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              玻璃鋼產品設計與加工
              產品設計 | 外觀設計 | 結構設計

              玻璃鋼

                玻璃鋼是綜合了玻璃的硬度,又具有玻璃鋼堅硬不碎的特點,綜合兩者的特性創造出的復合材料。玻璃鋼工藝最早起源于美國。

                纖維增強材料的材料特性,導致其常用的基本成型工藝有如下幾種:手糊成型工藝、拉擠成型工藝、纏繞成型工藝、模壓成型工藝 。

              玻璃鋼產品設計與加工(圖1)


              1.手糊成型法原理

                手糊成型工藝又稱接觸成型,是樹脂基復合材料生產中最早使用和應用最普遍的一種成型方法。手糊成型工藝是以加有固化劑的樹脂混合液為基體,以玻璃纖維及其織物為增強材料,在涂有脫模劑的模具上以手工鋪放結合,使二者粘接在一起,制造玻璃鋼制品的一種工藝方法?;w樹脂通常采用不飽和聚酯樹脂或環氧樹脂,增強材料通常采用無堿或中堿玻璃纖維及其織物。在手糊成型工藝中,機械設備使用較少,它適于多品種、小批量制品的生產,而且不受制品種類和形狀的限制。

              2.成型工藝流程

                手糊成型工藝的流程是:先在清理好或經過表面處理的模具成型面上涂抹脫模劑,待充分干燥好后,將加有固化劑(引發劑)、促進劑、顏料糊等助劑并攪拌均勻的膠衣或樹脂混和料,涂刷在模具成型面上,隨后在其上鋪放裁剪好的玻璃布(氈)等增強材料,并注意浸透樹脂、排除氣泡。重復上述鋪層操作,直到達到設計厚度,然后進行固化脫模。

              玻璃鋼產品設計與加工(圖2)

              3.成型設備

                手糊成型工藝所用的設備較少,制作模型的設備有木工車床、木工刨床、木工圓鋸;脫模一般會用到空氣壓縮機、吊裝設備等。

              玻璃鋼制造工藝模壓成型

              1.模壓成型法原理

                熱固性模壓成型是將一定量的模壓料加入預熱的模具內,經加熱加壓固化成型塑料制品的方法。其基本過程是:將一定量經一定預處理的模壓料放入預熱的模具內,施加較高的壓力使模壓料填充模腔。在一定的壓力和溫度下使模壓料逐漸固化,然后將制品從模具內取出,再進行必要的輔助加工即得產品。

              2.成型工藝流程

                模壓成型工藝主要分為壓制前的準備和壓制兩個階段。

              3.成型設備

                (1)浸膠機

                制備膠布的主要設備是浸膠機,由送布架、熱處理爐、浸膠槽、烘干箱和牽引輥等幾部分組成。根據熱處理爐和烘干箱放置的位置,可以分為臥式浸膠機和立式浸膠機兩種。

                (2)預浸料機組

                這一方法所用設備有切割機、捏合機和撕松機。常用的切割機類型有沖床式、砂輪片式、三輥式和單旋轉刀輥式。捏合機的作用是將樹脂系統與纖維系統充分混合均勻?;旌蠘话愣疾捎肸槳式結構。在捏合過程中主要控制捏合時間和樹脂系統的粘度這兩個主要參數,有時在混料室結構中裝有加冷熱水的夾套,以實現混合溫度的控制?;旌蠒r間愈長,纖維強度損失愈大,在有些樹脂系統中,過長的捏合時間還會導致明顯的熱效應產生?;旌蠒r間過短,樹脂與纖維混合不均勻。樹脂粘度控制不當,也影響樹脂對纖維的均勻浸潤及滲透速度,而且也會對纖維強度帶來一定的影響。

                撕松機的主要作用是將捏合后的團狀物料進行蓬松。撕松機主要由進料輥和一對撕松輥組成,通過撕松輥的反向運動將送入的料團撕松。

                (3)片狀模塑料機組

                一個完整的SMC機組,大體由機架、輸送系統、PE薄膜供給裝置、刮刀、玻璃纖維切割器、浸漬和壓實裝置、收卷裝置等7個主要部分和玻璃纖維紗架、樹脂糊的制備及喂入系統、靜電消除器等3個必備輔助系統組成。

                (4)壓機

                壓機是模壓成型的主要設備。壓機的作用是提供成型時所需要的壓力以及開模脫出制品時所需的脫模力,現大多采用液壓機。

              玻璃鋼制造工藝纏繞成型

              1.纏繞成型法原理

                纖維纏繞工藝是樹脂基復合材料的主要制造工藝之一。是一種在控制張力和預定線型的條件下,應用專門的纏繞設備將連續纖維或布帶浸漬樹脂膠液后連續、均勻且有規律地纏繞在芯?;騼纫r上,然后在一定溫度環境下使之固化,成為一定形狀制品的復合材料成型方法。

