RTM检查井盖用复合材料模具的制作技术
1 前言
树脂传递模塑(RTM)是将树脂注入闭合模具中浸润增强材料并固化成型的工艺方法。适于多品种、中批量、高质量先进复合材料成型。RTM工艺有诸多优点。与其它先进的复合材料制造工艺相比，RTM可使用多种纤维增强材料和树脂体系，制口尺寸精确，有极多的制品表面。它适用于制造高质量复杂形状的制品，且纤维含量高，成型过程中挥发成分少，环境污染少。生产自动化适应性强，投资少，生产效率高。RTM工艺虽然成本低，但技术要求高，特别是对原材料和模具的要求较高，常遇到气池难以排尽，表面出现裂纹，纤维浸润性差，树脂流动出现死角等问题。随着RTM成型技术日趋完善，原材料和模具技术的发展及成型技术的不断进步，上述问题已得到较好的解决。
2 井盖模具结构的设计及制作方法
2.1 井盖的形状与模具的结构
为了解决铸铁井盖脆性大，不耐冲击，不美观，重量大，不宜施工且被盗现象严重的诸多问题，本文采用结构优化设计的方法研制出RTM玻璃钢检查井盖。该技术已获得。为了保证玻璃钢体查井盖具有足够的强度和满足行业标准，经过各种大型软件分析，产品的形状如图1所示结构较为合理。该检查井盖已通过鉴定，各项指标均符合标准，是铸铁井盖理想的替代产品。在RTM工艺中模具设计与制作的质量直接关系到制品的质量、生产效率和模具帮命等。因此，模具制作技术是RTM工艺中一个极为重要的环节。与传统的玻璃钢手糊模具相比，RTM模具与之有相似之处，也有不同之处。相同之处是利用母模(采用木模，也可用石膏模等)翻制，表面处理及制作技术相同。不同之处是RTM为闭合模，必须采用阴阳两片模具，且对尺寸精度、刚度、强度、[-page-] 耐热等要求严格得多。图2为RTM模具层的一般结构图。由图2可以看出，用玻璃钢制作的RTM模具分为七层，即表面层、结构I层、加热层、保温层、结构、Ⅱ层、增强层和包裹层。
玻璃钢检查井盖阴模为格栅状，制作面起伏较大，且过渡面大部分为90°直棱直角,由于该产品的厚度大，固化时的放热温度高，这给模具制作提出更高的要求，加大了模具制作难度。针对玻璃钢检查井盖阴模形状的特殊性，每一层的制作都根据其形状的特点，采取相应的措施，尽量不产生气池，少附树脂，确保足够的强度和刚度以保证模具的使用寿命。
2.2 模具各层的制作方法及作用[-page-]
模具的表面层一般用耐热较好的模具的胶衣和表面毡制作，此层通常厚度为0.4~0.8mm。因为制品的表面质量、模具的使用寿命与表面层的质量有很大的关系，所以RTM模具要求表面层光滑平整，无气泡和砂眼，有较高的硬度并与结构层粘接较好。外层胶衣要求涂刷均匀且不易太厚。在条件允许的情况下好采用喷射的方法。表面毡应剪成与格栅宽窄一样的小条铺设，预防表面起皱和气泡的产生。模具加热层的发热休可用电热布铺成，引出电极与低压(小于36V)电源连接。为了使模具加热均匀，铺设电热布时应注意各处功率相等。模具的结构I层用玻璃毡布和短切纤维增强树脂制作，通常要求6~8mm。它是模具的承载部分，应具有较高的强度和刚度。制作阴模铺设短切毡和玻璃毡布时，好也将它们裁成与格栅宽度一样的布条，且应选厚度较薄的毡，预防气池的产生。模具保温层的主要作用是保温和增加模具的刚度。该层用保温芯块和玻璃微珠腻子制成。具体配比可参照模具制作的主要步骤及关键问题中的④。模具结构Ⅱ层的作用及制作与结构I层的相同。由于此层相对远离产品，为了降低成本，可选用性能较结构I层稍差一些的树脂。为了保证模具有足够的刚度和强度，需要用钢架加强。钢架一般采用方钢，也可选用角钢或工字钢焊接而成。外边的包裹层由玻璃钢制成，它将与钢架与模具连成一个整体。以上七层是RTM模具的基本结构，也可根据实际情况减少或增加模具的层数。为了增加模具的强度和刚度，制作模具的玻璃纤维均应选用无碱玻璃纤维毡布和无碱无捻粗纱。
