連續(xù)纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料 (TPC) 具有高固有韌性、焊接組裝、可回收、快速成型等特性，因此零件成本更低。例如，沖壓成型可在幾分鐘內(nèi)生產(chǎn)出 TPC 零件，而使用熱固性復(fù)合材料則需要數(shù)小時(shí)。每架空客 A350 飛機(jī)上都使用了超過 5,000 個沖壓成型的 TPC 夾子和支架，ATC Manufacturing、柯林斯航空航天阿爾梅勒公司（前身為荷蘭熱塑性部件公司）、空客公司（前身為 Premium Aerotec）和Daher 等供應(yīng)商每年共為各種飛機(jī)生產(chǎn)超過 100 萬個零件。

短周期和自動化方法是滿足下一代窄體商用飛機(jī)、先進(jìn)空中機(jī)動系統(tǒng) (AAM)、無人機(jī) (UAV) 和無人機(jī)所追求的高生產(chǎn)率的關(guān)鍵。它們還能降低復(fù)合材料零件和組件的成本。

圖1.沖壓成型工藝和典型的熱塑性復(fù)合材料（TPC）航空航天部件。來源 | ATC Manufacturing

沖壓成型概述

TPC材料快速成型零件可以描述為熱成型、壓縮成型、沖壓成型或沖壓。沖壓成型工藝始于預(yù)壓實(shí)的毛坯，將其快速加熱，然后轉(zhuǎn)移到一組快速閉合的成型模具中，這些模具對毛坯進(jìn)行定型并冷卻零件。循環(huán)時(shí)間可達(dá)90秒，即使是大型復(fù)雜零件也能在15分鐘內(nèi)成型。

沖壓成型工藝的關(guān)鍵步驟包括：

• 材料準(zhǔn)備

• 空白合并

• 毛坯處理

• 毛坯加熱及傳送

• 零件成型、冷卻

• 工具考慮

圖2.毛坯組裝和固結(jié)方法。來源 | David Leach

材料準(zhǔn)備

該部件由預(yù)壓實(shí)的毛坯制成，其質(zhì)量對成品部件的性能至關(guān)重要。為了快速成型，必須在成型前對毛坯進(jìn)行壓實(shí)，以確保熱量快速傳遞到材料中，并確保鋪層的高質(zhì)量壓實(shí)。零件制造商可以從織物層壓板（也稱為有機(jī)板）上切割毛坯，這些織物層壓板由多家材料制造商提供，尺寸最大可達(dá) 12 × 4 英尺（3.7 × 1.2 米）。對于更多結(jié)構(gòu)性應(yīng)用，通常使用具有定制鋪層方向的單向 (UD) 帶。此類毛坯通常為非矩形，厚度可能不一。大多數(shù) TPC UD 帶的寬度最大僅為 12 英寸（305 毫米），并且邊緣必須在接縫處連接，沒有間隙或重疊。對于厚度可變的部件，毛坯中鋪層邊緣的位置是滿足設(shè)計(jì)公差的關(guān)鍵。最初人們認(rèn)為毛坯必須滿足與成品相同的質(zhì)量要求，但近年來，事實(shí)證明，高固結(jié)度（但非100%）的毛坯已足夠。這開啟了其他毛坯制備和固結(jié)方法的探索。

制備單向帶坯料（圖2）的方法有很多，包括手動和自動鋪層組裝、自動帶材鋪層 (ATL) 和自動纖維鋪放 (AFP)。可以手動或使用市售設(shè)備制備適當(dāng)方向（例如 0°、45°、90°）的長條形單向帶坯料。

TPC材料不具有粘性，因此必須對層板進(jìn)行局部加熱，使其以適當(dāng)?shù)姆较蛳嗷フ澈?。這可以通過手動或自動熱熔或超聲波焊接方法來實(shí)現(xiàn)，將相同方向的層板沿接縫處連接在一起，并將相鄰的層板沿厚度方向相互粘合。在熱固性預(yù)浸料中，ATL與寬膠帶一起使用，以形成平坦或略微彎曲的鋪層，而AFP則使用窄膠帶進(jìn)行輪廓鋪層。相比之下，TPC毛坯通常是扁平的。低能量可用于形成松散粘合的鋪層，然后必須在后續(xù)操作中壓實(shí)；高能量可用于充分壓實(shí)毛坯，然后可直接用于沖壓成型。因此，我使用術(shù)語“自動膠帶鋪放 (ATP)”來區(qū)分高能量或低能量的鋪層方法，而與預(yù)浸料寬度無關(guān)。連續(xù)壓縮成型 (CCM) 也用于制造毛坯，將膠帶按所需方向排列，形成堆疊的鋪層，然后在同一工藝中立即壓實(shí)。

