熱塑復材連續壓縮成型(CCM)
ATC制造公司位于美國愛達荷州波斯特福爾斯的 67000 平方英尺專門建造的制造廠的外部。2010年，在 Lakeside Capital 投資該公司后不久，ATC就搬到了這里。
熱塑性復合材料是當今復合材料行業中最受關注的材料之一。它們出現在這類出版物、會議和網絡研討會上。熱塑性塑料在今天的應用方式和未來的應用方式都受到了討論。它們涵蓋了成本和性能范圍，并在從體育和娛樂到航空航天的各種終端市場中得到了 應用。不難理解他們的吸引力。熱塑性塑料可以預 浸，但在室溫下穩定（不需要冷凍儲存），與主要結 構機械材料一起提供不同尋常的韌性，不需要熱壓罐，為高速生產提供短的循環時間，通過焊接實現無塵組裝-dustless assembly（不鉆孔、不安裝緊固件），并且可改性和可回收。
盡管有所有這些好處和優勢，而且熱塑性復合材料越來越受歡迎，但世界上只有少數制造商專門從事 熱塑性合成材料的制造，更值得注意的是，他們擅長熱塑性材料的制造。其中，ATC 制造公司（美國愛達 荷州 Post Falls）是為數不多的在快速成型3D零件、長 度達25英尺的大型零件、復雜組件和熱塑性連續壓縮 成型（CCM- continuous compression molding）方面擁有近20年專業知識的公司之一。“復合材料世界-Composite World”編輯人員對ATC進行了訪問，以了解更多關于 該公司的設施以及如何生產。
公司發展
像許多復合材料制造企業一樣，ATC 制造業始于 一個人的愿景和激情。1990 年，時任西雅圖波音公司工程師的 Dan Jorgenson 幫助該公司在華盛頓州遠東的 美國華盛頓州斯波坎成立并運營飛機內飾制造業務.波音斯波坎公司專注于內部零件、管道和地板的制造，所有這些都是熱塑性塑料使用的有力目標。2003 年，波音公司將斯波坎工廠出售給凱旋集團（美國賓 夕法尼亞州伯溫），并更名為凱旋復合材料系統公司。Jorgenson 看到了創業的機會，決定利用他對熱塑性復合材料的濃厚興趣和對精益制造原則的長期經驗。因此，2004 年，他離開了 Triumph，兌現了401 （k）投資，將自己的房子進行了第二次抵押貸款，并創立了ATC制造公司，該公司在斯波坎和斯波坎山谷兩個工廠中運營了幾年。
當Dan Jorgenson 于2004年創立該公司時，像這樣的小型沖壓成型低載荷支架是ATC專門生產的產品類型。它們至今仍由 ATC 制造，但作為更大投資組合的一部分
在早期，ATC專注于使用聚醚酰亞胺（PEI）和聚苯硫醚（PPS）與預固化層壓板（有機片材）形式的玻璃和碳纖維織物增強材料快速、高效和經濟高效地壓 縮成型夾子、支架、煙盤、防火屏障和類似部件。ATC有各種各樣的客戶，但重要的客戶是波音公司。公司幾經合并，于2015年ATC搬遷到位于 Post Falls 的一個專門建造的67000平方英尺的新制造廠， 該工廠位于華盛頓/愛達荷州的州界對面，距離斯波坎僅一箭之遙。ATC現在由Hemmingson和Lakeside首席運營官 兼 ATC 首席執行官Jason Kindred管理和領導。
ATC的日常運營由運營總監Derek Downing、項目經理Jason Merrifield和業務發展總監David Leach管理。ATC搬進位于Post Falls的新工廠后，公司的技術能力得到了鞏固和加強，為公司繼續創新和進步奠定 了材料和工藝基礎。ATC仍然對該公司最初的許多類 型的零件進行壓縮成型，但連續壓縮成型（CCM）的加入大大擴大了其產品組合，并使其成為熱塑性航空 結構制造的支柱。
2014 年，ATC 收購了兩條連續壓縮成型（CCM）生產線中的第一條，用于使用 UD 膠帶制造多層、多角度熱塑性復合材料層壓板。第二個系統與此系統平行，于 2018 年安裝。膠帶從筒子架上繞下來（前景），然后送入壓模（背景）
