材料與工藝：復合材料工裝復合材料零件是在模具中形成的，也稱為工具。工具幾乎可以由任何材料制成。材料類型、形狀和復雜性取決于生產運行的部分和長度。以下是對選擇和制作工具所涉及的問題的簡短總結。

 

因瓦工具，如圖所示的這些巨大的機翼蒙皮工具，是最耐用的金屬工具的例子，這一類別有時被稱為硬質工具。盡管相對較重且昂貴，但金屬模具能夠承受數千個生產周期。因瓦和其他金屬模具由高性能鋼和鎳合金制成，是耐用的工具材料，但也很昂貴，而且由于很少有復合材料制造商擁有加工和拋光此類材料所需的設備，他們通常需要工具制造專家的服務。來源| Ascent 工具集團

復合材料零件是在模具中形成的，也稱為工具。工具幾乎可以由任何材料制成。對于將少量生產并可在環境或低溫下固化的零件，或者對于尺寸精度的嚴格控制不是最重要的原型零件，玻璃纖維、高密度泡沫、可加工環氧板甚至粘土或木材/石膏模型等材料通常是合適的。使用聚合物的額外制造或 3D 打印工具在原型和生產零件中也越來越常見。然而，隨著對零件性能和/或精加工表面美觀性的要求越來越嚴格，以及要生產的零件數量的增加，工具成本和復雜性也會增加。例如，高速生產工具通常由堅固的金屬制成，這些金屬能夠經受住重復的循環，并保持良好的表面光潔度和尺寸精度。形成高性能復合材料零件的模具可以由碳纖維/環氧樹脂、單片石墨、可澆鑄石墨、陶瓷或金屬（通常是鋁、鋼及其合金）制成。在所有情況下，每種材料都有其獨特的功能和缺點。

金屬工具有時被稱為硬工具，盡管相對較重且昂貴，但能夠承受數千個生產周期。最耐用但也最昂貴的是由高性能鋼和鎳合金制成的，如因瓦合金。由于很少有復合材料制造商擁有加工和拋光金屬工具所需的設備，尤其是因瓦，因此他們通常需要工具制造專家的服務。

復合材料工具，有時被稱為軟工具，比金屬工具更容易制造，因為它們由與復合材料制造商將用于零件的材料相似的材料制成，所以可以在內部制造。但正如“軟”標志所表明的那樣，它們更容易磨損，而且它們通常在相對低產量的生產中找到服務。然而，幾種工具可以用復合材料制成，其成本低于單個硬質工具的成本。這使得更大的容量可以負擔得起。與在硬質工具上制造的零件一樣，在復合材料工具上制成的零件可以在熱壓罐或烤箱中固化，也可以通過整體加熱進行固化，其中加熱元件放置在工具內部。

CTE 管理材料

制造復合材料零件的工裝，一個關鍵問題是熱膨脹系數（CTE-thermal expansion）失配現象。在這里，復合材料工裝比金屬工裝有優勢。由工具預浸料制成的復合工具具有接近零件CTE的CTE。在固化過程中，工具和零件的收縮和熱膨脹將非常相似。這有助于保持零件的尺寸精度。

大多數金屬工具材料和它們形成的零件中的復合材料在CTE 方面是不匹配的。C-20鋼和鋁是金屬工具的常見選擇，因為與高性能合金相比，它們更便宜，并且通常在交付前需要更短的交付周期。然而，在加熱固化過程中，較不昂貴的金屬工具材料和復合材料之間的 CTE失配通常過于極端，無法用于成型精密公差復合材料零件。只有價格更高的金屬合金才能提供更接近的 CTE 匹配。例如，在工裝金屬中，因瓦合金提供的 CTE 非常接近碳纖維復合材料的 CTE。出于這個原因，它一直是必須制造到極嚴格公差的零件的首選。但因瓦也是最昂貴的工具材料，尤其是當它用于大型零件時，工具的巨大尺寸和重量使其難以處理。然而，在某些情況下，鋼和鋁工具在固化循環過程中的熱膨脹可用于模具設計，有目的地壓縮和鞏固零件元素。

