熱壓罐選型

2019-10-30

熱壓罐的選型要綜合考慮的因素包括：
1) 預計產(chǎn)品最大尺寸；
2) 產(chǎn)品樹(shù)脂體系；
3) 樹(shù)脂的性能；
4) 模具的設計；
5) 生產(chǎn)節拍。
一、預計產(chǎn)品最大尺寸
用戶(hù)在計劃采購熱壓罐時(shí)必然會(huì )對產(chǎn)品的尺寸進(jìn)行預估，通常希望有所預留，在場(chǎng)地和資金允許的前提下盡量采購大些的熱壓罐。
用戶(hù)需要根據產(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(guò)4m就難以運輸，對應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(chǎng)家制造，運輸到安裝場(chǎng)地，建設周期短。此尺寸以上，需進(jìn)行現場(chǎng)制造，建設周期長(cháng)，費用高。同時(shí)熱壓罐能耗較高，需要綜合考慮廠(chǎng)房的規模及配電能力。
二、產(chǎn)品樹(shù)脂體系：
復合材料固化成型，對熱壓罐性能的要求主要取決于使用的樹(shù)脂體系。在現有常用的熱固性樹(shù)脂中，以環(huán)氧樹(shù)脂及酚醛樹(shù)脂應用最為普遍。
環(huán)氧樹(shù)脂根據不同的配方，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(shù)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(shù)脂固化溫度從120℃~180℃，通常，環(huán)氧樹(shù)脂體系固化是施加0.6MPa的壓力就可以使力學(xué)性能趨于穩定，固化成型后滿(mǎn)足要求。如果形狀復雜，需要適當提高壓力。
酚醛樹(shù)脂體系的使用同樣很廣泛，酚醛樹(shù)脂體系采用烘箱固化的效果可以滿(mǎn)足要求不高的應用場(chǎng)合，但是，當要求比較高的纖維體積含量、較高的致密性、較低的缺陷時(shí)，就需要使用熱壓罐。酚醛樹(shù)脂體系根據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(shù)脂及酚醛樹(shù)脂體系的熱壓罐用戶(hù)，采用的固化輔助材料均為市場(chǎng)上供應的常規的尼龍薄膜真空袋、無(wú)紡透氣氈、真空密封膠帶，這些材料的短時(shí)間耐溫上限通常在170℃~200℃之間。因此對于這些用戶(hù)，選用熱壓罐的額定工作溫度高于200℃是沒(méi)有意義的。熱壓罐廠(chǎng)家通常按照250℃設計內部耐熱結構，如果用戶(hù)能準確提供最高使用溫度，熱壓罐廠(chǎng)家可以準確計算加熱負載，減小裝機功率，達到節能的效果。
復合材料使用的樹(shù)脂體系種類(lèi)很多，有些高性能的樹(shù)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(shù)脂、聚酰亞胺樹(shù)脂、高介電性能的氰酸酯樹(shù)脂。正在研究開(kāi)發(fā)中的熱熔樹(shù)脂系統，則是希望大幅降低復合材料的制造成本，提高制造效率。
最高使用溫度250℃的熱壓罐可以滿(mǎn)足雙馬樹(shù)脂、氰酸酯樹(shù)脂的固化溫度要求，通常0.6Mpa的壓力可以滿(mǎn)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(jìn)一步提高。但是，對于這兩種復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(shù)脂是當前可實(shí)用的耐溫等級最高的樹(shù)脂，固化溫度在300~370℃間，并有進(jìn)一步提高的趨勢，同時(shí)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(shí)，這個(gè)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系統，保證工藝過(guò)程中內部氣氛的氧含量≦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(shù)脂系統復合材料正在研究開(kāi)發(fā)中，研究者希望應用于汽車(chē)等領(lǐng)域。目前還沒(méi)有得到廣泛的應用，樹(shù)脂正在不斷的創(chuàng )新中，因此，如何配套熱壓罐還沒(méi)有成熟的參數。從材料性能的規律分析，熱熔樹(shù)脂的成型溫度一定要高于使用溫度，熱熔樹(shù)脂的最低粘度不可能做到低于熱固性樹(shù)脂的最低粘度。從上述兩點(diǎn)分析，適用于熱熔樹(shù)脂體系的熱壓罐的溫度及壓力要求均應稍高于常規熱壓罐。同時(shí)，熱熔樹(shù)脂研究的重要目標是實(shí)現高效成型，因此對設備有相應的要求，這需要從事材料及工藝研究人員進(jìn)一步探索。
三、樹(shù)脂的性能
樹(shù)脂的性能對熱壓罐的加壓系統的設計起主要作用。

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

	樹(shù)脂名稱(chēng)	固化溫度	工作壓力
1	環(huán)氧樹(shù)脂	120℃--180℃	0.6Mpa
2	酚醛樹(shù)脂	120℃--170℃	0.4Mpa—2.0Mpa
3	雙馬樹(shù)脂	230℃	0.6Mpa以下
4	氰酸酯樹(shù)脂	230℃以下	1.0Mpa以下
5	聚酰亞胺樹(shù)脂	300℃--370℃	1.5Mpa—2.0Mpa
6	熱熔樹(shù)脂	待定	待定

