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熱壓罐選型

2019-10-12
熱壓罐的選型要綜合考慮的因素包括:
1)   預(yù)計產(chǎn)品最大尺寸;
2)   產(chǎn)品樹脂體系;
3)   樹脂的性能;
4)   模具的設(shè)計;
5)   生產(chǎn)節(jié)拍。
一、預(yù)計產(chǎn)品最大尺寸
    用戶在計劃采購熱壓罐時必然會對產(chǎn)品的尺寸進行預(yù)估,通常希望有所預(yù)留,在場地和資金允許的前提下盡量采購大些的熱壓罐。
    用戶需要根據(jù)產(chǎn)品的尺寸,綜合考慮模具的尺寸。由于熱壓罐依靠循環(huán)風(fēng)加熱模具,因此,一定要充分考慮氣體的流通通道,不能堵塞罐內(nèi)空間。
    但是,不要盲目選用大尺寸型號,受我國公路運輸橋梁通行高度限制,外徑超過4m就難以運輸,對應(yīng)熱壓罐有效使用直徑約3.5m。在此尺寸以下,熱壓罐可以在廠家制造,運輸?shù)桨惭b場地,建設(shè)周期短。此尺寸以上,需進行現(xiàn)場制造,建設(shè)周期長,費用高。同時熱壓罐能耗較高,需要綜合考慮廠房的規(guī)模及配電能力。
二、產(chǎn)品樹脂體系:
   復(fù)合材料固化成型,對熱壓罐性能的要求主要取決于使用的樹脂體系。在現(xiàn)有常用的熱固性樹脂中,以環(huán)氧樹脂及酚醛樹脂應(yīng)用最為普遍。
    環(huán)氧樹脂根據(jù)不同的配方,從常溫固化到高溫固化,覆蓋較大的范圍。但是,常溫固化和低溫固化樹脂,其性能不適合使用熱壓罐,較少用于熱壓罐工藝。常用于熱壓罐工藝的環(huán)氧樹脂固化溫度從120℃~180℃,通常,環(huán)氧樹脂體系固化是施加0.6MPa的壓力就可以使力學(xué)性能趨于穩(wěn)定,固化成型后滿足要求。如果形狀復(fù)雜,需要適當(dāng)提高壓力。
    酚醛樹脂體系的使用同樣很廣泛,酚醛樹脂體系采用烘箱固化的效果可以滿足要求不高的應(yīng)用場合,但是,當(dāng)要求比較高的纖維體積含量、較高的致密性、較低的缺陷時,就需要使用熱壓罐。酚醛樹脂體系根據(jù)配方及材料性能要求的不同,固化溫度通常從120℃~170℃,固化施加的壓力從0.4Mpa~2Mpa不等。
    對于產(chǎn)品采用環(huán)氧樹脂及酚醛樹脂體系的熱壓罐用戶,采用的固化輔助材料均為市場上供應(yīng)的常規(guī)的尼龍薄膜真空袋、無紡?fù)笟鈿?、真空密封膠帶,這些材料的短時間耐溫上限通常在170℃~200℃之間。因此對于這些用戶,選用熱壓罐的額定工作溫度高于200℃是沒有意義的。熱壓罐廠家通常按照250℃設(shè)計內(nèi)部耐熱結(jié)構(gòu),如果用戶能準確提供最高使用溫度,熱壓罐廠家可以準確計算加熱負載,減小裝機功率,達到節(jié)能的效果。
    復(fù)合材料使用的樹脂體系種類很多,有些高性能的樹脂的使用范圍較小,僅使用于航空航天、電子等高端領(lǐng)域,如耐高溫的雙馬樹脂、聚酰亞胺樹脂、高介電性能的氰酸酯樹脂。正在研究開發(fā)中的熱熔樹脂系統(tǒng),則是希望大幅降低復(fù)合材料的制造成本,提高制造效率。
    最高使用溫度250℃的熱壓罐可以滿足雙馬樹脂、氰酸酯樹脂的固化溫度要求,通常0.6Mpa的壓力可以滿足對于力學(xué)性能的要求,如果出于其它性能的需求,壓力可能需要進一步提高。但是,對于這兩種復(fù)合材料固化中使用的輔助材料,可靠的耐溫性能約230℃,對工藝的制約很大。
    聚酰亞胺樹脂是當(dāng)前可實用的耐溫等級最高的樹脂,固化溫度在300~370℃間,并有進一步提高的趨勢,同時固化壓力要求1.5Mpa以上,甚至2Mpa以上。這就需要配備高溫高壓熱壓罐。高溫高壓熱壓罐本身在技術(shù)上有較大的難度,同時,這個耐溫等級的輔助材料工藝性極差,很難保證真空袋的密封,為此,高溫高壓熱壓罐必須配套氮氣供應(yīng)系統(tǒng),保證工藝過程中內(nèi)部氣氛的氧含量≦8%,以杜絕使用中材料失火,建議使用純度95%以上氮氣加壓。
    熱熔樹脂系統(tǒng)復(fù)合材料正在研究開發(fā)中,研究者希望應(yīng)用于汽車等領(lǐng)域。目前還沒有得到廣泛的應(yīng)用,樹脂正在不斷的創(chuàng)新中,因此,如何配套熱壓罐還沒有成熟的參數(shù)。從材料性能的規(guī)律分析,熱熔樹脂的成型溫度一定要高于使用溫度,熱熔樹脂的最低粘度不可能做到低于熱固性樹脂的最低粘度。從上述兩點分析,適用于熱熔樹脂體系的熱壓罐的溫度及壓力要求均應(yīng)稍高于常規(guī)熱壓罐。同時,熱熔樹脂研究的重要目標是實現(xiàn)高效成型,因此對設(shè)備有相應(yīng)的要求,這需要從事材料及工藝研究人員進一步探索。
三、樹脂的性能
    樹脂的性能對熱壓罐的加壓系統(tǒng)的設(shè)計起主要作用。