該生產復合材料工具由在相對較低的溫度下固化的碳/環氧樹脂制成，然后在高達200°C 的溫度下進行獨立后固化。這種相對低溫的固化制度允許使用更具成本效益的主材料，這降低了整體工具成本。來源| Ascent 工具集團

延長模具預期壽命

特別是航空航天行業的制造商，長期以來一直表示希望獲得能夠承受數千次熱壓罐固化循環的碳纖維工具材料，比如因瓦鋼。為了提高復合材料工具的耐用性，一些供應商提供混合工具設計，例如，將薄因瓦面板與復合材料支撐結構相結合，或將碳泡沫芯與復合材料面板相結合。這種技術已經發展到可以在耐用性領域與因瓦競爭，但這只是因瓦重量和成本的一小部分。例如，Janicki Industries（美國華盛頓州Sedro Woolley）使用樹脂注入生產了幾乎無空隙的300層雙馬來酰亞胺（BMI）層壓板，這使該公司能夠生產BMI/碳復合材料坯料，這些坯料可以用數控加工成更便宜、密度是因瓦當量的五分之一的精密模具。

Janicki正在將這項技術用于航空航天肋骨、翼梁和長桁工具，其中的零件將經過熱壓罐固化、高溫環氧樹脂和碳纖維。與環氧樹脂相比，BMI大大延長了工具的使用壽命，環氧樹脂在生產運行期間通常無法承受幾天高達 177°C 的循環，這可能會延長到幾年。

這一類別中的另一種高性能工裝產品是來自赫氏（Hexcel-美國加利福尼亞州都柏林）的 HexTOOL。它是一種可機械加工的碳纖維/BMI 復合工裝材料，包括BMI 預浸料條，這些預浸料隨機切碎并分布在離型紙上，形成厚的粘性墊。在疊層和固化后，它可以像金屬一樣機械加工，具有與碳/環氧樹脂零件匹配的 CTE，可以在500 次熱壓罐循環中存活，所有這些都具有與現有替代品相當的構建時間和成本。

其他工具壽命更長的高溫技術包括 3M Advanced Materials Division（美國明尼蘇達州圣保羅市）的Fortified Tooling Preprep （ FTP ） BMI 和 Airtech International Inc.（美國加利福尼亞州亨廷頓比奇市）的Beta Preprep 模具系統，該系統采用了 Henkel（美國康涅狄格州洛基希爾市）的苯并惡嗪（benzoxazine’s ）樹脂。

兩者都是熱壓罐固化的，其配方師聲稱，與環氧樹脂相比，它們表現出更低的樹脂收縮率和優異的機械加工性能。高速率工具的碳/BMI：對于高速率復合材料生產工具，可以指定碳/雙馬來酰亞胺（BMI）材料組合。碳/BMI 工具在后固化后顯示，因為它被機加工到最終公差。來源| Ascent 工具集團

由 TenCate Advanced Composites（現為美國加利福尼亞州摩根山市東麗高級復合材料公司）分銷的3M BMI TC-44 Si 使用 40%（重量）的微觀二氧化硅顆粒負載量，與可比的未填充熱壓罐固化 BMI 預浸料相比，使全厚度 CTE 減少 15%，線性 CTE 減少40%，線性固化收縮減少 50%。這些改進共同減少了熱應力和零件變形，并有望顯著限制回彈（由于復合材料中的固化收縮，零件有偏離成型形狀的趨勢）。

