模压工艺全景解析 - 技术创新与工艺优化在现代制造业的应用展望

本文主要讨论了模压工艺在复合材料制造中的应用。重点分析了不同模压条件（如温度、压力、保压时间）对材料流动和性能的影响。研究通过建立流动模型，提出了优化工艺参数的建议，旨在提高制品的质量和效率。同时指出，进一步的研究应集中在工艺参数的综合优化和新材料技术的应用上。

模压工艺由于其成本低、效率高等优点，目前广泛用于复合材料制品的工业化生产，因此国内外许多学者对其进行了研究。模压成型主要是片材在模具内充模流动的过程，因此，片材的充模特性和流变特性是模压成型的主要研究内容。而其中预热温度、模压压力、保压时间、模具温度等模压工艺参数对模压料的流动都有着重要的影响。最早的相关研究建立了适合 SMC 的光滑挤压流动模型，在此基础上有学者通过研究建立了通用 Hele-Shaw 模型，这两个模型都假设流动过程中坯料为均匀变形，从而导出关联应力-应变的方程；并采用彩色加料对交替色层模压料在固定工艺条件下进行模压，通过试件表面及剖面来描述GMT 材料的流动行为特征，其认为模压时材料的流动以拉伸流动（the extension flow）为主，兼有剪切流动（the shear flow）；另有学者对模压工艺中温度、压力以及保压时间对制品的影响做了定性分析，分析结果表明升高温度及升高压可以加速固化速度，但过高温度会使预浸料充模不满，制品物理和力学性能降低，保压时间太短会造成固化不完全，制品物理和力学性能低，易出现变形；也有研究认为可以通过螺旋流动长度试验来确定成型压力，通过模腔内模塑料粘度来确定加压时机，通过固化度测试及热差分析确定模压温度，进而利用正交实验方法确定模压成型的最佳温度、压力、合模时机及保压时间 ，某机构研究了成型压力对 GMT 制品力学性能的影响，研究结果表明制品拉伸强度及弯曲强度随压力增大呈现先增大后减小的趋势；随后采用 DOE 方法针对不同的模具型面对模压工艺中各参数进行研究，得到了各个参数的较优取值范围，并且研究结果表明，不同的模具几何型面较不同的模具温度以及成型压力对成型件的力学性能的影响更大；军工领域机构为研制出满足国产军车挡泥板设计要求的 GMT 制品，制定出相应的模具设计方案并优化了模压成型工艺参数（温度、压力等），并且对材料的流动性能、热传导性能进行了初步的探索。可以看出，针对复合材料模压工艺的研究多数学者更多的是关注单一工艺参数对模压件的影响，对多个工艺参数间的交互作用并未进行相关研究。由于多个因素间存在交互作用，所以将单一因素的最佳水平组合在一起往往不一定是最优工艺参数组合。为了获取模压工艺的最优参数组合，应通过多因素试验设计的方法，综合考虑各个因素及其之间的交互作用对评价指标的影响。玻纤增强聚丙烯复合材料因其强度高、密度小以及可回收等优势，是目前热 塑性复合材料市场中增长较快的品种之一，尤其是在汽车用塑料中。生产过程中，玻璃纤维与聚丙烯首先通过浸渍工艺制成预浸料，随后通过相应的成型工艺制成不同的零部件。

综上所述，虽然对单一模压工艺参数的研究取得了一定成果，但对多个参数间交互作用的研究不足。由于多因素间存在交互作用，单一因素的最佳水平组合并不总是最优的。因此，为了获得最优的模压工艺参数组合，需要通过多因素试验设计方法，综合考虑各个因素及其间的交互作用对评价指标的影响。

