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关于新型真空袋成型工艺应用在玻璃钢渔船制造
石狮市源盛船舶修理有限公司关于 新型真空袋成型工艺应用在玻璃钢渔船制造                      -----记大型玻璃钢渔船(26米)采用真空袋成型工艺   一、 玻璃钢渔船行业介绍 玻璃钢是20世纪60年代后期船舶制造的一种新型的复合材料,具有质量轻,强度高,耐腐蚀,可塑性强的特点。经过数十年的发展,玻璃钢材料已在中小型船艇建造上得到了大量应用,尤其是在近年来在游艇,高速艇和旅游客船上得到了广泛的使用,更尤甚最近又在渔船上应用。玻璃钢船舶建造成型工艺也由较早使用的手工糊制,模压成型技术,发展到缠绕,注射多种方法,机械化成型比例越来越高。     近年来,我国随着玻璃钢渔船宣传工作的不断开展,玻璃钢渔船的开发与推广工作已逐步得到各级有关部门的重视与支持。《全国渔业发展第十三个五年规划》中明确提出要加快渔船更新改造,以安全、节能、经济、环保、适居为目标,逐步淘汰老旧、木质、高耗能、污染大的渔船,建设选择性好、高效节能、安全环保型渔船。陆续出台了一些包括“优先发放捕捞证、在船检费及资源增值保护费等费用的收取上优惠50%”等优惠政策,支持玻璃钢渔船的推广工作,促进玻璃钢渔船的发展,以实现“争取用十多年时间,使我国玻璃钢渔船占有率达到60%”的目标。  石狮市源盛船舶修理有限公司为了改变地区玻璃钢船舶行业的落后状态,与厦门恩海公司合作,聘请玻璃钢船舶行业中资深的专业人员和在泉州市海洋与渔业局的工作人员的支持指导下,近期在国内率先采用先进的真空袋成型工艺,于2017年7月在26米大型玻璃钢渔船取得成功。这个工艺改变传统的手糊工艺,为玻璃钢渔船制造行业开创出新型的制造方式。 二、真空袋成型工艺的介绍 真空导入工艺,简称VIP,在模具上铺增强材料(玻璃纤维,碳纤维,夹心材料等,有别于真空袋工艺),然后铺真空袋,并抽出体系中的空气,在模具型腔中形成一个负压,利用真空产生的压力把不饱和树脂通过预铺的管路压入纤维层中,让树脂浸润增强材料最后充满整个模具,制品固化后,揭去真空袋材料,从模具上得到所需的制品。 1 设备准备和材料选用 需要2-3套检漏仪  一套大型真空泵系统(根据船体尺寸来确定设备大小)  测温仪器(凝胶时间控制)     树脂凝胶时间测试所需仪器等设备   真空泵系统 检漏仪 作为以真空导入工艺生产的船舶中使用的树脂要求: (I)低粘度。一般在100-400mPa.s左右。最好不高于200mPa.s; (2)适当的放热峰温度,一般不高于80℃; (3)在使用温度达到60℃前,玻璃钢层材仍有合适的强度; (4)长期在湿冷环境下(相对湿度95%),仍与所选玻璃布有很好的结合强度: (5)可在常温下固化; (6)有足够长的凝胶时间,保证工艺的完成,而且最后能完全固化; (7)固化收缩率低等。 2 准备模具和胶衣喷涂 和其它积层工艺一样,对于真空袋工艺高质量的模具也是必须的。表面要有较高的硬度和较高的光泽,并且模具边缘至少保留15厘米,便于密封条和管路的铺设。对模具进行清理干净,然后打脱模蜡或抹脱模水。 对于采用简易木模来实施真空袋工艺,首先要喷好胶衣,做好3-5层手糊积层,首先保证这几层做好后整个模具系统气密性,对于大型船体来说增加了工艺实施的风险。检查是否漏气是这一步重要工作。 手糊积层后在进行抽真空,积层树脂要做好打磨,保证两个积层之间粘接,不易分层。   胶衣喷涂 3,船体铺层流速设计     船体根据结构设计的要求,玻纤层数都有所不同,工艺实施之前我们要设计树脂的凝胶时间和在不同层数玻纤中树脂的流动速度,最后再来确定树脂进料管路的铺设。 影响流速和流道的因素包括:原材料、导流介质、铺层和真空度等。两种速度必须相当,如果流动前锋一旦汇合,就很难排出所包裹的气体,在微观层次上排除气体要受到树脂粘度和纤维束周围表面张力的影响。  研究发现,高渗透率导流介质的应用,缩短了充模时间,树脂在导流介质中流动快于在预制件中的流动,但二者的差距保持一个恒定值,充模时间只是导流介质渗透率的函数,受预制件渗透率的影响很小。导流介质的应用使充模时间减少50-80%。      玻纤铺层流速测试 4:增强材料铺设 增强材料一般常用的是玻璃纤维和碳纤维。比如复合缝边毡,单布等,具体要根据力学设计。选用时最好做一下实验,渗透性如何,因为纤维在制造过程中选用的浸润剂,粘接剂的不同对树脂的浸润会不一样,导致最终制品的力学性能会有很大的差异。 选用增强材料-玻璃纤维,碳纤维,夹心材料…这要依据制品强度要求来定。选择增强材料对积层工艺来说是很重要的一步,但对于真空袋工艺要多考虑几点。虽然所有织物都可以用,但不同的材料和织法会影响树脂流速。铺设玻纤要注意玻纤之间搭接,还有一些局部地区的加强。 对于玻璃钢渔船,设计上采用纯玻璃钢设计,玻纤采用是高强度的轴向布,替代传统的方格布铺层,提升了50%的力学性能。 铺每层玻纤都需要用到喷胶,用来固定立面铺层,但喷胶用量要适量,过多会影响玻纤渗透性。 在船头位置铺设玻纤,还要注意抗浪要求,需要调整玻纤的铺设方向。                                