一种双热隔膜快速成型装置及方法与流程

1.本发明涉及复合材料成型制造领域，特别涉及一种双热隔膜快速成型装置及方法。


背景技术：

2.随着航空航天与汽车领域的蓬勃发展，复合材料在飞机、航天器及汽车上作为结构件应用的场景越来越多，其构件趋向于大型化、复杂化及轻量化，传统的手工铺贴工艺因效率低、质量不稳定等原因已经无法满足复合材料应用场景的进一步拓展与深化。在保证复合材料成型质量的前提下充分提高复合材料的成型效率是当前成型工艺的发展趋势，热隔膜成型工艺应运而生。复合材料制造工艺过程，通常先借助自动铺带或铺丝机将预浸料铺贴为平板结构，然后采用热隔膜成型工艺使预浸料叠层变形，制成零件预制体，最后通过热压罐进行固化，制造出满足要求的零件。
3.热隔膜成型技术可以降低人为因素影响，提高成型效率和成型质量，在先进复合材料成型制造中已经获得了部分应用，但传统热隔膜成型工艺还存在几点不足：1）目前热隔膜成型工艺装备多针对大型目标构件专业开发，价格高昂，中小企业和高校难以负担其购置成本，限制了该技术的研发应用；2）目前多数热隔膜成型装置主要用于预成型，加热方式采用红外灯单面辐射加热，温度均一性差，且模具无自加热功能，容易导致温度不均匀，需反复摸索加热工艺。而且温度上限低，无法达到非热压罐预浸料预成型后的原位固化温度要求。
4.3）多数定制的热隔膜成型设备采用金属全封闭式设计，成型过程无法观察内部预浸料变形情况，不利于工艺过程问题的发现和优化。无形中增加了工艺研制周期和成本。


技术实现要素：

5.本发明目的在于提供一种双热隔膜快速成型装置及方法，以解决现有技术中所存在的一个或多个技术问题，至少提供一种有益的选择或创造条件。
6.为解决上述技术问题所采用的技术方案：首先本发明提供一种双热隔膜快速成型装置，其包括：真空部件；风热部件；密封框，设于真空部件与风热部件之间，以使所述真空部件、密封框与风热部件之间围蔽形成成型腔室，所述成型腔室设有位于密封框的侧部上的第二抽真空口、位于真空部件的第一抽真空口和模具放置位；热风循环系统，与成型于风热部件上的所述成型腔室连接；成型模具，设于所述模具放置位，所述成型模具内部设有加热组件。
7.本双热隔膜快速成型装置的有益效果是：通过热风循环系统和模具加热的复合加热模式，降低预浸料与成型模具之间的温差，同时循环风产生的强迫对流换热使预浸料不同部位的温度分布均匀，使预浸料层间更容易滑移，避免缺陷的产生，同时加热温度上限高，可满足预浸料后期固化的需求，及通过采用双隔膜成型方式，提升了变形过程热膜对预浸料的支撑作用，避免了预浸料无支撑变形过程产生的褶皱缺陷，同时可对底部真空腔和
双隔膜腔的真空度分别进行控制，有效避免了制品拐角部位或者制品大曲率部位褶皱和桥架现象的产生，降低制件缺陷。
8.使用时，将成型模具放置于真空部件上的模具放置位，将双热隔膜中的第一热隔膜铺设在真空部件朝向风热部件的一侧，并且覆盖住第一抽真空口和成型模具，然后通过密封框将第一热隔膜四周密封压紧在真空部件的四周边缘上，并且第一抽真空口和成型模具套在密封框的内框内，此时可将预浸料铺设在成型模具对应区域的第一热隔膜的上侧，然后再将第二热隔膜铺设在第一热隔膜和预浸料的上方，而第二热隔膜的四周边缘覆盖在密封框的上侧，之后再将风热部件与第二热隔膜边缘抵触，并将第二热隔膜的四周边缘、密封框和第一热隔膜的四周边缘压紧在真空部件四周上，此时的真空部件、密封框与风热部件之间所围蔽而成的成型腔室就被第一热隔膜和第二热隔膜分隔为三个间隙腔，三个间隙腔分别为第一热隔膜的底侧与真空部件的顶侧之间形成的底部真空腔、第一热隔膜和预浸料的顶侧跟第二热隔膜的底侧之间形成的双隔膜腔、第二热隔膜的顶侧与风热部件的底侧之间形成的热风腔，其中第一抽真空口就与底部真空腔连通，而第二抽真空口与双隔膜腔连通，热风循环系统与热风腔连通。
9.作为上述技术方案的进一步改进，还包括驱动组件，用于带动真空部件和风热部件相互远离和靠近。