复合材料成型工艺的关键是在使制品的形状尺寸及表面质量满足要求的前提下，让增强材料与基体材料尽量良好的结合，并尽量减少其性能降级，在基体材料充分固化后，制品的孔隙率应尽量减少，浸渍率尽量提高，从而保证制品的力学性能。与热固性树脂基复合材料相比，热塑性树脂基复合材料的成型工艺更加多样化，常见的有树脂传递模塑成型、注塑成型、模压成型等，每种成型工艺均有其各自的特点，根据材料的不同以及所生产的零件的差异选取合适的成型工艺至关重要。

注射成型

注射成型是热塑性复合材料的主要生产方法，历史悠久，应用最广。其主要工艺流程是先将长玻纤粒料加热至熔融状态，锁紧模具，通过注射机将熔融状态下的粒料注入模具，冷却定型，开模顶出制品。工艺流程简图如图所示。虽然其成型周期短，产品精度高，一次可成型复杂及带有嵌件的制品，可一模一件，也可一模多件，生产效率高，但是生产面积较大的零件时精度控制较低和对模具质量要求较高，并且由于纤维较长，热塑性树脂粘度较大，流动性差，导致充模不充分，并且在成型长纤粒料时，成型时的剪切作用会对纤维造成很大的损伤。

图1 注塑成型工艺流程简图

树脂传递模塑成型

树脂传递模塑成型简称 RTM(Resin Transfer Molding)，它是由手糊成型改进而来的一种闭模成型技术，成型前，会在模具表面铺置树脂胶衣，以提高制品的表面质量，之后将增强织物或预浸料按制品形状置于模具中，通过注射系统加压将树脂胶液注入模腔，最后固化、脱模，经过相应的后处理得到成型制品，工艺流程简图如图所示。RTM 工艺的优点是成型周期短，制品表面质量高，尺寸控制精度好，大型件、小型件均可采用该种工艺成型，但也存在树脂在纤维中分布不匀、树脂对纤维浸渍不充分等缺陷，并且 RTM 模具的设计比较复杂，制造成本高。

图2 RTM 工艺流程简图

模压成型工艺流程

模压工艺的整个流程可以分为四个部分：

(1) 坯料准备阶段。模压工艺所用坯料多为增强纤维与树脂基体进行预混的预浸料。基体树脂经过添加固化剂、促进剂及相应填料的处理后，纤维经过改性处理以丝、纱、布、毡等形式与树脂基体进行部分混合即可制成预浸料。预浸料质量的好坏将直接影响到基体与纤维的浸渍，从而影响到最终模压制品的性能， 后续工艺也将针对预浸料质量的好坏进行相应的调整。

(2) 成型准备阶段。在进行成型之前会对预浸料以及模具进行预处理，对预浸料的预处理主要是进行预热，对模具的预处理主要是型面的预热。在一定温度下对预浸料预热后，由于基体树脂的塑化，玻纤的延展，整个预浸料会有发泡现象出现，此时整个预浸料的流动性增强，有利于材料的成型。当经过预热后的预浸料从预热装置向模具上进行转移时，坯料的表面会因接触空气而造成表面温度的迅速下降，因此对模具型面的预热主要是为了补偿坯料的表面温度损失，提高最终制品的表面质量。

(3) 成型阶段。成型阶段是整个模压工艺的核心部分，主要过程是预浸料在压力作用下浸渍、流动并充满模腔的过程，最后经保压冷却，脱模即可完成成型。成型中压力大小，加压时机以及加压速度对基体和纤维的浸渍起到决定性的作用，之后的保压冷却也将对制品的表面质量及尺寸精度产生很大的影响，因此，该阶段工艺技术最为复杂。

(4) 后处理阶段。脱模后需对制品进行修边以及冲孔的处理得到最终制品，有时还需对制品进行抽检以检查其是否满足设计标准及成型标准。该过程通常不会对制品的性能造成太大影响。