技術
ATC位于華盛頓州斯波坎和愛達荷州科達倫之間 的 Post Falls 的一個工業園區內。ATC的運營通過了 ISO9001、AS9100 和 NADCAP 認證，包括一系列服務， 包括研發、CCM層壓生產、熱沖壓、結構計量、復雜組裝、結構無損檢測和表面處理、底漆、油漆和邊緣密封的精加工。
ATC目前每月生產約80000個航空航天零件，這些 零件分為五大類：用于低負載應用的夾子和支架、作為中低負載連接器的加強件和通道、用于高負載應用的具有嚴格公差的主要結構零件、各種橫截面的長梁和需要額外硬件的組件。ATC的優勢之一是使用熱塑性碳纖維單向帶材料制造零件，這開辟了更多的結構應用。
ATC的大部分業務和增長都與波音公司，尤其是787密切相關。事實上，在過去的五年里，ATC 一直在幫助波音公司將許多金屬和熱固性復合材料支架、加強件和其他內部結構轉換為熱塑性塑料，以降低金屬對復 合材料接觸的電偶腐蝕風險，并降低零件成本和飛機重量。ATC還贏得了外部飛機使用零件的生產，包括縫翼上的零件，縫翼是機翼前緣的可伸縮裝置，可以以較低的速度起飛和降落。幾乎所有這些活動都得到了推動， 主要是通過在ATC添加CCM來生產高質量的熱塑性層壓板和型材。
事實上，ATC的所有制造業務都是從CCM開始的， CCM已成為該公司的一大優勢。層壓板是通過 CCM工藝制造的，使用UD熱塑性預浸帶制造沖壓成型坯料， 以及直接使用CCM工藝制造長型材。
在訪問期間，ATC使用14層蘇威（Solvay）的UD PEEK膠帶制作層壓板，方向分別為0°、90°和±45°。膠帶上方和下方的筒子架（左側）正在輸送箔材，當膠帶通過壓模時，箔材提供保護層。
由于熱塑性復合材料在熱力學和化學上與熱固性材料不同，ATC必須利用其知識和專業知識來幫助教育客戶并調整其設計，以最大限度地利用ATC提供的材料和工藝。Merrifield 在提到ATC生產的一種高輪廓零件時指出， “在這樣的項目中，我們必須在產品（通過 復雜的幾何形狀）所能實現的目標與我們如何測量和證 明這種復雜性的尺寸之間找到平衡。我們經常必須與客戶就要求和管理期望達成一致。”
CCM工藝在復合材料行業中非常罕見，它具有顯 著的通用性和一致性，使ATC能夠結合各種纖維類型、 纖維形式和樹脂類型來構建其層壓板和型材。層壓板寬度可達26英寸，可根據應用要求切割成各種長度。這些層壓板隨后被用于兩種應用中的一種。最常見的是在ATC的幾個快速加熱壓力機中的一個上進行熱沖壓?；蛘撸瑹崴苄灶A浸料可以被送入ATC的四軸液壓機中， 以成型為C、T、H、J、U或類似的型材。這些部件，就像商用飛機的橫梁一樣，可以長達25英尺。
無論應用或工藝如何，ATC 的制造策略都是從高質 量、高通量的層壓板制造開始，然后是成型、精加工和檢查過程，以確保遵守嚴格的航空航天標準，包括尺寸穩定性、孔隙率和纖維體積分數（FVF- fiber volume fraction）。這使ATC成為各種航空航天原始設備制造商的有力合作伙伴，這些原始設備制造商已經開始信任該公司的熱塑性塑料專業知識。
在制造現場
訪問 ATC 由Downing帶領，遵循材料和工藝流程， 從接收和準備預浸碳纖維/熱塑性膠帶和織物卷開始。ATC使用由 Avient、赫氏(Hexcel)、蘇威(Solvay)、帝人(Teijin)和東麗(Toray)公司提供，其中PEEK和PEKK是最常見的。