2.3 RTM工艺对井盖模具的要求
RTM模具应保证制品尺寸与形状的精度及上、下匹配的精度，使制品表面精度达到A级标准。它须配备夹紧和顶开上下模的装置及制品脱模装置。在模压力、注射力及开模压力下表现出足够高的强度和刚度，50~150KPa注射压力下不损坏不变形。模具使用寿命较长，可加热，并经受树脂固化放热峰值的温度。[-page-] 通常经一万次80~120℃的热冲击的实验而不开裂不变形。模具设计有合理的注射孔流道和排气孔。采用橡胶条为密封材料，保证树脂流满模具型腔，而不溢出树脂，制品里无气泡，无瑕疵。上下模密封性能好。除制品边缘外，模内树脂漏损率<1%，制造成本要低。
为了满足上述要求，玻璃钢检查井盖模具与其它RTM复合材料模具一样也设有锁紧，开模和脱模装置。合模采用导销，因为RTM模具的稳定性不如SMC用的金属模具，并且很少固定在压机上，用导销的目的是确保上、下模具闭合精度。RTM模具设计的另一个重要问题是制品脱模。根据井盖的成型特点，本文适当地设置了脱模装置（气喷及嵌件推出）。模具上设有注射口和排气口，RTM工艺要求注射口必须垂直于模具，注射时务必使树脂能垂直注入型腔中。如果不垂直注射则会使树脂碰到注射口而反射到型腔中，破坏树脂在型腔内的流动规律，又会造成型腔内形成大量气泡，导致注射失败，所以希望注入口在模具的部位的下端。此模具的注射口选在阴模靠近大直径处的肋上，以保证注入的树脂以注入口为中心按同心圆在型腔内流动。排气口数量可按制品的尺寸和形状确定。设计排气口的原则是排气口应位于树脂流动的高处和树脂较难到达的地方。这样有利于赶尽空气、浸透纤维并减少树脂流失。笔者在靠近产品大直径处的阳模上选了3个排气孔，即左端和右端各一个，上端一个。密封材料一般为橡胶，改性橡胶或硅橡胶，用于封闭在模具边缘。
3 井盖模具制作的主要步骤及关键问题
通常先制作阴模。制作步骤如下：
(1)先将制品模型固定在一个大平板上，其功能是在模具分型面上形成裙边以便安装密封胶条。为了保证精度，可以根据所用树脂的收缩率留放一定的收缩余量。制品的模型采用木材，也可以用石膏、泡沫塑料等材料制成。要注意把模型的表面修理平整。在模型制作上一定要舍得花功夫。总的来讲，玻璃钢模具尺寸的精度终是取决于模型的精度。[-page-]
(2)在制品模型上涂刷脱模剂、胶衣树脂。为了脱模方便，脱模剂需要多涂几次，一定要保证当模型将腊充分吸收后再涂另一次，应选用脱模性能较好的脱模剂(8#腊)。为了保证制品表面平整、光洁，胶衣采用喷射的方法比较合适。喷射胶衣时应注意调节喷枪的气流量，使胶衣树脂雾化均匀，不呈现颗粒状，操作喷枪时起枪收枪都应在模具外，以免造成胶衣流挂，影响表面质量。注意喷射一定要均匀且不宜太厚。制作RTM模具所采用的模具胶衣应有较高的冲击韧性，较高的耐热性与较低的收缩率，一般采用乙烯基脂型的模具胶衣。本模具采用了耐高温的CCP-071进口胶衣树脂。这种胶衣耐高温、硬度高、韧性好，在反复冲击条件下不易产生裂纹，经精细的抛光后达到镜面效果。
(3)考虑到产品的厚度较大，待喷射胶衣层固化后可在阴模中间安装一个气托，并对称预埋4个嵌件(长螺母)以保证脱膜更加顺利。将注射口及排气口放到已选好的部位，贴表面毡。表面毡须铺设平整，如有折叠或搭接必须割刀修齐。表面毡可用刷子浸少量树脂浸透，但应注意含胶量，既要能充分浸润纤维，又不能过多。含胶量高，气泡不易排除，而且造成固化放热大，收缩率大。RTM模具树脂要求耐热性及刚性好，有一定的冲击韧性，收缩率小，所以结构I层采用了2001乙烯基树脂。表面毡层树脂固化后要挑气泡，挑气泡时注意不要划破胶衣层。挑完气泡适当打磨，除去除毛刺及浮层，即可开始手糊几层300g/m2无碱短切毡，厚度一般为5mm，等待固化。挑完气泡后再手糊3~4层方格布。