玻纤铺层 5、真空袋材料铺设 先铺上脱模布,接着是导流布,最后是真空袋。在合上真空袋之前,要仔细考虑树脂和抽真空管路的走向,否则有的地方树脂会无法浸润到。铺设时要非常小心,以免一些尖锐物刺破真空袋。    真空袋材料铺设 6:抽真空 铺完这些材料后,夹紧各进树脂管,对整个体系抽真空,尽量把体系中空气抽空,并检查气密性,这一步很关键,如有漏点存在,当树脂导入时,空气会进体入体系,气泡会在漏点向其它地方渗入,甚至于有可能整个制品报废。正常在保压半个小时内压力损耗不超过10%为好。   真空保压测试  7:导入树脂 树脂加入硬化剂搅拌均与,把进树脂管路配好的树脂桶中,根据进料顺序依次打开夹子,注意树脂的量,必要时及时补充。同时根据先后顺序调整固化剂的比例,保证整个船体固化的一致性。树脂和固化剂都得为真空袋工艺专用,固化剂的比例视温度高低和整个船体真空袋工艺完工时间来调整。                            树脂导入过程 8:脱模 树脂凝胶固化到一定程度后,揭去真空袋材料。从模具上取出制品并进行后处理。                          正在撕离真空袋材料后船体 四、传统手糊工艺与真空袋成型工艺在玻璃钢渔船应用优缺点比较 (一)传统手糊工艺 手糊工艺(Handlay-up)是一种开模工艺,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: 1、如可挥发有机物(VOC)排放超标(有刺激性味道,工人操作会感觉不适)、对操作人员的健康影响大、人员易流失。 2、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。 3、手糊产品的树脂含量一般在50%-70%左右。这会造成树脂浪费,增加成本;同时会减低产品各项力学性能。 4、同时需要大量人工一次性糊成,例如一条23米渔船船体需要大约13-15人半个月时间完成。而真空工艺需要5个人8天完成。   (二)、真空袋工艺 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  增强材料无捻粗纱布双抽向织物无捻粗纱布双抽向织物 成型工艺         手糊   手糊  真空树脂扩散 真空树脂扩散  玻纤含量          45    50    60           65 拉伸强度(MPa) 273.2   389  383.5         480 拉伸模量(GPa)  13.5   18.5  17.9          21.9 压缩强度(MPa) 200.4   247   215.2        258 压缩模量(GPa)  13.4   21.3    15.6         23.6   弯曲强度(MPa) 230.3   321   325.7         385 弯曲模量(GPa)  13.4    17    16.1          18.5 层间剪切强度(MPa)20   30.7    35           37.8    (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60-70%。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。      (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(Topcoat)。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。但对于产品品质有要求小制件和大型的制件(特别是15米以上的玻璃钢船体),真空袋工艺是不二的选择。 (2)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。但对于整个生产环境改善,生产品质以及生产效率提高,同时减低了生产成本(节省了大量树脂和人工成本)。  (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。在工艺中要防止由于不合理铺层等导致的“短路效应(cutline)”,在这些低阻力区,树脂流动速度会增加10-100倍,从而使工艺不能在预想的情况下进行。但目前有相当多的软件可模拟真空导入工艺中的流动过程,包括树脂流动前锋的位置和图样,可预先发现工艺中潜在的问题,并使工艺达到最佳化。                                船检领导现场指导工作 五总结 此次这条全长26米的渔船(文中图片均为此次生产过程的现场图片),仅玻璃钢船壳面积就达350m2,采用一次性真空导入成型工艺而且取得完满成功;公司在引进新工艺的道路上跨出了坚实的一大步。非常感谢我们的合作伙伴厦门恩海公司,此次为我们提供了真空袋类的材料设备,以及现场技术支持。
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