復(fù)合材料成型新技術(shù)和新型模具材料

鎳鋼合金Invar過去一直是大批量復(fù)合材料部件首選的模具材料，因?yàn)槠淠途眯院蜔崤蛎浵禂?shù)（CTE）與部件成型用的增強(qiáng)塑料相近。但是，隨著復(fù)合材料部件越來越大，金屬模具的過重問題給加工廠帶來了新的挑戰(zhàn)。因此，許多制造商轉(zhuǎn)而采用復(fù)合材料工具，以降低重量，避免較高的鎳鋼加工成本。

　　美國復(fù)合材料制造商協(xié)會(huì)（ACMA）前技術(shù)總監(jiān)Bob Lacovara說，越來越多的模具開始采用環(huán)氧樹脂和碳纖維來制造，特別是對尺寸和模具穩(wěn)定性要求比較高的場合。

　　“環(huán)氧樹脂比聚酯樹脂稍微耐用一點(diǎn)，它們具有較高的熱穩(wěn)定性，因此在需要高溫固化的應(yīng)用中，環(huán)氧樹脂是一個(gè)很好的選擇。”Lacovara說。他最近入選了ACMA杰出人物。 　

　　摒棄模型

　　“我認(rèn)為最新最偉大的創(chuàng)新是直接模具的數(shù)控加工，它消除了模具生產(chǎn)過程中制造模型的步驟。”他說，“因?yàn)槟Ｐ退貌牧媳旧矶加幸恍┫拗?，而且部件的表面質(zhì)量要求也是一個(gè)問題。”

　　“下一步就是開發(fā)出一種可以獲得A級表面的技術(shù)，從而大大降低加工的成本和時(shí)間。”Lacovara說到。Lacovara領(lǐng)導(dǎo)著一家名為Convergent復(fù)合材料的咨詢公司。

　　美國佛羅里達(dá)州的一家模具制造廠Mollicam采用五軸CNC（計(jì)算機(jī)數(shù)控）加工中心為復(fù)合材料行業(yè)生產(chǎn)模型、原型和模具，可以為臨時(shí)的和產(chǎn)量有限的模具加工直接模具。該工廠有四臺(tái)CNC機(jī)床，用于生產(chǎn)模具、船體和其他復(fù)合材料部件。其中一個(gè)直接模具項(xiàng)目來自船艇制造商Wellcraft Marine公司。

　　“客戶想要測試一個(gè)新的船體設(shè)計(jì)，需要一個(gè)模具生產(chǎn)出一個(gè)部件，讓其在水中實(shí)際行駛。”Mollicam公司總裁Jeremy Mollica說到，“如果該部件運(yùn)行良好，他們計(jì)劃用該模具再生產(chǎn)一個(gè)部件，并將其轉(zhuǎn)換為玻纖母模。然后他們將由此制造一個(gè)生產(chǎn)用模具。”

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在制備傳統(tǒng)模具過程中，Mollicam采用五軸CNC刨槽機(jī)對一個(gè)船體模型進(jìn)行加工。其模具就是根據(jù)該模型制造的

　　“直接模具以客戶的需求為基礎(chǔ)，我們經(jīng)常加工直接模具，特別是一次性的部件。我們參與了許多主題樂園和船艇行業(yè)的項(xiàng)目。藝術(shù)作品和雕塑通常也都是一次性的項(xiàng)目。”他說。

　　模具材料根據(jù)客戶制造部件所用的材料來確定。

　　“如果是一次性項(xiàng)目，而且表面質(zhì)量要求不是很高。我們將直接加工成泡沫，然后在表面涂覆一層密封膠。”Mollica解釋說，“如果只生產(chǎn)一個(gè)部件，但對表面質(zhì)量要求較高的話，我們會(huì)將泡沫尺寸加工的小一點(diǎn)，然后附上一層玻璃，再在玻璃層壓板上噴涂一層工程油灰。我們會(huì)將最后的表面制作的稍高一點(diǎn)，然后再進(jìn)行加工，使其變低。”

