拉挤成型工艺——I（转贴）

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拉挤成型工艺
1. 概说：
拉挤成型可以说是复合材料加工方法中最高度自动化与最适合连续生产的技术，只要是截面形状固定的工件，几乎均可以拉挤的方式来加工，其应用范围已遍及多种民生及航天工业。因为其大量生产的特性，得以获得较低的加工成本，因此在工业应用上有很高的竞争性，又因复合材料抗腐蚀及绝缘的特性，许多钢制及铝制的应用领域都有可能以拉挤工件来取代，例如铝梯，栏杆，角钢，工型梁都适合用拉挤制品来取代。
拉挤加工法与缠绕法最大的差异是拉挤法适合将大部份的补强材安排在轴向而缠绕法适合在圆周向做补强，因此，在决定以何种方法生产的同时，必须对工件承载负荷的特性先行了解。
拉挤加工的制程与设备可概分为五大部份，分别是 (1) 纤维区，(2) 含浸区，(3) 预成型区，(4) 硬化区，以及 (5) 拉拔区，本章中将逐一介绍这五大部份。拉挤成型法传统上所使用的树脂均是热固性，而热塑性的拉挤技术还是属于研发的阶段，而其制程与热固性树脂有很大差异，本章中也稍微介绍。
拉挤成型加工程序如图1.、2.所示，其加工的五大部份分述如下：


图1.　拉挤成型示意图


图2.　拉挤成型示意图
2. 纤维区：
拉挤成型法对于纤维的选择并无太高的限制条件，传统上是以玻璃纤维中的E-glass为主，另外较高性能的S2-glass及carbon也可应用在较高级的产品中。纤维的型态主要有纤维股 (roving)，短纤席 (mat)，及表面层 (surfacing veil)，另外一般的平面织布也可视需要来使用，使用在拉挤成型工件之各种纤维如图3所示。


图3.　使用在拉挤成型工件之各种纤维
     纤维股是拉挤成型主要的补强材，纤维股以圆筒状绕成，纤维送出可由中心或外缘，其每股含纤维的量，对于玻璃纤维而言是以支数 ( 每1000公尺之克数 ) 来计算，对于碳纤维用的是K数 ( 每股含单纤数，K表1000 )，而对Kevlar经常是用丹尼数 ( 每9000公尺之克数 ) 来表示，上述三种用法是习惯性的表示法，三者之间也有互换的公式。因为纤维股是单向的，对于工件而言，它自然就是负责轴向的补强，工件的大小与所使用股数成正比，纤维股所放置的纱架 (roving creel) 一般都是在最前端，纱架可以是固定的书架式或旋转的横杆式穿过纤维股的心轴。
短纤席经常被用来补强横向的性质，因为短纤席在每个方向都平均分布，对于横向自然有相当的补强效果，短纤席最大的优点是价格较低、加工容易，各种宽度的规格齐全，短纤席的规格主要有两个一是每平方公尺的克数，另一是短纤的平均长度。对于拉挤用的短纤席，其形状一律是圆筒带状，其纱架 ( 称之为mat creel) 是旋转横杆式，一般而言，是水平放置，在拉挤的过程自然带动短纤席的旋转。
　

图4.　纤维架
对于横向补强另一方式是利用缠绕机 (winder) ，如图5.所示，缠绕机是一附加装置，可在拉挤中直接将连续的纤维股缠绕在工件上，再一起含浸或直接进入模具中，缠绕机的功能类似filament winding或编织中的圆编机，可将纤维股以一斜角绕在工件上，其角度可经由缠绕机的转速与拉挤的速度二者来配合。因为是使用连续纤维来补强，其性能往往比短纤席要高，当然，加工成本亦较高。另外，也可以直接以编织布 (woven fabric) ，来当横向补强材，亦可得到不错的表面质感，使用编织布时应该注意的是布两端的衔接，因为在布包绕工件时，头尾部份不连续，这不连续会造成产品外观上甚至是强度的问题。


图5.　配合拉挤成型使用的缠绕机
以玻璃纤维加工时，其表面性质经常是很粗糙，这问题可以在工件表面加上一所谓的表面层 (surfacing veil) ，表面层类似短纤席，但其厚度很薄，往往是由聚酯类的构造物，表面层的功能除了外观平滑之外，同时可具有下列功能，首先，可以降低拉挤工件与模具间的摩擦力，这将有助于延长模具寿命，第二，可以增加工件的抗腐蚀性，第三，可以增强工件抗紫外线的功能，因此，表面层有着对工件保护的功能，也可根据不同需求，选用特殊功能的表面层。