對于復(fù)合材料在固化工藝中采用什么樣的溫度曲線,在什么時候加壓,是決定復(fù)合材料最終質(zhì)量的關(guān)鍵。如何決定這兩個參數(shù),重要的依據(jù)是代表樹脂固化過程的兩條曲線:


樹脂名稱

   

qq截圖20191012085201


三、樹脂的性能
    樹脂的性能對熱壓罐的加壓系統(tǒng)的設(shè)計起主要作用。
對于復(fù)合材料在固化工藝中采用什么樣的溫度曲線,在什么時候加壓,是決定復(fù)合材料最終質(zhì)量的關(guān)鍵。如何決定這兩個參數(shù),重要的依據(jù)是代表樹脂固化過程的兩條曲線:



樹脂的粘度-溫度曲線


樹脂的DSC曲線

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    上圖示意了兩條曲線:(本示意圖不代表真實的曲線及對應(yīng)關(guān)系)    樹脂粘-溫曲線,代表了樹脂黏度隨溫度變化的趨勢,曲線最終粘度快速上升,代表樹脂開始固化。    樹脂的DSC曲線代表了樹脂固化過程的吸熱或放熱過程,代表了樹脂在某個溫度段進行了固化反應(yīng)。    樹脂的這兩條曲線,在不同的升溫速率,不同的溫度保持時間下表現(xiàn)不同。    復(fù)合材料固化過程中的加壓,最好在粘度最低點進行,這時樹脂流動性最佳,最易保證復(fù)合材料質(zhì)量。如果加壓過早,樹脂容易從真空管道流出,造成產(chǎn)品樹脂含量低或貧膠等缺陷。如果加壓過晚,樹脂的粘度快速上升,流動不足容易形成分層、氣孔等缺陷。為了達到復(fù)合材料的設(shè)計性能,工藝人員必須準確了解真實固化溫度曲線下的這兩條曲線,才能準確制定工藝。樹脂在固化過程中的流動性,決定了熱壓罐需要配備的加壓系統(tǒng)的設(shè)計方式:?   如果樹脂的流動性可以控制的很好,不會過度流出,那么對加壓時機的要求就不高,優(yōu)良的樹脂可以實現(xiàn)“始加壓”,開始升溫就開始加壓。對于具有這種樹脂特性的復(fù)合材料產(chǎn)品,熱壓罐的加壓系統(tǒng)設(shè)計允許比較簡單,可以使用空壓機直接向罐內(nèi)打氣,省略大型的儲氣罐,可以降低設(shè)備費用。但是當(dāng)熱壓罐規(guī)格較大時,需要配套大功率的空壓機,配電要求提高,綜合費用需要根據(jù)具體情況進行測算。     如果樹脂的流動性過大,就一定要控制加壓時機,這時需要在某個時間點在較短的時間段內(nèi)完成加壓。這種情況下的熱壓罐加壓系統(tǒng)設(shè)計需要配備大型儲氣罐。對熱壓罐控制系統(tǒng)的要求非常高,需要熱壓罐軟件具有如下基本功能:? 應(yīng)控制模具溫度,而非空氣溫度;? 加壓的控制必須與溫度關(guān)聯(lián)隨動,實現(xiàn)在預(yù)定的溫度點加壓;? 當(dāng)熱壓罐內(nèi)的多件模具的溫度存在差異,需要實現(xiàn)等待各模具均進入加壓窗口再實施加壓。加壓過程要快。      壓力容器在1.6Mpa分級,高于1.6Mpa的熱壓罐,費用會有比較顯著的增加。壓力要求高,熱壓罐容器的重量隨之增加,成本提高。同時,為熱壓罐供氣的空壓機等設(shè)施的規(guī)格要加大,造成建設(shè)費用的提高。因此,對于用戶而言,合理選擇常用壓力是非常重要的,要建立一個概念,廠家的設(shè)計壓力一定要稍大于常用壓力,設(shè)計壓力是出于安全的考慮的設(shè)計余量,常用壓力是用戶工藝中使用的實際壓力,按照用戶的常用壓力配套的供氣系統(tǒng),在使用中才是合理并經(jīng)濟的。      注:有些復(fù)合材料產(chǎn)品,為達到特殊的性能指標,要求很高的成型壓力。雖然就壓力容器而言,并沒有限制。但是從安全性以及經(jīng)濟性考慮。熱壓罐的設(shè)計壓力超過5Mpa是不適當(dāng)?shù)模O(shè)備制造難度加大,成本大幅提高,可靠性大幅降低。因此,如果復(fù)合材料的成型壓力一定要超過3Mpa,尺寸較大部件建議使用液壓釜,尺寸較小部件建議使用熱壓機。四、模具的設(shè)計    復(fù)合材料模具有很多種,一般包括復(fù)合材料模具、金屬模具,金屬模具又包括鋁模具、鋼模具。模具的形式根據(jù)各復(fù)合材料生產(chǎn)商的產(chǎn)品特點及工藝習(xí)慣而定。    模具形式的選用,對熱壓罐的加熱系統(tǒng)的設(shè)計有影響。復(fù)合材料模具,熱容量相對較小,比較容易升溫,但使用周期短,精度較低。金屬模具,熱容量大,升溫慢,使用周期長,精度高。    熱壓罐對模具的升溫,通過循環(huán)風(fēng)傳熱實現(xiàn)。因此,熱壓罐內(nèi)模具的溫度分布規(guī)律如圖示意,呈現(xiàn)前高后低。