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Mollicam工廠正使用五軸CNC刨槽機(jī)為船體加工直接模具

　　“在為20個(gè)或20個(gè)以上的大量部件制造模具時(shí)，最好先生產(chǎn)一個(gè)模型。”Mollica說，“有了模型就可以生產(chǎn)出足夠堅(jiān)固的模具。如果模具需要進(jìn)入高壓釜，經(jīng)常加熱，我們就要對模型進(jìn)行機(jī)加工，從而使生產(chǎn)出的模具達(dá)到高溫要求。”

　　根據(jù)計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)進(jìn)行的CNC加工是非常精確的。母模生產(chǎn)用的可加工復(fù)合材料模具板和板材來自不同的制造商。這些產(chǎn)品范圍從聚氨酯泡沫、合成環(huán)氧樹脂到碳泡沫。這些材料粘結(jié)在一起后，被加工成特定的模具形狀，然后將其密封防止層壓樹脂滲透，并用雙馬來酰亞胺或環(huán)氧層壓板包覆，最后才進(jìn)行機(jī)加工。

　　位于華盛頓州的美國領(lǐng)先的復(fù)合材料模具制造商Janicki工業(yè)公司開發(fā)了世界上最大的CNC刨槽機(jī)之一。該機(jī)械的外殼尺寸最大可達(dá)30.5×6×2.4米。

內(nèi)容來自123456

　　大型航空航天模具

　　Northrop Grumman航空航天系統(tǒng)制造開發(fā)工程師Bob Vale說，機(jī)身結(jié)構(gòu)不斷增加復(fù)合材料的用量，也變得越來越大越來越復(fù)雜。去年，在加利福尼亞圣地亞哥舉辦的制造工程師學(xué)會(huì)（SME）復(fù)合材料模具大會(huì)上，他提到Northrop早已將雙馬來酰亞胺（BMI）作為模具加工的最佳復(fù)合材料，并在飛機(jī)制造商的項(xiàng)目中不斷取得成功。


Janicki工業(yè)公司開發(fā)并使用的這臺(tái)先進(jìn)的超大CNC刨槽機(jī)最大外殼尺寸為30.5×6×2.4米

　　Northrop已經(jīng)設(shè)計(jì)制造了600多個(gè)BMI模具。Vale說，通常，這些重量只占鎳鋼模具40%的模具要在150 ℃的溫度和100 psi的壓力下經(jīng)過700多個(gè)高壓加熱循環(huán)。采用復(fù)合材料制造航空航天模具和鋪設(shè)芯軸的難題之一是要滿足嚴(yán)格的材料需求。 123,123

　　這些特定的需求包括：能夠承受最少500個(gè)循環(huán)；玻璃化轉(zhuǎn)變溫度在204℃以上，以滿足高生產(chǎn)速率條件下176℃的固化溫度要求。這些模具還必須具有高成本效率，能夠抵抗紫外線，耐磨損，能夠抵抗環(huán)境老化因素，同時(shí)保持較高的尺寸完整性和穩(wěn)定性。

　　馬薩諸塞州Lynnwood 市的Carver復(fù)合材料模具公司總裁Larry Carver說，飛機(jī)制造商加大復(fù)合材料用量的趨勢推動(dòng)了BMI和其他先進(jìn)材料的發(fā)展，為復(fù)合材料模具開辟了新的道路。在SME復(fù)合材料模具大會(huì)上，Carver發(fā)言說，Northrop嘗試采用環(huán)氧基復(fù)合材料模具的初衷是為了滿足F/A 18 A/B 大黃蜂（Hornet）戰(zhàn)斗機(jī)中碳纖維部件的熱膨脹系數(shù)要求。

　　Carver說，今天，Northrup在其Super Hornet中使用大約59%的碳纖維材料。他提出了一種以碳泡沫為芯材，BMI/碳纖維為表皮的材料概念，為大型復(fù)合材料部件制造復(fù)合材料模具。他認(rèn)為，BMI、碳纖維和碳泡沫非常適合制造大型鋪設(shè)芯軸，在復(fù)合材料表皮的制造中可以進(jìn)行纖維的自動(dòng)化鋪設(shè)和手工鋪放?！?