準備工作包括在0°、90°和45°下切割和分切材 料卷，以便組裝多角度、多層層壓板。對于0°焊縫， ATC使用自動對接焊接，但90°和45°焊接必須手工完成。無論角度如何，標準卷長度約為150英尺。Leach 說：“目前的挑戰之一是，大多數規格不允許焊接中有任何重疊。” “根據定義，如果你從筒子架上跑下來， 就不能有任何間隙；如果有間隙，卷筒就會散開。而且你不能使用任何額外的材料，比如將其固定在一起的背 襯材料或任何額外的聚合物。因此，簾布層必須對焊， 這可能是一個挑戰。”
膠帶被逐漸拉過固結模，在那里它們被加熱到熔化溫度，然后冷卻到Tg以下。該過程以大約每小時14 英尺的速度制造層壓板。層壓板被切割成25英尺長，然后在NDI 之前被移到貨架上儲存。
從接收到材料準備，我們被帶到了工廠的中心— —兩條 CCM生產線，一條安裝于2014年，另一條安裝在2018年。它們彼此平行放置，每個由一排70個帶式筒子架供給.Downing表示，ATC通常使用總可用筒子架的一小部分來生產層壓板；在訪問的上午， 有18個在使用，裝載了蘇威(Solvay)碳纖維/PEKK UD膠帶，其層壓配方由0°/90°/±45°膠帶組成。
CCM過程相當簡單：筒子架進給的膠帶在筒子架生產線的末端匯集在一起，頂部和底部都有一層箔紙。該箔涂有漢高（ Henkel- 美國康涅狄格州洛基山） 的Frekote脫模劑，在壓縮過程中提供保護屏障，并被移除和重復使用（多次）。ATC 當天正在處理的18層膠帶，加上兩層箔，一旦完全堆疊，就會被逐漸拉入一個只開了幾分之一英寸的壓縮模中——即使站在機 器旁的觀察者也幾乎看不到——以便在壓機再次關閉 之前讓膠帶進入。模具寬度在 ATC 范圍內從12英寸到26英寸。訪問期間運行的模具長39英寸，寬24英寸。
壓模分為五個區域。在前三個區域，本次訪問期 間運行的 PEKK 的溫度范圍為 360-400°C，根據樹脂的 熔點而變化。在第四和第五區域中，溫度開始下降以 開始冷卻并促進結晶度，并且當層壓板離開模具時， 其低于玻璃化轉變溫度（Tg）。在 PEKK 的情況下，Tg 為 159°C；當層壓板離開模具時，ATC 的目標溫度 為 130°C。 Leach 說：“第三個區域將變得更涼爽。”
“因此，當材料通過第三個區域時，它實際上已經開始 冷卻，然后在第四個區域結晶。DSC- differential scanning calorimetry（差示掃描量熱法）告訴我們結晶發生的溫度，所以你要確保材料在結晶區域花費足夠的時間， 以達到足夠的機械性能。”
壓機每次關閉的循環時間因層壓材料配方而異， 但Downing表示，15秒是常態。隨著壓機的每次打開，層壓材料每次向前拉動約一英寸。Downing指出，盡管循環時間和推進速度意味著一個緩慢的過程，但ATC發現它是高度可靠、一致和高效的。
當層壓材料從模具中出來時，它被完全固結。在這 里，箔被分離，層壓板最終根據產品類型切割成一定長度，并轉移到 CCM生產線附近的金屬架上進行冷卻。典型的層壓板長度約為25英尺。
每個層壓板都在這個定制的Marietta 無損檢測脈沖回波/透射超聲（TTU-thru-transmission ultrasound）測試臺上進行無損檢測（NDI-non-destructive inspection）。 ATC針對熱塑性塑料調整了NDI系統，熱塑性材料表現出與熱固性材料不同的衰減特性
CCM生產線之后的下一站是無損檢測（NDI） 和噴水切割。NDI 在 Marietta NDT（美國佐治亞州Marietta）制造的30 英尺定制水床中進行。它可以同 時對每個層壓板進行脈沖回波和透傳超聲（TTU- thrutransmission ultrasonic）掃描。掃描結果顯示在床尾的電腦顯示器上，并與“標準”參考層壓板進行比較。
