热塑性复合材料板表面，形成表面特征结构；注射完成后关闭超声系统电源，进行保压；步骤（e），脱模阶段：待模具冷却至结晶温度以下，模具开模，取出连续纤维增强热塑性复合材料复合构件。
[0006]依照本专利技术的一个方面，所述控制器控制所述超声波发生器产生超声波信号，所述换能器接收到超声波信号后驱动所述变幅杆产生超声振动，与所述变幅杆连接的所述超声波模具随之产生超声振动。
[0007]依照本专利技术的一个方面，所述热塑性复合材料板包括连续玻璃纤维增强热塑性树脂基复合材料板、碳纤维增强热塑性树脂基复合材料板、芳纶纤维增强热塑性树脂基复合材料板中的任意一种；所述热塑性树脂包括短玻璃纤维增强聚丙烯、短玻璃纤维增强尼龙66、短玻璃纤维增强聚醚醚酮中的任意一种。
[0008]依照本专利技术的一个方面，所述步骤（b）中，所述动模板继续向定模板方向移动的速度为5 ~ 30mm/min；所述加热至熔融温度的平均升温速率为30 ~ 60℃/s。
[0009]依照本专利技术的一个方面，所述超声振动的超声功率为6 ~ 10kW，超声频率为15 ~ 25kHz。
[0010]依照本专利技术的一个方面，所述步骤（d）中，所述注射的速度为30 ~ 90 mm/s；所述注射的压力为30 ~ 80 MPa。
[0011]依照本专利技术的一个方面，所述保压的压力为20 ~ 60MPa，所述保压的时间为10 ~ 40s。
[0012]本专利技术的有益效果：
（1）本专利技术提供了一种超声振动辅助连续纤维增强热塑性复合构件的快速成形方法。该方法采用超声振动辅助热压
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注塑成型工艺，通过超声振动对动模板的腔中的热塑性复合材料板局部进行精准均匀加热，结合注塑平台提供的锁模力，在超声波模具、动模板和定模镶块的共同作用下完成热塑性复合材料板热压变形，获得目标几何形状结构；同时，注塑机将高温熔融热塑性树脂经主流道注射至热塑性复合材料结构表面，超声振动使热塑性复合材料表面温度维持在基体熔点以上，实现注塑熔体与热塑性复合材料结构的高性能粘结成形。该方法利用超声波模具在热塑性复合材料板上产生超声振动，对局部待变形区域进行快速均匀加热。
[0013]（2）本申请利用超声波模具在热塑性复合材料板上产生超声振动，对局部待变形区域进行快速均匀加热，并结合注塑平台提供的锁模力、注塑压力和熔融聚合物，实现热塑性复合材料复合结构“成形
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粘结”一体化制造，在大幅降低能耗的同时， 解决了传统工艺造成的“解固结”难题，提高了热塑性复合材料复合构件的整体力学性能，可用于不同基体材料的热塑性复合材料复合构件的成形制造。
[0014]（3）本申请的复合构件本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种连续纤维增强热塑性复合材料复合构件的快速成形方法，其特征在于，所述快速成型方法采用的模具为超声振动辅助热压
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注塑模具；所述超声振动辅助热压
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注塑模具包括超声振动辅助热压系统和注射成型系统；所述超声振动辅助热压系统包括超声波模具、变幅杆、换能器、超声波发生器、控制器、电源、动模板，所述注射成型系统包括注射料筒、主流道和定模板，所述定模板内设有定模镶块；所述快速成型方法包括以下步骤：步骤（a），定位阶段：将热塑性复合材料板裁剪、清洗、干燥后放置于动模板的腔中；步骤（b），超声振动摩擦局部加热阶段：开启超声振动使得动模板的腔中的热塑性复合材料板产生超声振动，同时，推动动模板向定模板方向移动，直至热塑性复合材料板与所述定模镶块接触时，停止移动，超声振动的热塑性复合材料板与定模镶块摩擦从而对热塑性复合材料板待折弯局部区域进行加热至熔融温度；步骤（c），热塑性复合材料板热压成形阶段：在超声振动的作用下，待热塑性复合材料板待折弯局部区域的温度超过熔融温度，动模板继续向定模板方向移动，直至动模板与定模板完全贴合；步骤（d），表面特征结构注塑成型阶段：超声振动继续作用使热塑性复合材料板上表面保持熔融温度以上，同时注塑机将高温熔融热塑性树脂经主流道注射至热塑性复合材料板表面，形成表面特征结构；注射完成后关闭超声系统电源，进行保压；步骤（e），脱模阶段：待模具冷却至结晶温度以下，模具开模，取出连续纤维增强热塑性复合材料复合构件。2.根据权利要求1...

【专利技术属性】
技术研发人员：翟瞻宇，刘宁峰，刘佳庆，
申请(专利权)人：中南大学，
类型：发明
国别省市：