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FRP玻璃鋼復合材料論壇

標題: 拉擠成型工藝——I（轉(zhuǎn)貼） [打印本頁]

作者: rcbai 時間: 2007-4-24 16:11
標題: 拉擠成型工藝——I（轉(zhuǎn)貼）
拉擠成型工藝
1. 概說：
拉擠成型可以說是復合材料加工方法中最高度自動化與最適合連續(xù)生產(chǎn)的技術，只要是截面形狀固定的工件，幾乎均可以拉擠的方式來加工，其應用范圍已遍及多種民生及航天工業(yè)。因為其大量生產(chǎn)的特性，得以獲得較低的加工成本，因此在工業(yè)應用上有很高的競爭性，又因復合材料抗腐蝕及絕緣的特性，許多鋼制及鋁制的應用領域都有可能以拉擠工件來取代，例如鋁梯，欄桿，角鋼，工型梁都適合用拉擠制品來取代。
拉擠加工法與纏繞法最大的差異是拉擠法適合將大部份的補強材安排在軸向而纏繞法適合在圓周向做補強，因此，在決定以何種方法生產(chǎn)的同時，必須對工件承載負荷的特性先行了解。
拉擠加工的制程與設備可概分為五大部份，分別是 (1) 纖維區(qū)，(2) 含浸區(qū)，(3) 預成型區(qū)，(4) 硬化區(qū)，以及 (5) 拉拔區(qū)，本章中將逐一介紹這五大部份。拉擠成型法傳統(tǒng)上所使用的樹脂均是熱固性，而熱塑性的拉擠技術還是屬于研發(fā)的階段，而其制程與熱固性樹脂有很大差異，本章中也稍微介紹。
拉擠成型加工程序如圖1.、2.所示，其加工的五大部份分述如下：

圖1.　拉擠成型示意圖

圖2.　拉擠成型示意圖
2. 纖維區(qū)：
拉擠成型法對于纖維的選擇并無太高的限制條件，傳統(tǒng)上是以玻璃纖維中的E-glass為主，另外較高性能的S2-glass及carbon也可應用在較高級的產(chǎn)品中。纖維的型態(tài)主要有纖維股 (roving)，短纖席 (mat)，及表面層 (surfacing veil)，另外一般的平面織布也可視需要來使用，使用在拉擠成型工件之各種纖維如圖3所示。

圖3.　使用在拉擠成型工件之各種纖維
纖維股是拉擠成型主要的補強材，纖維股以圓筒狀繞成，纖維送出可由中心或外緣，其每股含纖維的量，對于玻璃纖維而言是以支數(shù) ( 每1000公尺之克數(shù) ) 來計算，對于碳纖維用的是K數(shù) ( 每股含單纖數(shù)，K表1000 )，而對Kevlar經(jīng)常是用丹尼數(shù) ( 每9000公尺之克數(shù) ) 來表示，上述三種用法是習慣性的表示法，三者之間也有互換的公式。因為纖維股是單向的，對于工件而言，它自然就是負責軸向的補強，工件的大小與所使用股數(shù)成正比，纖維股所放置的紗架 (roving creel) 一般都是在最前端，紗架可以是固定的書架式或旋轉(zhuǎn)的橫桿式穿過纖維股的心軸。
短纖席經(jīng)常被用來補強橫向的性質(zhì)，因為短纖席在每個方向都平均分布，對于橫向自然有相當?shù)难a強效果，短纖席最大的優(yōu)點是價格較低、加工容易，各種寬度的規(guī)格齊全，短纖席的規(guī)格主要有兩個一是每平方公尺的克數(shù)，另一是短纖的平均長度。對于拉擠用的短纖席，其形狀一律是圓筒帶狀，其紗架 ( 稱之為mat creel) 是旋轉(zhuǎn)橫桿式，一般而言，是水平放置，在拉擠的過程自然帶動短纖席的旋轉(zhuǎn)。
　