Merrifield 說，ATC很早就了解到，熱塑性層壓板的NDI需要與熱固性層壓板不同的設置，主要是為了適應熱塑性塑料的不同衰減。事實上，Marietta系統的初步掃描似乎顯示了異常，而事實上，這些異常并不 存在。Merrifield說：“NDI將吸收的樹脂本身略有不同。” Merrifield 指著監視器補充道：“所以，這里 面的很多東西都是看掃描，如果有異常，就把那部分切掉，然后通過顯微鏡觀察，看看是否真的有問題。我們發現了很多假陽性(false positives)。所以，這是關于 控制NDI，以確保你看到了你關心的東西。” ， “我們設置掃描，這樣，如果（一個值）低于某個點，它就會顯示為不同的顏色。這有助于我們輕松檢測異常。”
ATC的CCM系統采用四軸模具，可制造復雜的C、T、H、J 和 U 型材，這些型材通常用作飛機內部的承重梁。多軸CCM是一種復雜但高效且一致的制造工藝
NDI 之后，許多層壓板在ATC的OMAX（美國華盛頓州肯特市）噴水切割機上切割成形。接下來， 在通過NDI和水射流切割暴露于水之后，層壓板在干燥爐中花費12-16小時作為制造過程中的下一步驟的準備。
在進入沖壓成型領域之前，我們將簡要介紹另一 種在復合材料制造中罕見的系統。這是一臺四軸CCM型材機，由與其他CCM機相同的基于筒子架的系統進給，但設計用于制造前面提到的C、T、H、J 和U梁的復雜型材。Leach指出：“很明顯，最大的區別是，不是只有一套液壓執行器單向運行，而是有一套雙向運行，然后是一個四件式模具，它進入其中形成 一個零件。” “我們的型材需要一個12英寸乘8英寸的模具。所以這基本上是我們能制造的最大尺寸的型材，對于大多數應用來說都相當大。”
Downing表示，由于多軸環境中工具和過程控制的復雜性，ATC 在該系統上的學習曲線非常可觀。每個軸的材料彈性差異是一個特別的挑戰，但他說這些問題已經解決，公司現在對這個系統非常滿意。CCM配置文件系統在訪問期間未運行；該機器制造的型材主要用于商用飛機，航空航天生產率的降低了對零件的需求。
坯料通過CCM從層壓板上切割下來，然后轉移到ATC的基本工藝能力，即在該公司的10臺壓力機中的一臺上進行沖壓成形。熱塑性復合材料的沖壓成型需要仔細、穩健和一致的工藝控制，以確保樹脂達到完全結晶度。ATC 使用模具內熱電偶來測量和控制模具溫度
ATC的大部分活動都集中在沖壓成型區域，在那 里切割的層壓板呈現出其最終形狀。Downing指出， Jorgenson 開發的大部分原始創新和知識產權都在該公 司的沖壓成型技術中。“自動化看起來更簡單，但它 適合你的需要。所以它會把坯料送到烤箱，然后送到沖壓成型站。但我們沒有大型機器人來做這項工作。它只是一個自動化處理系統。”
ATC目前運營四臺80噸壓力機和四臺30噸壓力機，由一名操作員管理多臺壓力機。每臺壓力機都有 一個紅外加熱器，可以快速將坯料加熱到熔化溫度， 還有一個快速更換系統，可以將加熱的坯料送入模 具。80 噸級自動將預熱好的坯料送入模具；30 噸重的 壓力機需要手動驅動才能將坯件轉移到模具中。遍布 每個模具的熱電偶有助于監控工藝并提供關鍵性能數據。每個零件的循環時間各不相同，具體取決于材 料、尺寸和厚度，但通常從幾分鐘到20分鐘不等。所 有零件都要快速冷卻，但要以可控和規定的方式冷 卻，以實現樹脂的完全結晶度和相應的機械性能。
Downing表示，每臺機器都使用相同的現成軟件 進行控制，并為ATC定制了接口。他指出，ATC花了大量的時間和精力為其生產的每個零件開發工藝配方，但一旦制定了配方，“它就高度一致和可控。” 此外，Merrifield 指出，“如果一個過程真的開始漂移，你可以看到它的發生。系統不會按壓另一個零件。因此，如果你知道某個零件會不好，操作員可以 停止按壓并確定問題所在。”
