通過混合二次成型在工業規模上降低熱塑性復合材料的風險。

支持新的供應鏈威格斯（Victrex）復合材料解決方案公司正在其5000平方米的生產設施中生產熱塑性復合材料二次成型零件，該生產設施位于其與長期合作伙伴Tri-Mak Plastics共享的一棟大樓內。

CW首次討論2015年Victrex（Cleveleys，Lancasthire，英國）開發的二次成形工藝時，這是革命性的，開辟了一個全新的“混合復合材料”類別。在此過程中，Victrex使用連續纖維增強聚芳醚酮（PAEK）復合材料基材，然后在其上注射成形短纖維增強聚醚酮（PEEK）化合物。在2015年的文章中，結果是一種高性能的混合復合材料支架，比同類金屬部件輕60%。Victrex低熔體PAEK（LMPAEK）聚合物的305°C熔體溫度允許基材在與PEEK化合物（在340°C下熔化）二次成型時在表面熔化，從而有效地形成焊接。二次成型同時使復合材料零件功能化——例如，用LED燈的加強筋或夾子——并使其比未加強的PEEK零件更薄、更輕，使用更少的材料。

2017年，Victrex宣布投資TxV AeroComposites，這是一家與客戶和混合支架聯合開發商Tri Mack Plastics（美國羅得島州布里斯托爾）的合資企業。該合資企業隨后被Victrex收購并擁有100%的股份，現在安裝在布里斯托爾一棟5000平方米的建筑中。

Victrex航空航天銷售主管喬納森·索爾克斯(Jonathan Sourkes)表示：“最初的想法是創建一個卓越中心，在那里你可以完成所有的設計和工程，制造工具，制造原型，并最終生產商業零件。”。“從本質上講，我們來這里是為了以工業價格生產零件，并激勵其他公司也這樣做。”

降低熱塑性復合材料生產風險

CW對Victrex復合材料解決方案工廠的參觀從樓上的會議室開始，討論從2015年到現在的過渡。索爾克斯說，當Victrex開始生產其AE250 LMPAEK聚合物時，“它看到了對纖維、薄膜、粉末和UD帶等產品形式的整個生態系統的需求，并對如何在復合材料中加工聚合物和預測零件性能進行研究，以推動應用開發。我們已經充分表征了包覆成型與基材的結合，實現了高達40兆帕的強度，這是航空級粘合劑結合的兩倍，比熱塑性復合材料焊接的典型基準好50%。”

Victrex復合材料主管羅波·瑪澤拉（Rob Mazzella）表示：“混合復合材料正獲得越來越多的認可，但在提高人們對該技術在供應鏈中的可能性的認識方面，還有更多的工作要做。我們這一設施的驅動力一直是以高速度生產高質量零件的能力。”

索爾克斯表示：“我們的目標是促進行業采用，降低風險，加快客戶的發展。”。“這就是為什么我們幫助客戶開發混合材料零件（見下面，“混合材料工程支持”），還銷售復合材料層壓板和插入件，供其他人進行二次成型。”瑪澤拉說，建立這一設施是為了“以一種需要超越卓越中心的方式為他們提供支持。這就是為什么我們為高速PEEK和PAEK復合材料生產提供了設備和生產工藝。我們投資于提供工業循環時間和可重復性的自動化。”

混合零件、AAM和允許值

混合零件原型左上角，順時針：支線飛機的紀念碑支架，Beta Technologies的先進空中機動（AAM）原型零件和貨運飛行器的原型檢修門板

現在討論轉向一系列包覆成型的熱塑性復合材料零件，包括一個0.7 x 0.7米的貨運飛行器檢修門板。索爾克斯說：“它是用50層UD膠帶和將近一公斤的二次成型制成的。”。“它還有一個雙曲度，在層壓板中形成一種口袋，二次成型填充。”該零件是為波音公司領導的DARPA資助的RAPM項目生產的。該零件的重量為5公斤，而之前的鋁制零件幾乎為10公斤。索爾克斯說：“為了從鋁中獲得這種形狀，他們必須從一個14到23公斤的坯料和數控機床開始，這需要大量的材料。”。“因此，購買與飛行的比率很低?；旌喜牧喜考睦速M明顯減少。”

