復合材料成型新技術和新型模具材料

1、復合材料成型新技術和新型模具材料鎳鋼合金Invar過去一直是大批量復合材料部件首選的模具材料，因為其耐久性和熱膨脹系數(shù)（CTE）與部件成型用的增強塑料相近。但是，隨著復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，許多制造商轉而采用復合材料工具，以降低重量，避免較高的鎳鋼加工成本。 美國復合材料制造商協(xié)會（ACMA）前技術總監(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，它們具有較高的熱穩(wěn)定性，因此在需要高溫固化的應用中，環(huán)氧樹脂是一個很好的選擇?！盠acovara說

2、。他最近入選了ACMA杰出人物。 摒棄模型 “我認為最新最偉大的創(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?！彼f，“因為模型所用材料本身都有一些限制，而且部件的表面質量要求也是一個問題?！?“下一步就是開發(fā)出一種可以獲得A級表面的技術，從而大大降低加工的成本和時間?！盠acovara說到。Lacovara領導著一家名為Convergent復合材料的咨詢公司。 美國佛羅里達州的一家模具制造廠Mollicam采用五軸CNC（計算機數(shù)控）加工中心為復合材料行業(yè)生產(chǎn)模型、原型和模具，可以為臨時的和產(chǎn)量有限的模具加工直接模具。該工廠有四臺CNC機床，用于生產(chǎn)模具、船體和其他復合材料

3、部件。 其中一個直接模具項目來自船艇制造商Wellcraft Marine公司。 “客戶想要測試一個新的船體設計，需要一個模具生產(chǎn)出一個部件，讓其在水中實際行駛?！盡ollicam公司總裁Jeremy Mollica說到，“如果該部件運行良好，他們計劃用該模具再生產(chǎn)一個部件，并將其轉換為玻纖母模。然后他們將由此制造一個生產(chǎn)用模具?！?“直接模具以客戶的需求為基礎，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)的項目。藝術作品和雕塑通常也都是一次性的項目?！彼f。 模具材料根據(jù)客戶制造部件所用的材料來確定。 “如果是一次性項目，而且表面質量要求不是很高。我們將直接加工

4、成泡沫，然后在表面涂覆一層密封膠?！盡ollica解釋說，“如果只生產(chǎn)一個部件，但對表面質量要求較高的話，我們會將泡沫尺寸加工的小一點，然后附上一層玻璃，再在玻璃層壓板上噴涂一層工程油灰。我們會將最后的表面制作的稍高一點，然后再進行加工，使其變低?！?“在為20個或20個以上的大量部件制造模具時，最好先生產(chǎn)一個模型?！盡ollica說，“有了模型就可以生產(chǎn)出足夠堅固的模具。如果模具需要進入高壓釜，經(jīng)常加熱，我們就要對模型進行機加工，從而使生產(chǎn)出的模具達到高溫要求?！?根據(jù)計算機數(shù)據(jù)進行的CNC加工是非常精確的。母模生產(chǎn)用的可加工復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

5、成環(huán)氧樹脂到碳泡沫。這些材料粘結在一起后，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，最后才進行機加工。 位于華盛頓州的美國領先的復合材料模具制造商Janicki工業(yè)公司開發(fā)了世界上最大的CNC刨槽機之一。該機械的外殼尺寸最大可達30.562.4米。 在制備傳統(tǒng)模具過程中，Mollicam采用五軸CNC刨槽機對一個船體模型進行加工。 其模具就是根據(jù)該模型制造的。Mollicam工廠正使用五軸CNC刨槽機為船體加工直接模具大型航空航天模具 Northrop Grumman航空航天系統(tǒng)制造開發(fā)工程師Bob Vale說，機身結構不斷增加復合材料的用量，也變

6、得越來越大越來越復雜。去年，在加利福尼亞圣地亞哥舉辦的制造工程師學會（SME）復合材料模具大會上，他提到Northrop早已將雙馬來酰亞胺（BMI）作為模具加工的最佳復合材料，并在飛機制造商的項目中不斷取得成功。 Northrop已經(jīng)設計制造了600多個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多個高壓加熱循環(huán)。采用復合材料制造航空航天模具和鋪設芯軸的難題之一是要滿足嚴格的材料需求。 這些特定的需求包括：能夠承受最少500個循環(huán)；玻璃化轉變溫度在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

7、本效率，能夠抵抗紫外線，耐磨損，能夠抵抗環(huán)境老化因素，同時保持較高的尺寸完整性和穩(wěn)定性。 Janicki工業(yè)公司開發(fā)并使用的這臺先進的超大CNC刨槽機最大外殼尺寸為30.562.4米。FormaShape是北美最大的復合材料和部件供應商之一， 專門為輕質RTM工藝制造了這一模具。馬薩諸塞州Lynnwood 市的Carver復合材料模具公司總裁Larry Carver說，飛機制造商加大復合材料用量的趨勢推動了BMI和其他先進材料的發(fā)展，為復合材料模具開辟了新的道路。在SME復合材料模具大會上，Carver發(fā)言說，Northrop嘗試采用環(huán)氧基復合材料模具的初衷是為了滿足F/A 18 A/B 大黃

8、蜂（Hornet）戰(zhàn)斗機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，為大型復合材料部件制造復合材料模具。他認為，BMI、碳纖維和碳泡沫非常適合制造大型鋪設芯軸，在復合材料表皮的制造中可以進行纖維的自動化鋪設和手工鋪放。 BMI基材料 Hexcel的HexTOOL M61是由HexPly M61 BMI樹脂生產(chǎn)的，非常適合進行高溫高壓加工。它含有不規(guī)則的單向碳纖維預浸料層。HexTOOL可以作為多層準各向同性手糊材料，并用CNC機床加工至緊公差。這種材料

