PMI泡沫真空辅助热成型工艺及其生产应用研究
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作者:贾思宜 王莹 成艳娜
摘 要：针对生产常用的PMI泡沫，设计泡沫真空辅助热成型参数实验，探索热成型合理参数。进行泡沫热成型厚度及拼接实验，给出合适的生产预留余量及拼接方案，指导真空辅助热成型工艺在实际生产中的应用。本文主要对PMI泡沫真空辅助热成型工艺及其生产应用进行研究。
关键词：PMI泡沫 真空辅助热成型 泡沫夹层结构
中图分类号：V25 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2020）02（a）-0118-03
1 引言
聚甲基丙烯酰亚胺即PMI（polymethacrylimide）泡沫是一种性能优异的闭孔硬质泡沫[1]，其具有优良的绝热性能和耐高低温性能。PMI泡沫芯具有力学性能上各向同性，便于机械加工，与各类型树脂兼容性好的特点，近年在高性能夹层结构芯材上得到大量应用。PMI泡沫主要有机械加工及热成型两种成型方式。大曲率PMI泡沫采用机械加工会造成原材料的极大浪费，泡沫热成型工艺则较好地避免了此问题。本文主要对PMI泡沫真空辅助热成型工艺及其生产应用进行研究。
2 正文
PMI泡沫真空辅助热成型工艺，是将PMI泡沫以真空袋密封封装在成型模具上，在加热设备中升温至其热变形温度后，施加真空压力使泡沫与模具型面贴合，冷却后得到所需型面泡沫的工艺[2]。
2.1 真空辅助热成型参数实验
2.1.1 实验设计
实验一：材料：泡沫ROHACELL 110WF-HTδ15mm。成型模具：转角35°曲面。加热设备：烘箱。成型温度： 175℃，185℃，195℃。保温时间：15min。
实验二：材料：泡沫ROHACELL 110WF-HTδ20mm。成型模具：转角67°曲面。加热设备：烘箱。成型温度：195℃。保温时间：15min，25min，60min。
实验三：材料：泡沫ROHACELL 110WF-HTδ20mm。成型模具：转角67°曲面。加热设备：热压罐。成型温度：205℃。保温时间：60min。
补充实验：材料：泡沫ROHACELL 110WF-HTδ24mm，δ30mm;Cascell 75WH-HT δ20mm，δ24mm。成型模具：转角46°，71°曲面。加热设备：热压罐。成型温度：205℃。保温时间：60min。
2.1.2 实验流程
将裁剪并干燥完毕的PMI泡沫板置于成型模具待成型区域，使用隔离膜、透气织物、真空袋、密封胶带将泡沫板封装在模具上，与模具共同放入加热设备中升温至泡沫热变形温度后，保温使泡沫均匀受热并抽真空令泡沫贴合模具型面，降温冷却后脱模。
2.1.3 结果分析
实验一结果分析：
实验一中，泡沫热成型温度为实验变量，分别在175℃，185℃，195℃下进行泡沫热成型，由表2结果可知在175℃及185℃下泡沫断裂，195℃下实验成功。
实验二结果分析：
依据实验一的成功结果，实验二增加泡沫厚度至δ20mm，增加型面弯曲程度至67°，在195℃下进行热成型。由表3结果可知195℃下保温15min后成型，泡沫断裂。考虑到泡沫厚度增加后，泡沫内外部温差问题，增加热成型保温时间至25min及60min，结果仍为泡沫断裂。结合其余零星实验推断，实验失败的原因可能有以下两种：（1）加热设备烘箱监控温度为烘箱内部温度，没有设置泡沫温度监控偶，热成型时泡沫温度与烘箱温度存在较大差异，泡沫内部未到达热变形温度。（2）闭孔泡沫材料热导率差[3]，当泡沫厚度增加时，需要更高温度来使泡沫内部到达其热变形温度。
实验三结果分析：
实验三增加热成型温度至205℃，增加保温时间至60min。选取热压罐作为加热设备，泡沫成功成型。补充实验为表中2～6组，不同牌号，厚度，尺寸的泡沫配合不同弯曲程度的模具，在热压罐中205℃下保温60min实验结果均成功。
从上述真空辅助热成型参数实验结果可知，在热压罐中205℃下保温60min进行泡沫热成型结果理想，该参数可用于实际生产。
2.2 泡沫热成型厚度实验
2.2.1 实验内容
实验选取泡沫ROHACELL 110WF-HT δ20mm，δ24mm， Cascell 75WH-HTδ20mm，δ24mm热压罐中205℃下保温60min进行真空辅助热成型，随机取點分别测量记录泡沫热成型前后厚度。