图 3模压成型工艺流程图

预浸料的制备对最终模压件质量有着至关重要的影响。由于熔融后热塑性树脂的粘度很高，一般都超过 500Pa·S，流动性较差使得增强玻璃纤维很难获得良好的浸渍，因此热塑性树脂与长玻璃纤维浸渍程度的好坏直接决定了长玻璃纤维增强热塑性复合材料性能的高低。常用的浸渍技术有溶液浸渍技术，熔融浸渍技术，粉末浸渍技术，纤维混编浸渍等。

溶液浸渍技术

溶液浸渍技术是使用恰当的有机溶剂将热塑性树脂粉末溶解，以降低树脂基体的粘度，然后将玻璃纤维通过有机溶液，使纤维得到充分浸渍，最后加热除去溶剂制得预浸料。这种浸渍技术工艺流程简单、所用设备成本较低，但也存在以下不足：生产过程中有机溶剂在后序步骤中必须完全去除，否则会降低制品的耐溶剂性；溶剂会有很大几率残留在玻璃纤维表面小孔和空隙内，这会降低树脂和纤维的界面黏结性；溶剂的蒸发和回收成本较高，且会带来环境污染；去除溶剂的过程中，由于溶剂的挥发会造成物理分层；另外，一些热塑性树脂很难找到合适的有机溶剂。

熔融浸渍技术

熔融浸渍技术是将热塑性树脂通过多种途径达到熔融状态，降低树脂的黏度，然后在浸润装置中对处于分散状态的玻璃纤维进行浸渍，最后得到预浸料。由于熔融浸渍法技术不需要使用溶剂，生产过程中基本不产生挥发物质，因此与溶液浸渍技术相比减少了环境污染，节省了原料成本。但是，由于热塑性树脂的熔融温度较高，为了使黏度符合浸润要求通常还需要进一步提高温度，而过高的温度会导致树脂的降解，并且还会导致玻璃纤维在浸润过程中出现断裂，从而会影响到复合材料的力学性能。

粉末浸渍技术

粉末工艺法(Powder Impregnation Technique)是将粉末状树脂以各种不同方式施加到玻璃纤维上，再通过加热、熔融使得纤维与树脂粉末浸渍，其原理模型如图。根据基体树脂和玻璃纤维结合状态的差异，粉末预浸渍可分为湿法浸渍技术和干法浸渍技术。湿法浸渍技术是先将热塑性树脂粉体和一些表面活性剂以水为介质形成悬浮液，并注入浸渍室中，当连续玻纤通过浸渍室时，悬浮液将会均匀的渗入玻璃纤维之间，之后采用干燥装置除去其中的水分，对树脂进行加热熔融，冷却后切分即成长玻纤预浸料。该浸渍工艺流程简单，设备成本较低，对绝大多数树脂均适用，但在浸渍过程中若除水不彻底则会造成预浸料存在界面缺陷。干法粉末浸渍技术采用连续无捻粗纱通过带电的基体树脂的粉末流化床，此时流化床中树脂粉末通过静电作用吸附在玻璃纤维单丝的表面，然后通过加热使玻璃纤维表面的树脂熔结，完成树脂对玻璃纤维的浸润。这种工艺的特点是加工速度快、成本低、聚合物几乎不降解、玻璃纤维的损伤程度小。但干法粉末浸渍技术也存在不足之处，由于只有在后续的成型过程树脂对玻璃纤维的浸润才能实现，导致了成型之前树脂粉末容易散失，从而使得预浸料中的玻纤含量不易控制，而且成型过程中完成纤维浸润所需的时间、温度和压力直接受粉末粒径的大小及其分布的影响，因此对成型工艺也有一定的要求。

图4 粉末浸渍模型

纤维混编浸渍技术

纤维混编法(Fiber Commingled/cowoven Technique)即先将热塑性树脂加工成纤维，再将该纤维与增强纤维进行混编，可预先编成二维或三维的几何形状的织物或毡，在之后进行预浸料生产或直接成型的工序时，玻璃纤维与基体树脂即可进行浸渍。通过树脂纤维和增强纤维的混编，可以使得两者达到理论上的单丝分散水平，其原理模型如图。