圖4.　纖維架
對于橫向補強另一方式是利用纏繞機 (winder) ，如圖5.所示，纏繞機是一附加裝置，可在拉擠中直接將連續(xù)的纖維股纏繞在工件上，再一起含浸或直接進入模具中，纏繞機的功能類似filament winding或編織中的圓編機，可將纖維股以一斜角繞在工件上，其角度可經(jīng)由纏繞機的轉(zhuǎn)速與拉擠的速度二者來配合。因為是使用連續(xù)纖維來補強，其性能往往比短纖席要高，當然，加工成本亦較高。另外，也可以直接以編織布 (woven fabric) ，來當橫向補強材，亦可得到不錯的表面質(zhì)感，使用編織布時應該注意的是布兩端的銜接，因為在布包繞工件時，頭尾部份不連續(xù)，這不連續(xù)會造成產(chǎn)品外觀上甚至是強度的問題。

圖5.　配合拉擠成型使用的纏繞機
以玻璃纖維加工時，其表面性質(zhì)經(jīng)常是很粗糙，這問題可以在工件表面加上一所謂的表面層 (surfacing veil) ，表面層類似短纖席，但其厚度很薄，往往是由聚酯類的構造物，表面層的功能除了外觀平滑之外，同時可具有下列功能，首先，可以降低拉擠工件與模具間的摩擦力，這將有助于延長模具壽命，第二，可以增加工件的抗腐蝕性，第三，可以增強工件抗紫外線的功能，因此，表面層有著對工件保護的功能，也可根據(jù)不同需求，選用特殊功能的表面層。

作者: rcbai 時間: 2007-4-24 16:12
標題: Re:拉擠成型工藝——II（轉(zhuǎn)貼）
3.含浸區(qū)：
纖維的含浸可說是拉擠最關鍵的部份之一，不良或不均勻的含浸立即會反應在工件的物性及外形。含浸區(qū)主要的構造就是樹脂槽 (resin bath)以及纖維導桿 (guide)，在樹脂槽里所裝的樹脂配方必須是根據(jù)加工及物性需求來調(diào)配，樹脂槽中有關樹脂的添加，可以是自動控制，自動以一定比例添加至樹脂槽內(nèi)，并且有攪拌的功能，保持樹脂的均勻性，當然在一般的加工廠里最直接簡單的方式還是樹脂單獨調(diào)配攪拌，再以人工方式添加樹脂槽內(nèi)。導桿的作用主要有三個，一是將纖維導入槽內(nèi)得以使纖維接觸樹脂，第二是由于導桿的作用使得纖維束得以適度張開，而呈扁平狀，這樣有助于樹脂與纖維的接觸與含浸，第三是導桿可提供摩擦力，使得含浸后的纖維呈張力狀態(tài)，在進入模具前不致松散彎曲。纖維的含浸如圖6.所示。
拉擠成型所用的樹脂，平常有不飽和聚酯 (unsaturated polyester，簡稱UP)，聚乙烯酯 (vinyl ester) 及環(huán)氧樹脂 (epoxy) ，有關拉擠用的樹脂及其它添加物將在下節(jié)中詳述。
　

圖6.　纖維的含浸
4.預成型區(qū)：
預成型 (preforming) 一般用在拉擠可能有兩種功用，第一是賦于概略形狀，除去多于樹脂回流至樹脂槽，例如實心圓桿的加工，利用預成型模來賦于直徑稍大的前置加工，因纖維束形狀已概略成形，再進入硬化模時得以順利進行，可以降低纖維束與硬化模入口處的摩擦與多余樹脂。
第二種功用，是賦于纖維束、mat、或其它補強材適當?shù)奈恢?，以進入硬化模，這對于形狀復雜的工件尤其重要，例如，一工型梁包含三個部份，上緣，下緣與中間的幅板，三個部份所需纖維量各異，因此，必須有導桿和導孔來引導纖維束進入所指定的位置，若沒有做引導纖維束的位置可能隨著加工的進行而產(chǎn)生改變而導致纖維分布不均，甚至導致無法加工的情形。預成型架如圖7.、8.所示。
這兩種功能，其所需的裝置完全不一樣，但均列在所謂的的預成型區(qū)，其目的不外乎讓加工更加的順利。
　