空白合并

有許多方法可以將鋪層固結(jié)成層壓板，然后用作沖壓成型毛坯：

• 單擊

• 雙重壓榨（熱壓/冷壓）

• 連鑄連軋

• 高壓滅菌器

• 烤箱中僅使用真空袋（VBO）

• 高能沉積（ATP）

在沖壓成型過程中，毛坯將被重新加熱至熔融溫度，因此即使對于半結(jié)晶聚合物，毛坯中的聚合物微觀結(jié)構(gòu)也不會影響最終部件。

壓制方法已發(fā)展成熟，可高度自動化。壓制技術(shù)用于制造恒定厚度的層壓板，所選方法取決于所需的產(chǎn)量、資本支出和經(jīng)常性成本。單壓法循環(huán)時(shí)間較長，但可使用每層鋪層之間的墊板同時(shí)固結(jié)多層層壓板。在雙壓法中，“熱”壓機(jī)和“冷”壓機(jī)分別保持與工藝溫度和固化溫度相對應(yīng)的恒定溫度，毛坯自動在兩臺壓機(jī)之間穿梭。CCM 可實(shí)現(xiàn)連續(xù)自動化制造，鋪層以適當(dāng)?shù)姆较蜃詣哟┻^帶有熱區(qū)和冷區(qū)的模具，從而生產(chǎn)出非常長的層壓板。

使用高壓釜進(jìn)行TPC固結(jié)似乎有悖常理，但它可以同時(shí)固結(jié)多層板，并制造厚度可變的層板。真空真空管（VBO）烘箱固結(jié)是一種類似的方法，但僅使用真空壓力（14.7 psi/0.101 MPa），而不是高壓釜全壓（通常為100 psi/0.7 MPa），其優(yōu)勢在于無需壓力容器。大面積高溫烘箱成本低廉，與高壓釜或壓機(jī)相比，這可以顯著降低投資成本，同時(shí)還能經(jīng)濟(jì)地固結(jié)超大型層板。事實(shí)證明，VBO固結(jié)出的板坯質(zhì)量良好，但這取決于單向膠帶（UD膠帶）。最后一種選擇是高能單向膠帶（ATP），用于實(shí)現(xiàn)高固結(jié)度，通常超過90%。對于大型、非矩形且厚度可變的板坯，這是一個不錯的選擇。

毛坯處理

必須將固結(jié)的層壓板加工成適合成品部件的尺寸和形狀，以便在加熱和轉(zhuǎn)移過程中能夠固定毛坯。這通常使用與部件尺寸相符的夾具或固定框架來完成（圖3）。固定方法可能包括使用彈簧來控制毛坯在模具中成型時(shí)的移動。它也可以采用不會阻礙加熱的聚酰亞胺薄膜進(jìn)行支撐。毛坯通常在沖壓成型前進(jìn)行干燥，以防止高性能熱塑性聚合物吸收的少量水分在快速預(yù)熱過程中導(dǎo)致最終部件出現(xiàn)孔隙。

圖3.壓邊方法。來源 | Valeria Antonelli，博士論文，代爾夫特理工大學(xué)，2014年

毛坯加熱及傳送

毛坯通常在紅外線爐中加熱至工藝溫度，只需幾分鐘。對于較大的部件，可使用多區(qū)加熱爐，以確保整個毛坯均勻加熱。雖然快速加熱可以縮短循環(huán)時(shí)間，但最終毛坯溫度必須保持在特定范圍內(nèi)，該范圍應(yīng)足夠高以確保熔化和聚合物流動，但又不能超過聚合物降解的溫度。毛坯的整個長度、寬度和厚度都必須滿足這些條件。

使用嵌入熱電偶的毛坯進(jìn)行試驗(yàn)來調(diào)整工藝條件是正常的。圖 4 顯示了厚度為 0.2 英寸（5 毫米）的 UD 碳纖維/PEKK 帶毛坯中嵌入熱電偶的熱跡線。熱電偶位于零件的多個位置，包括靠近表面和厚度中心。加熱過程中，不同位置的跡線分散非常小，并且溫度在 644-752°F（340-400°C）的 PEKK 工藝溫度區(qū)內(nèi)趨于穩(wěn)定。毛坯通常加熱固定時(shí)間，因此重要的是每個循環(huán)的加熱保持一致，并且加熱循環(huán)結(jié)束時(shí)毛坯溫度的變化率要小，如圖 4 所示。