10.本方案通过驱动组件来驱动真空部件和风热部件相互远离、靠近，这样可实现自动的压合以及出料，提高效率，同时也保证了真空部件、密封框与风热部件之间压紧的稳定性，使得受力更加均匀。
11.作为上述技术方案的进一步改进，还包括成型平台，所述真空部件固定于成型平台，所述驱动组件与风热部件传动连接。
12.本方案中的真空部件为固定式的，而风热部件为活动式的，在操作时，将风热部件抬升即可，并且为了方便放料，风热部件与真空部件呈上下设置，驱动组件驱动风热部件在真空部件的上方上下移动。
13.作为上述技术方案的进一步改进，所述成型模具内部设有加热腔，所述加热组件包括位于加热腔内壁的电加热片、设于加热腔内的热电偶。
14.本方案通过电加热片来对成型模具内部的加热腔进行加热，使得成型模具外侧的升温均匀，并还设置了热电偶，以使得加热功率和温度可调。
15.作为上述技术方案的进一步改进，还包括与第一抽真空口、第二抽真空口连接的真空系统，所述真空系统给第一抽真空口、第二抽真空口提供独立可调的真空源。
16.本方案中的真空系统可单独控制底部真空腔、双隔膜腔的真空度。
17.作为上述技术方案的进一步改进，在所述密封框的两端面与真空部件、风热部件之间均设有密封层。密封层可提高密封框对热隔膜压合的密封性。作为上述技术方案的进一步改进，在所述密封框与真空部件之间叠合有两层所述密封层。第一热隔膜可夹在两层密封层之间，这样可提高底部真空腔、双隔膜腔的密封性。
18.作为上述技术方案的进一步改进，所述真空部件和风热部件均为罩壳结构，所述真空部件设有真空腔槽，所述风热部件设有与真空腔槽相对的风热腔槽，所述密封框设于真空腔槽的槽口与风热腔槽的槽口之间。本方案中的成型腔室通过风热腔槽与真空腔槽对合而成的，在风热腔槽与真空腔槽之间通过密封框中空的内框连通，这样可方便部件放入
以及对热隔膜、预浸料的铺设。
19.作为上述技术方案的进一步改进，所述风热腔槽侧面设有与热风循环系统连通的进风口和回风口，所述进风口和回风口分别设于风热腔槽相对的两侧，所述风热腔槽设有观察窗。
20.热风循环系统的热风从进风口进入，经过换热后，再从回风口流出，这样可提高对流换热的效果。
21.此外本发明还提供一种双热隔膜快速成型方法，其采用上述的双热隔膜快速成型装置，具体方法如下：将选定的成型模具布置于所述模具放置位上；将第一热隔膜铺设于真空部件上，并覆盖第一抽真空口和成型模具；将预浸料铺设于成型模具对应区域的第一热隔膜上；将密封框放置于真空部件，且第一抽真空口和成型模具设于密封框内，密封框的底面与第一热隔膜四周边缘抵接；将第二热隔膜铺设于第一热隔膜上，往四周延伸至密封框顶面的边缘；将风热部件压紧在密封框上，所述风热部件的边缘与第二热隔膜四周边缘抵接；根据设定的真空度和加热温度，通过第二抽真空口对第一热隔膜与第二热隔膜之间抽真空，同时热风循环系统通过热风对第二热隔膜与成型腔室之间进行对流加热，而加热组件对成型模具进行加热；然后，通过第一抽真空口对第一热隔膜与成型模具之间抽真空。
附图说明
22.下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明；图1是本发明所提供的双热隔膜快速成型装置，其一实施例的结构示意图，其中两箭头分别表示上向和下向；图2是本发明所提供的双热隔膜快速成型装置，其一实施例的成型示意图。
具体实施方式
23.本部分将详细描述本发明的具体实施例，本发明之较佳实施例在附图中示出，附图的作用在于用图形补充说明书文字部分的描述，使人能够直观地、形象地理解本发明的每个技术特征和整体技术方案，但其不能理解为对本发明保护范围的限制。
24.在本发明的描述中，需要理解的是，涉及到方位描述，例如上、下、前、后、左、右等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