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3.含浸区：
纤维的含浸可说是拉挤最关键的部份之一，不良或不均匀的含浸立即会反应在工件的物性及外形。含浸区主要的构造就是树脂槽 (resin bath)以及纤维导杆 (guide)，在树脂槽里所装的树脂配方必须是根据加工及物性需求来调配，树脂槽中有关树脂的添加，可以是自动控制，自动以一定比例添加至树脂槽内，并且有搅拌的功能，保持树脂的均匀性，当然在一般的加工厂里最直接简单的方式还是树脂单独调配搅拌，再以人工方式添加树脂槽内。导杆的作用主要有三个，一是将纤维导入槽内得以使纤维接触树脂，第二是由于导杆的作用使得纤维束得以适度张开，而呈扁平状，这样有助于树脂与纤维的接触与含浸，第三是导杆可提供摩擦力，使得含浸后的纤维呈张力状态，在进入模具前不致松散弯曲。纤维的含浸如图6.所示。
拉挤成型所用的树脂，平常有不饱和聚酯 (unsaturated polyester，简称UP)，聚乙烯酯 (vinyl ester) 及环氧树脂 (epoxy) ，有关拉挤用的树脂及其它添加物将在下节中详述。
　

图6.　纤维的含浸
4.预成型区：
预成型 (preforming) 一般用在拉挤可能有两种功用，第一是赋于概略形状，除去多于树脂回流至树脂槽，例如实心圆杆的加工，利用预成型模来赋于直径稍大的前置加工，因纤维束形状已概略成形，再进入硬化模时得以顺利进行，可以降低纤维束与硬化模入口处的摩擦与多余树脂。
第二种功用，是赋于纤维束、mat、或其它补强材适当的位置，以进入硬化模，这对于形状复杂的工件尤其重要，例如，一工型梁包含三个部份，上缘，下缘与中间的幅板，三个部份所需纤维量各异，因此，必须有导杆和导孔来引导纤维束进入所指定的位置，若没有做引导纤维束的位置可能随着加工的进行而产生改变而导致纤维分布不均，甚至导致无法加工的情形。预成型架如图7.、8.所示。
这两种功能，其所需的装置完全不一样，但均列在所谓的的预成型区，其目的不外乎让加工更加的顺利。
　

图7. 预成型架　

图8.　预成型架


5.硬化区：
此区域是拉挤最重要的部份，树脂的硬化与工件的外形在此区域完成。这部份包含有拉挤模具 (die) 与加热装置，模具就是要赋于工件的形状，模具主要的材料是工具钢，模具的组成从单件式到多件式均可依需求不同而做不同的设计，比较简单形状的工件可用两件式的上下模，模具的加工主要是用铣床与磨床，在进口处铣制成喇叭口以利纤维的进入，模具需经镀铬硬化处理以增长其寿命，模具需要高度精密的加工，合模位置的准确尤其重要，否则在合模面处工件会有表面不平的现象。合模面必须以溶剂清洗诸如树脂类的异物，以保持模面的干净，一般模具都有合模槽以利做准确的合模。在加工中空管状物时，除了外模之外，另需要一内模来提供内表面，内模与外模是独立的放置，一般而言内模均是以悬垂 (cantilever) 的方式悬挂在外模之内，而其前端的支撑往往是附在预成型区的架子上，因为内模是采用悬垂式的，过长的内模对于悬挂会有问题，不当的悬挂对工件的精度会有不良影响。如图9.所示。
典型的模具长度在30~150 cm 之间，愈大的工件需要愈长的模具来完成热传与硬化。因为树脂在硬化后有收缩的问题，同时，模具温度较高，工件从高温的模具到外界的室温也会自然的冷却收缩，这两个因素都会造成工件尺寸缩小的问题，因此，在设计模具时，就需要做适当的放大修正，其修正量依树脂及纤维的种类来决定，除了尺寸之外，在加工角型工件时，其角度也有内缩的现象，例如ㄇ型，L型的工件等，因此，其角度也需做往外偏的修正量。
在硬化区的另一重要的装置就是加热与温度控制，加热的方式很多，有电热板，电波加热与热油循环，较经济直接的方式就是在模具直接以电热板夹持加热。除了加热之外就是温度控制，较直接的方式就是在模具上安装热电偶测温器，从模具入口处到出口处之间，一般而言需做多点温度控制，至于点数则依需求而定，在加工时必须先设定温度，在温度超过设定值时，电热板的电流自动停止。为了使树脂的硬化更均匀，模具的温度往往在入口处较低而在出口处较高，也就是温度分布呈一梯度上升，为了要达到此温度分布，只靠加热电流的ON或OFF有时无法完成，因为模具是热的良导体，会从高温的一端流向低温的一端，因此，纵使入口处电流一直OFF，其温度可能一直高于设定值，若这种情形发生，则模具本身需要有外加的冷却水系统来辅助温度控制，如图10.所示，冷却水从下模流入，经上模而流出，冷却水道只设在模具前端。
另一种辅助加热的装置称之为增强硬化 (augmented cure) ，其作法是在纤维入模口之前先行预加热，因为没有导体不能用电热而必须改用微波的方式促使树脂内分子互相摩擦而生热，加温的含浸纤维束再进入模具配合电热板再行最后成形、硬化。这种增强硬化的方法是树脂所需热传导的时间缩短了，也就是意味着模具长度可以缩短，这对于模具成本有很大的帮助，尤其是对于大型工件的模具，经济效应更加显著。





