探索复合材料制造工艺：手糊、喷涂与纤维缠绕技术解析 - 深圳国际3D打印展

复合材料由树脂、纤维及芯材等多重原材料构成，这些材料各自具备独特的物理性能，如强度、刚度、韧性和热稳定性。同时，它们的成本和产量也各有差异。复合材料的最终性能不仅取决于这些原材料的固有属性，还受到材料设计方法与制造工艺的深刻影响。本文将深入探讨复合材料制造中的手糊、喷涂与纤维缠绕三种常用工艺。

一、手糊成型工艺

手糊成型涉及手动将树脂浸润纤维的过程，这些纤维可以通过机织、编织、缝合或粘结等方式增强。在操作中，通常使用滚轮或刷子来涂抹树脂，并通过胶滚挤压使其深入纤维。随后，层合板在常压环境下进行固化。

材料选择：

• 树脂：环氧、聚酯、聚乙烯基酯以及酚醛树脂均可选用。

• 纤维：选择相对灵活，但需注意，基重较大的芳纶纤维可能难以通过手糊方式完全浸润。

• 芯材：无特别要求。

工艺特点：

• 手糊成型工艺简单易学，且若采用室温固化树脂，模具成本将相对低廉。

• 提供了广泛的材料和供应商选择空间，并且能够获得高纤维含量的层合板，所使用的纤维长度优于喷涂工艺。

潜在问题：

• 树脂混合和层合板品质受操作人员熟练程度影响较大，难以获得低树脂含量且低孔隙率的层合板。

• 手糊树脂的分子量越低，对操作人员的健康潜在威胁就越大，同时粘度越低越容易导致树脂渗透工作服而直接接触皮肤。

典型应用领域：

• 标准风电叶片的生产、批量制作的船艇以及建筑模型的制作等。

二、喷涂成型工艺

喷涂成型是将短切纤维增强材料与树脂体系同时喷涂至模具内，随后在常压环境下固化，从而制成热固性复合材料制品的工艺。

材料选择：

• 树脂：主要选用聚酯类。

• 纤维：通常选择粗玻璃纤维纱。

• 芯材：通常不单独使用，而是与层合板结合。

工艺特点：

• 喷涂成型历史悠久，成本低廉，且能够迅速铺覆纤维和树脂，模具费用也相对较低。

潜在问题：

• 层合板容易形成树脂富集区，导致重量偏高。

• 只能使用短切纤维，层合板的力学性能受到一定限制。

• 为便于喷涂，树脂粘度需降低，进而可能影响复合材料的力学和热学性能。

• 喷涂树脂中的高苯乙烯含量可能对操作人员构成潜在危害，而低粘度树脂又易渗透工作服，直接接触皮肤。空气中挥发的苯乙烯浓度难以达到法律规定要求。

典型应用领域：

• 简易围栏、低载荷结构板，如敞篷车车身、卡车整流罩、浴缸以及小型船艇等。

三、纤维缠绕工艺

纤维缠绕工艺主要用于制造中空、圆形或椭圆形结构件，例如管道和槽。在此工艺中，经过树脂浸润的纤维束被沿着各种方向缠绕在芯轴上，整个过程由专业的缠绕机和芯轴转速进行精准控制。

材料选择：

• 树脂：环氧、聚酯、聚乙烯基酯以及酚醛树脂等均可使用。

• 纤维：通常直接使用线轴架上的纤维束，无需经过机织或缝织成纤维布的步骤。

• 芯材：选择较为宽松，但蒙皮通常采用单层复合材料。

工艺优势：

• 生产速度快，经济合理。

• 可以通过测定穿过树脂槽的纤维束携带树脂量来精确控制树脂含量，同时纤维成本也被最小化，因为无需中间编织工艺。

• 由于直线纤维束可以沿各个承载方向铺层，所以结构性能也相当优异。

潜在挑战：

• 主要适用于圆形中空结构，对于其他形状的部件则可能不太适用。

• 纤维在部件轴向上的准确排布可能具有一定的挑战性。

• 大型结构件的芯轴阳模成本较高。

• 结构外表面因非模具面而美观性较差。

典型应用场景：

• 化学品储藏罐和输送管、气缸以及救火员呼吸罐等产品的制造。

手糊、喷涂与纤维缠绕工艺各自具有独特的优势和局限性，选择哪种工艺取决于具体的应用需求和材料特性。随着复合材料技术的不断发展，这些工艺也在不断改进和完善，以适应更广泛的应用场景。