本文來自123

　　BMI基材料

　　Hexcel的HexTOOL M61是由HexPly M61 BMI樹脂生產(chǎn)的，非常適合進(jìn)行高溫高壓加工。它含有不規(guī)則的單向碳纖維預(yù)浸料層。HexTOOL可以作為多層準(zhǔn)各向同性手糊材料，并用CNC機(jī)床加工至緊公差。這種材料非常適合于176-190℃的高壓固化工藝，可以修補(bǔ)，尺寸穩(wěn)定，能保持完全的真空，即使經(jīng)過500個(gè)以上的固化循環(huán)也無影響。


FormaShape是北美最大的復(fù)合材料和部件供應(yīng)商之一，專門為輕質(zhì)RTM工藝制造了這一模具

　　HexTOOL模具比鋼質(zhì)或鎳鋼制成的模具更輕，也更節(jié)能，比標(biāo)準(zhǔn)復(fù)合材料公差更緊，因此成本效益也更高。該公司還提供一種環(huán)氧樹脂基的模具HexTOOL M81，由準(zhǔn)各向同性的預(yù)浸料氈組成，比標(biāo)準(zhǔn)復(fù)合材料模具厚。該模具預(yù)浸料首先在120℃下固化6小時(shí)，然后在204℃后固化兩小時(shí)，專門用于生產(chǎn)120℃固化的部件。

　　Cytec工程材料公司的DURATOOL 450 BMI/碳纖維模具預(yù)浸料是一種高性能的模具系統(tǒng)，可在190℃下連續(xù)工作，在204℃下進(jìn)行短周期循環(huán)。經(jīng)過初始的高壓固化過程后，該模具層壓板脫模后單獨(dú)進(jìn)行后固化。實(shí)踐證明，該預(yù)浸料在190℃下經(jīng)過100多個(gè)高壓循環(huán)都不會(huì)出現(xiàn)老化現(xiàn)象。Cytec提供的其他模具預(yù)浸料還包括CYFORM 7620，一種中溫固化環(huán)氧系統(tǒng)，可以為大型的難鋪設(shè)的模具帶來最大的附著力和長的使用壽命。

　　先進(jìn)復(fù)合材料集團(tuán)（ACG）最近又推出了兩種BMI基材系統(tǒng)HTM 556和 HTM 515-1模具預(yù)浸料，為結(jié)構(gòu)模具和部件市場提供優(yōu)異的加工性能和耐高溫性。據(jù)說這兩種材料強(qiáng)度更高，不會(huì)出現(xiàn)微裂紋，可以提高真空完整性，延長模具壽命。HTM 556可以在200℃下連續(xù)使用，而HTM 515-1可以承受250℃的熱循環(huán)。

　　該公司還擁有LTM系列低溫固化環(huán)氧基預(yù)浸料，可以進(jìn)行后固化，使用低成本低溫母模生產(chǎn)耐高溫的輕質(zhì)復(fù)合材料模具。ACG的另一種產(chǎn)品DForm可變形復(fù)合材料模具預(yù)浸料據(jù)說是一種省工省錢的預(yù)浸料技術(shù)，既有短纖維模塑料的一致性，也有高性能長纖維復(fù)合材料的定向特性。

　　Amber 復(fù)合材料公司提供HX系列低溫環(huán)氧模具預(yù)浸料。例如HX42，它有5天的出倉壽命，終端使用溫度達(dá)200℃。該系列的另一種產(chǎn)品HX90N使用了納米改性的環(huán)氧樹脂，具有更好的表面平滑度和模具表面質(zhì)量。據(jù)說該預(yù)浸料不僅具有極小的熱膨脹（比其他材料低60-70%），還具有優(yōu)異的表面質(zhì)量和較高的終端使用溫度。