2.2.2 实验数据及结果分析
PMI泡沫在高温受压环境下会发生压缩蠕变[3]，热成型后存在厚度方向上的减薄。其中泡沫边缘10mm范围内较其余位置减薄明显（边缘位置数据未出现在上表中），可能是由于泡沫边缘位置不仅受到来自厚度方向上的压力，还受到真空袋给予的侧向拉力[4]。表5中泡沫厚度方向最大收缩率处于8.3%以内，平均收缩率处于2.6%～6.5%。泡沫Cascell 75WH-HTδ24mm热成型时其表面受辅助材料牵拉，牵拉部位泡沫表层发生横向滑移减薄，因此该组厚度压缩量数据有所上升。而泡沫ROHACELL 110WF-HT δ30mm厚度方向减薄小于其他组可能与其较大的厚度存在联系。 2.3 泡沫热成型拼接实验
2.3.1 实验目的
大曲率PMI泡沫受模具开口限制需要进行分块热成型后拼接形成完整曲面。拼缝质量，拼缝预留余量以及拼接前后泡沫厚度变化是需要研究的问题。
2.3.2 实验内容
实验选取ROHACELL 110WH-HT δ20mm泡沫，热成型前记录泡沫厚度。泡沫错位放置在单曲率工装上，205℃下热压罐中保温60min成型。成型后划线标出拼缝位置，测量记录泡沫厚度，并按线切除多余部分及边缘减薄区。使用发泡胶拼接分块后检查拼缝质量与拼缝宽度，记录泡沫拼接前后厚度变化。
2.4 实验结果
表6结果可知，泡沫厚度方向的压缩主要由热成型过程导致。泡沫拼接温度未到达泡沫热变形温度，拼接采用的真空压力小，故泡沫拼接前后厚度基本无变化。拼接缝均匀存在局部少量溢胶，拼缝宽度接近泡沫胶理论厚度，拼缝处未产生明显凹陷。
2.5 生产应用
泡沫夹层进气道零件夹芯拟采用真空辅助热成型工艺制造。泡沫芯尺寸2400mm×650mm，牌号Cascell 75WH-HT，厚度δ20mm。泡沫夹芯依据弧面曲率均分为3块（单块型面转角约55°），加放余量后单块尺寸约1100mm×750mm。为保证泡沫热成型厚度方向收缩后满足型面铣切要求，选取δ24mm泡沫进行热成型。
2.5.1 生产应用经验总结
经验一：泡沫水平放置热成型，泡沫两端会沿弯曲方向均匀下移直至贴合型面，泡沫板沿弯曲方向两端需预留足够余量，单侧余量=（成型段弧长-弦长）/2+泡沫边缘减薄区30mm。
经验二：泡沫侧立放置进行热成型，成型过程中泡沫在重力作用下向工装底部滑移，建议采用工装底部设置挡板的方式控制泡沫滑移。若采用顶部包裹牵拉的方式控制滑移，可能导致牵拉部位表层滑移减薄。
经验三：泡沫热成型应采用带有固定真空嘴的成型模具。由于泡沫热成型制袋后无法直接施加真空压力，后期在加热设备中抽真空时，活动真空嘴易翻倒，真空袋会堵塞真空管路导致泡沫无法受压成型。
经验四：热成型后泡沫与工装贴合良好，无明显回弹。
经验五：泡沫热成型过程中，导气用辅助材料应固定在成型型面周边，防止辅助材料窜入悬空的泡沫底部，造成压痕缺陷。
经验六：小曲率泡沫热成型前后位移小，可考虑在厚度方向预留压缩余量，将泡沫外形加工后进行热成型。大曲率泡沫建议在外形及厚度方向预留余量，待泡沫成型后机械加工去除余量保证外形及型面。
3 结语
（1）采用真空辅助泡沫热型工艺，依托成型模具，在加热设备中205℃下可进行不同厚度、密度ROHACELL 及Cascell 泡沫的热成型。
（2）泡沫热成型后厚度方向存在压缩，需预留足够压缩余量。
（3）大曲率泡沫可分段热成型后使用发泡胶拼接形成整个曲面，拼缝预留余量基本与发泡胶理论厚度一致。
（4）通过在成型模上设置挡条，固定真空嘴，固定辅助材料等方式可提高泡沫真空辅助热成型成功率。
参考文献
[1] 杨洋，刘军，卢鑫.固化压力对PMI泡沫/高温固化环氧碳纤维夹层复合材料胶接性能影响的研究[J].高科技纤维与应用，2012（1）：14-21.
[2] 郭書良，赵龙，黄峰，等.复杂曲面泡沫夹芯复合材料成型工艺研究[A].第17届全国复合材料学术会议（复合材料制造技术与设备分论坛）论文集[C].2012.
[3] 聚甲基丙烯酰亚胺（PMI）结构泡沫芯材Cascell技术手册[Z].浙江中科恒泰新材料科技有限公司，2016.
[4] 苏航，王翀，段正才，等.PMI泡沫的热成型工艺研究及其应用分析[J].安徽化工，2018（1）：66-68.
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