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真空导入工艺在风电机舱罩生产中的应用

放大字体  缩小字体 发布日期:2017-01-14  来源:风电网  浏览次数:699
核心提示:“真空树脂导入工艺”(VRIP),又称为“真空辅助树脂扩散模塑工艺”(VARIM),或“真空辅助树脂转移模塑工艺”(VARTM)。该工艺原理为借助真空的驱动,把树脂注入预制成形的增强材料中,模具由柔性膜和刚性半模组成。由于增强材料为真空所压紧,树脂的渗透速度一般较慢,要依靠导流介质(导流布或导流管)的帮助,这就是Seemann发明的专利技术SCRIMP。
 
引言
  “真空树脂导入工艺”(VRIP),又称为“真空辅助树脂扩散模塑工艺”(VARIM),或“真空辅助树脂转移模塑工艺”(VARTM)。该工艺原理为借助真空的驱动,把树脂注入预制成形的增强材料中,模具由柔性膜和刚性半模组成。由于增强材料为真空所压紧,树脂的渗透速度一般较慢,要依靠导流介质(导流布或导流管)的帮助,这就是Seemann发明的专利技术SCRIMP。SCRIMP的基本原理是利用导流介质,在部件表面形成高流速的渗透区,使树脂迅速达到产品的整个表面,浸渍主要是通过厚度方向来实现,从而大大缩短了树脂的渗透途径和时间,依靠高真空度,制品的孔隙率可达到1%一1.5%,纤维体积含量在50%以上。SCRIMP的另一种工艺是在芯材上开槽,织物放在芯材的上方,树脂在槽内流动,其速度快于在导流介质中的流动。
机舱罩是风电设备的重要部件,由于风机总是在较为恶劣的气象环境中工作,风电机舱罩要满足如下技术要求:
(1)空气动力学负载:承担风速达70m/s的空气动力负载。
(2)人员站立负载:为安装和维修要求,机罩上的任何点都能承担一个人站立,设计要求在每5X103mm2的面积上,受力80Kg时材料弯曲变形不超过0.5cm。
(3)疲劳负载:承受相当20年的疲劳损害。
(4)在下述环境中工作20年,材料性能不发生明显变化。
紫外照射:幅射强度:1000W/M2..,耐油脂:尤其是要耐机内所用的油脂;•工作湿度:达95%..,工作温度:-10℃-+40℃,极端情况可达-20℃~+50℃。

由此作为机舱罩的复合材料要求具有:
  (1)使用寿命20年;(2)适合于机舱罩的工作环境,如耐油、耐湿、耐紫外照射等;(3)材料容易买到;(4)价格可以接受;(5)可维修,这是大型产品所必须的;(6)材料力学性能满足设计要求,尤其是刚性要好;(7)抗疲劳性能好;(8)有一定的阻燃性能。

1真空树脂导入工艺和手糊工艺的比较
  目前用于风电机舱罩制造的材料主要为聚酯玻璃纤维复合材料,成型工艺主要为手糊工艺和真空树脂导入工艺,两者的优缺点比较如下:
手糊工艺(Hand lay-up)是一种开模工艺,目前在玻璃纤维增强的聚酯复合材料中占65%。他的优点是在模具的形状改变上有很大的自由度,模具价格低,适应性强、产品性能得到市场认可和投资少等。所以特别适合于小公司,也适合于船舶及航空航天产业,这儿通常是一次性的大部件。但该工艺也存在一系列问题,如可挥发有机物(VOC)排放超标、对操作人员的健康影响大、人员易流失、许用材料限制多、产品性能低,树脂浪费并且用量大等,尤其是产品质量不稳定,产品的玻纤和树脂比例、部件厚度、层材制造速率、层材的均匀性等都受操作人员的影响,要求操作人员有较好的技术、经验和素质。手糊产品的树脂含量一般在50%-70%左右。开模工艺的VOC排放超过500PPm,苯乙烯的挥发量高达使用量的35%-45%。而各国规定都在50-100PPm。目前国外大都改用环戊二烯(DCPD)或其它低苯乙烯释放树脂,但苯乙烯作为单体还没有好的替代品。
真空树脂导入工艺是近20年来发展的低成本制造工艺,尤适合于大型产品的制造。其优点如下:
(1)产品性能优良,成品率高。在同样原材料的情况下,与手糊构件相比,真空树脂导入工艺成型构件的强度、刚度及其它的物理特性可提高30%-50%以上(表1)。工艺稳定后成品率可接近100%。

表1 典型聚酯玻璃钢性能比较

(2)产品质量稳定,重复性好。产品质量受操作人员影响小,不论是同一构件还是各构件间都存在高度的一致性。产品的纤维用量在注入树脂前已按规定的量放入模具中,构件有相对恒定的树脂比,一般在30%-45%,因此产品性能的均匀性和重复性比手糊工艺产品好得多,缺陷也少得多。
(3)抗疲劳性能提高,可减轻结构重量。由于制品纤维含量高、孔隙率低、产品性能高,尤其是层间强度的提高,大大提高了产品的抗疲劳性能。在强度或刚度要求相同的情况下,采用真空导入工艺制作的产品可减轻结构重量。
(4)环境友善。真空树脂导入工艺是一种闭模工艺,挥发性有机物和有毒空气污染物均被局限于真空袋中。仅在真空泵排气(可过滤)和打开树脂桶时有微量的挥发物。VOC排放不超过5PPm的标准。这也大大改善了操作人员的工作环境,稳定了劳动人员的队伍,也扩大了可用材料的范围。
(5)产品整体性好。真空树脂导入工艺可同时成形加强筋、夹芯结构及其它嵌件,提高了产品的整体性,因此可制造风机机罩、船体和上层建筑等大型制品。
(6)减少原材料使用,减少用工。在同样铺层时,树脂用量减少30%。浪费少,树脂损耗率低于5%。劳动生产率高,比手糊工艺可节约劳动力50%以上。尤其在成型大型复杂几何形状的夹芯和加筋结构件时,材料和人工的节省更为可观。如在航空工业的垂直舵制造中,使紧固件减少365个价格比传统方法减少75%,产品重量不变,性能更好。
(7)制品精度好。真空树脂导入工艺产品的尺寸精度(厚度)优于手糊制品。在同样的铺层下,一般真空树脂扩散技术产品的厚度为手糊制品的2/3 。产品厚度偏差约为士10%,而手糊工艺一般为士20% 。产品表面的平整度优于手糊产品。真空树脂导入工艺的机罩产品内壁光滑,表面自然形成富树脂层,不需要另外加涂面漆(Top coat)。减少了打磨和涂漆工序的人工和材料。


  当然目前真空树脂导入工艺也有一定的缺点:
  (1)准备工序时间较长而且较为复杂。需要正确的铺层、铺设导流介质、导流管、有效的真空密封等。因此对于小尺寸产品,其工艺时间反而超过手糊工艺。
(2)生产成本较高,并产生较多的废料。如真空袋膜、导流介质、脱模布及导流管等辅助材料都是一次性使用,而且目前相当多的要依赖进口,故生产成本比手糊工艺高。但产品越大,这个差别越小。随着辅助材料的国产化,这一成本差别也越来越小。当前研究可多次使用的辅助材料是本工艺的一个发展方向。
(3)工艺制造有一定的风险。尤其是大型复杂结构产品,一旦在树脂灌注中失败,产品易报废。
因此要有较好的前期研究,严格的工艺控制和有效的补救措施,以保证工艺的成功。

 
 
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