圖4.單向（UD）碳纖維增強(qiáng)帶部件沖壓成型的熱電偶軌跡。厚度為0.2英寸（5毫米）。來源 | ATC制造公司

該工藝中一個雖小卻非常關(guān)鍵的工序是將毛坯從預(yù)熱爐轉(zhuǎn)移到?jīng)_壓機(jī)。這一步驟必須快速完成，因?yàn)槊饕浑x開預(yù)熱爐溫度就會迅速下降（圖4）。通常情況下，從預(yù)熱爐到?jīng)_壓機(jī)的最長時(shí)間是5秒。由于聚合物處于熔融狀態(tài)，毛坯的完整性由纖維增強(qiáng)材料維持，因此毛坯通常會下垂，甚至可能從夾具中滑落。在設(shè)計(jì)夾持機(jī)構(gòu)以及在成型工具上的轉(zhuǎn)移和放置時(shí)，必須考慮到這一點(diǎn)。

零件成型、冷卻

圖5.實(shí)際成形問題。來源 | David Leach

為了達(dá)到所需的短循環(huán)時(shí)間，壓機(jī)必須快速閉合以成型零件，并且模具必須保持恒溫。這些要求的組合帶來了挑戰(zhàn)，因?yàn)檫B續(xù)纖維增強(qiáng)材料必須快速且持續(xù)地流動，同時(shí)又必須快速冷卻，這會導(dǎo)致聚合物粘度增加。

工具考慮

由于聚合物體積在冷卻和固化過程中顯著減小，成型部件的尺寸在冷卻過程中會發(fā)生變化。即使在固化后，尺寸也會由于聚合物冷卻至環(huán)境溫度而發(fā)生變化。這會導(dǎo)致“回彈”效應(yīng)，即成品部件的角部角度小于模具的角部角度。這可以通過結(jié)合模具和熱塑性復(fù)合材料 (TPC) 的熱膨脹系數(shù) (CTE) 與溫度的關(guān)系進(jìn)行建模。當(dāng)然，復(fù)合材料的熱膨脹系數(shù) (CTE) 具有高度各向異性，因此必須考慮每個鋪層特定鋪層方向的熱膨脹系數(shù) (CTE)。

為了使TPC成型和結(jié)晶，模具溫度通常超過400°F (204°C)，而毛坯與模具接觸時(shí)的溫度更高，因此通常需要使用金屬模具。在單模上使用彈性體模具或彈性體表面金屬模具在復(fù)雜零件成型方面具有優(yōu)勢，它們能夠提供一定的柔順性，最常見的模具設(shè)計(jì)是配套的兩部分模具組，但對于更復(fù)雜的零件，多部分模具的使用正在增加。

圖 6.使用 UD TPC 帶材成型可變厚度機(jī)身框架的多部件模具。來源 | Spirit AeroSystems，Ron Jones 在 2022 年 ACMA 熱塑性復(fù)合材料會議上的演講

建模與仿真

現(xiàn)在，可以使用AniForm等公司的軟件（用于成型）和Convergent Manufacturing（用于熱性能）等軟件，對成型和熱效應(yīng)進(jìn)行非常精確的模擬。可以提前識別潛在問題區(qū)域，并對毛坯設(shè)計(jì)、鋪層方向、毛坯張緊和模具設(shè)計(jì)進(jìn)行虛擬調(diào)整。模擬現(xiàn)在可以適應(yīng)材料-模具摩擦、可變厚度零件和柔性模具。

圖8顯示了使用UD TPC帶材成型復(fù)雜部件過程中變形應(yīng)變的建模。熱建模可以預(yù)測熔化和結(jié)晶過程中的熱滯后、熱梯度以及冷卻過程中的熱粘彈性行為。這可以計(jì)算殘余應(yīng)力并預(yù)測彈簧變形和翹曲，從而設(shè)計(jì)出熱補(bǔ)償模具。

圖 7.使用 UD TPC 膠帶和 AniForm 軟件成型窗框組件時(shí)的材料應(yīng)變偏差。來源 | ATC 制造

如今，TPC沖壓成型的基礎(chǔ)知識已得到充分理解，其優(yōu)勢有望在航空及其他行業(yè)得到廣泛應(yīng)用。TPC的持續(xù)發(fā)展將在未來帶來更廣泛的應(yīng)用。

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