浅议RTM工艺中的模具设计技术

周子森

摘 要：RTM工艺是一种闭模成型技术，在设计零件的同时设计模具，将有助于改善制造工艺性、提高产品性能。文章通过介绍RTM工艺模具设计相关知识，探讨RTM工艺的重要性。

关键词：RTM；工艺；模具

1 模具的工艺过程简介

所有使用模具的工艺过程，若在设计零件的同时设计模具，将有助于改善制造工艺性、提高产品性能。因为与所有其它模塑工艺相比，RTM工艺涉及的大部分过程都发生在模具内部。模具的用途包括成形纤维预成形体、分配注入的树脂并确定树脂注射量、完成树脂固化、抑制压力差、保障脱模。RTM模具在许多方面与其它闭合模具相似。模具确定了零件的外部几何形状，对中空零件来说，还确定了内部几何形状。对于多数复合材料制造工艺来说，内模线（IML）可能不那么重要（除了管道等）。在RTM工艺中，厚度的变化不仅改变零件的重量，也会影响模具工艺。

模具可以直接从胚料开始制造，也可以从体现几何外形的范模翻制出来。模具的尺寸可能要根据热或化学收缩而进行缩放，为补偿预期的零件变形，模具的形状也可能要改变。模具必须能承受各种无力载荷，其来源包括预成形体压实、树脂注射、模具密封以及模具内部的加压气囊或芯模。它还必须包括工藝过程所需的附近，诸如注胶口、出胶口/排气口、零件脱模机构等。模具还必须保证固化时热量均匀分配，在某些情况下，还要能够在注射过程中预热树脂。

典型的航空制件需要承受高温，因此要求树脂在较高的温度下固化。所需的固化温度取决于树脂的种类以及制件的应用部位，但是通常介于120～175℃之间。该温度是模具选材的首要指标，因此它对模具材料、几何形状、物理性能等都有很多影响。

RTM模具必须使用压机或是设置在模具中的锁紧机构闭合。压实、注射和固化过程通常需要施加正压力，因此模具必须有足够的刚度，以便将载荷传递给锁模机构或压机的台面，而不产生额外的挠曲。此外，模具表面必须能够经受所需次数的工艺循环中干纤维对模具的摩擦，而不需要额外的维护。模具表面还必须与未固化树脂、脱模剂、模具清洗剂所含的化学成分相容。

2 模具设计要求

在RTM工艺过程中，模具设计应遵循结构简单合理、功能完备、经济实用的原则。RTM模具设计受多种因素的制约，因此其设计应满足以下要求：

模具件数的选择应合理。模具材料应具有良好的机械、热学性能。为保证RTM 产品尺寸的准确性，RTM模具的加工精度选择要合适。为避免树脂粘在模具表面，RTM模具表面的光洁度要高。模具应具有准确、耐用的定位装置。为保证模具内部的压力与真空度及防止树脂泄漏，模具应具有完善的密封结构。模具中的树脂进口和出口位置应合理配置。模具应具有完善的夹紧机构。模具中应安装一定的监测仪表（如温度、压力及粘度等）。如需要，模具中应装备良好的供热及冷却系统。考虑到生产过程中模具的搬运问题，模具的重量不应过重。RTM模具的制造费用较高，在设计中应考虑各种因素降低模具的成本。

3 树脂系统

RTM对树脂系统的要求是：粘度相对较低（0.15-1.5Pa.s），对增强材料浸润性好，便于树脂在型腔内顺利、均匀地通过，并充分浸渍纤维，快速充满整个型腔；固化放热峰低（100-130℃），以免损伤玻璃钢模具；胶凝时间和固化时间短，并可以有效大幅度的调节，这样可以缩短固化周期以提高生产效率；树脂固化时收缩率小，以保证产品的精度；树脂系统不含溶剂，固化时无低分子物析出，同时又事宜添加填料，尤为重要的是树脂内气泡的自身消除性好（不指排除）。

要根据最终制品的性能来选择树脂体系，另外还要求：粘度相对较低，适应期长，对增强纤维的浸润性好，凝胶时间短，且挥发性小。粘度低，则能在纤维束间和纤维束内顺利、均匀的通过；适应期长，可以保证树脂在凝胶前，已通过模具并浸渍增强材料；凝胶时间短，可以缩短成型周期；浸润性好，挥发性小，则有利于气泡的排除，使成型的构件内部孔隙含量少。

现在国内满足上述要求的UP的生产厂家不多，除少数大型的树脂生产厂家外，一般均不生产。本次试验采用的不饱和聚酯树脂191#。不饱和聚酯树脂191#是由二元酸（酐）和二元醇（及其缩合物）经酯化反应，缩聚成线性不饱和聚酯树脂，然后经具有交联作用的活性单体溶剂（苯乙烯）所溶解而配制成的透明粘稠液体。本产品在加入适量引发剂后，能在常温下较快交联固化，成为坚实的固体，可用来粘合多种金属和非金属材料，固化后具有良好的耐水、耐腐蚀等性能。

质量指标：1.外观：无色透明粘稠液体 2.固体含量：62±3% 3.粘度：40—60秒（涂4号杯，25℃）4.酸值：≤35mgKOH/克。

相对密度在1.11～1.20左右，固化时体积收缩率较大，固化树脂的一些物理性质如下：

绝大多数不饱和聚酯树脂的热变形温度都在50～60℃，一些耐热性好的树脂则可达120℃。红热膨胀系数α1为（130～150）×10-6℃；不饱和聚酯树脂具有较高的拉伸、弯曲、压缩等强度；不饱和聚酯树脂耐水、稀酸、稀碱的性能较好，耐有机溶剂的性能差，同时，树脂的耐化学腐蚀性能随其化学结构和几何开关的不同，可以有很大的差异；不饱和聚酯树脂的介电性能良好。

4 RTM模具设计

在设计RTM成型用的模具时，主要考虑的是成型过程中模具本身的变形、注胶口的位置、排气口的位置及整个模腔的密封。

①注胶口的位置。原则上注胶口应在模具的最低处，且尽量靠近模具的形心。注胶口应开在制品不醒目的位置，否则影响制品外观；注胶口必须垂直于模具，注射时务必树脂垂直注入模腔中，如果不处置注射，则会使树胶碰到注射口而反射到模腔中，破坏了树脂在模腔内的流动规律，又会造成大量的气泡，影响注射的成功。注入口一般用软钢加工，逆止阀采用聚四氯乙烯或乙烯加工。

②排气口。原则上排气口在模具的最高处，同时也是常规气泡的死角处，这样有利于赶尽空气、浸渍树脂并减少树脂的流逝。

③密封。模具一般采用橡胶、改性橡胶或硅橡胶作为密封材料，密封位置一般在模具的边缘。另外，密封的方法还需要另行考虑排气问题。

参考文献

[1]RTM成型工艺对复合材料制品性能的影响[J].闫刚，樊晓斌，张笑梅，赵丹，赵大为. 材料开发与应用.2008（02）.

[2]RTM主要缺陷的研究进展[J].齐燕燕，刘亚青，张艳君. 工程塑料应用.2006（12）.