　　機(jī)加工板材

　　GrafTech國際公司的GRAFOAM碳泡沫可以作為芯材成功用于復(fù)合材料模具的制造。該泡沫由各項(xiàng)同性的碳制成，具有與碳纖維復(fù)合材料相近的CTE和非常高的耐高溫性。ACG與GrafTech合作開發(fā)的ACG GRAFOAM FPA-20碳泡沫模具系統(tǒng)具有耐壓強(qiáng)度高、重量輕、尺寸穩(wěn)定的特性，可以不必使用母模。用于制造大型結(jié)構(gòu)的板材有多種尺寸和密度可選。

　　ACG提供的CB1100陶瓷模具板材具有耐高溫性和低熱膨脹系數(shù)，據(jù)說可以生產(chǎn)出非常精確穩(wěn)定的模具。這種陶瓷板可以與ACG的LTM環(huán)氧模具預(yù)浸料和HTM BMI模具預(yù)浸料相兼容，粘結(jié)在一起后加工成模具的芯，再將碳纖維表皮層壓上去，無需使用母模。由于表皮是由陶瓷芯完全支撐的，也就不需要另外的支撐結(jié)構(gòu)；而且陶瓷材料不會(huì)吸水，因此也就不需要干燥或通風(fēng)過程。 123,123


采用Touchstone研究室的CFOAM碳泡沫為輕質(zhì)復(fù)合材料賽艇座椅制造的復(fù)合材料模具

　　Touchstone研究實(shí)驗(yàn)室的CFOAM是一種由煤炭制成的結(jié)構(gòu)材料，采用的是其專有的低成本高壓工藝，可用于許多應(yīng)用中，包括復(fù)合材料模具。該材料可制成多種結(jié)構(gòu)形式，呈現(xiàn)多種表面，從薄的片材到近似網(wǎng)狀的三維部件，并可以根據(jù)元件尺寸和密度進(jìn)行裁切。該泡沫已用于生產(chǎn)10個(gè)部件以下的低成本原型模具表面，也可用于生產(chǎn)500個(gè)以上的部件的表面。

　　高強(qiáng)度CFOAM材料可使用傳統(tǒng)設(shè)備進(jìn)行切割和加工，采用火焰噴射技術(shù)可以涂覆上金屬涂層。原型部件制好后，原型模具的表面可以去除，然后附加一層復(fù)合材料表面。Touchstone說，設(shè)計(jì)上的改變只需要很小的額外成本就可以實(shí)現(xiàn)。 本文來自123

　　除了為復(fù)合材料模具提供具有極高強(qiáng)度和穩(wěn)定性的支撐板材，Amber復(fù)合材料還提供模具板、底漆和密封劑。Amber復(fù)合材料公司和RAMPF模具公司共同推出了一種環(huán)氧基板材，用于模具的生產(chǎn)；還為RAMPF的RAKU-TOOL環(huán)氧和聚氨酯產(chǎn)品系列增加了一種環(huán)氧樹脂膠產(chǎn)品。WEB-0700環(huán)氧樹脂板具有非常精細(xì)的表面結(jié)構(gòu)、優(yōu)異的加工性能、良好的尺寸穩(wěn)定性和耐熱性。


RAMPF Tooling公司的RAKU-TOOL系列環(huán)氧和聚酯板可制成具有良好尺寸穩(wěn)定性和耐高溫性的模具

　　Amber的Cellite 180系列模具支撐材料可以承受180℃的高溫，表皮材料可采用玻纖或碳纖，可帶有鋁蜂窩芯材，亦可不帶。Amber的實(shí)心板由玻纖或碳纖和耐高溫樹脂層壓而成。這些板材可以切割成所需形狀，用于在鋪放和固化過程中支撐大型的模具和部件。 123456

　　Sika模具復(fù)合材料公司的SikaBlock模具板材就尺寸和密度分，有13種不同的類型。SikaBlock M2010具有耐熱性、低熱膨脹系數(shù)和非常致密的表面，適合生產(chǎn)復(fù)合材料模具。該公司也生產(chǎn)Biresin 系列高性能樹脂和樹脂膠，用于模具的制造和部件的生產(chǎn)。