其他好處包括更好的耐劃傷性和斷裂韌性，減少微裂紋，質量放熱率降低 40%，從而大大改善了熱管理，這對厚零件制造尤其重要。Airtech 聲稱其 Beta 預浸料具有類似的性能和生產效益，該預浸料使用苯并惡嗪（benzoxazine’s ）的獨特化學成分代替納米二氧化硅，并已證明回彈減少了 70%。此外，其六個月的環境存儲壽命基本上消除了工具項目的冷凍存儲要求，并降低了運輸成本。到目前為止，用戶報告說，這種材料具有更大的粘性，這減少了鋪放時間，并且需要更少的中間去毛刺。Airtech 表示，BetaPrepreg 與 BMI 相比具有成本競爭力，但認為其性能和制造效率可以使天平朝著對其有利的方向傾斜。

傳統金屬的另一種替代方案是工具制造工藝，該工藝使用鎳氣相沉積（NVD-nickel vapor deposition）工藝來生產相對薄的鎳殼工具面，該工具面支撐在背襯結構上。NVD 工藝可以生產出實現高尺寸保真度的工具，鎳殼工具面表現出低 CTE、長使用壽命，并且因為它比機械加工的金屬工具體積小得多，重量輕，并且比其他材料更容易加熱和冷卻模具。NVD 專家 WeberManufacturing Technologies 股份有限公司（加拿大安大略省米德蘭市）生產鎳殼工具，應用范圍從汽車車身面板到飛機內部儲物箱。

Surface Generation Ltd.（英國拉特蘭）為加熱模具提供了一種先進的方法。其按功能規范生產（PtFSProduction to Functional Specification ）工藝技術包括一系列主動熱管理選項。工具可以被設計為使得模具溫度可以被動態地控制到零件中的各個區域或區域以及成形和固化過程的漸進階段的精確要求。這些區域的隔離和單獨控制使制造商能夠連續、快速地實時調整每個區域的加熱和冷卻水平，從而優化零件質量并最大限度地提高產量。

EireComposites 公司。（愛爾蘭戈爾韋郡愛爾蘭復合材料公司）開發了一種名為 MECH-Mould Efficient Cooling and Heating（模具高效冷卻和加熱）的整體加熱工具專利技術。所得到的模具具有電加熱元件，該電加熱元件使用鋁硅酸鹽型陶瓷水泥嵌入，該水泥提供低CTE、密度、熱質量和電導率。

碳纖維增強增強了陶瓷的低抗拉強度。聚醚醚酮（PEEK）高性能熱塑性聚合物用作碳纖維和陶瓷之間的粘合層。由于陶瓷在60°C 時變得堅硬，因此可以在廉價的圖案上制作工具。首次低溫固化后，將模具從圖案中移除，然后通過獨立后固化處理至全溫度（200°C 至 400°C）。據報道，對于厚度至少為 15mm的工具，測得的平面內CTE 小于5.0 x 10-6/°C，根據 ÉireComposites 的說法，這通常被認為是大多數玻璃和碳纖維復合材料的“匹配值”。使用 10 kW/m2 的電功率密度，這種類型的工具表面可以在不到 10 分鐘的時間內加熱到200°C。

嵌入式電阻布線或其他電氣手段并不是整體加熱工具的唯一方法。利用強制空氣加熱和冷卻的內置管道工具在航空航天行業已經使用了幾十年。風電行業多年來一直在加熱模具中注入疊層，通常使用流體導管。使用加熱和冷卻液體成型復合材料首先受到 VEC Technology LLC（美國賓夕法尼亞州格林維爾）浮動模具技術的吸引，最近又受到 Quickstep Holdings Ltd.（澳大利亞新南威爾士州班克斯敦）“平衡壓力流體成型”技術的吸引。

其他系統包括 Techni Modul Engineering（法國庫德斯）的自加熱工具，該工具具有流體循環系統。這些工具方法可以使用各種介質（油、水或金屬基流體）來對薄而輕的工具殼進行溫度控制，并且它們比 RTM 中使用的傳統金屬工具成本更低。Regloplas Corp.（瑞士圣加侖和美國密歇根州圣約瑟夫）提供的另一種有效方法是，將一種用熱水加熱水管模具的系統與加壓水相結合，同時模具在固化周期中位于熱壓罐內。加壓水裝置直接加熱工具。