事實上，混合動力汽車的零部件在購買比需要提高的地方做得很好。索爾克斯說：“我們的材料和工藝在重量輕、效率高和減少二氧化碳方面具有可持續性優勢。”。“混合型復合材料檢修門的循環時間不到10分鐘，而用鋁進行數控加工需要一整天的時間。因此，盡管每小時的數控成本低于復合材料的加工成本，但我們的加工時間要低得多，因此我們最終獲得了更好的零件成本。”瑪澤拉指出了另一個零件，一種仍在開發中的支線飛機的紀念碑支架。索爾克斯說：“購買與飛行的比例接近10：1，我們的重量和成本分別為現有零件的40%和40%。”。

瑪澤拉指出，在移交一個關鍵尺寸的結構時，該結構具有撕裂形復合材料頭部和從底部延伸的螺紋金屬螺栓柄，“這個零件比我們通常工作的要小得多，但它實際上不僅有一個復合材料插件，還有一個包覆成型的金屬軸承組件。這是我們正在幫助創新的新應用類型，因為當每架飛機涉及數百個零件時，即使每個零件節省幾克，也會增加成本。”

最后要討論的部分是先進的空中機動（AAM）制造商Beta Technologies（美國佛蒙特州南伯靈頓）。索爾克斯說：“該應用程序每年針對數千個組件，每個組件有多個零件。”。“這是一個玻璃纖維增強的PAEK零件，我們正在進行原型設計，也是我們今天設備中運行的大組件的零件。”為什么是混合復合材料？索爾克斯說：“為了達到這個形狀，不使用任何金屬。”。“減輕重量是關鍵，因為在這些電池驅動的汽車中，每克都很重要。”盡管業內一直在討論AAM的主要結構將使用熱固性復合材料，但索爾克斯指出，“我們從AAM制造商那里聽說，每年超過1000架AAM，他們看到了對熱塑性塑料的需求。”瑪澤拉說，AAM的牽引力很快就來了。“這些飛機的某些部件對PEEK復合材料的要求非常好。我們也開始看到商用飛機原始設備制造商和供應商開始取消他們在新冠疫情前大力推動的努力。”

AAM的另一個問題，也是Victrex一直在研究的生態系統的另一關鍵部分，是可允許數據庫的開發。索爾克斯說：“NIAR[美國堪薩斯州威奇托市]已經發布了一個NCAMP公用數據庫，用于使用靜態模壓成型的東麗（Toray）的TC1225碳纖維/LMPAEK預浸料。”。“很快，我們將使用我們現有的穿梭機技術公布我們對這些數據的等效性。對于測試零件，我們的成型周期不到15分鐘，但在實踐中，零件通常在10分鐘內成型。這之所以成為可能，是因為我們的穿梭機的工藝時間比靜態沖壓成型工藝更快。”。“雖然NCAMP TC1225數據庫是基于Toray T700碳纖維的，但Victrex正在努力使用AS4、IM7以及最終的AS7碳纖維通過NCAMP發布數據。索爾克斯表示，這將使公司能夠以相對較小的投資獲得與其流程相同的產品。“我們投入了大量資金，使數據民主化，以支持該行業。”

混合型復合材料工程支撐

彼得·勒夫斯克(Peter Levsque)是Victrex的應用和航空航天工程經理。在CW的巡演中，他指出了他的團隊在Victrex為行業提供的整體支持中所起的重要作用。他說：“聚合物是在英國生產的，你可以看到美國的這家工廠生產的零件。”。“介于兩者之間的是工程—提出設計和制造來執行零件。對我們來說，這在很大程度上是一種協作的工程方法。我們在這里傳遞知識，幫助我們的客戶和合作伙伴提出解決方案。”勒夫斯克說，客戶是應用程序專家，“ 但我們是材料和工藝專家。我們通過一個分階段的過程來了解零件及其要求。它在設計上是穩健的，有助于降低工藝風險。然后，我們將建議一個初始的混合復合材料設，并獲得客戶的反饋，與他們合作進行迭代，直到我們開始使用模擬和預測制造分析。”。“目前使用的工程工具包括拓撲優化、有限元分析（FEA）、熱分析和Moldex 3D注塑模擬軟件（美國密歇根州法明頓山）。”勒夫斯克說：“將Moldex輸出轉化為FEA輸入的能力非常關鍵。”。“我們還與Altair（美國密歇根州特洛伊市）、MSC軟件公司[美國加利福尼亞州紐波特海灘市]和Hexagon Manufacturing Intelligence（英國科巴姆市）合作為連續纖維復合材料和注塑材料提供材料數據卡，用于這些模擬。例如，這有助于繪制出復合材料插入件上注塑成型部分的纖維取向。通過我們的內部網絡，我們可以向一些實驗室提出特殊的挑戰，也可以向世界級的材料專家提出晦澀難懂的問題。”

