一种液体成型VARI工艺树脂浸润控制系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及零出胶VARI工艺技术领域，更具体地说，本发明涉及一种液体成型VARI工艺树脂浸润控制系统及其控制方法。

背景技术

随着复合材料制造技术的不断发展，复合材料在航空航天领域的应用日益广泛，其用量成为衡量飞行器先进性的一大指标。相对于热压罐成型方法，以VARI(真空辅助树脂渗透)为代表的液体成型技术具备低制造成本、高制造效率、高尺寸和表面精度等优势，在复合材料成型技术中具备广泛的应用前景。

VARI工艺是在单面芯块上采用碳纤维、玻璃纤维等铺贴预制体，铺放辅助材料后，进行树脂进、出流道铺放。随后封装真空袋进行检漏，在真空条件压力下将树脂压入真空袋内，使树脂充分浸润预制体。随后关闭注胶、出胶口后，经加热使树脂固化，冷却后，得到复合材料零件。

树脂浸润过程控制是决定VARI工艺成型质量的关键技术之一,常规的VARI工艺需分别设置注胶、出胶管路，且管路上的注胶、出胶口通常依照经验随意设置。树脂通过注胶管路流入真空袋，完成对预制体的浸润，再通过出胶管路排出多余树脂和预制体内部空气。在工程实践中，上述树脂流道设置方案存在以下缺陷：

(1)树脂在不同厚度预制体区域的流动速率存在差异，各个出胶口出胶时间存在差异，需人工对各个出胶口树脂流动情况进行实时监控和控制，实际操作过程繁杂；

(2)树脂在不同厚度预制体区域的流动速率差异，导致流动前锋在预制体内部汇集，包裹气体，形成孔隙，影响零件成型质量；

(3)沿出胶口流出的树脂量无法精确预判，导致难以精确计量预制体内部树脂含量，无法实现对零件重量、厚度等的精确控制，影响零件成型质量；

(4)各个出胶口出胶时间存在差异，因此需准备过量树脂，造成材料浪费，提高了生产成本。

为了规避上述缺陷，优化VARI工艺树脂浸润过程控制，本领域技术人员提出了相应的解决措施，例如，刘强等公开了一种零出胶真空辅助树脂渗透成型树脂基复合材料的方法(申请公布号CN103802331A)，该方案取消了出胶树脂流道，将半透膜材料整体覆盖至预制体上方，利用半透膜材料允许气体小分子透过而阻拦树脂大分子的特性，可实现树脂浸润体系“零出胶”的效果，从而能够简化树脂浸润过程控制，减少树脂浪费，并在一定程度上实现对浸润树脂量的控制。

虽然上述方案减少了树脂的浪费，但是无法实现对树脂流动前锋的控制。这是由于半透膜均匀的覆盖于预制体上方，上述方案在平行于注胶管路的方向压力相同，树脂浸润的驱动力相同。但是，对于变厚度结构或存在局部加强层的预制体结构，树脂在不同区域的流动阻力存在差异，这导致树脂在各个区域的流动速率不同，浸润过程中，不同区域的流动前锋易发生汇集，导致空气包裹在预制体内部，最终造成产品存在干斑、孔隙等质量缺陷。

在树脂浸润量调控方面，现有技术中的方案通过取消出胶通道的方式，使得流入真空袋内的树脂大部分用以浸润预制体，在一定程度上实现树脂浸润量可控。但是，在实际工程化实践过程中，在肉眼观察到增强材料预制体完全被树脂浸润后，延长浸润时间，树脂浸润仍在缓慢进行。总体而言，树脂浸润流动前锋控制和树脂浸润量控制仍是目前复合材料VARI工艺亟待突破的技术难点。

发明内容

为了克服现有技术的上述缺陷，本发明的实施例提供一种液体成型VARI工艺树脂浸润控制系统及其控制方法，包含排气通道设置方案和树脂浸润控制方法等创新技术在内的树脂浸润控制系统和方案，实现对变厚度增强材料预制体流动前锋的控制，避免因流动前锋汇集导致的空气裹挟问题，降低了零件干斑、孔隙等质量问题风险，本发明提供的技术方案还能实现对树脂浸润量的精确控制，从而实现对零件厚度、重量的有效控制，以获取理想的产品质量和性能。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

