從多功能飛機內飾到使用連續織物的化合物，再到回收碳纖維的日益使用，壓縮成型提供了新的機會。

幾十年來，熱固性塑料(SMC)和熱塑性塑料(GMT和熱塑預浸料)都使用了壓縮成型，但一系列新的發展 擴大了其覆蓋范圍，使復合材料零件能夠滿足日益增長的需求，即減少浪費、縮短循環時間、提高多功能性和可持續性。

與之前的蜂窩/玻璃酚醛預浸料夾層相比，這種混合SMC A350門框內襯(TRL 6)將零件成本和制造交付周期降低了50%以上。

混合SMC

正如本月的專題報道“CW 工廠之旅：復合材料技術中心”中所強調的那樣，SMC正在由空客和德國斯塔德的復合材料科技中心(CTC)進行改造。目前的復合材料飛機內部部件通常使用玻璃纖維/酚醛夾層結構，其特點是飛行材料使用量低、循環時間長和大量返工/精加工。CTC希望解決這些問題，但也希望實現更復雜的功能，例如，集成線夾、連接接口、電路、緊固件、著色和不同表面。因此，CTC在單級壓縮成型工藝中將熱固性短纖維SMC與預浸漬、定制的連續纖維增強材料相結合。這與CAMISMA項目中用熱塑性材料演示的過程非常相似。

混合SMC將短纖維化合物與連續纖維預浸料和單級壓縮成型相結合，為機艙、貨物和二次結構應用生產輕質、復雜和集成的零件

CTC研究員Marc Fette于2015年11月在加拿大阿爾伯塔省路易斯湖的一次復合材料演講和2016 年題為 “混合片材成型復合飛機部件的自動化和成本效益生產” 的論文中描述了混合SMC技術。（還有一篇關于新貨運和客艙應用的SAMPE 2016論文。）這項研究是與空中客車公司、德國漢堡拉斐特/赫爾穆特·施密特大學和德國Polynt Composites GmbH（德國米倫）合作完成的。該團隊開發了一種用于航空航天應用的新型阻燃SMC， Polynt在2015年6月21日至25日在德國柏林舉行的 第15屆歐洲材料阻燃和保護會議上發表了該產品。該材料通過了空中客車運營有限公司（德國漢堡）的鑒定， 并作為CTC開發混合SMC的基礎。

CTC討論了兩種SMC產品的測試結果：用短切玻 璃纖維增強的HUP 63/25GF和使用碳纖維的HUP 27/25CF。這兩種產品均采用不飽和聚酯樹脂制成，滿足飛機內部的火焰、煙霧和毒性(FST- flame, smoke and toxicity)要求。在混合SMC部件中，通過沿高負載路徑放置預浸漬的連續編織或單向織物來增強短纖維性能?；蛘撸梢允褂枚ㄖ评w維放置(TFP- tailored fiber placement)貼片（請參閱“定制纖維放置：批量生產中的最佳金屬”）。這些吸 收了主要的力，而SMC實現了復雜的幾何形狀，包括集成肋、接口和連接點（例如電纜支架）以及金屬緊固件和插入件。

短纖維SMC可以實現復雜的形狀和金屬插件， 而連續的纖維增強材料，如預浸帶或定制纖維 放置（TFP）貼片（右），可以提高承載能力和輕質結構性能

 

混合SMC零件可以在145-155°C的壓縮成型機中在120-180秒內固化。由此產生的零件實現了高的設計自由度和90%的高材料使用率、用于飛機應用的相對低的材料成本以及高水平的自動化(LoA)?；厥仗祭w維面紗可用于SMC，正如寶馬汽車生產和CTC飛機內飾和貨運應用所證明的那樣（見“結構應用回收碳纖維”）。Polynt Composites Germany和CTC還開發了用于飛機應用的再生碳纖維SMC，Polynt將其作為再生碳產品進行營銷。

回收CF模塑化合物

還有一種在模塑化合物中使用回收碳纖維的方法， 這種方法在世界范圍內越來越流行。在這種方法中，廢料預浸料被切割成芯片，并形成化合物，該化合物也可 以容易地用壓縮成型機成型。我相信這項技術有很大的前景，既是一種回收復合材料制造廢物的替代方法，也是一種新的美學。從高爾夫球桿到摩托車再到高端跑車， 這種“新碳外觀”在所有產品中都有體現。

