复合材料成型新技术和新型模具材料

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复合材料成型新技术和新型模具材料


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作者：Richard Stewart    来源：Ringer

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$ u) l: E- x7 d镍钢合金Invar过去一直是大批量复合材料部件首选的模具材料，因为其耐久性和热膨胀系数（CTE）与部件成型用的增强塑料相近。但是，随着复合材料部件越来越大，金属模具的过重问题给加工厂带来了新的挑战。因此，许多制造商转而采用复合材料工具，以降低重量，避免较高的镍钢加工成本。

美国复合材料制造商协会（ACMA）前技术总监Bob Lacovara说，越来越多的模具开始采用环氧树脂和碳纤维来制造，特别是对尺寸和模具稳定性要求比较高的场合。

“环氧树脂比聚酯树脂稍微耐用一点，它们具有较高的热稳定性，因此在需要高温固化的应用中，环氧树脂是一个很好的选择。”Lacovara说。他最近入选了ACMA杰出人物。

/ c/ F$ b$ W3 b! Q6 g; j摒弃模型

“我认为最新最伟大的创新是直接模具的数控加工，它消除了模具生产过程中制造模型的步骤。”他说，“因为模型所用材料本身都有一些限制，而且部件的表面质量要求也是一个问题。”

“下一步就是开发出一种可以获得A级表面的技术，从而大大降低加工的成本和时间。”Lacovara说到。Lacovara领导着一家名为Convergent复合材料的咨询公司。
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3 c1 Y* \- L- M; p4 E美国佛罗里达州的一家模具制造厂Mollicam采用五轴CNC（计算机数控）加工中心为复合材料行业生产模型、原型和模具，可以为临时的和产量有限的模具加工直接模具。该工厂有四台CNC机床，用于生产模具、船体和其他复合材料部件。
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其中一个直接模具项目来自船艇制造商Wellcraft Marine公司。
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“客户想要测试一个新的船体设计，需要一个模具生产出一个部件，让其在水中实际行驶。”Mollicam公司总裁Jeremy Mollica说到，“如果该部件运行良好，他们计划用该模具再生产一个部件，并将其转换为玻纤母模。然后他们将由此制造一个生产用模具。”
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“直接模具以客户的需求为基础，我们经常加工直接模具，特别是一次性的部件。我们参与了许多主题乐园和船艇行业的项目。艺术作品和雕塑通常也都是一次性的项目。”他说。
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" t; i$ D& z/ T4 o; N+ l4 Y模具材料根据客户制造部件所用的材料来确定。
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! s; W$ P% q$ f% Z4 M“如果是一次性项目，而且表面质量要求不是很高。我们将直接加工成泡沫，然后在表面涂覆一层密封胶。”Mollica解释说，“如果只生产一个部件，但对表面质量要求较高的话，我们会将泡沫尺寸加工的小一点，然后附上一层玻璃，再在玻璃层压板上喷涂一层工程油灰。我们会将最后的表面制作的稍高一点，然后再进行加工，使其变低。”

5 M7 K0 |9 [3 ~% |“在为20个或20个以上的大量部件制造模具时，最好先生产一个模型。”Mollica说，“有了模型就可以生产出足够坚固的模具。如果模具需要进入高压釜，经常加热，我们就要对模型进行机加工，从而使生产出的模具达到高温要求。”
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根据计算机数据进行的CNC加工是非常精确的。母模生产用的可加工复合材料模具板和板材来自不同的制造商。这些产品范围从聚氨酯泡沫、合成环氧树脂到碳泡沫。这些材料粘结在一起后，被加工成特定的模具形状，然后将其密封防止层压树脂渗透，并用双马来酰亚胺或环氧层压板包覆，最后才进行机加工。

位于华盛顿州的美国领先的复合材料模具制造商Janicki工业公司开发了世界上最大的CNC刨槽机之一。该机械的外壳尺寸最大可达30.5×6×2.4米。

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在制备传统模具过程中，Mollicam采用五轴CNC刨槽机对一个船体模型进行加工。
+ R: }# G, M* N2 F$ R0 ~4 I( F其模具就是根据该模型制造的。

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2 A' s* l* w1 w9 h! I7 hMollicam工厂正使用五轴CNC刨槽机为船体加工直接模具

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- @6 M3 D- v& ~+ p' l2 u大型航空航天模具
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+ f( ?9 c7 R8 b% H  I) eNorthrop Grumman航空航天系统制造开发工程师Bob Vale说，机身结构不断增加复合材料的用量，也变得越来越大越来越复杂。去年，在加利福尼亚圣地亚哥举办的制造工程师学会（SME）复合材料模具大会上，他提到Northrop早已将双马来酰亚胺（BMI）作为模具加工的最佳复合材料，并在飞机制造商的项目中不断取得成功。

  a- n' f, P. B) h/ Q" ]Northrop已经设计制造了600多个BMI模具。Vale说，通常，这些重量只占镍钢模具40%的模具要在150 ℃的温度和100 psi的压力下经过700多个高压加热循环。采用复合材料制造航空航天模具和铺设芯轴的难题之一是要满足严格的材料需求。

