热塑性复合材料冲压成型故障排除

连续纤维增强热塑性复合材料 (TPC) 具有高固有韧性、焊接组装、可回收、快速成型等特性，因此零件成本更低。例如，冲压成型可在几分钟内生产出 TPC 零件，而使用热固性复合材料则需要数小时。每架空客 A350 飞机上都使用了超过 5,000 个冲压成型的 TPC 夹子和支架，ATC Manufacturing、柯林斯航空航天阿尔梅勒公司（前身为荷兰热塑性部件公司）、空客公司（前身为 Premium Aerotec）和Daher 等供应商每年共为各种飞机生产超过 100 万个零件。

短周期和自动化方法是满足下一代窄体商用飞机、先进空中机动系统 (AAM)、无人机 (UAV) 和无人机所追求的高生产率的关键。它们还能降低复合材料零件和组件的成本。

图1.冲压成型工艺和典型的热塑性复合材料（TPC）航空航天部件。来源 | ATC Manufacturing

冲压成型概述

TPC材料快速成型零件可以描述为热成型、压缩成型、冲压成型或冲压。冲压成型工艺始于预压实的毛坯，将其快速加热，然后转移到一组快速闭合的成型模具中，这些模具对毛坯进行定型并冷却零件。循环时间可达90秒，即使是大型复杂零件也能在15分钟内成型。

冲压成型工艺的关键步骤包括：

• 材料准备

• 空白合并

• 毛坯处理

• 毛坯加热及传送

• 零件成型、冷却

• 工具考虑

图2.毛坯组装和固结方法。来源 | David Leach

材料准备

该部件由预压实的毛坯制成，其质量对成品部件的性能至关重要。为了快速成型，必须在成型前对毛坯进行压实，以确保热量快速传递到材料中，并确保铺层的高质量压实。零件制造商可以从织物层压板（也称为有机板）上切割毛坯，这些织物层压板由多家材料制造商提供，尺寸最大可达 12 × 4 英尺（3.7 × 1.2 米）。对于更多结构性应用，通常使用具有定制铺层方向的单向 (UD) 带。此类毛坯通常为非矩形，厚度可能不一。大多数 TPC UD 带的宽度最大仅为 12 英寸（305 毫米），并且边缘必须在接缝处连接，没有间隙或重叠。对于厚度可变的部件，毛坯中铺层边缘的位置是满足设计公差的关键。最初人们认为毛坯必须满足与成品相同的质量要求，但近年来，事实证明，高固结度（但非100%）的毛坯已足够。这开启了其他毛坯制备和固结方法的探索。

制备单向带坯料（图2）的方法有很多，包括手动和自动铺层组装、自动带材铺层 (ATL) 和自动纤维铺放 (AFP)。可以手动或使用市售设备制备适当方向（例如 0°、45°、90°）的长条形单向带坯料。

TPC材料不具有粘性，因此必须对层板进行局部加热，使其以适当的方向相互粘合。这可以通过手动或自动热熔或超声波焊接方法来实现，将相同方向的层板沿接缝处连接在一起，并将相邻的层板沿厚度方向相互粘合。在热固性预浸料中，ATL与宽胶带一起使用，以形成平坦或略微弯曲的铺层，而AFP则使用窄胶带进行轮廓铺层。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铺层，然后必须在后续操作中压实；高能量可用于充分压实毛坯，然后可直接用于冲压成型。因此，我使用术语“自动胶带铺放 (ATP)”来区分高能量或低能量的铺层方法，而与预浸料宽度无关。连续压缩成型 (CCM) 也用于制造毛坯，将胶带按所需方向排列，形成堆叠的铺层，然后在同一工艺中立即压实。

空白合并

有许多方法可以将铺层固结成层压板，然后用作冲压成型毛坯：

• 单击

• 双重压榨（热压/冷压）

• 连铸连轧

• 高压灭菌器

• 烤箱中仅使用真空袋（VBO）

• 高能沉积（ATP）

在冲压成型过程中，毛坯将被重新加热至熔融温度，因此即使对于半结晶聚合物，毛坯中的聚合物微观结构也不会影响最终部件。

压制方法已发展成熟，可高度自动化。压制技术用于制造恒定厚度的层压板，所选方法取决于所需的产量、资本支出和经常性成本。单压法循环时间较长，但可使用每层铺层之间的垫板同时固结多层层压板。在双压法中，“热”压机和“冷”压机分别保持与工艺温度和固化温度相对应的恒定温度，毛坯自动在两台压机之间穿梭。CCM 可实现连续自动化制造，铺层以适当的方向自动穿过带有热区和冷区的模具，从而生产出非常长的层压板。

使用高压釜进行TPC固结似乎有悖常理，但它可以同时固结多层板，并制造厚度可变的层板。真空真空管（VBO）烘箱固结是一种类似的方法，但仅使用真空压力（14.7 psi/0.101 MPa），而不是高压釜全压（通常为100 psi/0.7 MPa），其优势在于无需压力容器。大面积高温烘箱成本低廉，与高压釜或压机相比，这可以显著降低投资成本，同时还能经济地固结超大型层板。事实证明，VBO固结出的板坯质量良好，但这取决于单向胶带（UD胶带）。最后一种选择是高能单向胶带（ATP），用于实现高固结度，通常超过90%。对于大型、非矩形且厚度可变的板坯，这是一个不错的选择。