圖7. 預成型架　

圖8.　預成型架

5.硬化區(qū)：
此區(qū)域是拉擠最重要的部份，樹脂的硬化與工件的外形在此區(qū)域完成。這部份包含有拉擠模具 (die) 與加熱裝置，模具就是要賦于工件的形狀，模具主要的材料是工具鋼，模具的組成從單件式到多件式均可依需求不同而做不同的設計，比較簡單形狀的工件可用兩件式的上下模，模具的加工主要是用銑床與磨床，在進口處銑制成喇叭口以利纖維的進入，模具需經(jīng)鍍鉻硬化處理以增長其壽命，模具需要高度精密的加工，合模位置的準確尤其重要，否則在合模面處工件會有表面不平的現(xiàn)象。合模面必須以溶劑清洗諸如樹脂類的異物，以保持模面的干凈，一般模具都有合模槽以利做準確的合模。在加工中空管狀物時，除了外模之外，另需要一內(nèi)模來提供內(nèi)表面，內(nèi)模與外模是獨立的放置，一般而言內(nèi)模均是以懸垂 (cantilever) 的方式懸掛在外模之內(nèi)，而其前端的支撐往往是附在預成型區(qū)的架子上，因為內(nèi)模是采用懸垂式的，過長的內(nèi)模對于懸掛會有問題，不當?shù)膽覓鞂ぜ木葧胁涣加绊?。如圖9.所示。
典型的模具長度在30~150 cm 之間，愈大的工件需要愈長的模具來完成熱傳與硬化。因為樹脂在硬化后有收縮的問題，同時，模具溫度較高，工件從高溫的模具到外界的室溫也會自然的冷卻收縮，這兩個因素都會造成工件尺寸縮小的問題，因此，在設計模具時，就需要做適當?shù)姆糯笮拚湫拚恳罉渲袄w維的種類來決定，除了尺寸之外，在加工角型工件時，其角度也有內(nèi)縮的現(xiàn)象，例如ㄇ型，L型的工件等，因此，其角度也需做往外偏的修正量。
在硬化區(qū)的另一重要的裝置就是加熱與溫度控制，加熱的方式很多，有電熱板，電波加熱與熱油循環(huán)，較經(jīng)濟直接的方式就是在模具直接以電熱板夾持加熱。除了加熱之外就是溫度控制，較直接的方式就是在模具上安裝熱電偶測溫器，從模具入口處到出口處之間，一般而言需做多點溫度控制，至于點數(shù)則依需求而定，在加工時必須先設定溫度，在溫度超過設定值時，電熱板的電流自動停止。為了使樹脂的硬化更均勻，模具的溫度往往在入口處較低而在出口處較高，也就是溫度分布呈一梯度上升，為了要達到此溫度分布，只靠加熱電流的ON或OFF有時無法完成，因為模具是熱的良導體，會從高溫的一端流向低溫的一端，因此，縱使入口處電流一直O(jiān)FF，其溫度可能一直高于設定值，若這種情形發(fā)生，則模具本身需要有外加的冷卻水系統(tǒng)來輔助溫度控制，如圖10.所示，冷卻水從下模流入，經(jīng)上模而流出，冷卻水道只設在模具前端。
另一種輔助加熱的裝置稱之為增強硬化 (augmented cure) ，其作法是在纖維入?？谥跋刃蓄A加熱，因為沒有導體不能用電熱而必須改用微波的方式促使樹脂內(nèi)分子互相摩擦而生熱，加溫的含浸纖維束再進入模具配合電熱板再行最后成形、硬化。這種增強硬化的方法是樹脂所需熱傳導的時間縮短了，也就是意味著模具長度可以縮短，這對于模具成本有很大的幫助，尤其是對于大型工件的模具，經(jīng)濟效應更加顯著。

　