9、非常適合于176-190的高壓固化工藝，可以修補，尺寸穩(wěn)定，能保持完全的真空，即使經(jīng)過500個以上的固化循環(huán)也無影響。 HexTOOL模具比鋼質或鎳鋼制成的模具更輕，也更節(jié)能，比標準復合材料公差更緊，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，由準各向同性的預浸料氈組成，比標準復合材料模具厚。該模具預浸料首先在120下固化6小時，然后在204后固化兩小時，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下進行短周期循環(huán)。經(jīng)過初始的高壓固化過程后，該模具

10、層壓板脫模后單獨進行后固化。實踐證明，該預浸料在190下經(jīng)過100多個高壓循環(huán)都不會出現(xiàn)老化現(xiàn)象。Cytec提供的其他模具預浸料還包括CYFORM 7620，一種中溫固化環(huán)氧系統(tǒng)，可以為大型的難鋪設的模具帶來最大的附著力和長的使用壽命。 先進復合材料集團（ACG）最近又推出了兩種BMI基材系統(tǒng)HTM 556和 HTM 515-1模具預浸料，為結構模具和部件市場提供優(yōu)異的加工性能和耐高溫性。據(jù)說這兩種材料強度更高，不會出現(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)。 采用Touchstone研究室的CFOAM碳泡沫為

11、輕質復合材料賽艇座椅制造的復合材料模具。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。該公司還擁有LTM系列低溫固化環(huán)氧基預浸料，可以進行后固化，使用低成本低溫母模生產(chǎn)耐高溫的輕質復合材料模具。ACG的另一種產(chǎn)品DForm可變形復合材料模具預浸料據(jù)說是一種省工省錢的預浸料技術，既有短纖維模塑料的一致性，也有高性能長纖維復合材料的定向特性。 Amber 復合材料公司提供HX系列低溫環(huán)氧模具預浸料。例如HX42，它有5天的出倉壽命，終端使用溫度達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

12、面質量。據(jù)說該預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)異的表面質量和較高的終端使用溫度。 機加工板材 GrafTech國際公司的GRAFOAM碳泡沫可以作為芯材成功用于復合材料模具的制造。該泡沫由各項同性的碳制成，具有與碳纖維復合材料相近的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。用于制造大型結構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

13、LTM環(huán)氧模具預浸料和HTM BMI模具預浸料相兼容，粘結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構；而且陶瓷材料不會吸水，因此也就不需要干燥或通風過程。 Touchstone研究實驗室的CFOAM是一種由煤炭制成的結構材料，采用的是其專有的低成本高壓工藝，可用于許多應用中，包括復合材料模具。該材料可制成多種結構形式，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)元件尺寸和密度進行裁切。該泡沫已用于生產(chǎn)10個部件以下的低成本原型模具表面，也可用于生產(chǎn)500個以上的部件的表面。 RAMPF Eco模具板材采用回收

14、的多羥基化合物制成，具有非常精細的表面結構、 優(yōu)異的加工性能和低熱膨脹系數(shù)。高強度CFOAM材料可使用傳統(tǒng)設備進行切割和加工，采用火焰噴射技術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，然后附加一層復合材料表面。Touchstone說，設計上的改變只需要很小的額外成本就可以實現(xiàn)。 除了為復合材料模具提供具有極高強度和穩(wěn)定性的支撐板材，Amber復合材料還提供模具板、底漆和密封劑。Amber復合材料公司和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

15、的表面結構、優(yōu)異的加工性能、良好的尺寸穩(wěn)定性和耐熱性。 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。 Sika模具復合材料公司的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/B

16、lehm 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。 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、灌注和修復材料相兼容。Gurit最近宣布收購中國的一家風機葉片模具制造商蘇州紅楓，以擴大其在全

17、球范圍內(nèi)的模具供應，并以現(xiàn)有的全球分銷網(wǎng)絡和復合材料技術為堅實的基礎。 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。 Airtech 先進材料公司的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。模具樹脂 Nord復合材料公司生產(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

18、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個月的保質期，由Nida-Core公司負責在北美地區(qū)分銷。 Cook復合材料聚合物公司（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，這是一種預活化的樹脂，含有反應單體，具有一流的表面質量和耐熱性。 Airtech先進材料集團為灌注、手糊和高溫（395）高壓固化工藝生產(chǎn)真空袋和復合材料模具材料。Toolfusion環(huán)氧基

19、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)硅膠涂覆在增強絲網(wǎng)材料上后，室溫下固化48-72小時而成。 北美地區(qū)最大的復合材料供應商之一Composites One與三個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培訓。另外三家公司分別是設備制造商Magnum Venus Plastech以及模具制造商RTM North和FormaShape。位于加拿大British Columbia省

20、的FormaShape是一家輕質樹脂傳遞成型（Light RTM）模具制造商，專注于五軸加工和模型制造。 混合模具的優(yōu)勢 美國明尼蘇達州Remmele工程公司的模具部門經(jīng)理Tom Sobcinski說，機身結構的鎳鋼合金重量可達136噸以上，這就限制了纖維的自動化鋪放速度，延長了高壓固化的熱循環(huán)時間。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)由一個復合材料支撐結構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量與復合材料模具的輕質優(yōu)勢結合在一起，可用于大型和中型部件的生產(chǎn)。該系統(tǒng)采用輕質材料制成，通過Remmele專有的ConnexSys技術進行連接，比傳統(tǒng)鎳鋼合金減輕了