材料與工藝：復(fù)合材料工裝復(fù)合材料零件是在模具中形成的，也稱為工具。工具幾乎可以由任何材料制成。材料類型、形狀和復(fù)雜性取決于生產(chǎn)運(yùn)行的部分和長(zhǎng)度。以下是對(duì)選擇和制作工具所涉及的問題的簡(jiǎn)短總結(jié)。

因瓦工具，如圖所示的這些巨大的機(jī)翼蒙皮工具，是最耐用的金屬工具的例子，這一類別有時(shí)被稱為硬質(zhì)工具。盡管相對(duì)較重且昂貴，但金屬模具能夠承受數(shù)千個(gè)生產(chǎn)周期。因瓦和其他金屬模具由高性能鋼和鎳合金制成，是耐用的工具材料，但也很昂貴，而且由于很少有復(fù)合材料制造商擁有加工和拋光此類材料所需的設(shè)備，他們通常需要工具制造專家的服務(wù)。來(lái)源| Ascent 工具集團(tuán)

復(fù)合材料零件是在模具中形成的，也稱為工具。工具幾乎可以由任何材料制成。對(duì)于將少量生產(chǎn)并可在環(huán)境或低溫下固化的零件，或者對(duì)于尺寸精度的嚴(yán)格控制不是最重要的原型零件，玻璃纖維、高密度泡沫、可加工環(huán)氧板甚至粘土或木材/石膏模型等材料通常是合適的。使用聚合物的額外制造或 3D 打印工具在原型和生產(chǎn)零件中也越來(lái)越常見。然而，隨著對(duì)零件性能和/或精加工表面美觀性的要求越來(lái)越嚴(yán)格，以及要生產(chǎn)的零件數(shù)量的增加，工具成本和復(fù)雜性也會(huì)增加。例如，高速生產(chǎn)工具通常由堅(jiān)固的金屬制成，這些金屬能夠經(jīng)受住重復(fù)的循環(huán)，并保持良好的表面光潔度和尺寸精度。形成高性能復(fù)合材料零件的模具可以由碳纖維/環(huán)氧樹脂、單片石墨、可澆鑄石墨、陶瓷或金屬（通常是鋁、鋼及其合金）制成。在所有情況下，每種材料都有其獨(dú)特的功能和缺點(diǎn)。

金屬工具有時(shí)被稱為硬工具，盡管相對(duì)較重且昂貴，但能夠承受數(shù)千個(gè)生產(chǎn)周期。最耐用但也最昂貴的是由高性能鋼和鎳合金制成的，如因瓦合金。由于很少有復(fù)合材料制造商擁有加工和拋光金屬工具所需的設(shè)備，尤其是因瓦，因此他們通常需要工具制造專家的服務(wù)。

復(fù)合材料工具，有時(shí)被稱為軟工具，比金屬工具更容易制造，因?yàn)樗鼈冇膳c復(fù)合材料制造商將用于零件的材料相似的材料制成，所以可以在內(nèi)部制造。但正如“軟”標(biāo)志所表明的那樣，它們更容易磨損，而且它們通常在相對(duì)低產(chǎn)量的生產(chǎn)中找到服務(wù)。然而，幾種工具可以用復(fù)合材料制成，其成本低于單個(gè)硬質(zhì)工具的成本。這使得更大的容量可以負(fù)擔(dān)得起。與在硬質(zhì)工具上制造的零件一樣，在復(fù)合材料工具上制成的零件可以在熱壓罐或烤箱中固化，也可以通過(guò)整體加熱進(jìn)行固化，其中加熱元件放置在工具內(nèi)部。

CTE?管理材料

制造復(fù)合材料零件的工裝，一個(gè)關(guān)鍵問題是熱膨脹系數(shù)（CTE-thermal expansion）失配現(xiàn)象。在這里，復(fù)合材料工裝比金屬工裝有優(yōu)勢(shì)。由工具預(yù)浸料制成的復(fù)合工具具有接近零件CTE的CTE。在固化過(guò)程中，工具和零件的收縮和熱膨脹將非常相似。這有助于保持零件的尺寸精度。

