RTM工藝中模具設計分析

梅延寧

摘 要：RTM工藝即樹指傳遞模塑工藝，是成型纖維增強塑料的重要工藝之一。因該工藝對成型的模具要求具有強度高、變形小、壽命長、模腔尺寸準確，同時還要求模具應具有一定尺寸的穩定性和耐熱性等諸多特點，所以對模具設計的合理性便顯得十分重要。文中針對模具設計的原則、材料選擇、結構設計、密封鎖模、膠口設計等進行了較詳盡的闡述，并說明了模具設計中計算機仿真軟件輔助設計的便捷和重要性。

關鍵詞：樹脂傳遞成型；模具設計；計算機仿真輔助設計

前言

隨著經濟的發展，我國的制造業也取得了較大的成績，目前在航空航天、汽車、建筑和船舶等領域已廣泛應用樹脂纖維復合材料，而RTM成型工藝技術在是當前世界FRP工業中發展最快的成型工藝之一，且在不斷應用中日益成熟和完善。利用RTM工藝所生產出來制品的性能和質量與模具有著直接的關系。所以說，RTM工藝中模具的設計是至關重要的。隨著CAE計算機輔助工程技術的不斷發展，在模具設計時，可對設計和生產工藝過程進行合理的數字化模擬，能夠有效避免設計過程中的失誤，并可通過模擬結果來指導和優化設計。

1 RTM工藝中模具設計原則

RTM成型工藝過程中，一般注射設備每分鐘流量5～10升左右，注射壓力從0.01～0.8MPa，一般RTM模具模腔內是3～6kg/cm2，因此對于模具的剛度、定位件、密封結構、鎖模機構要求較高，如若模具設計任意一個環節考慮不周的話，不僅難以保證制品的尺寸精確性也很容易出現爆模的意外。

由于RTM模具在設計過程中，會受到多種因素的影響，因此模具在設計時應遵循結構簡單合理、功能完備、經濟實用的原則。并在設計過程中盡量選擇具有良好的機械、熱學性能的材料，合適的加工精度，表面要具有較高的光潔度，同時要配合準確、耐用的定位裝置和可靠的密封結構，設計合理的進膠口和出膠口位置及監測儀表，同時在設計時也要兼顧綜合多種因素對成本進行降低。

2 RTM模具材料選擇和結構

在RTM工藝中，模具的產量和精度一般都取決于模具的材料。如樹脂和纖維層合板復合材料適合產量較和尺寸精度要求較低的模具；鋁合金和鋼材則適應于產量高、要求精確的RTM制品。在這情況下，鋼材的耐用性能優于鋁合金，但因其重量、價格和熱學性能不如鋁合金，因此在中等產量的模具中高強度的和高硬度的鋁合金得到了廣泛的應用。

為減輕模具的重量，使其盡可能的輕便，并減少模具制作費用，在模具背部通常制作加強筋來增加模具的剛度，從而提高模具的抗變形能力和提高模具使用壽命。鋼結構模具背部加強的型材通常采用點焊將其連接成一體，復合材料模具背部可根據模具的尺寸大小，采用夾層結構形式、復合材料加強筋或金屬骨架連接做加強。

在模具初步設計完成后，利用CAE-結構力學模擬軟件，如ANSYS結構力學分析、catia有限元結構化分析模塊等，對所設計模具的材料厚度、結構進行校核和優化，使模具選材和結構設計更為合理。

3 模具的密封和鎖模機構

密封是整個模具制作過程中較為關鍵的一步，根據模具大小、結構的不同通常選取彈性材料。因在生產過程中模具內部的真實度和壓力會使模具發生變形，這樣彈性材料會在壓力降低時恢復到原來的形態，同時還能多次的反復使用，有利于降低成本。密封圈一般選用O型或V型，密封槽的結構尺寸由所選用的密封圈的外形尺寸來確定。

模具的密封也需要精準的定位和鎖模來保證。當模具閉合后，需有大于模具分離力的夾緊力在樹脂注入前作用于模具形面上，同時為了保證模具某些部位的位置準確，模具還應具有可靠的定位裝置和鎖模裝置。在傳統的RTM工藝中，大部份合模機構才采用螺絲來鎖緊合模，這樣合模效率低下，根據制品情況可采用氣缸或用壓機合模平臺來進行合模，通過軌道或圓錐形定位銷等進行上、下模的合模定位，能有效的加快制品的成型時間。

4 模具分模面和拔模角度

模具設計時必須要考慮是否需要進行分?；蛘咦龌顗K，這一步將影響到制品是否能順利的生產出來，還有開合模過程的操作是否順利。同時，模具加工的難易程度、模具部件的重量、制件的精度及操作的便利性（即模具的清理、裝模、開模和脫模簡單易行）等在分模面的設計時應綜合進行考慮。基于開模的可行性，分模面的位置一般應安置在制件的對稱面上。模具設計時可采用CATIA、UG等三維軟件的模具設計工作臺，依次定義型芯/型腔區域、開模方向、創建分模面、模具分型等操作，模擬模具零件組裝配合、制品拔模等過程，對設計進行有效的驗證。

原模在制作過程中要考慮到R角的處理，通常制品厚度越厚其R角也就越大。另外還要考慮到脫模斜度的問題，有脫模斜度的制品脫模力小，脫模順利且不易損傷模具表面。根據制品的外形情況和技術條件許可盡量加大脫模斜度，如果技術條件不具備的情況下也要預留不小于3‰的脫模斜度。

5 樹脂注入口和排氣口

注膠口和出膠口的位置是RTM模具設計工作需要最早確定的設計參數。不同的注膠口和出膠口位置選擇會直接影響樹脂的填充路徑、總的填充時間、填充過程中樹脂在腔體內的壓力分布、樹脂前鋒流動速度、樹脂損失量等，進而決定制品是否可能存在氣泡、干斑的分布和數量等缺陷水平。不合理的注/出膠口選擇甚至可能導致樹脂無法充滿等情況。

在模具設計之初采用計算機仿真技術模擬在不同的注/出膠口方案中樹脂在型腔內的填充過程，就可以提前預測樹脂能否填滿整個型腔，總的注塑時間是否合理，以及樹脂損失量等，從而減少試模次數和盡可能避免模具的重新設計。對于結構復雜的復合材料構件，諸如蒙皮加筋結構的一次成型，往往需要多個注膠口和多個出膠口通過相應的開關進程控制來實現充分的填充。此時，即便采用了相同的注膠口/出膠口分布方案，注/出膠口的開關歷程不同，填充情況也會截然不同。

使用PAM-RTM樹脂注射工藝仿真軟件，可以通過設置與相應傳感器相關聯的控制開關來控制各膠口的開關狀態。從而模擬在各種開關歷程中，樹脂的注塑情況，從而快速高效地得到較為合理的樹脂注塑方案。通常RTM模具設計時注/出膠口設于上模，對于幾何形狀較規則的模具注膠口設置在其幾何中心，不規則的模具注膠口一般位于模具注射狀態下制件的最底端，出膠口一般安放在制品的最高點以及不利于排氣的位置。

6 結束語

隨著技術的快速發展，復合材料制品向著尺寸更大、更厚，結構更復雜，一體化程度要求更高等特點，而做為復合材料制造過程中的關鍵技術的模具設計，其設計水平的高低則直接影響著RTM制品的成本、質量和性能，RTM模具設計也正面臨著新一輪的挑戰。在經濟社會的快速發展過程中，對模具的設計和制造水平有了更高的要求，這就需要模具設計中在綜合考慮各種因素的影響，從而使模具設計更適宜制品的需求。