这些特定的需求包括：能够承受最少500个循环；玻璃化转变温度在204℃以上，以满足高生产速率条件下176℃的固化温度要求。这些模具还必须具有高成本效率，能够抵抗紫外线，耐磨损，能够抵抗环境老化因素，同时保持较高的尺寸完整性和稳定性。

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Janicki工业公司开发并使用的这台先进的超大CNC刨槽机最大外壳尺寸为30.5×6×2.4米。

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) T! u9 q* T& J* y: kFormaShape是北美最大的复合材料和部件供应商之一，
# z- w# \% M, K' f专门为轻质RTM工艺制造了这一模具。

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马萨诸塞州Lynnwood 市的Carver复合材料模具公司总裁Larry Carver说，飞机制造商加大复合材料用量的趋势推动了BMI和其他先进材料的发展，为复合材料模具开辟了新的道路。在SME复合材料模具大会上，Carver发言说，Northrop尝试采用环氧基复合材料模具的初衷是为了满足F/A 18 A/B 大黄蜂（Hornet）战斗机中碳纤维部件的热膨胀系数要求。
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9 u; W% g- r' A; A+ ]4 UCarver说，今天，Northrup在其Super Hornet中使用大约59%的碳纤维材料。他提出了一种以碳泡沫为芯材，BMI/碳纤维为表皮的材料概念，为大型复合材料部件制造复合材料模具。他认为，BMI、碳纤维和碳泡沫非常适合制造大型铺设芯轴，在复合材料表皮的制造中可以进行纤维的自动化铺设和手工铺放。

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9 c2 O$ g0 O, U9 _5 y% N6 L- yHexcel的HexTOOL M61是由HexPly ® M61 BMI树脂生产的，非常适合进行高温高压加工。它含有不规则的单向碳纤维预浸料层。HexTOOL可以作为多层准各向同性手糊材料，并用CNC机床加工至紧公差。这种材料非常适合于176-190℃的高压固化工艺，可以修补，尺寸稳定，能保持完全的真空，即使经过500个以上的固化循环也无影响。
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0 \# N7 V4 Z2 }# b4 G( vHexTOOL模具比钢质或镍钢制成的模具更轻，也更节能，比标准复合材料公差更紧，因此成本效益也更高。该公司还提供一种环氧树脂基的模具HexTOOL M81，由准各向同性的预浸料毡组成，比标准复合材料模具厚。该模具预浸料首先在120℃下固化6小时，然后在204℃后固化两小时，专门用于生产120℃固化的部件。
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Cytec工程材料公司的DURATOOL 450 BMI/碳纤维模具预浸料是一种高性能的模具系统，可在190℃下连续工作，在204℃下进行短周期循环。经过初始的高压固化过程后，该模具层压板脱模后单独进行后固化。实践证明，该预浸料在190℃下经过100多个高压循环都不会出现老化现象。Cytec提供的其他模具预浸料还包括CYFORM 7620，一种中温固化环氧系统，可以为大型的难铺设的模具带来最大的附着力和长的使用寿命。

先进复合材料集团（ACG）最近又推出了两种BMI基材系统HTM 556和 HTM 515-1模具预浸料，为结构模具和部件市场提供优异的加工性能和耐高温性。据说这两种材料强度更高，不会出现微裂纹，可以提高真空完整性，延长模具寿命。HTM 556可以在200℃下连续使用，而HTM 515-1可以承受250℃的热循环。
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# N) q% s1 V9 Z4 [% Z0 S7 T采用Touchstone研究室的CFOAM®碳泡沫为轻质复合材料赛艇座椅制造的复合材料模具。

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3 }% Z, x. L6 D7 _1 ?& j% cRAMPF Tooling公司的RAKU-TOOL®系列环氧和聚酯板可制成
, M8 o6 W2 P  e7 w具有良好尺寸稳定性和耐高温性的模具。

该公司还拥有LTM®系列低温固化环氧基预浸料，可以进行后固化，使用低成本低温母模生产耐高温的轻质复合材料模具。ACG的另一种产品DForm™可变形复合材料模具预浸料据说是一种省工省钱的预浸料技术，既有短纤维模塑料的一致性，也有高性能长纤维复合材料的定向特性。
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5 F! z# Q. a' A/ ?8 W2 x2 EAmber 复合材料公司提供HX系列低温环氧模具预浸料。例如HX42，它有5天的出仓寿命，终端使用温度达200℃。该系列的另一种产品HX90N使用了纳米改性的环氧树脂，具有更好的表面平滑度和模具表面质量。据说该预浸料不仅具有极小的热膨胀（比其他材料低60-70%），还具有优异的表面质量和较高的终端使用温度。