由碳纖維模塑化合物制成的零件外觀越來越受歡迎， 蘭博基尼Huracan和阿斯頓馬丁 DB11（頂部）， 在Clear Carbon Composites（左下）和Callaway Golf的RAZR-Fit車手（右下）的幫助下，David Yurman鍛造了Walt Siegel摩托車公司的Carbon Moto。注：蘭博基尼Huracan 和Callaway RAZR使用A.Schulman 的Quantam AMC 8593短切纖維/乙烯基酯化合物。阿斯頓馬丁DB11采用Polynt SMCarbon 90 CF60-12K。

 

就我個人而言，我認為回收的預浸材料的外觀更令人印象深刻，主要是因為它提供了更多的深度，也根據切屑的方式提供了多樣性。CW在2016年國際造船商展覽會（IBEX，美國佛羅里達州坦帕市）的未來材料展上展示了這些回收的模塑化合物。我還看到了 van Wees UD和Crossply Technology BV（荷蘭蒂爾堡）的Rien van den Aker在2016年CFK Valley Stade會議（6月15-16日， 德國Stade）上的演講。他討論了UD芯片的使用，UD 芯片是將定制的預浸料坯切割成形狀的生產廢料，然后將其轉化為可成型材料。切屑為小于50mm乘50mm的不規則形狀，具有良好的成形性。

2016年IBEX未來材料展展出了一個由南加州大學斯特蘭德復合材料制成的手機殼和其他物品，以及一個由 121c（左）制成的滑板甲板和一個由CTC Stade的片狀SMC制成的滑雪板坯料

南加州大學（美國加利福尼亞州洛杉磯南加州大學） 化學工程和材料科學MC Gill教授Steven Nutt博士也認為這項技術具有巨大潛力。納特說：“作為七國集團（當時是八國集團）提高材料效率和可持續制造倡議的一部分，我們通過美國國家科學基金會的撥款開始了這方面的工作。” “該項目的任務之一是研究如何重新利用預浸料廢料。我們開始試驗將廢料切割成芯片，然后將 其壓縮成型為類似預浸料的中間片。”Nutt和Gaurav Nilakantan在2014年CAMX上介紹了他們的工作，并發 表了 2015年的論文《航空航天預浸料和廢料的再利用和升級循環》。南加州大學的衍生產品121c也使用了這項技術，該公司生產碳纖維滑板（我可以補充一下，非?？岬幕澹?。

納特說：“自動切割臺生成的骨架在這個過程中很容易 使用。”“問題是如何以對市場有吸引力的價格將廢料 轉化為原料化合物。我們看到的最大需求之一是如何自動化切屑過程。另一個領域是配料，或如何分配切屑以避免結塊并保持一致的平整度。”Nutt在面向木材行業的刨花板(OSB- oriented strand board)中看到了可能的答案。“這很像我們正在努力做的事情。有趣的是，這項技術的世界領導者之一是Dieffenbacher，一家在復合材料加工方面也處于領先地位的公司。”

Callaway的Big Bertha Fusion車手和球道木桿（右） 高爾夫球桿使用A.Schulman的新型鍛造Preg連續碳纖維SMC

 

A．Schulman（現為Lyondellbasell）推出了Quantum Forged Preg，這是一種使用連續碳纖維織物的準各向同性乙烯基酯（VE）模塑化合物。Quantum Forged Preg可作為三軸、雙軸或單向產品提供，與短切碳纖維/VE化合物相比，其抗拉強度提高了2-3倍，彎曲強度提高了30-200%。正如我在2016年CAMX回顧中所解釋的，這只是a.Schulman現在提供的全系列壓縮成型材料之一， 涵蓋熱固性塑料和熱塑性塑料。該公司還將于今年夏天在密歇根州海灣市開設一個新的客戶開發中心。

A.Schulman工程復合材料市場開發總監Doug Gries解釋道：“我們的想法是通過讓來自我們所有專業領域的代表在一個地方任職來加快客戶的產品開發周期。” “因此，當材料專家建議進行修改時，制造資源就在那里討論這對加工的影響以及可能需要什么參數的改變。”Gries認為，另一個好處是，這種專業知識與材料無關。“我們提供熱固性和熱塑性塑料、SMC和大塊成型化合物，我們在注塑和壓縮成型方面也有專業知識。許多人認為，如果沒有注塑，你就無法實現真正詳細的肋和精細的結構，但我們也一直通過壓縮成型實現這一點。”

END

注：原文見，《 Compression molding: New materials and markets 》2023.3.14.