為尋找低成本的工藝來為其半成品復(fù)合型材和管材添加功能化，并減少其產(chǎn)品中粘合劑的使用，Epsilon composite與其注塑合作伙伴Somocap共同開發(fā)了熱塑性復(fù)合材料注射包覆工藝并申請了專利

Epsilon復(fù)合材料公司（法國）專注于碳纖維與環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的拉擠和拉繞工藝，與許多其他工藝相比，可以更快地制造中大型系列高性能碳纖維復(fù)合材料部件，且成本更低。

自上世紀80年代末成立以來，該公司已經(jīng)為航空航天、工業(yè)和其他市場的應(yīng)用領(lǐng)域制造了各種各樣的半成品拉擠型材。對于許多由Epsilon復(fù)合材料公司型材和管材制成的最終用途部件比如像飛機支柱、工業(yè)零件、技術(shù)滾輪等，金屬或塑料端部配件和插入件通常被粘合到這些終端用途部件上，以增加其功能或為其他部件提供連接點。

然而，粘接需要添加幾個步驟，通常是手工步驟：表面準備，應(yīng)用和粘結(jié)劑固化。這使得粘合劑粘接對于許多每年需要數(shù)千個零件的大型系列應(yīng)用來說成本較高且勞動密集。在某些情況下可以使用機械緊固件代替，但這也帶來了其他挑戰(zhàn)，例如可能會增加重量和組裝步驟，以及在拉擠部件上加工孔的必要性，這通常會降低其機械性能。

2012年，該公司開始試驗其他方法，為通過拉擠或拉繞制造的部件添加終端件或其他功能。Epsilon 復(fù)合材料公司副首席執(zhí)行官亞歷山大·魯爾解釋道，我們的目標(biāo)就是找到一種可以生產(chǎn)低成本、高質(zhì)量產(chǎn)品的方法。

一種想法是使用復(fù)合材料注射成型作為一種手段，將金屬端件連接到拉擠型材上。魯爾說，之所以選擇使用玻璃或碳纖維增強熱塑性塑料的注射成型工藝，是因為它可以補充公司使用的拉擠或拉卷工藝帶來的低周期和大容量生產(chǎn)能力。

然而，挑戰(zhàn)在于Epsilon公司的拉擠型材是由環(huán)氧樹脂或其他熱固性樹脂基體制成的，注塑過模引入了熱塑性基體，在高熱高壓下注射，具有不同的熱膨脹系數(shù)。

流程開發(fā)和第一個原型件實現(xiàn)

在接下來的幾年里，Epsilon公司找出了實現(xiàn)其混合熱固性復(fù)合材料拉擠組件與熱塑性塑料的最佳方法。為此，Epsilon與其注塑合作伙伴Somocap（法國）密切合作。我方提供了工程和復(fù)合材料知識，對方帶來了注塑機械和工藝知識，Epsilon研發(fā)人員解釋道。

根據(jù)2021年其在美國專利的申請，該工藝包括幾個步驟：首先，通過拉卷或拉擠生產(chǎn)空心管狀熱固性復(fù)合材料型材。然后加工型材的端部，以允許端部配件的形狀被附加，這為型材附加提供了一個粗糙的表面區(qū)域。接下來，在注塑機中將工具/塞子放置在型材內(nèi)，然后在指定的熱量和壓力下將熱塑性塑料注入到型材和端件周圍，將它們結(jié)合在一起。

碳纖維/環(huán)氧樹脂拉擠和拉繞專家。這些圖像顯示Epsilon公司拉繞之前（上）和拉繞之后（下）通過加熱模具固化的情形

最終，該方法可以用于將傳統(tǒng)的金屬端件連接到拉擠型材或管上，也可以完全替換金屬，并通過包覆成型添加熱塑性復(fù)合材料部件。

該技術(shù)的首次展示是在碳纖維/環(huán)氧樹脂拉擠管頂部注入聚醚醚酮(PEEK)。Epsilon公司研發(fā)人員說道，PEEK是在大約300°C的高溫下注入，所以我們必須確保熱固性復(fù)合材料管的樹脂基質(zhì)能夠在短時間內(nèi)維持這個溫度。通過反復(fù)試驗，研發(fā)團隊找到了快速注射過模工藝和所需的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度(Tg)熱固性基質(zhì)的正確組合，以產(chǎn)生可重復(fù)的結(jié)果，盡管材料不同，但不會損壞拉擠管。

該專利指出，這種方法很簡單。因為它可能只需要幾個步驟，但它可以獲得可以承受強牽引、壓縮、溫度梯度的組件，并使用不同膨脹系數(shù)的材料。

魯爾指出，已經(jīng)使用了一系列材料，從相對低成本的玻璃纖維填充聚酰胺6 (PA6)，到更高性能的材料，如PEEK，聚苯硫醚(PPS)或聚醚酰亞胺(PEI)，用玻璃或碳纖維增強。如果需要，也可以使用無增強體的樹脂系統(tǒng)。

與其他方法相比，比如粘接，使用機械緊固件，甚至在端頭接頭頂部纏繞絲等，包覆成型的好處包括更低的成本，減輕重量和提高抗沖擊能力。如果用熱塑性塑料代替金屬，也可以消除腐蝕風(fēng)險。