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(续楼上)

机加工板材

! [; E; L$ r# r9 c6 wGrafTech国际公司的GRAFOAM®碳泡沫可以作为芯材成功用于复合材料模具的制造。该泡沫由各项同性的碳制成，具有与碳纤维复合材料相近的CTE和非常高的耐高温性。ACG与GrafTech合作开发的ACG GRAFOAM FPA-20碳泡沫模具系统具有耐压强度高、重量轻、尺寸稳定的特性，可以不必使用母模。用于制造大型结构的板材有多种尺寸和密度可选。
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ACG提供的CB1100陶瓷模具板材具有耐高温性和低热膨胀系数，据说可以生产出非常精确稳定的模具。这种陶瓷板可以与ACG的LTM®环氧模具预浸料和HTM ® BMI模具预浸料相兼容，粘结在一起后加工成模具的芯，再将碳纤维表皮层压上去，无需使用母模。由于表皮是由陶瓷芯完全支撑的，也就不需要另外的支撑结构；而且陶瓷材料不会吸水，因此也就不需要干燥或通风过程。
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4 g+ q+ D& X) J4 i) s1 I" v8 dTouchstone研究实验室的CFOAM®是一种由煤炭制成的结构材料，采用的是其专有的低成本高压工艺，可用于许多应用中，包括复合材料模具。该材料可制成多种结构形式，呈现多种表面，从薄的片材到近似网状的三维部件，并可以根据元件尺寸和密度进行裁切。该泡沫已用于生产10个部件以下的低成本原型模具表面，也可用于生产500个以上的部件的表面。

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; @- e7 a9 k" e/ z0 XRAMPF Eco模具板材采用回收的多羟基化合物制成，具有非常精细的表面结构、
优异的加工性能和低热膨胀系数。

高强度CFOAM材料可使用传统设备进行切割和加工，采用火焰喷射技术可以涂覆上金属涂层。原型部件制好后，原型模具的表面可以去除，然后附加一层复合材料表面。Touchstone说，设计上的改变只需要很小的额外成本就可以实现。

除了为复合材料模具提供具有极高强度和稳定性的支撑板材，Amber复合材料还提供模具板、底漆和密封剂。Amber复合材料公司和RAMPF模具公司共同推出了一种环氧基板材，用于模具的生产；还为RAMPF的RAKU-TOOL®环氧和聚氨酯产品系列增加了一种环氧树脂胶产品。WEB-0700环氧树脂板具有非常精细的表面结构、优异的加工性能、良好的尺寸稳定性和耐热性。
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Amber的Cellite ®180系列模具支撑材料可以承受180℃的高温，表皮材料可采用玻纤或碳纤，可带有铝蜂窝芯材，亦可不带。Amber的实心板由玻纤或碳纤和耐高温树脂层压而成。这些板材可以切割成所需形状，用于在铺放和固化过程中支撑大型的模具和部件。
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& R' T. C2 x: y( dSika模具复合材料公司的SikaBlock®模具板材就尺寸和密度分，有13种不同的类型。SikaBlock M2010具有耐热性、低热膨胀系数和非常致密的表面，适合生产复合材料模具。该公司也生产Biresin ®系列高性能树脂和树脂胶，用于模具的制造和部件的生产。

BCC Products/Blehm Plastics公司生产的耐高温环氧树脂模具板材EB6200可以承受163℃的高温，具有优异的切割性能，产生的灰尘很少。BCC还生产一系列闭孔聚氨酯硬质泡沫，可以满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属成型和镀镍芯轴模具的制造；此外该公司还提供MB8250铝制模具板。
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& K9 G) z* g5 \, r  RGurit公司既有室温固化的模具产品，也有65℃固化的SPRINT®模具材料，最终的耐受温度为160℃。环氧胶衣系统SP T-Gel 130-1可用于玻纤或碳纤模具的制造，它与SP的130℃系列的模具层压、灌注和修复材料相兼容。Gurit最近宣布收购中国的一家风机叶片模具制造商苏州红枫，以扩大其在全球范围内的模具供应，并以现有的全球分销网络和复合材料技术为坚实的基础。

( Q7 [& N& c( _+ K; p+ iCass聚合物公司生产的Tool Chemical Composites（TCC）系列模具板材包括一种铝填充的聚氨酯板，可进行CNC加工，具有较长的使用寿命。该公司还提供耐高温环氧树脂和中温聚氨酯板材，可用于模具和其他产品的制造。