大多數(shù)金屬工具材料和它們形成的零件中的復(fù)合材料在CTE 方面是不匹配的。C-20鋼和鋁是金屬工具的常見選擇，因?yàn)榕c高性能合金相比，它們更便宜，并且通常在交付前需要更短的交付周期。然而，在加熱固化過(guò)程中，較不昂貴的金屬工具材料和復(fù)合材料之間的 CTE失配通常過(guò)于極端，無(wú)法用于成型精密公差復(fù)合材料零件。只有價(jià)格更高的金屬合金才能提供更接近的 CTE 匹配。例如，在工裝金屬中，因瓦合金提供的 CTE 非常接近碳纖維復(fù)合材料的 CTE。出于這個(gè)原因，它一直是必須制造到極嚴(yán)格公差的零件的首選。但因瓦也是最昂貴的工具材料，尤其是當(dāng)它用于大型零件時(shí)，工具的巨大尺寸和重量使其難以處理。然而，在某些情況下，鋼和鋁工具在固化循環(huán)過(guò)程中的熱膨脹可用于模具設(shè)計(jì)，有目的地壓縮和鞏固零件元素。

該生產(chǎn)復(fù)合材料工具由在相對(duì)較低的溫度下固化的碳/環(huán)氧樹脂制成，然后在高達(dá)200°C 的溫度下進(jìn)行獨(dú)立后固化。這種相對(duì)低溫的固化制度允許使用更具成本效益的主材料，這降低了整體工具成本。來(lái)源| Ascent 工具集團(tuán)

延長(zhǎng)模具預(yù)期壽命

特別是航空航天行業(yè)的制造商，長(zhǎng)期以來(lái)一直表示希望獲得能夠承受數(shù)千次熱壓罐固化循環(huán)的碳纖維工具材料，比如因瓦鋼。為了提高復(fù)合材料工具的耐用性，一些供應(yīng)商提供混合工具設(shè)計(jì)，例如，將薄因瓦面板與復(fù)合材料支撐結(jié)構(gòu)相結(jié)合，或?qū)⑻寂菽九c復(fù)合材料面板相結(jié)合。這種技術(shù)已經(jīng)發(fā)展到可以在耐用性領(lǐng)域與因瓦競(jìng)爭(zhēng)，但這只是因瓦重量和成本的一小部分。例如，Janicki Industries（美國(guó)華盛頓州Sedro Woolley）使用樹脂注入生產(chǎn)了幾乎無(wú)空隙的300層雙馬來(lái)酰亞胺（BMI）層壓板，這使該公司能夠生產(chǎn)BMI/碳復(fù)合材料坯料，這些坯料可以用數(shù)控加工成更便宜、密度是因瓦當(dāng)量的五分之一的精密模具。Janicki正在將這項(xiàng)技術(shù)用于航空航天肋骨、翼梁和長(zhǎng)桁工具，其中的零件將經(jīng)過(guò)熱壓罐固化、高溫環(huán)氧樹脂和碳纖維。與環(huán)氧樹脂相比，BMI大大延長(zhǎng)了工具的使用壽命，環(huán)氧樹脂在生產(chǎn)運(yùn)行期間通常無(wú)法承受幾天高達(dá) 177°C 的循環(huán)，這可能會(huì)延長(zhǎng)到幾年。

這一類別中的另一種高性能工裝產(chǎn)品是來(lái)自赫氏（Hexcel-美國(guó)加利福尼亞州都柏林）的 HexTOOL。它是一種可機(jī)械加工的碳纖維/BMI 復(fù)合工裝材料，包括BMI 預(yù)浸料條，這些預(yù)浸料隨機(jī)切碎并分布在離型紙上，形成厚的粘性墊。在疊層和固化后，它可以像金屬一樣機(jī)械加工，具有與碳/環(huán)氧樹脂零件匹配的 CTE，可以在500?次熱壓罐循環(huán)中存活，所有這些都具有與現(xiàn)有替代品相當(dāng)?shù)臉?gòu)建時(shí)間和成本。

其他工具壽命更長(zhǎng)的高溫技術(shù)包括 3M Advanced Materials Division（美國(guó)明尼蘇達(dá)州圣保羅市）的Fortified Tooling Preprep （ FTP ） BMI 和 Airtech International Inc.（美國(guó)加利福尼亞州亨廷頓比奇市）的Beta Preprep 模具系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用了 Henkel（美國(guó)康涅狄格州洛基希爾市）的苯并惡嗪（benzoxazine’s ）樹脂。