　　BCC Products/Blehm Plastics公司生產(chǎn)的耐高溫環(huán)氧樹脂模具板材EB6200可以承受163℃的高溫，具有優(yōu)異的切割性能，產(chǎn)生的灰塵很少。BCC還生產(chǎn)一系列閉孔聚氨酯硬質(zhì)泡沫，可以滿足母模和原型模具的不同要求。MB5000高密度聚氨酯模具板可用于金屬成型和鍍鎳芯軸模具的制造；此外該公司還提供MB8250鋁制模具板。


RAMPF Eco模具板材采用回收的多羥基化合物制成，具有非常精細(xì)的表面結(jié)構(gòu)、優(yōu)異的加工性能和低熱膨脹系數(shù)
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　　Gurit公司既有室溫固化的模具產(chǎn)品，也有65℃固化的SPRINT模具材料，最終的耐受溫度為160℃。環(huán)氧膠衣系統(tǒng)SP T-Gel 130-1可用于玻纖或碳纖模具的制造，它與SP的130℃系列的模具層壓、灌注和修復(fù)材料相兼容。Gurit最近宣布收購中國的一家風(fēng)機(jī)葉片模具制造商蘇州紅楓，以擴(kuò)大其在全球范圍內(nèi)的模具供應(yīng)，并以現(xiàn)有的全球分銷網(wǎng)絡(luò)和復(fù)合材料技術(shù)為堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

　　Cass聚合物公司生產(chǎn)的Tool Chemical Composites（TCC）系列模具板材包括一種鋁填充的聚氨酯板，可進(jìn)行CNC加工，具有較長的使用壽命。該公司還提供耐高溫環(huán)氧樹脂和中溫聚氨酯板材，可用于模具和其他產(chǎn)品的制造。

　　Nord復(fù)合材料公司生產(chǎn)的Zero Shrink單組份模具樹脂系統(tǒng)可用于復(fù)合材料模具的快速生產(chǎn)。RM2000模具樹脂是一種不飽和聚酯產(chǎn)品，可用于手糊和噴射模具的制造。RM3000乙烯基酯模具樹脂是一種低放熱系統(tǒng)，可用于替代環(huán)氧模具，生產(chǎn)熱模具和熱成型模具。兩種系統(tǒng)都具有6個(gè)月的保質(zhì)期，由Nida-Core公司負(fù)責(zé)在北美地區(qū)分銷。 123,123

　　Cook復(fù)合材料聚合物公司（CCP）生產(chǎn)的OptiPLUSTM高性能低收縮樹脂可用于手糊和噴射工藝以及常溫真空灌注工藝中模具的制造。OptiPLUS 040-8091可取代間苯二甲酸、乙烯基酯和環(huán)氧樹脂用于模具的制造，加工工藝可采用常溫和高溫真空灌注。CCP說，這是一種預(yù)活化的樹脂，含有反應(yīng)單體，具有一流的表面質(zhì)量和耐熱性。

　　Airtech先進(jìn)材料集團(tuán)為灌注、手糊和高溫（395℃）高壓固化工藝生產(chǎn)真空袋和復(fù)合材料模具材料。Toolfusion環(huán)氧基模具樹脂可采用灌注工藝制成符合材料模具。Airtech說這種工藝比傳統(tǒng)的手糊或噴射工藝更清潔也更簡便。該公司還生產(chǎn)Econo系列真空袋產(chǎn)品，包括一種可循環(huán)使用的硅橡膠袋系統(tǒng)Multi-Bag。低粘度的液態(tài)硅膠涂覆在增強(qiáng)絲網(wǎng)材料上后，室溫下固化48-72小時(shí)而成。