25.在本发明的描述中，如果具有“若干”之类的词汇描述，其含义是一个或者多个，多个的含义是两个以上，大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。
26.本发明的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明中的具体
含义。
27.现在传统热隔膜成型工艺还存在温度均一性差，且模具无自加热功能，容易导致温度不均匀，需反复摸索加热工艺，而且温度上限低，无法达到非热压罐预浸料预成型后的原位固化温度要求，本实施提供一种新的双热隔膜快速成型装置及工艺方法。
28.参照图1~图2，本发明的双热隔膜快速成型装置作出如下实施例：本实施例的双热隔膜快速成型装置包括真空部件100、风热部件200、密封框300、成型模具500、热风循环系统800和真空系统900。
29.其中风热部件200、密封框300与真空部件100依次沿一个方向排列，本实施例的风热部件200、密封框300与真空部件100从上往下依次设置，在其他一些实施例中，可横向排列设置，但是为了方便热隔膜和预浸料3000的铺设，本实施例采用上下排布的方式。
30.其中风热部件200、密封框300与真空部件100从上往下叠合，在它们三者之间内部可围蔽而成一个成型腔室400，对于成型腔室400的形成，在一些实施例中，可将密封框300的厚度增大，而风热部件200的底面和真空部件100的顶面为平面结构，这样也可形成一个成型腔室400，又或者在风热部件200底部开设凹槽，或者在真空部件100的顶部开设凹槽。
31.对于成型腔室400的形成方式有多种，而本实施例中的真空部件100为顶部开口的罩壳结构，而风热部件200为底部开口的罩壳结构。本实施例中的所述真空部件100设置有开口朝向上的真空腔槽130，风热部件200设置有开口朝向下的风热腔槽210，而密封框300就设置在真空腔槽130的槽口与风热腔槽210的槽口之间。
32.其中对于密封框300的形状尺寸大小，根据真空腔槽130的槽口与风热腔槽210的槽口而定，可为圆形或者其他异形结构，本实施例的密封框300为矩形框结构。
33.在密封框300的侧面设置有第二抽真空口310，第二抽真空口310与成型腔室400连通，在使用时，第二抽真空口310的外端通过接头与真空系统900连接。
34.进而本实施例的成型腔室400通过风热腔槽210与真空腔槽130对合而成的，在风热腔槽210与真空腔槽130之间通过密封框300中空的内框连通，这样可方便部件放入以及对热隔膜、预浸料3000的铺设。
35.其中在真空腔槽130的底部内设置有模具放置位120，以及在真空腔槽130的槽壁设置有第一抽真空口110，对于模具放置位120位置的设置，本实施例的模具放置位120设置在真空腔槽130的中部，而第一抽真空口110就设置在靠近模具放置位120的位置，在使用时，第一抽真空口110的外端通过接头与真空系统900连接。
36.模具放置位120是用来放置成型模具500，在一些实施例中，为了使得成型模具500可稳定地设置在真空腔槽130内，在模具放置位120上设置有用于锁紧定位成型模具500的锁定结构，可采用螺丝固定或者卡扣的方式等等。
37.本实施例中的成型模具500为可拆地放置在模具放置位120上的，根据不同的成型需求，可选择不同的成型模具500。
38.本实施例中的成型模具500设置有加热组件，加热组件用于对成型模具500成型的外壁进行加热，其中为了提高加热的均匀性，本实施例在成型模具500的内部设置有加热腔510，而加热组件包括电加热片511和热电偶512，其中电加热片511贴服在加热腔510的内壁上，而热电偶512设置在加热腔510中，热电偶512用于实时检测加热腔510内的温度。
39.本实施例通过电加热片511来对成型模具500内部的加热腔510进行加热，使得成