兩者都是熱壓罐固化的，其配方師聲稱，與環(huán)氧樹脂相比，它們表現(xiàn)出更低的樹脂收縮率和優(yōu)異的機(jī)械加工性能。高速率工具的碳/BMI：對(duì)于高速率復(fù)合材料生產(chǎn)工具，可以指定碳/雙馬來(lái)酰亞胺（BMI）材料組合。碳/BMI 工具在后固化后顯示，因?yàn)樗粰C(jī)加工到最終公差。來(lái)源| Ascent 工具集團(tuán)

由 TenCate Advanced Composites（現(xiàn)為美國(guó)加利福尼亞州摩根山市東麗高級(jí)復(fù)合材料公司）分銷的3M BMI TC-44 Si 使用 40%（重量）的微觀二氧化硅顆粒負(fù)載量，與可比的未填充熱壓罐固化 BMI 預(yù)浸料相比，使全厚度 CTE 減少 15%，線性 CTE 減少40%，線性固化收縮減少 50%。這些改進(jìn)共同減少了熱應(yīng)力和零件變形，并有望顯著限制回彈（由于復(fù)合材料中的固化收縮，零件有偏離成型形狀的趨勢(shì)）。

其他好處包括更好的耐劃傷性和斷裂韌性，減少微裂紋，質(zhì)量放熱率降低 40%，從而大大改善了熱管理，這對(duì)厚零件制造尤其重要。Airtech 聲稱其 Beta 預(yù)浸料具有類似的性能和生產(chǎn)效益，該預(yù)浸料使用苯并惡嗪（benzoxazine’s ）的獨(dú)特化學(xué)成分代替納米二氧化硅，并已證明回彈減少了 70%。此外，其六個(gè)月的環(huán)境存儲(chǔ)壽命基本上消除了工具項(xiàng)目的冷凍存儲(chǔ)要求，并降低了運(yùn)輸成本。到目前為止，用戶報(bào)告說(shuō)，這種材料具有更大的粘性，這減少了鋪放時(shí)間，并且需要更少的中間去毛刺。Airtech 表示，BetaPrepreg 與 BMI 相比具有成本競(jìng)爭(zhēng)力，但認(rèn)為其性能和制造效率可以使天平朝著對(duì)其有利的方向傾斜。

傳統(tǒng)金屬的另一種替代方案是工具制造工藝，該工藝使用鎳氣相沉積（NVD-nickel vapor deposition）工藝來(lái)生產(chǎn)相對(duì)薄的鎳殼工具面，該工具面支撐在背襯結(jié)構(gòu)上。NVD 工藝可以生產(chǎn)出實(shí)現(xiàn)高尺寸保真度的工具，鎳殼工具面表現(xiàn)出低 CTE、長(zhǎng)使用壽命，并且因?yàn)樗葯C(jī)械加工的金屬工具體積小得多，重量輕，并且比其他材料更容易加熱和冷卻模具。NVD 專家 WeberManufacturing Technologies 股份有限公司（加拿大安大略省米德蘭市）生產(chǎn)鎳殼工具，應(yīng)用范圍從汽車車身面板到飛機(jī)內(nèi)部?jī)?chǔ)物箱。

Surface Generation Ltd.（英國(guó)拉特蘭）為加熱模具提供了一種先進(jìn)的方法。其按功能規(guī)范生產(chǎn)（PtFSProduction to Functional Specification ）工藝技術(shù)包括一系列主動(dòng)熱管理選項(xiàng)。工具可以被設(shè)計(jì)為使得模具溫度可以被動(dòng)態(tài)地控制到零件中的各個(gè)區(qū)域或區(qū)域以及成形和固化過(guò)程的漸進(jìn)階段的精確要求。這些區(qū)域的隔離和單獨(dú)控制使制造商能夠連續(xù)、快速地實(shí)時(shí)調(diào)整每個(gè)區(qū)域的加熱和冷卻水平，從而優(yōu)化零件質(zhì)量并最大限度地提高產(chǎn)量。