毛坯处理

必须将固结的层压板加工成适合成品部件的尺寸和形状，以便在加热和转移过程中能够固定毛坯。这通常使用与部件尺寸相符的夹具或固定框架来完成（图3）。固定方法可能包括使用弹簧来控制毛坯在模具中成型时的移动。它也可以采用不会阻碍加热的聚酰亚胺薄膜进行支撑。毛坯通常在冲压成型前进行干燥，以防止高性能热塑性聚合物吸收的少量水分在快速预热过程中导致最终部件出现孔隙。

图3.压边方法。来源 | Valeria Antonelli，博士论文，代尔夫特理工大学，2014年

毛坯加热及传送

毛坯通常在红外线炉中加热至工艺温度，只需几分钟。对于较大的部件，可使用多区加热炉，以确保整个毛坯均匀加热。虽然快速加热可以缩短循环时间，但最终毛坯温度必须保持在特定范围内，该范围应足够高以确保熔化和聚合物流动，但又不能超过聚合物降解的温度。毛坯的整个长度、宽度和厚度都必须满足这些条件。

使用嵌入热电偶的毛坯进行试验来调整工艺条件是正常的。图 4 显示了厚度为 0.2 英寸（5 毫米）的 UD 碳纤维/PEKK 带毛坯中嵌入热电偶的热迹线。热电偶位于零件的多个位置，包括靠近表面和厚度中心。加热过程中，不同位置的迹线分散非常小，并且温度在 644-752°F（340-400°C）的 PEKK 工艺温度区内趋于稳定。毛坯通常加热固定时间，因此重要的是每个循环的加热保持一致，并且加热循环结束时毛坯温度的变化率要小，如图 4 所示。

图4.单向（UD）碳纤维增强带部件冲压成型的热电偶轨迹。厚度为0.2英寸（5毫米）。来源 | ATC制造公司

该工艺中一个虽小却非常关键的工序是将毛坯从预热炉转移到冲压机。这一步骤必须快速完成，因为毛坯一离开预热炉温度就会迅速下降（图4）。通常情况下，从预热炉到冲压机的最长时间是5秒。由于聚合物处于熔融状态，毛坯的完整性由纤维增强材料维持，因此毛坯通常会下垂，甚至可能从夹具中滑落。在设计夹持机构以及在成型工具上的转移和放置时，必须考虑到这一点。

零件成型、冷却

图5.实际成形问题。来源 | David Leach

为了达到所需的短循环时间，压机必须快速闭合以成型零件，并且模具必须保持恒温。这些要求的组合带来了挑战，因为连续纤维增强材料必须快速且持续地流动，同时又必须快速冷却，这会导致聚合物粘度增加。

工具考虑

由于聚合物体积在冷却和固化过程中显著减小，成型部件的尺寸在冷却过程中会发生变化。即使在固化后，尺寸也会由于聚合物冷却至环境温度而发生变化。这会导致“回弹”效应，即成品部件的角部角度小于模具的角部角度。这可以通过结合模具和热塑性复合材料 (TPC) 的热膨胀系数 (CTE) 与温度的关系进行建模。当然，复合材料的热膨胀系数 (CTE) 具有高度各向异性，因此必须考虑每个铺层特定铺层方向的热膨胀系数 (CTE)。

为了使TPC成型和结晶，模具温度通常超过400°F (204°C)，而毛坯与模具接触时的温度更高，因此通常需要使用金属模具。在单模上使用弹性体模具或弹性体表面金属模具在复杂零件成型方面具有优势，它们能够提供一定的柔顺性，最常见的模具设计是配套的两部分模具组，但对于更复杂的零件，多部分模具的使用正在增加。

图 6.使用 UD TPC 带材成型可变厚度机身框架的多部件模具。来源 | Spirit AeroSystems，Ron Jones 在 2022 年 ACMA 热塑性复合材料会议上的演讲

建模与仿真

现在，可以使用AniForm等公司的软件（用于成型）和Convergent Manufacturing（用于热性能）等软件，对成型和热效应进行非常精确的模拟。可以提前识别潜在问题区域，并对毛坯设计、铺层方向、毛坯张紧和模具设计进行虚拟调整。模拟现在可以适应材料-模具摩擦、可变厚度零件和柔性模具。

图8显示了使用UD TPC带材成型复杂部件过程中变形应变的建模。热建模可以预测熔化和结晶过程中的热滞后、热梯度以及冷却过程中的热粘弹性行为。这可以计算残余应力并预测弹簧变形和翘曲，从而设计出热补偿模具。

图 7.使用 UD TPC 胶带和 AniForm 软件成型窗框组件时的材料应变偏差。来源 | ATC 制造

如今，TPC冲压成型的基础知识已得到充分理解，其优势有望在航空及其他行业得到广泛应用。TPC的持续发展将在未来带来更广泛的应用。

此文由中国复合材料工业协会搜集整理编译，部分数据来源于网络资料。文章不用于商业目的，仅供行业人士交流，引用请注明出处。