　








图9.　拉挤成型模具













图10.　模具冷却系统
6. 拉拔区：
拉拔区必须提供工件拉挤时所需的拉拔力与速度控制，拉拔的方式主要有两种履带式 (caterpillar) 及往覆式 (reciprocating) ，如图11~14所示 。
履带式由上履带与下履带组合而成，由履带的运动来提供夹持力与拉拔力，由于履带架本身是固定不动所会造成的机械问题也相对的少。往覆式的机构包含两个拉拔块，分别一前一后，拉拔块的动作分别是 (a) 夹持 (b) 向前拉 (c) 放松，与 (d) 向后回到原位准备下一次拉拔。由于往覆式的拉拔块约有 的时间是向后退，无法提供拉拔力，因此，需要有两个拉拔块在一组向后时，另一组作向前拉的动作，这样两个拉拔块分工可以达到提供定速的目的。拉拔块的动作 (a)～(d) 可由气压或油压来自动控制夹持力及拉拔速度。另有环型迥旋式拉拔机构，如图15.所示 。这是十分特殊的拉挤成型机，结合了拉拔与卷曲，但其限制是工件必须能卷曲而不断裂，因此只适用于较细的工件。
　

图11.　履带式拉拔机构　

图12.　往覆式拉拔机构
在拉挤加工时，有时可将拉拔暂停数秒至数十秒的时间，在这段时间内工件在模内静止，却继续硬化，其主要的功用是若有任何杂质黏在模面上，可经由树脂的硬化将杂质一起带出而达到所谓的清模动作，清模甚至是加工的一部份，在固定的拉拔长度之后即进行一次清模动作。这样有助于在长时间连续生产的情况下，维持模具的清洁。
在拉拔块之后，即是切割机，在工件拉拔至一预定的长度后将工件切割下来。切割的动作可自动控制，当工件累积至预定长度后会启动一微动开关，来开启切割机。因为工件是连续生产，在切割的同时工件也在向前移动，因此，切割机也必须同步向前移动，在切割完成后，再回到原位。