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

樹(shù)脂在固化過(guò)程中的流動(dòng)性，決定了熱壓罐需要配備的加壓系統的設計方式：

? 如果樹(shù)脂的流動(dòng)性可以控制的很好，不會(huì )過(guò)度流出，那么對加壓時(shí)機的要求就不高，優(yōu)良的樹(shù)脂可以實(shí)現“始加壓”，開(kāi)始升溫就開(kāi)始加壓。對于具有這種樹(shù)脂特性的復合材料產(chǎn)品，熱壓罐的加壓系統設計允許比較簡(jiǎn)單，可以使用空壓機直接向罐內打氣，省略大型的儲氣罐，可以降低設備費用。但是當熱壓罐規格較大時(shí)，需要配套大功率的空壓機，配電要求提高，綜合費用需要根據具體情況進(jìn)行測算。

如果樹(shù)脂的流動(dòng)性過(guò)大，就一定要控制加壓時(shí)機，這時(shí)需要在某個(gè)時(shí)間點(diǎn)在較短的時(shí)間段內完成加壓。這種情況下的熱壓罐加壓系統設計需要配備大型儲氣罐。對熱壓罐控制系統的要求非常高，需要熱壓罐軟件具有如下基本功能：

? 應控制模具溫度，而非空氣溫度；

? 加壓的控制必須與溫度關(guān)聯(lián)隨動(dòng)，實(shí)現在預定的溫度點(diǎn)加壓；

? 當熱壓罐內的多件模具的溫度存在差異，需要實(shí)現等待各模具均進(jìn)入加壓窗口再實(shí)施加壓。加壓過(guò)程要快。

壓力容器在1.6Mpa分級，高于1.6Mpa的熱壓罐，費用會(huì )有比較顯著(zhù)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(shí)，為熱壓罐供氣的空壓機等設施的規格要加大，造成建設費用的提高。因此，對于用戶(hù)而言，合理選擇常用壓力是非常重要的，要建立一個(gè)概念，廠(chǎng)家的設計壓力一定要稍大于常用壓力，設計壓力是出于安全的考慮的設計余量，常用壓力是用戶(hù)工藝中使用的實(shí)際壓力，按照用戶(hù)的常用壓力配套的供氣系統，在使用中才是合理并經(jīng)濟的。

注：有些復合材料產(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(méi)有限制。但是從安全性以及經(jīng)濟性考慮。熱壓罐的設計壓力超過(guò)5Mpa是不適當的，設備制造難度加大，成本大幅提高，可靠性大幅降低。因此，如果復合材料的成型壓力一定要超過(guò)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、模具的設計

復合材料模具有很多種，一般包括復合材料模具、金屬模具，金屬模具又包括鋁模具、鋼模具。模具的形式根據各復合材料生產(chǎn)商的產(chǎn)品特點(diǎn)及工藝習慣而定。

模具形式的選用，對熱壓罐的加熱系統的設計有影響。

復合材料模具，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(cháng)，精度高。

熱壓罐對模具的升溫，通過(guò)循環(huán)風(fēng)傳熱實(shí)現。因此，熱壓罐內模具的溫度分布規律如圖示意，呈現前高后低。

對于小尺寸熱壓罐，由于產(chǎn)品尺寸小，這個(gè)差異相對小些，大多數情況下不用過(guò)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(guò)高增大裝機功率，增大成本，實(shí)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(guò)計算，為保證模具各部位溫差在一定范圍內，只能降低模具的升溫速率。因此實(shí)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(méi)有意義，大幅度增加建造成本。
五、生產(chǎn)節拍
熱壓罐相對其它復合材料成型設備，材料的綜合性能最佳，適應性最大，工藝可控性最好，模具成本相對較低，因此在復合材料行業(yè)應用越來(lái)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)節拍要求，決定了熱壓罐的真空及熱電偶通道數量。生產(chǎn)節拍要求高，同時(shí)進(jìn)罐模具多，真空及熱電偶通道就要求多。但是要求過(guò)多的通道數，設備成本大增，故障率提高，維護成本提高，需要經(jīng)過(guò)合理測算。
當前，復合材料的應用范圍越來(lái)越廣，復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(shí)現低成本快速制造，除樹(shù)脂、模具等技術(shù)因素，固化設備是重要的環(huán)節。
★ 絕大部分樹(shù)脂的性能，在升溫速率提高時(shí)，最低粘度都呈現降低趨勢，這對于復合材料成型質(zhì)量是有利的。有些品種的樹(shù)脂（如聚酰亞胺），差異十分大，使得采用這種樹(shù)脂制備產(chǎn)品，在常規熱壓工藝下，產(chǎn)品的缺陷多，性能降低。但是在快速升溫工藝下，可以實(shí)現高品質(zhì)。

復合材料在汽車(chē)上的應用，是當前復合材料技術(shù)發(fā)展的一大方向，也是當前復合材料技術(shù)發(fā)展的一大推動(dòng)力。汽車(chē)當前采用鋼材制造，生產(chǎn)效率極高，具有“一分鐘工藝”之稱(chēng)，以復合材料替代金屬，生產(chǎn)效率是第一位的。
為實(shí)現高效生產(chǎn)，目前有多種技術(shù)方向。包括熱固性樹(shù)脂、熱塑性樹(shù)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(diǎn)，認為熱壓罐技術(shù)，只要能夠解決能耗和成型周期問(wèn)題，仍然有很大優(yōu)勢，適應性強，質(zhì)量可靠，模具要求低。
本公司開(kāi)發(fā)的改進(jìn)型熱壓罐快速成型技術(shù)，具有下列特點(diǎn)：