(4)敷上含填料(玻璃微珠)的聚酯树脂团料，厚度为5mm。团料的配比为树脂：微珠=1~2:8~9。固化剂及促进剂量按团料剂及促进剂后分别进行搅拌，[-page-] 再加入玻璃微珠。团料尚未固化前，将掰成小块的保温芯材料在模具背面的玻璃微珠内。待模具基本固化后用粗砂纸进行粗略打磨，在上面再糊一层短切毡、3层方格布，然后安装由角钢或方钢焊接成的加强框架。钢骨架先进行退火处理，以清除焊接应力。方钢的一侧应等份地用钢锯成豁口后，再根据已作模具的尺寸弯成圆状，且中间垂直对称地焊成米字型肋，并垂直对称地焊4条腿，使模具能平稳站立。对称平行地焊两条钢管，以便移动模具。钢骨架与模具背面之间的间隙要先填平，以提高加强框架的效果，使整个框架平面与模具背面接触良好，并用无捻粗纱布将框架糊牢。
(5)模具固化后脱模，切割模具毛边，在加强框架的适当位置焊接定位、锁紧装置，清理模腔杂物。这样半个模具就制作完成了。然后在此基础上翻制另外一样模具。
(6)按照制品厚度在已做好的半模上巾蜡片。所有蜡片缝都用橡皮泥补平。第二片模具在胶衣层喷涂完毕后，还需按预先设计的位置放置注射口和排气口。按照个半模的制作方法糊制第二个半模，并安装加强框架，在对应的位置焊接定位，锁紧装置。
(7)脱模，清除蜡片，研磨抛光，贴密封条。这样整个RTM模具就制作完毕。
4 结束语
RTM模具制作是一个关键环节。目前国内RTM模具制作技术较为薄弱。由于国内模具制作原材料的限制，加上玻璃钢品种变化多，模具形状变化较大，造成制作上的困难。但通过几年的探索，RTM模具的制作已取得了长中的进步。
树脂传递模塑(RTM)是将树脂注入闭合模具中浸润增强材料并固化成型的工艺方法。适于多品种、中批量、高质量先进复合材料成型。RTM工艺有诸多优点。与其它先进的复合材料制造工艺相比，RTM可使用多种纤维增强材料和树脂体系，制口尺寸精确，有极多的制品表面。它适用于制造高质量复杂形状的制品，且纤维含量高，成型过程中挥发成分少，环境污染少。生产自动化适应性强，投资少，生产效率高。RTM工艺虽然成本低，但技术要求高，特别是对原材料和模具的要求较高，常遇到气池难以排尽，表面出现裂纹，纤维浸润性差，树脂流动出现死角等问题。随着RTM成型技术日趋完善，原材料和模具技术的发展及成型技术的不断进步，上述问题已得到较好的解决。
2 井盖模具结构的设计及制作方法
2.1 井盖的形状与模具的结构
为了解决铸铁井盖脆性大，不耐冲击，不美观，重量大，不宜施工且被盗现象严重的诸多问题，本文采用结构优化设计的方法研制出RTM玻璃钢检查井盖。该技术已获得。为了保证玻璃钢体查井盖具有足够的强度和满足行业标准，经过各种大型软件分析，产品的形状如图1所示结构较为合理。该检查井盖已通过鉴定，各项指标均符合标准，是铸铁井盖理想的替代产品。在RTM工艺中模具设计与制作的质量直接关系到制品的质量、生产效率和模具帮命等。因此，模具制作技术是RTM工艺中一个极为重要的环节。与传统的玻璃钢手糊模具相比，RTM模具与之有相似之处，也有不同之处。相同之处是利用母模(采用木模，也可用石膏模等)翻制，表面处理及制作技术相同。不同之处是RTM为闭合模，必须采用阴阳两片模具，且对尺寸精度、刚度、强度、[-page-] 耐热等要求严格得多。图2为RTM模具层的一般结构图。由图2可以看出，用玻璃钢制作的RTM模具分为七层，即表面层、结构I层、加热层、保温层、结构、Ⅱ层、增强层和包裹层。