“這些早期研究的目標，”他解釋道，“就是在我們投資建造工具之前，提出一個最終設計，讓每個人都對制造和性能充滿信心。要達到這個最終概念階段需要做很多工作，通常需要幾周，但可能需要幾個月，這取決于復雜性。到那時，我們完成了零件圖，并將其轉入生產。”

勒夫斯克指出：“客戶保留其特定零件設計的所有權。”。“當彼得的團隊在設計零件時，他們正在與我們的工廠經理合作，為制造進行設計，并進行優化以滿足生產率要求。”然后，所有這些零件工作都被用于返回并更新材料卡和過程模擬，就像Victrex作為多個聯合體的成員所做的工作一樣，例如熱塑性復合材料研究中心（TPRC，荷蘭恩斯赫德）。勒夫斯克說：“我們還與學術界合作，研究了多尺度物理，以真正了解正在發生的事情，這樣，我們就可以高度自信地提供有效的原型零件。”。“我們將于明年與一所大學合著一篇論文，內容是使用分子動力學對混合復合材料鍵進行建模，并將其擴展到有限元分析和零件級別。”

靈活的工業生產

當我們準備參觀樓下的生產車間時，瑪澤拉解釋說，Victrex的工藝是基于自動鋪帶（ATL）來創建定制的毛坯預成型件，然后進行壓固、噴水修整、沖壓成型、數控鉆孔，然后進行二次成形。“雖然我們很想在大型初級結構中看到Victrex材料，”他說，“但我們不想在這里生產這些材料。”那么，目標零件尺寸是多少？索爾克斯說：“有了ATL和壓力機，超過2米是沒有意義的。”。“我們可以使用其他工藝，但我們選擇了ATL和沖壓。根據我們的分析，如果你能以這種方式制造零件，替代技術在經濟上不會競爭。”

“我們的方法，”瑪澤拉說，“一直是建立一個最靈活的設施，能夠將你一只手拿著的零件作為混合動力，連接到一兩米長的零件上。我們現在的計劃在工業規模上是可行的，但如果我們要開始每年運行10000或20000個零件，那么我們很可能會為此安裝一個專門設計的工作站。”

參觀由索爾克斯和Victrex工廠經理卡隆·拉薩特（Kalon Lasater）帶領，從辦公室下面的一樓開始，從大樓的前面一直延伸到后面。第一個區域包含所謂的“臟”過程，包括數控加工、金屬車間和原型夾具區域。Haas Automation（Oxnard，California，U.S.）CNC工作站用于在二次成型之前對沖壓成形的零件進行鉆孔。就在它的后面是一個來自Flow International（美國華盛頓州肯特市）的封閉噴水池，用于在沖壓成形前修剪固結的層壓板。

當我們穿過一扇門進入主生產區時，值得注意的是，這里有很多空地。索爾克斯說：“我們為今天準備生產的產品安裝了設備，所以我們有很大的增長空間。”拉薩特指出，地板布局的設計允許額外的穿梭沖壓站以及ATL、沖壓成形和二次成形線。我們走過左邊的穿梭機沖壓固結工作站和右邊與之相對的機器人成型站，朝著左邊前面封閉的ATL工作站走去。

自動鋪帶（ATL）工作站

靈活、自動化的生產。自動鋪帶（ATL）工作站的機器人線軸更換和筒子架。

在ATL工作站內，Dieffenbacher（德國埃平根）Fiberforge 4.0定制坯料生產線正在為另一個AAM項目生產碳纖維/PAEK預成型件。站在Fiberforge的前面，操作員控制臺在左邊，在那里的另一邊是存放膠帶卷軸的區域。在線軸存儲器和Fiberforge機器之間是一個機器人，它可以拾取新的線軸，并將其與機器筒子架中耗盡的線軸切換。該筒子架構成Fiberforge機器的左端，最多可進給四種類型的膠帶，每種膠帶都具有緩沖展開和張力控制功能。