因此，它比熱壓罐的對流加熱系統更快、更有效地將熱量傳遞到零件上，后者加熱容器內的空氣，而不是直接加熱工具。因此，熱壓罐主要用于提供固結疊層的壓力。因此，在固化過程中的總能量消耗通常大大減少。Single Temperature Controls 股份有限公司（美國北卡羅來納州夏洛特市）和 Westminster Solutions股份有限公司（美國康涅狄格州普萊恩菲爾德市）也提供用于管道工具的加熱流體系統。

在某些情況下，商業化的工具設計軟件將建模和制造工具（包括備份結構）所需的時間減少了80%。

可用的檢查系統為工具供應商和制造商提供了一種在生產前和生產過程中驗證工具尺寸精度的方法。近年來，在更高的溫度下保持尺寸穩定性的各種低成本建模材料已經進入了傳統的工具制造。

一個日益增長的趨勢是使用增材制造（3D 打印）快速創建原型工具、夾具和模具，甚至用于復合材料零件的疊層工具，從而實現更快的設計周期。更大、更強大的 3D 打印基礎設施以及更高溫度的樹脂和碳纖維增強材料的增長將加速這一趨勢。此外，大尺寸增材制造繼續發展，特別是針對下一代航空航天應用：“大型增材機器處理大型模具。”

模具準備付費

無論工具材料如何，脫模劑的重要性都不是過分強調。脫模會在模具和零件之間形成一道屏障，防止零件/模具粘附，并有助于零件拆卸。對于開放式成型，大多數脫模劑要么是蠟，要么是基于聚合物化學物質。在某些情況下，脫模紙會應用到模具上。其中，大多數是基于溶劑的載體溶液中的聚合物，例如脂肪族烴混合物。一些制造商更喜歡基于石腦油的釋放，這種釋放具有更長的保質期和更快的蒸發速率，并且被認為對復合工具表面的破壞較小。越來越嚴格的排放法規鼓勵了水性排放的發展，這種排放不產生揮發性有機化合物，更容易清潔，對皮膚刺激的風險更小。

半永久性聚合物脫模系統使多個零件能夠在一次應用中成型和脫模，而糊狀蠟需要對每個零件重新應用。半永久性脫模劑-優選用于更好地控制揮發性有機化合物（VOC-volatile organic compounds）排放-是專門為滿足樹脂轉移模塑（RTM）和其他閉模工藝的需求而配制的。

添加到樹脂或凝膠涂層中的內部脫模劑，替代或添加到模具表面的外部脫模劑中，可進一步減少排放，對零件的物理財產和表面光潔度的影響可以忽略不計。拉擠加工需要內部脫模劑，因為零件是連續拉動通過模具的，不允許將外部脫模劑間歇性應用于模具表面。

固定、修整、鉆孔就工裝夾具而言，這通常是需要后固化修整或鉆孔的非常大的復合材料零件的主要費用，許多方法是可能的，包括將零件固定在適當位置以進行后固化CNC加工的鋁或鋼結構。CMS北美股份有限公司（美國密歇根州喀里多尼亞）是提供通用夾具的幾家公司之一，該夾具可快速符合零件形狀，并牢固固定以進行后期固化操作。

Janicki開發了復合材料貼面和鉆孔夾具生產技術，與金屬相比可以節省成本。與大型金屬結構相比，Janicki 使用其低成本的工具技術（帶有機械膩子和玻璃纖維的木結構）實現了相同的公差，但成本要低得多。這是可能的，因為它“計時（clocks in） ”銑削頭的位置精度。Janicki 再次使用該工具的模式來制作這些低成本的修剪和鉆孔夾具。因此，制造夾具的方法在工具制造中是付費的，這導致了顯著的節約。

注：原文見，《Materials & Processes: Tooling for composites 》2022 年 5 月 7 日更新|2016年3月23日發布