图13.　往覆式拉拔机构

图14.　往覆式拉拔机构

图15.　 环型拉挤成型机

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7. 树脂配方：
拉挤成型有一特性就是必须快速硬化，一般而言树脂在模具的时间不超过一分钟，也就是说，树脂硬化的化学反应必须在一分钟内完成，如此短的硬化时间若树脂配方无法配合，则容易产生硬化不足或热应力的问题，因此，树脂配方可说是决定了拉挤成功与否的重要因素。常用的树脂与添加物分述如下。
7.1聚酯树脂：
与玻璃纤维配合的树脂最普通的就是聚酯，因其物性、加工性一般而言能满足需求且其价格低廉十分具有竞争性。聚酯树脂对于水、盐、稀释酸、稀释碱等环境具有良好的抵抗性，然而对于芳族烃类，酮类及强酸等抵抗性并不理想。因为一般采用均是不饱和聚酯，在硬化后，聚酯树脂会大幅收缩，甚至会到达百分之七。过度的收缩除了会导致工件尺寸变形之外，更会造成热应力与裂缝，有关收缩的问题可经由填充料的添加来缓和。聚酯树脂的 点介于80℃与120之间，( 因不同组成而异 ) ，超过 后因分子键的移动会使机械性质。聚酯树脂在无添加料的情况下会助燃，因此，能达到难燃、低烟的添加料是必须的。聚酯之特点之一就是电的绝缘体，甚至在相当高温下仍能保持此特点。
7.2乙烯酯树脂：
与聚酯比较起来，乙烯酯树脂有更好的耐蚀性与高温机械性质，乙烯酯树脂在键结硬化的化学反应，只发生在高分子键的末端，这使得键结密度较低。乙烯酯的价格比聚酯高50%到100%，然而，其层间剪应力、韧度与耐冲击强度都比较好，也较不容易产生化学分解使得其耐高温较佳。因为反应点较少之故在硬化键结的反应速率上也比较慢，其pot life约在24至48小时之间。
7.3环氧树脂：
环氧树脂比前二者具有更佳的物性，并且对耐温性也较前二者为佳，在以碳纤维为主的应用中，环氧树脂是主要的配合基材。在拉伸强度与剪力强度方面环氧树脂高于前二者，但是相对地硬度较高，导致较脆与韧度较低，这问题可经由补强材适当的安排来增加复材整体的韧度，另一个方法就是经树脂改质或添加柔软物如橡胶来增强能量吸收的能力。在价格成本方面，环氧树脂较高，更重要的是，其加工成本也较高，因此，在选择物性的环氧树脂时，也必须考虑到其原料与加工成本。
7.4添加剂：
添加剂中最重要的是硬化剂的种类与含量，在拉挤所用的硬化剂经常会使用两种以上的硬化剂，其中含有较低温型的与较高温型的硬化剂混合使用，这样的作法其目的是让硬化进行的分布更平均，也就是说模具入口 ( 较低温 ) 到出口 ( 较高温 ) 都可持续进行硬化。
脱模剂也是树脂配方中不可缺少的一项，在一般复合材料加工所用的脱模剂种类很多，但对拉挤而言，脱模剂均是内溶式的，脱模剂溶在树脂之中，而当树脂反应完成交链硬化后脱模剂会分离出而附在模具的表面，使得模具与树脂分离，达到脱模的目的。在使用脱模剂时应注意的事项包括有是否会使树脂黏度增加，是否在工件表面形成一薄膜而使后续涂装工作困难，是否会使工件色彩改变，以及是否会造成模面的侵蚀作用等等。
填充料也是经常使用在树脂配方中，其主要的目的是降低基材的成本，但使用填充料同时也会使机械与物理性能降低。其它经常使用在配方中的添加剂还包括抗紫外线剂、色膏、抗燃剂、抗收缩剂等等。
8.应用：
因为拉挤成型有高度自动化大量生产的特性，特别适合民生用产品，许多金属件也逐渐被拉挤成型的FRP工件来取代，图16.与17.所显示出各式各样的拉挤工件，包含有实心方管、实心圆管、工型梁、C型梁、空心方管、空心圆管以及空心加助补强工件，其截面形状变化能力非常高，几乎任何截面都可制造出。图18.是一应用在花园围篱栏杆的例子，以往均是以铁材焊接涂漆而成，然而金属件接触土壤、空气、雨水等容易有锈蚀的情形发生，使用寿命有一定年限，并且要经常补漆保养，然而使用复合材料拉挤工件来当栏杆完全没有锈蚀的问题，结构轻便、施工与保养容易是其优点。图19.是常用的A形梯，以拉挤工件来当梯子主结构也非常适合。一方面比铝制梯子还轻1/3左右，同时又有绝缘效果，方便性、安全性都高。另外当房屋建材方面也有极大的应用，屋顶波浪版、工型梁、中空方型梁都适合取代又重又容易锈蚀的钢制结构材。我们可预见拉挤成型工件的轻、强、产量大、容易制造、成本低等优点会逐渐取代金属件，而在民生工业构件占有一席之地。　

图16.　拉挤成型工件　

图17.　拉挤成型工件　

图18.　拉挤成型栏杆　

图19.　拉挤成型A形梯

rcbai

初涉拉挤领域，希望在此与各位同仁多多交流。初次发帖（不知何故图没上去），希望对与我一样的朋友有所启示！

stuart

很不错，好好学习，希望能很快见到图片。

qq寄生虫

能说一下拉挤成型国内外的状况么??
谢谢