　　北美地區(qū)最大的復(fù)合材料供應(yīng)商之一Composites One與三個(gè)合作伙伴共同成立了Closed Mold Alliance，提供交鑰匙的閉模成型解決方案及相關(guān)培訓(xùn)。另外三家公司分別是設(shè)備制造商Magnum Venus Plastech以及模具制造商RTM North和FormaShape。位于加拿大British Columbia省的FormaShape是一家輕質(zhì)樹脂傳遞成型（Light RTM）模具制造商，專注于五軸加工和模型制造。 123,123

　　混合模具的優(yōu)勢

　　美國明尼蘇達(dá)州Remmele工程公司的模具部門經(jīng)理Tom Sobcinski說，機(jī)身結(jié)構(gòu)的鎳鋼合金重量可達(dá)136噸以上，這就限制了纖維的自動(dòng)化鋪放速度，延長了高壓固化的熱循環(huán)時(shí)間。為減小傳統(tǒng)鎳鋼合金模具的重量和尺寸，Remmele開發(fā)了一種混合模具系統(tǒng)：Invalite（正在申請專利）。

　　Invalite系統(tǒng)由一個(gè)復(fù)合材料支撐結(jié)構(gòu)和薄的鎳鋼面層組成，從而減輕了重量。該系統(tǒng)將鎳鋼的長壽命和高質(zhì)量與復(fù)合材料模具的輕質(zhì)優(yōu)勢結(jié)合在一起，可用于大型和中型部件的生產(chǎn)。該系統(tǒng)采用輕質(zhì)材料制成，通過Remmele專有的ConnexSys技術(shù)進(jìn)行連接，比傳統(tǒng)鎳鋼合金減輕了50%的重量。


Airtech 先進(jìn)材料公司的MultibagTM可循環(huán)使用硅橡膠真空袋系統(tǒng)可用于真空灌注模具的制造　 123456

　　據(jù)說，Invalite模具比傳統(tǒng)鎳鋼模具有更大的耐壓能力和更好的使用性能。第一個(gè)生產(chǎn)出的Invalite模具去年被用于戰(zhàn)斗機(jī)的復(fù)合材料部件的生產(chǎn)，這一項(xiàng)目得到了Lockheed Martin Aeronautics和Remmele的支持。

　　“我們對三種模具進(jìn)行了熱分析，即我們的混合模具、全鎳鋼模具和全復(fù)合材料石墨/環(huán)氧模具。”他說，“結(jié)果表明，就加熱速率而言，混合模具與全復(fù)合材料模具基本相同。實(shí)際上，在面層片材上熱量分布更均勻。但是全鎳鋼模具的加熱和冷卻速度慢得多。”

　　與全復(fù)合材料模具相比，Invalite的主要優(yōu)勢是耐久性。“鎳鋼合金面層不會(huì)老化。”他補(bǔ)充說。

　　Sobcinski解釋說 ：“另外，Invalite模具的重量是全鎳鋼合金模具的50%。在大型模具的纖維鋪放設(shè)備上，如果模具重量減輕一半，其移動(dòng)速度就會(huì)更快，因此生產(chǎn)速率也就會(huì)提高。” 123,123

　　硬質(zhì)模具還可以采用金屬沉積技術(shù)制造。加拿大安大略省的Weber Manufacturing Technologies公司在其最大最先進(jìn)的商業(yè)工廠內(nèi)采用專有的鎳蒸汽沉積技術(shù)（NVD）生產(chǎn)鎳殼模具。這種兩級化學(xué)工藝將粒狀鎳粉末轉(zhuǎn)變成堅(jiān)固的鎳殼，附著在熱的芯軸上，從而形成一個(gè)幾乎純鎳的結(jié)構(gòu)。

　　位于美國佛羅里達(dá)州Port Saint Lucie的Keystone Synergistic Enterprises公司采用專有的金屬沉積技術(shù)生產(chǎn)低成本快速模具。Keystone說，電子束金屬沉積工藝生產(chǎn)出的近似網(wǎng)狀的三維幾何結(jié)構(gòu)，可以滿足航空航天業(yè)為鈦、鎳和鋼合金制定的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。