              2.成型設備

                纖維纏繞機是纖維纏繞技術的主要設備,纖維纏繞制品的設計和性能要通過纏繞機來實現。按控制形式纏繞機可分為機械式纏繞機、數字控制纏繞機、微機控制纏繞機及計算機數控纏繞機,這實際上也是纏繞機發展的四個階段。目前最常用的主要是機械式和計算機數控纏繞機。纖維纏繞機是纖維纏繞工藝的主要設備,通常由機身、傳動系統和控制系統等幾部分組成。輔助設備包括浸膠裝置、張力測控系統、紗架、芯模加熱器、預浸紗加熱器及固化設備等。


              玻璃鋼制造工藝拉擠成型

              1.拉擠成型原理

                拉擠成型工藝是通過牽引裝置的連續牽引,使紗架上的無捻玻璃纖維粗紗、氈材等增強材料經膠液浸漬,通過具有固定截面形狀的加熱模具后,在模具中固化成型,并實現連續出模的一種自動化生產工藝。

                對于固定截面尺寸的玻璃鋼制品而言,拉擠工藝具有明顯的優越性。首先,由于拉擠工藝是一種自動化連續生產工藝,與其它玻璃鋼生產工藝相比,拉擠工藝的生產效率最高;其次,拉擠制品的原材料利用率也是最高的,一般可在95%以上。另外,拉擠制品的成本較低、性能優良、質量穩定、外表美觀。由于拉擠工藝具有這些優點,其制品可取代金屬、塑料、木材、陶瓷等制品,廣泛地應用于化工、石油、建筑、電力、交通、市政工程等領域。

              玻璃鋼產品設計與加工(圖3)

              2.成型工藝流程

                增強材料(玻璃纖維無捻粗紗、玻璃纖維連續氈及玻璃纖維表面氈等)在拉擠設備牽引力的作用下,在浸膠槽充分浸漬膠液后,由一系列預成型模板合理導向,得到初步的定型,最后進入被加熱了的金屬模具,模具高溫的作用下反應固化,從而可以得到連續的、表面光潔、尺寸穩定、強度極高的玻璃鋼型材。

              3.成型設備

                實現拉擠工藝的設備主要是拉擠機,拉擠機大體可分為臥式和立式兩類。一般情況下,臥式拉擠機結構比較簡單,操作方便,對生產車間結構沒有特殊的要求。而且臥式拉擠機可以采用各種固化成型方法(如熱模法、高頻加熱固化等),因此它在拉擠工業中應用較多。立式拉擠機的各工序沿垂直方向布置,主要用于制造空心型材,這是由于在生產空心型材時芯模只能一端支承,另一端為自由無支承端,因此立式拉擠機不會因為芯模懸臂下垂而造成拉擠制品壁厚不均勻;這種拉擠機由于局限性較大,生產的產品單一,己經不再使用。無論是臥式還是立式拉擠機,它們都主要由送紗裝置、浸漬裝置、成型模具與固化裝置、牽引裝置、切割裝置等五部分組成,它們對應的工藝過程分別是排紗、浸漬、入模與固化、牽引、切割。

              玻璃鋼產品設計與加工(圖4)

              玻璃鋼制造工藝手糊成型

                FRP 模具制作工藝是以液態的環氧樹脂與有機或無機材料混合作為基體材料,并以原型為基準,手工逐層糊制模具的一種制模方法。手糊成型FRP 模具的具體工藝過程如下:

              分型面的設計

                分型面設計是否合理,對工藝操作難易程度、模具的糊制和制件質量都有很大的影響。一般情況下,根據原型特征,在確保原型能順利脫模及模具上、下兩部分安裝精度的前提下,分型面的位置及形狀應盡可能簡單。因此,要正確合理地選擇分型面和澆口的位置,嚴禁出現倒拔模斜度,以免無法脫模。沿分型面用光滑木板固定原型,以便進行上下模的分開糊制。在原型和分型面上涂刷脫模劑時,一定要涂均勻、周到,須涂刷2~3 遍,待前一遍涂刷的脫模劑干燥后,方可進行下一遍涂刷。

              涂刷膠衣層

                待脫模劑完全干燥后,將模具專用膠衣用毛刷分兩次涂刷,涂刷要均勻,待第一層初凝后再涂刷第二層。膠衣為黑色,膠衣層總厚度應控制在016mm 左右。在這里要注意膠衣不能涂太厚,以防止表面裂紋和起皺。

              樹脂膠液配制

                根據常溫樹脂的粘度,可對其進行適當的預熱。然后以100 份WSP6101 型環氧樹脂和8~10 份(質量比) 丙酮(或環氧丙烷丁基醚) 混合于干凈的容器中,攪拌均勻后,再加入20 份~25 份的固化劑(固化劑的加入量應根據現場溫度適當增減) ,迅速攪拌,進行真空脫泡1min~3min ,以除去樹脂膠液中的氣泡,即可使用。

