連續纖維增強熱塑性復合材料 (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生產出 TPC 零件，而使用熱固性復合材料則需要數小時。每架空客 A350 飛機上都使用了超過 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 等供應商每年共為各種飛機生產超過 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、先進空中機動系統 (AAM)、無人機 (UAV) 和無人機所追求的高生產率的關鍵。它們還能降低復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壓實的毛坯，將其快速加熱，然后轉移到一組快速閉合的成型模具中，這些模具對毛坯進行定型并冷卻零件。循環時間可達90秒，即使是大型復雜零件也能在15分鐘內成型。

沖壓成型工藝的關鍵步驟包括：

• 材料準備

• 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.毛坯組裝和固結方法。來源 | David Leach

材料準備

該部件由預壓實的毛坯制成，其質量對成品部件的性能至關重要。為了快速成型，必須在成型前對毛坯進行壓實，以確保熱量快速傳遞到材料中，并確保鋪層的高質量壓實。零件制造商可以從織物層壓板（也稱為有機板）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 12 × 4 英尺（3.7 × 1.2 米）。對于更多結構性應用，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 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計公差的關鍵。最初人們認為毛坯必須滿足與成品相同的質量要求，但近年來，事實證明，高固結度（但非100%）的毛坯已足夠。這開啟了其他毛坯制備和固結方法的探索。

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備制備適當方向（例如 0°、45°、90°）的長條形單向帶坯料。

TPC材料不具有粘性，因此必須對層板進行局部加熱，使其以適當的方向相互粘合。這可以通過手動或自動熱熔或超聲波焊接方法來實現，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，然后必須在后續操作中壓實；高能量可用于充分壓實毛坯，然后可直接用于沖壓成型。因此，我使用術語“自動膠帶鋪放 (ATP)”來區分高能量或低能量的鋪層方法，而與預浸料寬度無關。連續壓縮成型 (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。

空白合并

有許多方法可以將鋪層固結成層壓板，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，因此即使對于半結晶聚合物，毛坯中的聚合物微觀結構也不會影響最終部件。

壓制方法已發展成熟，可高度自動化。壓制技術用于制造恒定厚度的層壓板，所選方法取決于所需的產量、資本支出和經常性成本。單壓法循環時間較長，但可使用每層鋪層之間的墊板同時固結多層層壓板。在雙壓法中，“熱”壓機和“冷”壓機分別保持與工藝溫度和固化溫度相對應的恒定溫度，毛坯自動在兩臺壓機之間穿梭。CCM 可實現連續自動化制造，鋪層以適當的方向自動穿過帶有熱區和冷區的模具，從而生產出非常長的層壓板。

使用高壓釜進行TPC固結似乎有悖常理，但它可以同時固結多層板，并制造厚度可變的層板。真空真空管（VBO）烘箱固結是一種類似的方法，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，與高壓釜或壓機相比，這可以顯著降低投資成本，同時還能經濟地固結超大型層板。事實證明，VBO固結出的板坯質量良好，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），用于實現高固結度，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的移動。它也可以采用不會阻礙加熱的聚酰亞胺薄膜進行支撐。毛坯通常在沖壓成型前進行干燥，以防止高性能熱塑性聚合物吸收的少量水分在快速預熱過程中導致最終部件出現孔隙。

圖3.壓邊方法。來源 | Valeria Antonelli，博士論文，代爾夫特理工大學，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時間，但最終毛坯溫度必須保持在特定范圍內，該范圍應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行試驗來調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 工藝溫度區內趨于穩定。毛坯通常加熱固定時間，因此重要的是每個循環的加熱保持一致，并且加熱循環結束時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鍵的工序是將毛坯從預熱爐轉移到沖壓機。這一步驟必須快速完成，因為毛坯一離開預熱爐溫度就會迅速下降（圖4）。通常情況下，從預熱爐到沖壓機的最長時間是5秒。由于聚合物處于熔融狀態，毛坯的完整性由纖維增強材料維持，因此毛坯通常會下垂，甚至可能從夾具中滑落。在設計夾持機構以及在成型工具上的轉移和放置時，必須考慮到這一點。

零件成型、冷卻

圖5.實際成形問題。來源 | David Leach

為了達到所需的短循環時間，壓機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，因為連續纖維增強材料必須快速且持續地流動，同時又必須快速冷卻，這會導致聚合物粘度增加。

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生變化。即使在固化后，尺寸也會由于聚合物冷卻至環境溫度而發生變化。這會導致“回彈”效應，即成品部件的角部角度小于模具的角部角度。這可以通過結合模具和熱塑性復合材料 (TPC) 的熱膨脹系數 (CTE) 與溫度的關系進行建模。當然，復合材料的熱膨脹系數 (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 (CTE)。

為了使TPC成型和結晶，模具溫度通常超過400°F (204°C)，而毛坯與模具接觸時的溫度更高，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雜零件成型方面具有優勢，它們能夠提供一定的柔順性，最常見的模具設計是配套的兩部分模具組，但對于更復雜的零件，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身框架的多部件模具。來源 | Spirit AeroSystems，Ron Jones 在 2022 年 ACMA 熱塑性復合材料會議上的演講

建模與仿真

現在，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，對成型和熱效應進行非常精確的模擬。可以提前識別潛在問題區域，并對毛坯設計、鋪層方向、毛坯張緊和模具設計進行虛擬調整。模擬現在可以適應材料-模具摩擦、可變厚度零件和柔性模具。

圖8顯示了使用UD TPC帶材成型復雜部件過程中變形應變的建模。熱建模可以預測熔化和結晶過程中的熱滯后、熱梯度以及冷卻過程中的熱粘彈性行為。這可以計算殘余應力并預測彈簧變形和翹曲，從而設計出熱補償模具。

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

如今，TPC沖壓成型的基礎知識已得到充分理解，其優勢有望在航空及其他行業得到廣泛應用。TPC的持續發展將在未來帶來更廣泛的應用。

此文由中國復合材料工業協會搜集整理編譯，部分數據來源于網絡資料。文章不用于商業目的，僅供行業人士交流，引用請注明出處。