這種解決方案還可以增加可持續(xù)性的好處：化學(xué)溶劑和粘合劑從工藝中去除，再加上使用熱塑性塑料作為連接方法，可以在部件壽命結(jié)束(EOL)時將兩個組件分離，增加可回收性的潛力。此外，在注射過程中沒有廢料。任何產(chǎn)生的廢料都可以熔化并在注塑過程中重復(fù)使用。

商業(yè)應(yīng)用:工業(yè)、航空航天、農(nóng)業(yè)

在開發(fā)和驗證了原型件之后，該技術(shù)的第一個商業(yè)應(yīng)用案例是在2015年與一家美國公司合作，制造用于工業(yè)機器人的拉桿。

魯爾繼續(xù)說道，我們與工業(yè)客戶的合作，第一個主要業(yè)務(wù)就是航空航天。2018年，該公司與空客公司（法國）開始了研發(fā)項目。這項工作源于之前的研發(fā)合作，在該合作中，Epsilon展示了其拉擠技術(shù)，用于制造帶有粘結(jié)金屬端件的高性能管狀結(jié)構(gòu)支柱。Epsilon成功地展示了零部件的性能和制造過程的可靠性，達到了TRL 6和空客的內(nèi)部標(biāo)準。然而，該項目沒有進行商業(yè)運作，因為結(jié)構(gòu)粘合被認為對關(guān)鍵的航空航天結(jié)構(gòu)風(fēng)險太大。為了應(yīng)對這些風(fēng)險，Epsilon開發(fā)了一種專門設(shè)計的工藝，并為其申請了專利，該工藝符合航空航天標(biāo)準，但該工藝更昂貴，無法節(jié)省時間和成本。

第一個應(yīng)用:工業(yè)。Epsilon的核心終端市場之一，如機械臂或機器人的工業(yè)應(yīng)用，是其注塑包覆成型連接工藝的第一個應(yīng)用

與此同時，Epsilon和Somocap開發(fā)了一種新的包覆工藝，并開始商業(yè)化生產(chǎn)工業(yè)零件。因此，在與空客公司合作的下一個支柱研發(fā)迭代中，Epsilon引入了末端配件的包覆成型解決方案，以滿足其優(yōu)化成本和在零件和工藝上的高可靠性需求。

隨后雙方公司進行了為期一年半的密集開發(fā)過程，旨在找到合適的參數(shù)和工具，以最佳地將末端配件包覆到熱固性復(fù)合材料拉擠管上。最終，該支柱取得了成功，與傳統(tǒng)的由纖維纏繞或預(yù)浸料制成的復(fù)合材料支柱相比，成本節(jié)省了50%。這些支柱最終獲得了空客的商業(yè)使用資格，Epsilon繼續(xù)向航空航天市場提供這些部件。

在工業(yè)和航空航天市場取得初步成功后，Epsilon表示，在其許多大規(guī)模訂單中，注塑包覆成型是一種經(jīng)濟有效、可靠的替代粘合劑的方法

魯爾說，這對航空航天來說是一個很大的優(yōu)勢。這項技術(shù)消除了粘合甚至機械緊固件失效的風(fēng)險，我們已經(jīng)證明了這一工藝能夠持續(xù)生產(chǎn)數(shù)千個可靠的高質(zhì)量零件，而且沒有廢料。他補充說，這種解決方案可以使用無損檢測(NDI)方法對零件進行可靠有效的評估，而這種方法無法用于粘接部件。

除了航空航天，該公司還在農(nóng)業(yè)機械上進行了商業(yè)演示，與客戶合作，用50米寬的拉擠復(fù)合臂取代了工業(yè)拖拉機的鋼噴油臂。Epsilon的銷售總監(jiān)羅曼?庫萊特解釋說，鋼吊桿不能太寬，因為它們更重，也不那么堅硬。復(fù)合材料更堅固、更輕，并消除了潛在的腐蝕問題，因此有很多好處，但生產(chǎn)率是最大的優(yōu)勢。更大的吊桿可以在更短的時間內(nèi)成型，提高效率。

市場上還有其他復(fù)合材料吊桿。Epsilon公司生產(chǎn)的是一種桁架形狀的拉擠結(jié)構(gòu)，庫萊特說，這使得它在盡可能低的重量和最少的材料使用量下高度優(yōu)化了高剛度，從而降低了總成本。

該技術(shù)已成為Epsilon在終端市場上用于大型系列零件的首選解決方案。該公司已經(jīng)制造了成千上萬個零故障的零件，且非常具有成本競爭力。未來很有可能在所有終端市場中取代中型和大型系列部件的粘接。

Epsilon的研發(fā)團隊表示將繼續(xù)優(yōu)化其包覆工藝，使整體工藝和工作流程在拉擠和注射之間更快、更高效，并開發(fā)適合小批量應(yīng)用的低成本或模塊化模具。

此文由中國復(fù)合材料工業(yè)協(xié)會翻譯，文章不用于商業(yè)目的，僅供行業(yè)人士交流，引用請注明出處。