一种液体成型VARI工艺树脂浸润控制系统，包括：

模板，包括一个产品成型区域；

预制体，包括若干预浸润基层，设置于模板的产品成型区域内；

辅助材料层，置于预制体上；

固定器，包含第一固定器和第二固定器，第一固定器和第二固定器分别位于预制体的两侧并与模板固定；

真空袋，罩于预制体和辅助材料层外，其两侧分别与第一固定器和第二固定器连接；真空袋内形成一个密闭空间，树脂浸润前和/或树脂浸润时对密闭空间抽真空；

注胶管路，伸入所述密闭空间中，注胶管路上设置注胶孔，注胶孔用于对密闭空间中注入树脂；

抽真空设备，包括抽真空机、排气通道以及抽真空管路，抽真空机通过抽真空管路与排气通道连通；排气通道上设置排气孔；

半透膜：所述排气通道上排气孔的外侧包覆半透膜；

确定注胶管路和排气通道设置位置，依照垂直于树脂浸润方向的预制体厚度对排气通道划分区域，对注胶管路和排气通道进行打孔(注胶孔和排气孔)，注胶管路的注胶孔与排气通道的排气孔数量一致、位置相对；各个区域内排气通道的打孔间距d按公式(1)计算，其中，n为局部区域增强材料层数(预制体的纤维层数)：

d＝5+200×e

树脂由注胶管路流入第一真空袋中，浸润预制体，浸润过程中，第一真空袋内的空气通过排气通道上的排气孔排出第一真空袋。

作为优选方式，所述辅助材料层自下而上依次为可剥保护层、有孔隔离膜、吸胶层、导流层。

作为优选方式，所述吸胶层为无碱玻璃布或吸胶毡中的一种或两种组合。

作为优选方式，所述第一真空袋外层设置了导气层，所述导气层外侧设置第二层真空袋，所述第二真空袋与真空源相连，所述第二真空袋通过密封腻子固定。

作为优选方式，所述半透膜材料为以下材料中的一项：单层或双层微透气聚四氟乙烯复合布、微孔A4000薄膜、微孔真空袋。

一种液体成型VARI工艺树脂浸润控制方法，包括以下步骤：

步骤一：将预制体铺放在模板上方；

步骤二：再将预制体上方铺放辅助材料层；

步骤三：确定注胶管路和排气通道设置位置，依照垂直于树脂浸润方向的预制体厚度对排气通道划分区域，对注胶管路和排气通道进行打孔，各个区域内排气通道的打孔间距d按公式(1)计算，其中，n为局部区域增强材料层数：其中1≤n≤30，d的单位为mm，取值保留小数点后一位。

d＝5+200×e

步骤四：在排气通道孔外包覆半透膜，将注胶管路和排气通道放置在辅助材料上方；

步骤五：将第一真空袋覆盖在纤维增强预制体、辅助材料层、注胶管路、排气通道外侧，采用密封腻子将第一真空袋侧边密封；

步骤六：关闭注胶管路上的控制阀门，将注胶管路和树脂储存器连接，关闭排气通道上的控制阀门，将排气通道与真空源连接；

步骤七：打开排气通道上的控制阀门，抽出真空袋内空气，打开注胶管路上的控制阀门，开始树脂浸润；

步骤八：当树脂流动前锋流至排气通道位置后一段时间，关闭所有的控制阀门，完成树脂浸润。

作为优选方式，所述步骤八中自树脂流动前锋流至排气通道位置后，开始计时，当时间达到t后，关闭所有管路的控制阀门，所述时间t按照公式计算，其中对于变厚度纤维增强预制体，沿垂直于树脂浸润方向依照厚度将纤维增强预制体划分为n个区域，总长度标记为L，第n个区域垂直于树脂浸润方向长度标记为ln，该区域纤维增强预制体包含无纬布a