              玻璃纖維逐層糊制

                待膠衣初凝,手感軟而不粘時,將調配好的環氧樹脂膠液涂刷到膠凝的膠衣上,隨即鋪一層短切氈,用毛刷將布層壓實,使含膠量均勻,排出氣泡。有些情況下,需要用尖狀物,將氣泡挑開。第二層短切氈的鋪設必須在第一層樹脂膠液凝結后進行。其后可采用一布一氈的形式進行逐層糊制,每次糊制2~3 層后,要待樹脂固化放熱高峰過了之后(即樹脂膠液較粘稠時,在20 ℃一般60min 左右) ,方可進行下一層的糊制,直到所需厚度。糊制時玻璃纖維布必須鋪覆平整,玻璃布之間的接縫應互相錯開,盡量不要在棱角處搭接。要嚴格控制每層樹脂膠液的用量,要既能充分浸潤纖維,又不能過多。含膠量高,氣泡不易排除,而且固化放熱大,收縮率大。含膠量低,容易分層。第一片模具固化后,切除多余飛邊,清理模具及另一半原型表面上的雜物,即可打脫模劑,制作膠衣層,放置注射孔與排氣孔,進行第二片模具的糊制。待第二片模具固化后,切除多余的飛邊。為保證模具有足夠的強度,避免模具變形??蛇m當地粘結一些支撐件、緊固件、定位銷等以完善模具結構。

              脫模修整

                在常溫(20 ℃左右) 下糊制好的模具,一般48h 基本固化定型,即能脫模。在脫模時,嚴禁用硬物敲打模具,盡可能使用壓縮空氣斷續吹氣,以使模具和母模逐漸分離。脫模后視模具的使用要求,可在模具上做些鉆孔等機械加工,尤其是在澆注或注塑時材料不易充滿的死角處,在無預留氣孔的情況下,一定要鉆些氣孔。然后進行模具后處理,一般用400 # ~1200 # 水砂紙依次打磨模具表面,使用拋光機對模具進行表面拋光。所有的工序完成之后模具即可交付使用。 需要注意的幾點,一,母模要光滑,第二,脫模劑要均勻,第三,做第一層的時候不能有氣泡,第四,要仔細打磨,當然中間還有很多細節的東西,不可能一一列舉


              玻璃鋼制造工藝層壓成型

                層壓成型是將預浸膠布按照產品形狀和尺寸進行剪裁、疊加后,放入兩個拋光的金屬模具之間,加溫加壓成型復合材料制品的生產工藝。它是復合材料成型工藝中發展較早、也較成熟的一種成型方法。該工藝主要用于生產電絕緣板和印刷電路板材。

                層壓工藝主要用于生產各種規格的復合材料板材,具有機械化、自動化程度高、產品質量穩定等特點,但一次性投資較大,適用于批量生產,并且只能生產板材,且規格受到設備的限制。

                層壓工藝過程大致包括:預浸膠布制備、膠布裁剪疊合、熱壓、冷卻、脫模、加工、后處理等工序。

              FRP制品形式分類

                ◆ 織物

                ◆ 預固化制品

                織物在該領域內具有最廣泛的用途,主要采用濕法手糊工藝安裝。該方法需要由受過專門培訓的技術人員準備好樹脂,然后用樹脂浸漬織物,最后再將其鋪放到結構部件上??椢镌诠袒氨仨氄J真去除其中的所有氣泡。因此,手糊FRP制品的最終強度主要取決于安裝質量。

                預固化制品是在工廠內制成的,質量可控且穩定。較高的纖維/樹脂比也為這些制品提供了高于手糊制品的強度和硬度。預固化制品有加強筋和單向層壓帶兩種類型。后者寬度通常在75-100毫米(3-4英寸)之間,厚度大約為1.3毫米(0.05英寸)。在建筑修復領域,通常使用環氧膠將層壓帶粘結在結構部件的外表面上。

                雖然層壓帶相對于手糊制品具有安裝簡便、強度高的優點,但其應用相對來說還是有限的,原因有兩個:

                ◆ 帶有單向增強材料的層壓帶只適用于梁和平板的彈性增強,以及某些梁的剪切增強;

                ◆ 層壓帶的硬度不允許它們卷成直徑小于750毫米(30英寸)的卷。(后面將談到,這是其無法涉足某些應用的主要限制。) 目前用于生產層壓帶的設備和技術不適合制造大型層壓板。因此,解決層壓帶的上述缺陷很有必要。

              超級層壓板

                “超級層壓板”是新一代的FRP制品,采用專門的設備制成。寬達1.5米(60英寸)的碳纖維板或玻纖織物由樹脂浸漬后,通過一個壓床時,在均勻的熱量和壓力下,形成層壓板。

                超級層壓板相對于傳統層壓材料具有三大優勢。

                首先,單向或雙軸向織物使層壓板同時具有橫向和縱向的強度,這一巨大優勢使其進入許多新的應用領域。

                第二,它們比傳統層壓帶薄得多,基本厚度為0.66毫米(0.025英寸),可以很容易卷成直徑為300毫米(12英寸)甚至更小的卷。

                最后,鋪層的數量和模式可以調節,從而生產出完全定制的產品,節約大量的制造時間和成本。


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