玻璃钢检查井盖阴模为格栅状，制作面起伏较大，且过渡面大部分为90°直棱直角,由于该产品的厚度大，固化时的放热温度高，这给模具制作提出更高的要求，加大了模具制作难度。针对玻璃钢检查井盖阴模形状的特殊性，每一层的制作都根据其形状的特点，采取相应的措施，尽量不产生气池，少附树脂，确保足够的强度和刚度以保证模具的使用寿命。
2.2 模具各层的制作方法及作用[-page-]
模具的表面层一般用耐热较好的模具的胶衣和表面毡制作，此层通常厚度为0.4~0.8mm。因为制品的表面质量、模具的使用寿命与表面层的质量有很大的关系，所以RTM模具要求表面层光滑平整，无气泡和砂眼，有较高的硬度并与结构层粘接较好。外层胶衣要求涂刷均匀且不易太厚。在条件允许的情况下好采用喷射的方法。表面毡应剪成与格栅宽窄一样的小条铺设，预防表面起皱和气泡的产生。模具加热层的发热休可用电热布铺成，引出电极与低压(小于36V)电源连接。为了使模具加热均匀，铺设电热布时应注意各处功率相等。模具的结构I层用玻璃毡布和短切纤维增强树脂制作，通常要求6~8mm。它是模具的承载部分，应具有较高的强度和刚度。制作阴模铺设短切毡和玻璃毡布时，好也将它们裁成与格栅宽度一样的布条，且应选厚度较薄的毡，预防气池的产生。模具保温层的主要作用是保温和增加模具的刚度。该层用保温芯块和玻璃微珠腻子制成。具体配比可参照模具制作的主要步骤及关键问题中的④。模具结构Ⅱ层的作用及制作与结构I层的相同。由于此层相对远离产品，为了降低成本，可选用性能较结构I层稍差一些的树脂。为了保证模具有足够的刚度和强度，需要用钢架加强。钢架一般采用方钢，也可选用角钢或工字钢焊接而成。外边的包裹层由玻璃钢制成，它将与钢架与模具连成一个整体。以上七层是RTM模具的基本结构，也可根据实际情况减少或增加模具的层数。为了增加模具的强度和刚度，制作模具的玻璃纤维均应选用无碱玻璃纤维毡布和无碱无捻粗纱。
2.3 RTM工艺对井盖模具的要求
RTM模具应保证制品尺寸与形状的精度及上、下匹配的精度，使制品表面精度达到A级标准。它须配备夹紧和顶开上下模的装置及制品脱模装置。在模压力、注射力及开模压力下表现出足够高的强度和刚度，50~150KPa注射压力下不损坏不变形。模具使用寿命较长，可加热，并经受树脂固化放热峰值的温度。[-page-] 通常经一万次80~120℃的热冲击的实验而不开裂不变形。模具设计有合理的注射孔流道和排气孔。采用橡胶条为密封材料，保证树脂流满模具型腔，而不溢出树脂，制品里无气泡，无瑕疵。上下模密封性能好。除制品边缘外，模内树脂漏损率<1%，制造成本要低。
为了满足上述要求，玻璃钢检查井盖模具与其它RTM复合材料模具一样也设有锁紧，开模和脱模装置。合模采用导销，因为RTM模具的稳定性不如SMC用的金属模具，并且很少固定在压机上，用导销的目的是确保上、下模具闭合精度。RTM模具设计的另一个重要问题是制品脱模。根据井盖的成型特点，本文适当地设置了脱模装置（气喷及嵌件推出）。模具上设有注射口和排气口，RTM工艺要求注射口必须垂直于模具，注射时务必使树脂能垂直注入型腔中。如果不垂直注射则会使树脂碰到注射口而反射到型腔中，破坏树脂在型腔内的流动规律，又会造成型腔内形成大量气泡，导致注射失败，所以希望注入口在模具的部位的下端。此模具的注射口选在阴模靠近大直径处的肋上，以保证注入的树脂以注入口为中心按同心圆在型腔内流动。排气口数量可按制品的尺寸和形状确定。设计排气口的原则是排气口应位于树脂流动的高处和树脂较难到达的地方。这样有利于赶尽空气、浸透纤维并减少树脂流失。笔者在靠近产品大直径处的阳模上选了3个排气孔，即左端和右端各一个，上端一个。密封材料一般为橡胶，改性橡胶或硅橡胶，用于封闭在模具边缘。
