玻璃钢船艇建造工艺

第五节　玻璃钢船艇建造工艺

FRP/CM艇体的成型方法主要有接触成型法和模压成型法。迄今为止FRP/CM艇体制造中最常用的方法仍是在开式阴模中采用接触成型法，其铺敷方式有如下几种，即手糊成型、喷射成型、自动化或半自动化铺敷成型等。

一、手糊成型

也叫积层或层敷、铺糊法。为玻璃钢生产作业中最早的成型方法。具体做法是先在模具上擦脱模腊或脱模剂，然后喷涂胶衣树脂，待胶凝到一定程度后，再调配树脂（在不饱和聚酯树脂中加入引发剂和促进剂），在胶衣层上涂刷一层调配好的树脂后，铺上一层事先按模具尺寸裁剪好的增强材料（玻璃纤维布或毡），用刷帚、刮板或辊辘等工具使增强材料浸透树脂，排除气泡（图4-35）。一层完毕后再进行下一层，如此反复进行，直到完成规定厚度为止，待树脂固化到较充分的程度后脱模，经修理后即为成品。

图4-35　手糊成型示意图

二、模压成型

为机械加工方法，将专用于模压成型的模塑料（浸渍了树脂的玻璃纤维）按需用量称量后填进钢模中（图4-36），合模，通过加温、加压，在数分钟内即可固化，脱模修整后即成为成品。由于受压机台面尺寸的限制，只适于生产较小的产品，如帆板、小型游艇之类，无法生产大尺度的船体。

图4-36　模压成型

三、喷射成型

使用双口喷枪。一个口喷射树脂，喷口内将含有引发剂的树脂与促进剂混合后喷出；另一枪口是将玻璃纤维通过切割器切成定长的短纤维，然后借助压缩空气喷出。两口呈一定角度，使喷出的树脂与短纤维在模具面上会合而成型（图4-37）。用此法形成的玻璃钢积层相当于使用玻璃纤维短切毡浸渍成型积层，只适用于强度要求不高的产品，不能取代玻璃布、毡结合的设计强度。图4-38为33mFRP渔船的甲板采用喷射成型工艺时的情景。

图4-37　喷射成型示意图

图4-38　33mFRP渔船的甲板采取了喷射成型工艺

四、浸渍成型法

通过浸渍机（又称“浸润机”）将玻璃纤维增强材料浸渍树脂，再做铺贴作业的成型方法。图4-39为浸渍机工作原理图；图4-40为造艇现场的实用机器。具体过程为：先将玻璃布或毡等增强材料通过传动装置进入树脂槽内浸透树脂，再经辊子等装置使含胶量达到预定的要求数值，然后根据船艇产品各部位尺寸大小剪裁，粘贴于模具上，再通过辊压刮平工序，使粘贴紧密、无气泡。由于省却了人工浸渍程序，减轻了劳动强度，提高了工作效率，质量有保证，如再辅以辊压机等设备，则可实现机械化作业，取代手工操作。

图4-39　浸渍机工作原理

图4-40　悬挂在行车上的浸渍机

五、注射成型

模具也需要对模、且要耐压并具有良好的密闭性。成型时先在下模上按制品设计厚度（层数）铺设好玻璃纤维布和毡，将上模合上并加密封紧固，从设置的注射口通过压力注入调配好的树脂，浸透增强材料并排出模具中的空气，经自然固化或加温固化后，脱模，即成为制品。注射成型由于需要两个模具，成本高，所以只适合体积小、生产批量大的产品，如高精度的船艇配件，很少用于制作船艇壳体。

在注射成型的基础上又派生出真空辅助成型法（图4-41）。近年来在高档船艇制造中得到推广。

图4-41　真空辅助成型法示意图

六、真空辅助成型工艺

真空辅助成型又称“真空导入工艺”（Vacuum infusion process，VIP），它与注射成型的不同之处是只需要一个单面模具（就像通常的手糊和喷射模具），上面覆以真空袋，建立一个闭合系统。所以它更适合船艇壳体的制作。

真空辅助成型工艺的基本原理和步骤是：在模具型面上先铺放成品所需要的纤维增强材料（例如玻璃纤维、碳纤维、夹芯材料等），然后放置真空袋，将型腔边缘严密密封后，再将型腔内抽真空，然后让树脂通过精心设计的树脂分配系统在真空作用下注入模腔内。真空辅助成型是在真空状态下排除纤维增强材料中的空气，利用树脂的流动和渗透，来实现对纤维及其织物的浸渍，并在室温下进行固化，最后形成具有一定树脂/纤维比例的FRP/CM结构。