本发明的有益效果是：

1、本发明建立了复合材料VARI工艺“零出胶”系统，简化了树脂浸润过程控制操作，可以准确控制树脂量，减少树脂浪费现象；

2、本发明实现对变厚度增强材料预制体树脂浸润过程流动前锋的控制，避免因流动前锋汇集导致的空气裹挟问题，降低了零件干斑、孔隙等质量问题风险，半透膜覆盖出胶管路，减少半透膜用量。本发明减少了单向透气膜使用量，降低了单向透气膜的成本；同时，由于减少了单透膜的使用，可以在制内袋后进行表面检查，提高了产品表面质量；固化时，可以通过折或者阀门等方式关闭出胶管路，避免了升温固化过程中透气膜树脂渗透造成产品报废风险；

3、本发明通过时间控制实现对树脂浸润量的精确控制，从而实现对零件厚度、重量的有效控制，以获取理想的产品质量和性能，相比常规VARI成型工艺具有更高的复合材料成型质量和生产效率，不需要对真空压力差进行控制，提高了前驱力，同时控制难度较小，对系统的树脂流道布置要求更低；

4、制件的纤维体积含量可以达到56％以上，均匀性好，实际控制、操作简单。通过注胶管路的设置控制树脂流量，建立了与时间相关的模型来控制厚度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施方式的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明VARI树脂浸润时间与零件厚度规律结构示意图；

图2为本发明VARI工艺树脂浸润控制系统注胶及排气设置示意图；

图3为本发明增强材料预制体厚度与树脂浸润速度规律；

图4为本发明实施例零件厚度实测值；

图5为本发明VARI工艺树脂浸润控制系统结构示意图；

图6为排气管路及孔示意图；

图7为固定器结构示意图；

图8为固定器连接结构示意图；

图9为下固定组件结构示意图；

图中，1-树脂收集器，2-树脂管，3-第一固定器，4-注胶管路，5-第二真空袋，6-第一真空袋，7-导流层，8-剥离层，9-预制体，10-排气通道，11-第二固定器，12-模板，13-抽真空管路，14-抽真空机，15-第一控制阀，16-第二控制阀，17-半透膜，31-上固定组件，311-第一弧形缠绕部，312-束管部，313-第二弧形缠绕部，314-上卯，315-上弧部，32-下固定组件，321-下弧部，322-下卯，323-环槽，33-扣合组件，331-活动构件，34-压紧棒，35-榫头，36-把手。

具体实施方式

下面结合附图进一步详细描述本发明的技术方案，但本发明的保护范围不局限于以下所述。

为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施方式。

在本发明的描述中，需要理解的是，指示方位或位置关系的术语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设备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。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，如果含有术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

请参阅图1-图6，本发明提供了一种液体成型VARI工艺树脂浸润控制系统，所述控制系统包括模板12、纤维增强预制体9、密封腻子、辅助材料层、第一真空袋6、注胶管路4、排气通道10、控制阀门、真空源、树脂储存器，所述注胶管路4及排气通道10上设置若干孔，所述排气通道10上排气孔的外侧包覆半透膜17，树脂由注胶管路4流入第一真空袋6中，浸润纤维增强预制体9，浸润过程中，第一真空袋6内的空气通过排气通道10上的排气孔排出第一真空袋6，所述纤维增强预制体9沿排气通道10方向厚度存在差异(参见图2)，不同厚度区域所述排气通道10上的排气孔间距d按以下公式计算，其中，n为局部区域增强材料层数：

d＝5+200×e

在一个优选的实施方式中，所述辅助材料层自下而上依次为可剥保护层(剥离层8)、有孔隔离膜、吸胶层、导流层7(图5中仅展示了导流层7和剥离层8)。

在一个优选的实施方式中，所述吸胶层为无碱玻璃布或吸胶毡中的一种或两种组合。

在一个优选的实施方式中，所述第一真空袋6外层设置了导气层，所述导气层外侧设置第二层真空袋，所述第二真空袋5与真空源相连，所述第二真空袋5通过密封腻子固定在模板12上。