圖9.　拉擠成型模具

圖10.　模具冷卻系統(tǒng)
6. 拉拔區(qū)：
拉拔區(qū)必須提供工件拉擠時所需的拉拔力與速度控制，拉拔的方式主要有兩種履帶式 (caterpillar) 及往覆式 (reciprocating) ，如圖11~14所示。
履帶式由上履帶與下履帶組合而成，由履帶的運動來提供夾持力與拉拔力，由于履帶架本身是固定不動所會造成的機械問題也相對的少。往覆式的機構包含兩個拉拔塊，分別一前一后，拉拔塊的動作分別是 (a) 夾持 (b) 向前拉 (c) 放松，與 (d) 向后回到原位準備下一次拉拔。由于往覆式的拉拔塊約有的時間是向后退，無法提供拉拔力，因此，需要有兩個拉拔塊在一組向后時，另一組作向前拉的動作，這樣兩個拉拔塊分工可以達到提供定速的目的。拉拔塊的動作 (a)～(d) 可由氣壓或油壓來自動控制夾持力及拉拔速度。另有環(huán)型迥旋式拉拔機構，如圖15.所示。這是十分特殊的拉擠成型機，結合了拉拔與卷曲，但其限制是工件必須能卷曲而不斷裂，因此只適用于較細的工件。
　

圖11.　履帶式拉拔機構　

圖12.　往覆式拉拔機構
在拉擠加工時，有時可將拉拔暫停數(shù)秒至數(shù)十秒的時間，在這段時間內(nèi)工件在模內(nèi)靜止，卻繼續(xù)硬化，其主要的功用是若有任何雜質(zhì)黏在模面上，可經(jīng)由樹脂的硬化將雜質(zhì)一起帶出而達到所謂的清模動作，清模甚至是加工的一部份，在固定的拉拔長度之后即進行一次清模動作。這樣有助于在長時間連續(xù)生產(chǎn)的情況下，維持模具的清潔。
在拉拔塊之后，即是切割機，在工件拉拔至一預定的長度后將工件切割下來。切割的動作可自動控制，當工件累積至預定長度后會啟動一微動開關，來開啟切割機。因為工件是連續(xù)生產(chǎn)，在切割的同時工件也在向前移動，因此，切割機也必須同步向前移動，在切割完成后，再回到原位。