Leach指出，管理熱塑性塑料加工需要深入了解樹脂如何隨著時間的推移對溫度做出反應。他說：“你要確保你完全熔化了材料，并且你在熔化區的時間最短。” “但你不想超過 400°C（對于PEKK）。例如，你可以縮短加熱時間，使用高溫烤箱。但是零件溫度可以通過可接受的溫度區域。另一 方面，如果設置得太低，可能需要很長時間才能達到溫度。這兩種情況都會產生不可接受的零件。我們非常關注這些事情，以確保我們制造出一致的零件，而熱電偶對此至關重要。”
Downing 說，ATC強有力的工藝控制是沖壓成形廢品率＜3%的一個重要原因。ATC為沖壓成形開發的一項省時技術是熱模更換。該 公司制造了一種模具預熱器，可以在模具進入沖壓機之前將其加熱到一定溫度，從而實現更快的模具更換和快速恢復生產。Merrifield 說：“以前很痛苦，因為更換冷模具需要四五個小時。現在，我們有預熱站，我們可以在更換后五分鐘內按下。任何時候你不跑步，你都賺不到錢。”
這臺新的200噸沖壓成型機將ATC的能力擴展到已經運行的80噸和30噸沖壓機之外
毗鄰沖壓成型區的是另外兩臺沖壓機，每臺都以其年代而聞名。第一個是一個新的200噸機組，ATC正在獲得生產資格。另一臺沖壓機更引人注目，主要是因為它是Jorgenson在 ATC成立時建造的第一臺機器。Downing說，這是一個150 噸重的系統，有一個60x30英寸的臺板，“已經升級了很多次”。如今，它主要用于研發目的，偶爾也用于補充初級生產。
當 我 們 離 開 沖 壓 成 型 區 時 ， Downing回顧了Jorgenson最初的新聞，評論了該公司創始人的另一個遺產：“我想你會注意到，我們經營著一家非常干凈的商店，”他說。“人們總是評論說，我們投資于清潔過程， 并花時間進行清潔。我們非常重視異物碎片的控制。Dan一直是清潔的大人物。每周四，我們都會停下來，閉上一兩個小時進行清潔。我們仍然投資于這種文化，這是我們團隊引以為豪的事情。”
后期處理
沖壓成型后，我們被引導通過一系列的后處理工作 區域。首先是數控加工，ATC 操作九臺哈斯自動化（美 國加利福尼亞州奧克斯納德）系統和一臺 C.R.Onsrud（美國北卡羅來納州 Troutman）機器；Onsrud系統是 一種龍門式機器，也是最大的，工作面積為12 x 5英尺。在訪問期間，該系統在一個成型零件上鉆孔和锪窩。與CNC區域相鄰的是第二個NDI工作區，該工作區具有較小（15 英尺）的Marietta無損檢測回波/TTU床， 用于評估較小的零件，并為CCM機器附近的較大NDI系統提供冗余。它還被用來“教”系統掃描正在進入生產 的新零件，就像訪問期間一樣。CNC區域附近還有一 個小型輥軋成型站，ATC 在這里生產長60英寸、直徑1 英寸的玻璃纖維/PPS 管，并進行無心磨削加工。
ATC的數控操作包括九臺Haas和一臺C.R.Onsrud機器，用于修剪和鉆孔成型零件
與大多數復合材料制造業務一樣，ATC 的實驗室 和計量工作是在主生產車間外的封閉、氣候控制的房 間里進行的。該實驗室配備了一臺Tinius Olsen測試機 （美國賓夕法尼亞州 Horsham）測試儀、一臺DSC機 器、顯微鏡用灌封和封裝設備、一臺噴砂機和一個轉筒。在計量方面，核心是蔡司工業計量（美國明尼蘇達州Maple Grove）計量表，它提供航空航天制造商所 需的高精度尺寸掃描。但還有第二種工具在 ATC 很有 用——Creaform（加拿大魁北克省萊維斯市）MetraSCAN 3D手持掃描儀。要使用它，ATC 將零件 安裝在夾具中，然后使用MetraSCAN 3D掃描儀進行 掃描。掃描大約需要20分鐘，產生大約100萬個數據點。它是完全便攜的，可以在整個設施中用于檢查模 具。Downing 表示，MetraSCAN 系統的精度為±0.0015英寸，不如蔡司系統準確，“但其速度、成本、便攜性 和靈活性是無與倫比的。”ATC于2018年收購了MetraSCAN 3D掃描儀，并于當年獲得波音公司的批準，可用于檢查波音生產部件的尺寸公差。Downing表示，ATC的產品質量率和準時率超過99%。