型模具500外侧的升温均匀，并还设置了热电偶512，以使得加热功率和温度可调。
40.而热风循环系统800就与风热腔槽210连接，本实施例的风热腔槽210的侧面设置有进风口211、回风口212，热风循环系统800的进风管与进风口211连接，而热风循环系统800的回风管与回风口212连接，本实施例的热风循环系统800包括有通过管道依次连接的电加热器810、风机820，热风循环系统800可实现加热功率、加热温度的可调。
41.为了提高对流换热的效果，所述进风口211与回风口212分别设置在风热腔槽210相对设置的两侧上，如图1所示，回风口212与进风口211分别设置在风热腔槽210左右两侧壁上，热风从右往左流动。
42.本实施例的真空系统900包括相互连接的真空泵910和真空缓冲罐920，真空缓冲罐920通过管道分别与第一抽真空口110、第二抽真空口310连接。
43.使用时，将成型模具500放置于真空部件100上的模具放置位120，将双热隔膜中的第一热隔膜1000铺设在真空部件100朝向风热部件200的一侧，并且覆盖住第一抽真空口110和成型模具500，然后通过密封框300将第一热隔膜1000四周密封压紧在真空部件100的四周边缘上，并且第一抽真空口110和成型模具500套在密封框300的内框内，此时可将预浸料3000铺设在成型模具500对应区域的第一热隔膜1000的上侧，然后再将第二热隔膜2000铺设在第一热隔膜1000和预浸料3000的上方，而第二热隔膜2000的四周边缘覆盖在密封框300的上侧，之后再将风热部件200与第二热隔膜2000边缘抵触，并将第二热隔膜2000的四周边缘、密封框300和第一热隔膜1000的四周边缘压紧在真空部件100四周上，此时的真空部件100、密封框300与风热部件200之间所围蔽而成的成型腔室400就被第一热隔膜1000和第二热隔膜2000分隔为三个间隙腔，三个间隙腔分别为第一热隔膜1000的底侧与真空部件100的顶侧之间形成的底部真空腔6000、第一热隔膜1000和预浸料3000的顶侧跟第二热隔膜2000的底侧之间形成的双隔膜腔5000、第二热隔膜2000的顶侧与风热部件200的底侧之间形成的热风腔4000，其中第一抽真空口110就与底部真空腔6000连通，而第二抽真空口310与双隔膜腔5000连通，热风循环系统800与热风腔4000连通，此时的真空系统900就对底部真空腔6000、双隔膜腔5000进行抽真空。
44.为了提高自动化程度，本实施例还包括有驱动组件600、成型平台700，其中驱动组件600用来驱动真空部件100和风热部件200在上下方向相互远离、靠近，通过驱动组件600来驱动真空部件100和风热部件200相互远离、靠近，这样可实现自动的压合以及出料，提高效率，同时也保证了真空部件100、密封框300与风热部件200之间压紧的稳定性，使得受力更加均匀。
45.具体地：本实施例的真空部件100固定安装在成型平台700上，驱动组件600单独与风热部件200传动连接，真空部件100为固定式的，而风热部件200为活动式的，在操作时，将风热部件200抬升即可，驱动组件600驱动风热部件200在真空部件100的上方上下移动。
46.其中驱动组件600可采用气缸或者油缸等直线驱动结构，驱动组件600就安装在成型平台700上。
47.本实施例的驱动组件600采用气缸，并配置了压缩空气系统来控制驱动组件600的动作。
48.在一些实施例中，可驱动真空部件100上下移动，而风热部件200固定在成型平台700上，又或者看可驱动真空部件100与风热部件200同步地升降相互靠近、远离。
49.其中为了提高密封框300对热隔膜压合的密封性，在所述密封框300的上下两端面上均设置有密封层，对于密封层的形式，可采用密封垫、密封圈、密封条或者打密封胶而成型的方式。