在一个优选的实施方式中，所述半透膜17材料为以下材料中的一项：单层或双层微透气聚四氟乙烯复合布、微孔A4000薄膜、微孔真空袋。

本发明的一个实施例为：

零件为平板结构，尺寸1.5mx0.8m，中心区域存在加强层，尺寸0.8mx0.6m(图4)，增强材料采用10层碳纤维织物ET5284/CF3031和2层碳纤维无纬布ET5284/U3160，局部加强层为5层碳纤维织物ET5284/CF3031，零件理论厚度26.2mm，加强区域理论厚度37.7mm，设计要求厚度公差为±8％。按照本发明的技术方案实施过程如下：

步骤一：将纤维增强预制体9铺放在模板12上方。

步骤二：再将纤维增强预制体9上方铺放辅助材料层，依次为可剥保护层、有孔隔离膜、吸胶层、导流层7，此处选用的吸胶层为无碱玻璃布。

步骤三：以平板长边两侧分别作为注胶管路4和排气通道10设置位置，依照垂直于树脂浸润方向的纤维增强预制体9厚度对排气通道10划分区域，具体划分为两个理论厚度26.2mm的区域和一个理论37.7mm的区域，对注胶管路4和排气通道10进行打孔，各个区域内排气通道10的打孔间距d按以下公式计算，其中，n为局部区域增强材料层数，结果显示，理论厚度为26.2mm的区域打孔间距为12mm，理论厚度为37.7mm的区域打孔间距为6.5mm。

d＝5+200×e

步骤四：在排气通道10孔外包覆半透膜17，此处选用的半透膜17为单层微透气聚四氟乙烯复合布，将注胶管路4和排气通道10放置在辅助材料上方，即，辅助材料上方，注胶管路4和排气通道10分别位于预制体两侧。

步骤五：将第二真空袋5覆盖在纤维增强预制体9、辅助材料层、注胶管路4、排气通道10外侧，采用密封腻子将第二真空袋5固定包覆在模板12上，

在真空袋外侧铺放导气层，在导气层外侧包覆第二层真空袋，与真空源相连，用密封腻子固定在模板12上。

步骤六：关闭注胶管路4上的控制阀门，将注胶管路4和树脂储存器连接，关闭排气通道10上的控制阀门，将排气通道10与真空源(抽真空机14)连接。

步骤七：打开排气通道10上的控制阀门，抽出真空袋内空气，打开注胶管路4上的控制阀门，开始树脂浸润；

步骤八：按照以下公式计算，根据图4，L＝1500mm，l1＝450mm,l2＝600mm,l3＝450mm,t＝450/1500*(0.875*2+1.3*10)*2+600/1500*(0.875*2+1.3*15)＝17.4min。当树脂流动前锋流至排气通道10位置后开始计时，17.4min后关闭所有管路控制阀门，完成树脂浸润。

本实施例实施过程中，树脂浸润速度均匀一致，未出现流动前锋汇集和空气包裹的情况，固化后的零件表面质量良好，无损检测结果符合设计要求，零件厚度均匀性较好，偏差符合设计指标要求，具体数据如表一所示：

表一

本发明工作原理为：VARI工艺需在预制体9外侧包覆真空袋，与真空源连接形成真空环境，树脂流动浸润纤维增强预制体9的速度受到真空驱动力和阻力的共同影响，对于变厚度纤维增强预制体9，厚度大的区域树脂浸润阻力越大，树脂流动速度越慢，周边流速快的区域树脂流动前锋易产生汇集，包裹空气，形成干斑、孔隙等缺陷。

为解决上述问题，发明人结合计算机模拟仿真与验证试验，总结出增强材料预制体9厚度与树脂浸润速度经验性规律，结果如图3所示。根据该规律得出以下公式d＝5+200×e

在树脂浸润量调控方面，通过大量实验探究了树脂浸润时间与固化后零件厚度的规律，结果如图1所示。在一定浸润时间范围内，零件厚度随时间延长呈现出近似线性的趋势增加，超出某个时间范围后，延长浸润时间，零件厚度增加趋缓。本发明利用上述规律，总结出增强材料预制体9最佳树脂浸润时间经验公式，对树脂浸润时间进行精确控制。