圖13.　往覆式拉拔機構

圖14.　往覆式拉拔機構

圖15.　環(huán)型拉擠成型機

作者: rcbai 時間: 2007-4-24 16:14
標題: Re:拉擠成型工藝——III（轉(zhuǎn)貼）
7. 樹脂配方：
拉擠成型有一特性就是必須快速硬化，一般而言樹脂在模具的時間不超過一分鐘，也就是說，樹脂硬化的化學反應必須在一分鐘內(nèi)完成，如此短的硬化時間若樹脂配方無法配合，則容易產(chǎn)生硬化不足或熱應力的問題，因此，樹脂配方可說是決定了拉擠成功與否的重要因素。常用的樹脂與添加物分述如下。
7.1聚酯樹脂：
與玻璃纖維配合的樹脂最普通的就是聚酯，因其物性、加工性一般而言能滿足需求且其價格低廉十分具有競爭性。聚酯樹脂對于水、鹽、稀釋酸、稀釋堿等環(huán)境具有良好的抵抗性，然而對于芳族烴類，酮類及強酸等抵抗性并不理想。因為一般采用均是不飽和聚酯，在硬化后，聚酯樹脂會大幅收縮，甚至會到達百分之七。過度的收縮除了會導致工件尺寸變形之外，更會造成熱應力與裂縫，有關收縮的問題可經(jīng)由填充料的添加來緩和。聚酯樹脂的點介于80℃與120之間，( 因不同組成而異 ) ，超過后因分子鍵的移動會使機械性質(zhì)。聚酯樹脂在無添加料的情況下會助燃，因此，能達到難燃、低煙的添加料是必須的。聚酯之特點之一就是電的絕緣體，甚至在相當高溫下仍能保持此特點。
7.2乙烯酯樹脂：
與聚酯比較起來，乙烯酯樹脂有更好的耐蝕性與高溫機械性質(zhì)，乙烯酯樹脂在鍵結硬化的化學反應，只發(fā)生在高分子鍵的末端，這使得鍵結密度較低。乙烯酯的價格比聚酯高50%到100%，然而，其層間剪應力、韌度與耐沖擊強度都比較好，也較不容易產(chǎn)生化學分解使得其耐高溫較佳。因為反應點較少之故在硬化鍵結的反應速率上也比較慢，其pot life約在24至48小時之間。
7.3環(huán)氧樹脂：
環(huán)氧樹脂比前二者具有更佳的物性，并且對耐溫性也較前二者為佳，在以碳纖維為主的應用中，環(huán)氧樹脂是主要的配合基材。在拉伸強度與剪力強度方面環(huán)氧樹脂高于前二者，但是相對地硬度較高，導致較脆與韌度較低，這問題可經(jīng)由補強材適當?shù)陌才艁碓黾訌筒恼w的韌度，另一個方法就是經(jīng)樹脂改質(zhì)或添加柔軟物如橡膠來增強能量吸收的能力。在價格成本方面，環(huán)氧樹脂較高，更重要的是，其加工成本也較高，因此，在選擇物性的環(huán)氧樹脂時，也必須考慮到其原料與加工成本。
7.4添加劑：
添加劑中最重要的是硬化劑的種類與含量，在拉擠所用的硬化劑經(jīng)常會使用兩種以上的硬化劑，其中含有較低溫型的與較高溫型的硬化劑混合使用，這樣的作法其目的是讓硬化進行的分布更平均，也就是說模具入口 ( 較低溫 ) 到出口 ( 較高溫 ) 都可持續(xù)進行硬化。
脫模劑也是樹脂配方中不可缺少的一項，在一般復合材料加工所用的脫模劑種類很多，但對拉擠而言，脫模劑均是內(nèi)溶式的，脫模劑溶在樹脂之中，而當樹脂反應完成交鏈硬化后脫模劑會分離出而附在模具的表面，使得模具與樹脂分離，達到脫模的目的。在使用脫模劑時應注意的事項包括有是否會使樹脂黏度增加，是否在工件表面形成一薄膜而使后續(xù)涂裝工作困難，是否會使工件色彩改變，以及是否會造成模面的侵蝕作用等等。
填充料也是經(jīng)常使用在樹脂配方中，其主要的目的是降低基材的成本，但使用填充料同時也會使機械與物理性能降低。其它經(jīng)常使用在配方中的添加劑還包括抗紫外線劑、色膏、抗燃劑、抗收縮劑等等。
8.應用：
因為拉擠成型有高度自動化大量生產(chǎn)的特性，特別適合民生用產(chǎn)品，許多金屬件也逐漸被拉擠成型的FRP工件來取代，圖16.與17.所顯示出各式各樣的拉擠工件，包含有實心方管、實心圓管、工型梁、C型梁、空心方管、空心圓管以及空心加助補強工件，其截面形狀變化能力非常高，幾乎任何截面都可制造出。圖18.是一應用在花園圍籬欄桿的例子，以往均是以鐵材焊接涂漆而成，然而金屬件接觸土壤、空氣、雨水等容易有銹蝕的情形發(fā)生，使用壽命有一定年限，并且要經(jīng)常補漆保養(yǎng)，然而使用復合材料拉擠工件來當欄桿完全沒有銹蝕的問題，結構輕便、施工與保養(yǎng)容易是其優(yōu)點。圖19.是常用的A形梯，以拉擠工件來當梯子主結構也非常適合。一方面比鋁制梯子還輕1/3左右，同時又有絕緣效果，方便性、安全性都高。另外當房屋建材方面也有極大的應用，屋頂波浪版、工型梁、中空方型梁都適合取代又重又容易銹蝕的鋼制結構材。我們可預見拉擠成型工件的輕、強、產(chǎn)量大、容易制造、成本低等優(yōu)點會逐漸取代金屬件，而在民生工業(yè)構件占有一席之地?！?br />
圖16.　拉擠成型工件　

圖17.　拉擠成型工件　

圖18.　拉擠成型欄桿　

圖19.　拉擠成型A形梯

作者: rcbai 時間: 2007-4-24 16:18
初涉拉擠領域，希望在此與各位同仁多多交流。初次發(fā)帖（不知何故圖沒上去），希望對與我一樣的朋友有所啟示！

作者: stuart 時間: 2007-4-24 21:35
很不錯，好好學習，希望能很快見到圖片。

作者: qq寄生蟲 時間: 2007-4-28 22:34
能說一下拉擠成型國內(nèi)外的狀況么??
謝謝

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