50.进一步地，本实施例在所述密封框300与真空部件100之间设置有两层密封层，两层密封层呈上下设置，这样第一热隔膜1000可夹在两层密封层之间，而第一热隔膜1000就夹在上侧的密封层与密封框300上端面之间，这样可提高底部真空腔6000、双隔膜腔5000的密封性。
51.本实施例还包括控制系统，控制系统包括电气控制柜及控制面板，用于控制热风循环系统800、驱动组件600和真空系统900的运行。
52.本实施例还提供一种双热隔膜快速成型方法，其采用上述的双热隔膜快速成型装置，具体方法如下：给设备装置通电、开机；驱动组件600带动风热部件200往上提起，然后取下密封框300；将热电偶512放置在内部粘贴了电加热片511的成型模具500内，并将成型模具500放置在真空腔槽130的模具放置位120上，将电加热片511与电源线连通，其中为了避免漏气，电源线预先安装在真空腔槽130的底部内；在真空腔槽130槽口的边缘粘贴一圈封胶以形成第一密封层7000，将第一热隔膜1000铺设在真空腔槽130上，并使得第一热隔膜1000覆盖住第一抽真空口110和成型模具500，第一热隔膜1000四周边缘的底侧与第一密封层7000抵触；将预浸料3000铺设在成型模具500对应区域范围的第一热隔膜1000的上侧，其中预浸料3000包括铺贴好的平板叠层及脱模布和吸胶毡等辅助材料；在第一热隔膜1000的四周边缘与密封框300的边缘底部对应位置继续粘贴密封胶条以形成第二密封层8000；将密封框300放置于真空腔槽130的槽口，并将边缘压紧，保证二者之间的密封性；在密封框300的边缘上方继续粘贴密封胶条以形成第三密封层9000；将第二热隔膜2000铺设在第一热隔膜1000上，往四周延伸至第三密封层9000的上边缘，将第二热隔膜2000的边缘压紧密封；驱动组件600带动风热部件200往下降，并压紧密封框300；将真空系统900的管道与第一抽真空口110和第二抽真空口310连接好；在控制面板的参数设置模块中选择或者设置工艺参数，依次启动模具加热、热风加热，然后点击启动按钮，随后设备的热风循环系统800、真空系统900、模具加热系统依次按照规定运行，通过第二抽真空口310对双隔膜腔5000抽真空，预浸料3000被压实，同时热风循环系统800通过热风对热风腔4000进行对流加热，而加热组件对成型模具500进行加热，通过第一抽真空口110来对底部真空腔6000抽真空，设备运行中的各部位温度和真空度均可通过界面进行监测；试验过程中通过观察窗213观察成型平台内部的热隔膜、预浸料3000叠层的变形情况；待程序运行完毕，降温至预设温度后，依次关闭模具加热、热风循环系统800和真空系统900；
驱动组件600带动风热部件200往上提起，然后取下密封框300；打开内部双隔膜，取出复合材料预成型体或制品；清理成型平台，将密封胶条等辅助材料清理干净。
53.与现有技术相比，本发明的有益效果如下：本发明通过热风循环系统800和模具加热的复合加热模式，降低预浸料3000与模具之间的温差，同时循环风产生的强迫对流换热使预浸料3000不同部位的温度分布均匀，使预浸料3000层间更容易滑移，避免缺陷的产生。同时加热温度上限高，可满足预浸料3000后期固化的需求。
54.本发明通过在成型平台的风热部件200上开设观察窗213，便于观察成型过程预浸料3000的变形情况，可便于操作人员根据状态实时调整工艺参数，提高对成型过程的掌握能力，避免人员误操作，传统手段只能根据成型后制品质量进行试错尝试的问题，提高产品开发的效率。
55.本发明通过采用双隔膜成型方式，提升了变形过程热膜对预浸料3000的支撑作用，避免了预浸料3000无支撑变形过程产生的褶皱缺陷，同时设备可对底部真空腔6000和双隔膜腔5000的真空度分别进行控制，有效避免了制品拐角部位或者制品大曲率部位褶皱和桥架现象的产生，降低制件缺陷。