对于固定器，在传统的技术方案中，往往是将真空袋铺设在模板12上后通过密封腻子进行固定，但是，在实际树脂浸润过程中，真空袋内抽真空，对密封腻子进行拉伸，密封腻子被破坏以后，真空袋的密封效果被破坏，空气进入预制体9内部，也会造成产品干斑、孔隙等质量缺陷。

为了克服上述缺陷，本发明还提供了一个密封结构的实施例。

一种应用于液体成型VARI工艺树脂浸润控制系统的密封结构，其固定器(第一固定器3和/或第二固定器11)包括上固定组件31、下固定组件32、以及连接上固定组件31和下固定组件32的扣合组件33；

扣合组件33，设置在上固定组件31和下固定组件32的两侧，包括活动构件331和固定构件，固定构件设置在上固定组件31两侧，活动构件331设置于下固定组件32的两侧；活动构件331和固定构件可分离或者固定，活动构件331与固定构件分离时，上固定组件31和下固定组件32不由扣合组件33连接；活动构件331与固定构件连接固定时，上固定组件31和下固定组件32两侧固定连接；

上固定组件31，其上设置有第一弧形缠绕部311、束管部312以及第二弧形缠绕部313，真空袋侧边依次经过第一弧形缠绕部311、束管部312以及第二弧形缠绕部313延伸至下固定组件32。上固定组件31的底部设置有上卯314。

束管部312，与压紧棒34配合使用。真空袋经过束管部312，并通过压紧棒34紧紧固定，起到密封、固定的效果。

下固定组件32，其上部设置有与上卯314匹配的下卯322，上卯314与下卯322配合形成一个组装部，组装部与榫头35配合，榫头35连接固定上固定组件31和下固定组件32。使用时，真空袋的侧边下放至组装部，榫头35抵住真空袋，并将真空袋抵进组装部内。起到，二次密封、固定的效果。

综上，整个固定器包括两级固定结构，分别是扣合组件33以及若干个卯榫结构(榫头35、组装部的结合)。对于真空袋侧边的密封、固定，包括三级，第一级是束管部312与压紧棒34的配合结构+两个弧形缠绕部，第二级是卯榫结构，第三级是在第一级和第二级的基础上，再通过密封腻子进行密封、固定。一般情况下，使用两侧的固定器即可，特殊情况，前后、左右均使用一个固定器，配合三级密封、固定结构，保证了密闭空间不被破坏，产品成型质量好，避免外部空气干扰。此外，由于空气压力驱动力方向上使用了固定器，其他位置压力相对较小，因此，可以仅仅采用密封腻子固定。

需要注意的是，榫头35上配置一个把手36，如图8所示，便于插拔榫头35。

使用固定器的情况下，密封腻子可以将固定器外侧全部包覆，以起到密封效果。

考虑到第一真空袋6的安装以及注胶管路4和排气通道10，因此，在左右两侧的固定器上设置有过管孔，过管孔的一部分(如图7的上弧部315)设置在上固定组件31上，另一部分(如图9的下弧部321)设置在下固定组件32上。

如图9所示，树脂管2为树脂的进入通道，4与注胶管路4相连，树脂管2的一端接入树脂注射设备。过管孔的中部设置环槽323，在树脂管2以及抽真空管路13上设置卡环，卡环与环槽323配合，避免树脂管2以及抽真空管路13脱落。优选地，环槽323与卡环之间设置密封胶圈。注脂设备通过进胶管与注胶管路4连接，第一真空袋6上设置有密封口，进胶管穿过密封口与注胶管路4连通。注胶管路4上的注胶孔往密闭空间注脂，其余通过树脂管2排出到树脂收集器1，以便复用。注胶管路4连接的管道上设置第一控制阀15,用于控制进脂，排气通道10连接的管道上设置有第二控制阀16，用于控制抽真空。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，应当指出的是，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。