EireComposites 公司。（愛爾蘭戈?duì)栱f郡愛爾蘭復(fù)合材料公司）開發(fā)了一種名為 MECH-Mould Efficient Cooling and Heating（模具高效冷卻和加熱）的整體加熱工具專利技術(shù)。所得到的模具具有電加熱元件，該電加熱元件使用鋁硅酸鹽型陶瓷水泥嵌入，該水泥提供低CTE、密度、熱質(zhì)量和電導(dǎo)率。碳纖維增強(qiáng)增強(qiáng)了陶瓷的低抗拉強(qiáng)度。聚醚醚酮（PEEK）高性能熱塑性聚合物用作碳纖維和陶瓷之間的粘合層。由于陶瓷在60°C 時(shí)變得堅(jiān)硬，因此可以在廉價(jià)的圖案上制作工具。首次低溫固化后，將模具從圖案中移除，然后通過(guò)獨(dú)立后固化處理至全溫度（200°C 至 400°C）。據(jù)報(bào)道，對(duì)于厚度至少為 15mm的工具，測(cè)得的平面內(nèi)CTE 小于5.0 x 10-6/°C，根據(jù)?éireComposites 的說(shuō)法，這通常被認(rèn)為是大多數(shù)玻璃和碳纖維復(fù)合材料的“匹配值”。使用 10 kW/m2 的電功率密度，這種類型的工具表面可以在不到 10?分鐘的時(shí)間內(nèi)加熱到200°C。

嵌入式電阻布線或其他電氣手段并不是整體加熱工具的唯一方法。利用強(qiáng)制空氣加熱和冷卻的內(nèi)置管道工具在航空航天行業(yè)已經(jīng)使用了幾十年。風(fēng)電行業(yè)多年來(lái)一直在加熱模具中注入疊層，通常使用流體導(dǎo)管。使用加熱和冷卻液體成型復(fù)合材料首先受到 VEC Technology LLC（美國(guó)賓夕法尼亞州格林維爾）浮動(dòng)模具技術(shù)的吸引，最近又受到 Quickstep Holdings Ltd.（澳大利亞新南威爾士州班克斯敦）“平衡壓力流體成型”技術(shù)的吸引。其他系統(tǒng)包括 Techni Modul Engineering（法國(guó)庫(kù)德斯）的自加熱工具，該工具具有流體循環(huán)系統(tǒng)。這些工具方法可以使用各種介質(zhì)（油、水或金屬基流體）來(lái)對(duì)薄而輕的工具殼進(jìn)行溫度控制，并且它們比 RTM 中使用的傳統(tǒng)金屬工具成本更低。Regloplas Corp.（瑞士圣加侖和美國(guó)密歇根州圣約瑟夫）提供的另一種有效方法是，將一種用熱水加熱水管模具的系統(tǒng)與加壓水相結(jié)合，同時(shí)模具在固化周期中位于熱壓罐內(nèi)。加壓水裝置直接加熱工具。

因此，它比熱壓罐的對(duì)流加熱系統(tǒng)更快、更有效地將熱量傳遞到零件上，后者加熱容器內(nèi)的空氣，而不是直接加熱工具。因此，熱壓罐主要用于提供固結(jié)疊層的壓力。因此，在固化過(guò)程中的總能量消耗通常大大減少。Single Temperature Controls 股份有限公司（美國(guó)北卡羅來(lái)納州夏洛特市）和 Westminster Solutions股份有限公司（美國(guó)康涅狄格州普萊恩菲爾德市）也提供用于管道工具的加熱流體系統(tǒng)。

在某些情況下，商業(yè)化的工具設(shè)計(jì)軟件將建模和制造工具（包括備份結(jié)構(gòu)）所需的時(shí)間減少了80%。

可用的檢查系統(tǒng)為工具供應(yīng)商和制造商提供了一種在生產(chǎn)前和生產(chǎn)過(guò)程中驗(yàn)證工具尺寸精度的方法。近年來(lái)，在更高的溫度下保持尺寸穩(wěn)定性的各種低成本建模材料已經(jīng)進(jìn)入了傳統(tǒng)的工具制造。

