HP-RTM成型工艺简介

一、HP-RTM概述

HP-RTM是英文High Pressure Resin Transfer Molding的简写，全称是高压树脂传递模塑成型工艺，简称HP-RTM成型工艺。它是指利用高压压力将树脂对冲混合并注入到预先铺设有纤维增强材料和预置嵌件的真空密闭模具内，经树脂流动充模、浸渍、固化和脱模，获得复合材料制品的成型工艺。

此种工艺可以实现低成本、短周期、大批量及高质量的生产。相较于传统的RTM 0.6～1.5 MPa（6～15 bar）的注胶压力，HP-RTM通常在1.0～6.0 MPa（10～60 bar）甚至更高的压力下注胶，树脂可以在较短的时间内充满模腔，完成对预成型纤维体的浸润过程，并且促进气泡排出树脂，提高制品的表面成型质量，工艺过程可缩短至5 min以内。

RTM与HP-RTM成型工艺示意图

二、HP-RTM成型工艺特点

HP-RTM成型工艺是通过一个混合头，将低黏度树脂注入到模具内，并浸润其中的预成型纤维织物，最后快速固化形成高强度的复合材料零件。其关键技术在于树脂注入和固化两 个阶段：先将预成型的碳纤维编织物放入压机的模腔内，然后经过高压注入液态的树脂进行固化。由于采用了新一代的快速反应型化学原料，所以原料配方中的各个组分在混合前一直是分开的，等到碳纤维预成型件需要注入树脂时，多种组分原料才混合。原料混合头中反应时间很短，所以在注入阶段，原料的黏度开始迅速降低，流动性逐步降低，这将导致模内压力的急剧增大（这也是该工艺最大的特点）。模内压力通常在5~12 MPa（50~120 bar），具体根据实际工艺流程与制件进行调整。

HP-RTM成型工艺细节流程图

HP-RTM成型工艺优势：

①充模快、浸润效果好，显著减少了气泡，减小了孔隙率；

②使用高活性树脂，缩短了生产周期，工艺稳定性和可重复性高；

③使用内脱模剂和自清洁系统，制件表面质量好，厚度和形状偏差小，可实现低成本、短周期大批量和高质量生产。

HP-RTM工艺缺点如下：

①对树脂体系要求高， 尤其是高性能树脂体系；

②设备体系繁杂，制造技术难度大；

③设备投资高和制件制造成本相对较高；

④每次冲洗管路的树脂浪费量大；

⑤纤维体积含量和孔隙率很难达到厂家宣传的指标。

1.上游工艺过程

1）纤维开卷切割

首先将碳纤维织物的卷筒固定在自动裁剪机的旋转轴上，并将预成型裁剪图样输入自动裁剪机，对裁剪图样进行优化排列；展开碳纤维织物卷筒，开动裁剪机，进行预成型体铺层图样的自动裁剪，如图所示。利用机械臂的吸盘将裁剪后的纤维铺层吸起，并转移到下一工序设备上。

2）喷洒预定型剂

将裁剪所得的纤维织物转移到预定型剂喷涂设备上，开动喷涂设备将预定型粘接剂喷涂在纤维织物表面，喷涂时需移动纤维织物，以便均匀喷涂。

3）纤维层定位与叠合

将涂覆有纤维预定型剂的碳纤维织物转移到织物叠合设备上，按所设计的制件纤维铺层结构将纤维织物依次进行定位、叠合，并平铺在织物铺叠输送带上。

4）纤维铺设

利用织物叠合输送设备将叠合好的纤维织物转移到纤维预成型设备上；纤维织物转移时，需精确控制输送带的移动速度和位置，防止纤维织物铺放过程中发生移动或错位，影响制件性能。

5）纤维织物预定型

将纤维织物铺层均匀铺入预成型模具中，首先将预成型体中心的加压压头下压，压紧纤维铺层结构，并将预成型模具的加压压头由中心向外辐射顺序下压，下压时尽可能减少纤维的皱缩，以免影响制品性能。在预成型模具的热压作用下，使纤维预成型体定型。

6）预成型体的剪裁

将经过预热预压定型的碳纤维增强体转入预成型体剪裁模具，并用裁剪样模覆盖，以裁剪样模为依据，利用机械手臂将裁刀沿样模边缘进行剪裁，切除多余的碳纤维，并获得与注射模腔尺寸相对应的纤维预成型体。

1）预成型体的放置

将放置预成型体的托架依次叠放整齐，并利用带吸盘的机械手臂将纤维预成型体吸起。将预成型体转移至开启的RTM成型模具中，并将RTM注射模具闭合，利用锁紧机构将RTM成型模具锁紧。

2）树脂传递注射

在注射模型腔始终保持密封的条件下，对模具抽真空，并利用双橡胶密封圈的回弹性能，增大模具的合模间隙；并将液态低黏度树脂在高压注射机的作用下由模具底部中心注入高温（模具温度≥150℃）密封注射模具内。

利用高精度的高温注射机精确计量并控制树脂体系中各组分材料（主体树脂、固化剂、内脱模剂等）的比例，树脂在高压计量泵的作用下进入注射机的混合头，并在混合头中高压对冲混合，将混合均匀的树脂迅速注入高温模腔。

注胶结束后将模具完全闭合，闭合过程中模具进一步挤压注射树脂，使其充满并浸润碳纤维增强材料，并在高温高压作用下快速固化。

3）模内喷涂技术

待HP-RTM树脂固化结束，再次控制模具的合模间隙，并向预留的侧孔及流道中注入低黏度的模具表面树脂，再次将模具完全闭合，挤压胶衣树脂使其尽可能地充模模具，并在制品表层喷涂一层均匀的树脂膜。

4）脱模及模具清理

待胶衣树脂固化结束，由慢到快打开液压机，并利用机械手臂及其吸附装置将制件吸附固定，开启顶出机构将制件顶出，并使顶出后的制件紧紧吸附在机械手臂的吸盘上，同时清理模具中残留的树脂飞边等。

5）制件的冷却定型

脱模后，利用机械臂及吸盘将仍处于高温状态的成型制件转移到冷却定型工装上，利用真空将制件紧紧吸附，使制件快速冷却至室温。

6）涂脱模剂

制件脱模后，利用刷子、气泵、气嘴等清理模具，去除模具中残留的树脂及纤维等，并将模具擦拭干净。在模具表层均匀涂覆脱模剂，准备下一循环的生产。

将冷却定型的复合材料样件转移至机加工中心，为保证制件机加工精度，将制件直接移至机加工工装上，并利用机械手及机加工刀具裁剪制件边缘多余的飞边、工艺边等。

2）制件连接结构的加工与尺寸检查

裁边加工结束后，还需对制件的连接和配合结构进行加工，如定位孔、配合面平面度等的机加工过程中需要根据情况更换裁剪刀具，以保证制件加工精度。机加工结束后，还需要更换检查工具，对制件进行尺寸公差检查，检查结束即得到满足使用要求的复合材料制件。

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参考文献：

[1]武健,王世明,米新征.碳纤维复合材料高压树脂传递模塑HP-RTM成型工艺[J].机械设计,2023,40(S1):173-177.DOI:10.13841/j.cnki.jxsj.2023.s1.017.

[2]陈博.国内外复合材料工艺设备发展述评之七——液体模塑成型[J/OL].复合材料科学与工程:1-29[2023-11-28].https://doi.org/10.19936/j.cnki.2096-8000.20211228.032.