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    對于小尺寸熱壓罐,由于產(chǎn)品尺寸小,這個差異相對小些,大多數(shù)情況下不用過多考慮,為縮短工藝周期,可以要求熱壓罐空載升溫速率3~5℃/min。建議采用3℃/min,要求過高增大裝機功率,增大成本,實際使用中意義不大。
對于大尺寸熱壓罐,模具的溫差不容小視,需要經(jīng)過計算,為保證模具各部位溫差在一定范圍內(nèi),只能降低模具的升溫速率。因此實際生產(chǎn)中,大尺寸產(chǎn)品模具的升溫速率一般在30℃/h左右。因此大尺寸熱壓罐要求高的空載升溫速率沒有意義,大幅度增加建造成本。
五、生產(chǎn)節(jié)拍
    熱壓罐相對其它復(fù)合材料成型設(shè)備,材料的綜合性能最佳,適應(yīng)性最大,工藝可控性最好,模具成本相對較低,因此在復(fù)合材料行業(yè)應(yīng)用越來越廣。但是,熱壓罐也存在很大的局限性,如耗能高,成型效率低等。
    生產(chǎn)節(jié)拍要求,決定了熱壓罐的真空及熱電偶通道數(shù)量。生產(chǎn)節(jié)拍要求高,同時進罐模具多,真空及熱電偶通道就要求多。但是要求過多的通道數(shù),設(shè)備成本大增,故障率提高,維護成本提高,需要經(jīng)過合理測算。
    當(dāng)前,復(fù)合材料的應(yīng)用范圍越來越廣,復(fù)合材料低成本快速制造成為技術(shù)發(fā)展的重要方向。而實現(xiàn)低成本快速制造,除樹脂、模具等技術(shù)因素,固化設(shè)備是重要的環(huán)節(jié)。
    ★ 絕大部分樹脂的性能,在升溫速率提高時,最低粘度都呈現(xiàn)降低趨勢,這對于復(fù)合材料成型質(zhì)量是有利的。有些品種的樹脂(如聚酰亞胺),差異十分大,使得采用這種樹脂制備產(chǎn)品,在常規(guī)熱壓工藝下,產(chǎn)品的缺陷多,性能降低。但是在快速升溫工藝下,可以實現(xiàn)高品質(zhì)。
     復(fù)合材料在汽車上的應(yīng)用,是當(dāng)前復(fù)合材料技術(shù)發(fā)展的一大方向,也是當(dāng)前復(fù)合材料技術(shù)發(fā)展的一大推動力。汽車當(dāng)前采用鋼材制造,生產(chǎn)效率極高,具有“一分鐘工藝”之稱,以復(fù)合材料替代金屬,生產(chǎn)效率是第一位的。
    為實現(xiàn)高效生產(chǎn),目前有多種技術(shù)方向。包括熱固性樹脂、熱塑性樹脂、RTM、模壓、非熱壓罐技術(shù)等等。
    本公司瞄準技術(shù)發(fā)展方向,分析各種方向的優(yōu)缺點,認為熱壓罐技術(shù),只要能夠解決能耗和成型周期問題,仍然有很大優(yōu)勢,適應(yīng)性強,質(zhì)量可靠,模具要求低。
    本公司開發(fā)的改進型熱壓罐快速成型技術(shù),具有下列特點:可以在30min~1h內(nèi)完成中低溫樹脂的固化;可以將高溫樹脂的固化成型周期從約20小時縮短到3~5小時;比傳統(tǒng)熱壓罐節(jié)約能源90%以上; 固化后材料力學(xué)性能與傳統(tǒng)熱壓罐相同,某些狀態(tài)可以略有提高。