一個(gè)日益增長(zhǎng)的趨勢(shì)是使用增材制造（3D 打?。┛焖賱?chuàng)建原型工具、夾具和模具，甚至用于復(fù)合材料零件的疊層工具，從而實(shí)現(xiàn)更快的設(shè)計(jì)周期。更大、更強(qiáng)大的 3D 打印基礎(chǔ)設(shè)施以及更高溫度的樹脂和碳纖維增強(qiáng)材料的增長(zhǎng)將加速這一趨勢(shì)。此外，大尺寸增材制造繼續(xù)發(fā)展，特別是針對(duì)下一代航空航天應(yīng)用：“大型增材機(jī)器處理大型模具。”

模具準(zhǔn)備付費(fèi)

無(wú)論工具材料如何，脫模劑的重要性都不是過(guò)分強(qiáng)調(diào)。脫模會(huì)在模具和零件之間形成一道屏障，防止零件/模具粘附，并有助于零件拆卸。對(duì)于開放式成型，大多數(shù)脫模劑要么是蠟，要么是基于聚合物化學(xué)物質(zhì)。在某些情況下，脫模紙會(huì)應(yīng)用到模具上。其中，大多數(shù)是基于溶劑的載體溶液中的聚合物，例如脂肪族烴混合物。一些制造商更喜歡基于石腦油的釋放，這種釋放具有更長(zhǎng)的保質(zhì)期和更快的蒸發(fā)速率，并且被認(rèn)為對(duì)復(fù)合工具表面的破壞較小。越來(lái)越嚴(yán)格的排放法規(guī)鼓勵(lì)了水性排放的發(fā)展，這種排放不產(chǎn)生揮發(fā)性有機(jī)化合物，更容易清潔，對(duì)皮膚刺激的風(fēng)險(xiǎn)更小。

半永久性聚合物脫模系統(tǒng)使多個(gè)零件能夠在一次應(yīng)用中成型和脫模，而糊狀蠟需要對(duì)每個(gè)零件重新應(yīng)用。半永久性脫模劑-優(yōu)選用于更好地控制揮發(fā)性有機(jī)化合物（VOC-volatile organic compounds）排放-是專門為滿足樹脂轉(zhuǎn)移模塑（RTM）和其他閉模工藝的需求而配制的。

添加到樹脂或凝膠涂層中的內(nèi)部脫模劑，替代或添加到模具表面的外部脫模劑中，可進(jìn)一步減少排放，對(duì)零件的物理財(cái)產(chǎn)和表面光潔度的影響可以忽略不計(jì)。拉擠加工需要內(nèi)部脫模劑，因?yàn)榱慵沁B續(xù)拉動(dòng)通過(guò)模具的，不允許將外部脫模劑間歇性應(yīng)用于模具表面。

固定、修整、鉆孔就工裝夾具而言，這通常是需要后固化修整或鉆孔的非常大的復(fù)合材料零件的主要費(fèi)用，許多方法是可能的，包括將零件固定在適當(dāng)位置以進(jìn)行后固化CNC加工的鋁或鋼結(jié)構(gòu)。CMS北美股份有限公司（美國(guó)密歇根州喀里多尼亞）是提供通用夾具的幾家公司之一，該夾具可快速符合零件形狀，并牢固固定以進(jìn)行后期固化操作。

Janicki開發(fā)了復(fù)合材料貼面和鉆孔夾具生產(chǎn)技術(shù)，與金屬相比可以節(jié)省成本。與大型金屬結(jié)構(gòu)相比，Janicki 使用其低成本的工具技術(shù)（帶有機(jī)械膩?zhàn)雍筒ＡЮw維的木結(jié)構(gòu)）實(shí)現(xiàn)了相同的公差，但成本要低得多。這是可能的，因?yàn)樗坝?jì)時(shí)（clocks in）?”銑削頭的位置精度。Janicki 再次使用該工具的模式來(lái)制作這些低成本的修剪和鉆孔夾具。因此，制造夾具的方法在工具制造中是付費(fèi)的，這導(dǎo)致了顯著的節(jié)約。

注：原文見，《Materials & Processes: Tooling for composites?》2022?年?5?月?7?日更新|2016年3月23日發(fā)布

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