（一）VIP工艺流程

VIP工艺制造艇体的流程分步骤介绍如下（图4-42）：

图4-42　用真空导入工艺制造艇体

第一步：准备模具

和其他积层工艺一样，对VIP来说高质量的模具也是必需的。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15cm，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。

第二步：施工胶衣面

根据制品的要求，可以用产品胶衣和打磨胶衣，选用类型有邻苯，间苯和乙烯基。用手刷和喷射的方法施工胶衣层。

第三步：增强材料铺设

选用增强材料，诸如玻璃纤维、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。

第四步：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。

第五步：抽真空

铺完这些材料后，检查各进树脂管，对整个体系抽真空，尽量把体系中空气抽空。当树脂导入时，小心空气会进入体系，气泡会在泄漏点向其他地方渗入，甚至于有可能使整个制品报废。

第六步：配树脂

抽真空达到一定要求后，准备树脂。按凝胶时间配入相应的固化剂，切记不能忘记加固化剂，否则很难弥补。不过一般真空导入树脂含有固化指示剂，可以从颜色上来判断是否加了固化剂。

第七步：导入树脂

把进树脂管路插入配好的树脂桶中，根据进料顺序依次打开阀门，注意树脂桶的量，及时补充。

第八步：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。

（二）真空辅助成型的特点

（1）力学性能好。

在不增加成本的情况下，与手糊构件相比，成型构件的强度、刚度或硬度及其他物理性能可提高1.25倍以上。

（2）重复性好。

采用真空辅助成型制作的构件，不论是同一构件还是构件与构件间都具有高度的一致性。构件有相对恒定的树脂比，空隙率低（不超过1%），更容易检测构件缺陷。高度固化的层合板可在日光下目测空隙或其他缺陷。

（3）重量轻。

真空辅助成型时树脂消耗量受到严格的控制，其比例几乎由真空值决定，纤维含量可高达75%～80%，无需额外的材料来连接芯材。因此，对强度或刚度要求相同的构件，采用真空辅助成型工艺制作可节省材料，减轻重量。

（4）环保。

这是真空辅助成型工艺最突出的优点。开模成型时，苯乙烯的挥发量高达35%～40%。真空辅助成型工艺则几乎是闭模成型过程，挥发性有机物和有毒空气污染物均被局限于真空袋中。仅在真空泵中排气（可过滤）和打开树脂桶时才有微量的挥发物。

（5）成本低。

效率高和纤维含量高，树脂浪费率低于5%，比开模成型工艺节约劳动力50%以上。在芯材加入的前后，无需等待树脂的预浸和固化，可一次成型大型复杂几何形状的夹层和加筋结构，尤其对于单板加筋结构，其材料和人工费的节省相当可观。

（三）真空辅助成型在舰艇中的应用

真空辅助成型工艺自1996年在舰艇中获得成功应用后，经过几年应用技术的积累，现已在海军船舶中有了较大规模的发展。英国著名的研制FRP/CM反水雷舰艇的VT公司采用该工艺制造了Sandown级猎扫雷舰的所有上层建筑和主船体中的部分内部结构，这些结构能承受很强的爆炸冲击载荷，VT公司还为Compton Marine和Westerly等公司提供技术支持，用经济的SCRIMP工艺替代原来传统的开模成型工艺，制造了长14m的游艇，并开发了新一代游艇系列；瑞典海军73m长的Visby级隐身轻型护卫舰的艇体、甲板和上层建筑等也是采用SCRIMP工艺制造的，采用该工艺制造的还有Skjold级隐身巡逻艇。此外，美国海军正在研制的新型DD21Zumwalt级隐身驱逐舰也将采用SCRIMP成型工艺建造。

SCRIMP（Seamann Composites Resin Infusion Manufacturing Process）成型工艺是由美国Seamann Composites公司在20世纪80年代末开发出来的一种真空辅助成型工艺名称（图4-43）。

图4-43　SCRIMP工艺流程图

七、分片及合拢

船艇是分片制造、脱模后，再组装起来的。图4-44是一艘小帆艇，分成3块制作：下面是船艇的外壳模块；中间是甲板连同内底模块；上面还有一块舱棚（甲板的一部分）模块。三片制作好后再合成一个完整的艇体。用螺栓固定或采用二次胶接合拢。

图4-44　分片制作的船艇