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Airtech 先进材料公司的MultibagTM可循环使用硅橡胶真空袋系统
9 f* g' e: }9 u% v4 _9 v% B' V5 T可用于真空灌注模具的制造。

4 [$ J; A( g# m模具树脂

! Q  N; z7 Y" ?& Q- [Nord复合材料公司生产的Zero Shrink™单组份模具树脂系统可用于复合材料模具的快速生产。RM2000模具树脂是一种不饱和聚酯产品，可用于手糊和喷射模具的制造。RM3000乙烯基酯模具树脂是一种低放热系统，可用于替代环氧模具，生产热模具和热成型模具。两种系统都具有6个月的保质期，由Nida-Core公司负责在北美地区分销。

+ c9 V7 ^% I4 }. i7 Z0 @Cook复合材料聚合物公司（CCP）生产的OptiPLUSTM高性能低收缩树脂可用于手糊和喷射工艺以及常温真空灌注工艺中模具的制造。OptiPLUS 040-8091可取代间苯二甲酸、乙烯基酯和环氧树脂用于模具的制造，加工工艺可采用常温和高温真空灌注。CCP说，这是一种预活化的树脂，含有反应单体，具有一流的表面质量和耐热性。

Airtech先进材料集团为灌注、手糊和高温（395℃）高压固化工艺生产真空袋和复合材料模具材料。Toolfusion®环氧基模具树脂可采用灌注工艺制成符合材料模具。Airtech说这种工艺比传统的手糊或喷射工艺更清洁也更简便。该公司还生产Econo系列真空袋产品，包括一种可循环使用的硅橡胶袋系统Multi-Bag™。低粘度的液态硅胶涂覆在增强丝网材料上后，室温下固化48-72小时而成。

北美地区最大的复合材料供应商之一Composites One与三个合作伙伴共同成立了Closed Mold Alliance，提供交钥匙的闭模成型解决方案及相关培训。另外三家公司分别是设备制造商Magnum Venus Plastech以及模具制造商RTM North和FormaShape。位于加拿大British Columbia省的FormaShape是一家轻质树脂传递成型（Light RTM）模具制造商，专注于五轴加工和模型制造。

混合模具的优势

  l0 W" V" c! n" l  e美国明尼苏达州Remmele工程公司的模具部门经理Tom Sobcinski说，机身结构的镍钢合金重量可达136吨以上，这就限制了纤维的自动化铺放速度，延长了高压固化的热循环时间。为减小传统镍钢合金模具的重量和尺寸，Remmele开发了一种混合模具系统：Invalite™（正在申请专利）。
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Invalite系统由一个复合材料支撑结构和薄的镍钢面层组成，从而减轻了重量。该系统将镍钢的长寿命和高质量与复合材料模具的轻质优势结合在一起，可用于大型和中型部件的生产。该系统采用轻质材料制成，通过Remmele专有的ConnexSys®技术进行连接，比传统镍钢合金减轻了50%的重量。
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# G0 }9 x% i/ ~/ i) ^. h. ^- w据说，Invalite模具比传统镍钢模具有更大的耐压能力和更好的使用性能。第一个生产出的Invalite模具去年被用于战斗机的复合材料部件的生产，这一项目得到了Lockheed Martin Aeronautics和Remmele的支持。

7 C" p6 k% s' ^/ a/ _' [5 Q“我们对三种模具进行了热分析，即我们的混合模具、全镍钢模具和全复合材料石墨/环氧模具。”他说，“结果表明，就加热速率而言，混合模具与全复合材料模具基本相同。实际上，在面层片材上热量分布更均匀。但是全镍钢模具的加热和冷却速度慢得多。”
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与全复合材料模具相比，Invalite的主要优势是耐久性。“镍钢合金面层不会老化。”他补充说。

Sobcinski解释说 ：“另外，Invalite模具的重量是全镍钢合金模具的50%。在大型模具的纤维铺放设备上，如果模具重量减轻一半，其移动速度就会更快，因此生产速率也就会提高。”

" H  B$ Y) q9 g" d, K" P硬质模具还可以采用金属沉积技术制造。加拿大安大略省的Weber Manufacturing Technologies公司在其最大最先进的商业工厂内采用专有的镍蒸汽沉积技术（NVD）生产镍壳模具。这种两级化学工艺将粒状镍粉末转变成坚固的镍壳，附着在热的芯轴上，从而形成一个几乎纯镍的结构。

位于美国佛罗里达州Port Saint Lucie的Keystone Synergistic Enterprises公司采用专有的金属沉积技术生产低成本快速模具。Keystone说，电子束金属沉积工艺生产出的近似网状的三维几何结构，可以满足航空航天业为钛、镍和钢合金制定的质量标准。