我們訪問的行程在油漆準備和油漆間結束。油漆制備是用溶劑濕巾完成的，使用非常詳細和具體的協議，包括溶劑類型、擦拭方向和每個零件的附著力測試。繪畫是在兩個展位中的一個進行的，其中較大的 一個有30英尺長。協議在這里也是至關重要的，包括油漆涂層數、干燥時間和附著力要求。如果油漆粘附失敗，則（小心地）剝離油漆，并重新開始整個準備 和油漆過程。 ATC 的整個工作流程是一個電子制造系統，在每 個工作站提供無紙指令。每個零件都有一個標記，每個工位的操作員都會將其記錄到系統中，以跟蹤整個設施的進度。Downing 說，紙張旅行者的缺乏有助于減少工廠的 FOD。
ATC制造的各種夾子、支架和加強筋已經大幅增長，并越來越多地用于商用飛機。耐用性、韌性和易成型性使熱塑性塑料成為飛機內外極具吸引力的選擇
展望未來
ATC與波音公司的牢固關系，特別是在787項目 上，在過去十年中推動了該公司的巨大增長。ATC是波音卓越投標人計劃的成員，曾兩次被提名為波音年 度供應商獎。2019年，在全球商業航空航天生產的高 峰期，ATC制造了超過110萬個零件。隨著冠狀病毒 大流行的爆發和飛機制造業的減少，ATC的產量下降到每年不到100萬個零件，這是可以理解的。
盡管如此，該公司仍熱切地展望未來，利用內部 研發和合作研發來尋找新的機會。例如，ATC是熱塑性復合材料研究中心（TPRC，荷蘭恩斯赫德）的成員，在過去 18 個月里參與了 12 個組織的技術開發項 目，包括國防高級研究計劃局（DARPA，美國弗吉尼 亞州阿靈頓）、空軍研究實驗室（AFRL，美國俄亥俄 州萊特帕特森空軍基地），NASA（美國華盛頓特區） 和材料供應商。ATC 使用 AniForm（荷蘭恩斯赫德） 加工建模軟件，并補充了自己開發的工具，以幫助其 在成品中實現更好的尺寸控制。
ATC 和行業合作伙伴也在進行大量工作，以評估 可能促進進一步增長的技術。這包括非矩形零件的自 動簾布層制備，包括簾布層下落和堆積、自動纖維放置（AFP）中的牽引轉向、較大（10 英尺）的沖壓成 型零件、不使用基座的熱塑性焊接、注射二次成型、 使用回收復合材料和更復雜的型材。
此外，與許多制造商一樣，ATC 也關心培養穩定 的實際和潛在員工。在內部，它使用交叉培訓來最大 限度地提高員工的靈活性。在外部，ATC 正在與北愛達荷學院（Coeur d'Alene）、貢扎加大學（Spokane） 和愛達荷大學（Moscow）合作開展勞動力和培訓項目。
像這樣的承重飛機梁是通過ATC的四軸CCM機器生產的，這使得能夠制造復雜的 C、T、H、J 和U型材
展望未來， Leach持謹慎樂觀的態度。ATC 和航空航天復合材料供應鏈中的其他公司一樣，期待著商業航空航天生產恢復到疫情前的水平。ATC正在積極開發其他航空航天應用，包括先進空中機動 （AAM）、無人駕駛飛機、國防和運載火箭。當這些市場發展起來時，ATC 可能需要擴張，在Post Falls現有空間。
Leach 說：“我們已經批準在需要時再增加50000
至52000平方英尺的空間。”“然后在這座大樓的北 側，Lakeside 擁有五英畝的土地，有很大的擴張空間。然而，任何擴張的主要原因都是為了讓我們能夠 用更大規模的工藝設備技術制造更大的零件。我們在現有設施和現有技術內的產能沒有問題。但更大的部件需要更大的ATC或在未來幾年內迅速擴大熱塑性塑料的應用”。
注：原文見，《 Plant tour: ATC Manufacturing, Post Falls, Idaho, U.S. 》2021．11．29．
楊超凡 2023.8.20