3 井盖模具制作的主要步骤及关键问题
通常先制作阴模。制作步骤如下：
(1)先将制品模型固定在一个大平板上，其功能是在模具分型面上形成裙边以便安装密封胶条。为了保证精度，可以根据所用树脂的收缩率留放一定的收缩余量。制品的模型采用木材，也可以用石膏、泡沫塑料等材料制成。要注意把模型的表面修理平整。在模型制作上一定要舍得花功夫。总的来讲，玻璃钢模具尺寸的精度终是取决于模型的精度。[-page-]
(2)在制品模型上涂刷脱模剂、胶衣树脂。为了脱模方便，脱模剂需要多涂几次，一定要保证当模型将腊充分吸收后再涂另一次，应选用脱模性能较好的脱模剂(8#腊)。为了保证制品表面平整、光洁，胶衣采用喷射的方法比较合适。喷射胶衣时应注意调节喷枪的气流量，使胶衣树脂雾化均匀，不呈现颗粒状，操作喷枪时起枪收枪都应在模具外，以免造成胶衣流挂，影响表面质量。注意喷射一定要均匀且不宜太厚。制作RTM模具所采用的模具胶衣应有较高的冲击韧性，较高的耐热性与较低的收缩率，一般采用乙烯基脂型的模具胶衣。本模具采用了耐高温的CCP-071进口胶衣树脂。这种胶衣耐高温、硬度高、韧性好，在反复冲击条件下不易产生裂纹，经精细的抛光后达到镜面效果。
(3)考虑到产品的厚度较大，待喷射胶衣层固化后可在阴模中间安装一个气托，并对称预埋4个嵌件(长螺母)以保证脱膜更加顺利。将注射口及排气口放到已选好的部位，贴表面毡。表面毡须铺设平整，如有折叠或搭接必须割刀修齐。表面毡可用刷子浸少量树脂浸透，但应注意含胶量，既要能充分浸润纤维，又不能过多。含胶量高，气泡不易排除，而且造成固化放热大，收缩率大。RTM模具树脂要求耐热性及刚性好，有一定的冲击韧性，收缩率小，所以结构I层采用了2001乙烯基树脂。表面毡层树脂固化后要挑气泡，挑气泡时注意不要划破胶衣层。挑完气泡适当打磨，除去除毛刺及浮层，即可开始手糊几层300g/m2无碱短切毡，厚度一般为5mm，等待固化。挑完气泡后再手糊3~4层方格布。
(4)敷上含填料(玻璃微珠)的聚酯树脂团料，厚度为5mm。团料的配比为树脂：微珠=1~2:8~9。固化剂及促进剂量按团料剂及促进剂后分别进行搅拌，[-page-] 再加入玻璃微珠。团料尚未固化前，将掰成小块的保温芯材料在模具背面的玻璃微珠内。待模具基本固化后用粗砂纸进行粗略打磨，在上面再糊一层短切毡、3层方格布，然后安装由角钢或方钢焊接成的加强框架。钢骨架先进行退火处理，以清除焊接应力。方钢的一侧应等份地用钢锯成豁口后，再根据已作模具的尺寸弯成圆状，且中间垂直对称地焊成米字型肋，并垂直对称地焊4条腿，使模具能平稳站立。对称平行地焊两条钢管，以便移动模具。钢骨架与模具背面之间的间隙要先填平，以提高加强框架的效果，使整个框架平面与模具背面接触良好，并用无捻粗纱布将框架糊牢。
(5)模具固化后脱模，切割模具毛边，在加强框架的适当位置焊接定位、锁紧装置，清理模腔杂物。这样半个模具就制作完成了。然后在此基础上翻制另外一样模具。
(6)按照制品厚度在已做好的半模上巾蜡片。所有蜡片缝都用橡皮泥补平。第二片模具在胶衣层喷涂完毕后，还需按预先设计的位置放置注射口和排气口。按照个半模的制作方法糊制第二个半模，并安装加强框架，在对应的位置焊接定位，锁紧装置。
(7)脱模，清除蜡片，研磨抛光，贴密封条。这样整个RTM模具就制作完毕。
4 结束语
RTM模具制作是一个关键环节。目前国内RTM模具制作技术较为薄弱。由于国内模具制作原材料的限制，加上玻璃钢品种变化多，模具形状变化较大，造成制作上的困难。但通过几年的探索，RTM模具的制作已取得了长中的进步。