56.以上对本发明的较佳实施方式进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可作出种种的等同变型或替换，这些等同的变型或替换均包含在本技术权利要求所限定的范围内。

技术特征：
1.一种双热隔膜快速成型装置，其特征在于：其包括：真空部件；风热部件；密封框，设于真空部件与风热部件之间，以使所述真空部件、密封框与风热部件之间围蔽形成成型腔室，所述成型腔室设有位于密封框的侧部上的第二抽真空口、位于真空部件的第一抽真空口和模具放置位；热风循环系统，与成型于风热部件上的所述成型腔室连接；成型模具，设于所述模具放置位，所述成型模具内部设有加热组件。2.根据权利要求1所述的双热隔膜快速成型装置，其特征在于：还包括驱动组件，用于带动真空部件和风热部件相互远离和靠近。3.根据权利要求2所述的双热隔膜快速成型装置，其特征在于：还包括成型平台，所述真空部件固定于成型平台，所述驱动组件与风热部件传动连接。4.根据权利要求1所述的双热隔膜快速成型装置，其特征在于：所述成型模具内部设有加热腔，所述加热组件包括位于加热腔内壁的电加热片、设于加热腔内的热电偶。5.根据权利要求1所述的双热隔膜快速成型装置，其特征在于：还包括与第一抽真空口、第二抽真空口连接的真空系统，所述真空系统给第一抽真空口、第二抽真空口提供独立可调的真空源。6.根据权利要求1所述的双热隔膜快速成型装置，其特征在于：在所述密封框的两端面与真空部件、风热部件之间均设有密封层。7.根据权利要求6所述的双热隔膜快速成型装置，其特征在于：在所述密封框与真空部件之间叠合有两层所述密封层。8.根据权利要求1至7任一项所述的双热隔膜快速成型装置，其特征在于：所述真空部件和风热部件均为罩壳结构，所述真空部件设有真空腔槽，所述风热部件设有与真空腔槽相对的风热腔槽，所述密封框设于真空腔槽的槽口与风热腔槽的槽口之间。9.根据权利要求8所述的双热隔膜快速成型装置，其特征在于：所述风热腔槽侧面设有与热风循环系统连通的进风口和回风口，所述进风口和回风口分别设于风热腔槽相对的两侧，所述风热腔槽设有观察窗。10.一种双热隔膜快速成型方法，其特征在于：其采用如权利要求1至9任一项所述双热隔膜快速成型装置，具体方法如下：将选定的成型模具布置于所述模具放置位上；将第一热隔膜铺设于真空部件上，并覆盖第一抽真空口和成型模具；将预浸料铺设于成型模具对应区域的第一热隔膜上；将密封框放置于真空部件，且第一抽真空口和成型模具设于密封框内，密封框的底面与第一热隔膜四周边缘抵接；将第二热隔膜铺设于第一热隔膜上，往四周延伸至密封框顶面的边缘；将风热部件压紧在密封框上，所述风热部件的边缘与第二热隔膜四周边缘抵接；根据设定的真空度和加热温度，通过第二抽真空口对第一热隔膜与第二热隔膜之间抽
真空，同时热风循环系统通过热风对第二热隔膜与成型腔室之间进行对流加热，而加热组件对成型模具进行加热；然后，通过第一抽真空口对第一热隔膜与成型模具之间抽真空。

技术总结
本发明涉及复合材料成型制造领域，特别涉及一种双热隔膜快速成型装置及方法，包括真空部件、风热部件、密封框、成型模具、热风循环系统，密封框设于真空部件与风热部件之间，以使真空部件、密封框与风热部件之间围蔽形成成型腔室，成型腔室设有位于密封框的侧部上的第二抽真空口、位于真空部件的第一抽真空口和模具放置位；热风循环系统与成型于风热部件上的成型腔室连接；成型模具内部设有加热组件。通过热风循环系统和模具加热的复合加热模式，降低预浸料与成型模具之间的温差，同时循环风产生的强迫对流换热使预浸料不同部位的温度分布均匀，使预浸料层间更容易滑移，避免缺陷的产生，同时加热温度上限高，可满足预浸料后期固化的需求。化的需求。化的需求。


技术研发人员：曹子荷 胡海晓 李书欣 陈宏达 曹东风 张宇
受保护的技术使用者：佛山仙湖实验室
技术研发日：2023.08.14
技术公布日：2023/9/13