通過ATL快速預成型轉盤（頂部）和多層碳纖維/PAEK預成型件（底部）

右邊的下一個站有兩個平行的快速膠帶分配器。這些進給和切割膠帶的循環時間小于1秒，最大膠帶長度為2000毫米。這包括隨后的超聲波點焊，將每一層粘在下面的一層上?；蛘撸梢砸韵嗤膩喢胨俣韧瑫r放置兩個較短的磁帶，而不是一個長膠帶。

Dieffenbacher聲稱其最大沉積速率為490公斤/小時。ATL系統適用于所有熱塑性膠帶配方，包括Victrex PEEK和LMPAEK以及玻璃和碳纖維。膠帶寬度可以在50到165毫米的范圍內，厚度可以在0.1到0.4毫米的范圍。切割膠帶的長度可以在30到2000毫米之間。

切割后，將膠帶放置在直徑2米的旋轉臺上，通過真空系統固定，并立即通過一系列超聲波焊接頭進行點焊。一旦整個簾布層完成，工作臺旋轉并分度以接收下一個簾布層，或者從膠帶層向控制站快速平移以供操作員檢查。

該工藝可以實現接近凈形狀的疊層，并最大限度地減少材料浪費。ATL系統允許在膠帶之間具有小間隙（例如0.4毫米）的疊層。拉薩特指出：“在整合過程中，隨著磁帶的擴散，缺口逐漸縮小。”。“我們已經為我們展示的檢修面板放置了多達50層，但我們還沒有達到最大值。”90層的零件是通過將兩層疊放在一起制成的。“這個系統不同于連續壓縮成型（CMC），”他解釋道，“因為我們不必將膠帶對接焊接在一起以包括離軸簾布層。工作臺只是旋轉，所以我們有廣泛的可能纖維角度，焊接位置是偏移的，所以每個簾布層的位置都不相同。”

焊接位置是生產工程設計的一部分，每個焊縫的壓力以及每個層膠帶的形狀、數量和位置也是如此。Tailor Gen是迪芬巴赫用于其操作員界面的軟件。拉薩特說：“想象一下，用Solidworks來設計一種層壓板。”。“你可以預測運行時間、材料消耗以及每條切割膠帶的放置位置。它還可以檢測問題并拒絕設計，這樣你就不允許鋪設糟糕的路線。”

干燥和固結

從ATL工作站中，將定制好的坯料帶到位于穿梭機固結區附近的干燥爐中。盡管PEEK和LMPAEK的吸濕率<1%，但作為預防措施，已完成的定制坯料應進行干燥，以確保不存在可能導致固結層壓板出現孔隙的水分。拉薩特說，烤箱在135°C下的干燥周期通常為8小時，但取決于厚度。坯件被分層放入一個大推車內的金屬絲架中，當推車被推入烤箱時，可以通過橫向流動來干燥每個層壓板。在我們參觀期間，購物車底部有ATL坯料，頂部有已經固結的板材。索爾克斯說：“我們有兩個干燥步驟：一個在固結之前，另一個在噴水切割之后，在我們將固結的坯料放入成形室之前。”。

干燥和固結

ATL預成型件在烘箱中干燥（中間），然后在雙塔壓機中固結（左）。金屬板運輸工具內的固結層壓板（右）正在離開輥道，將使用帶有橙色真空夾具的機器人提取。

整合單元的尺寸約為6 x 9米，采用了一個定制的壓機，該壓機有兩個塔，包含由美國傳統工業設備供應商制造的單獨驅動的壓板。AAM零件使用的玻璃纖維/AE250 LMPAEK層壓板正在使用三套運輸工具進行加固。每個10分鐘的鞏固周期包括三個同時的階段：（1）新坯料進入第一個“熱”塔；（2） 熔化的坯料從第一個“熱”塔進入第二個“冷”塔（仍然是熱的）；（3） 固結坯件離開第二個塔并圍繞金屬輥的故意尺寸的軌道移動，該長度是為了充分冷卻以形成完整機械性能所需的結晶度而計算的。在軌道的盡頭，工作站操作員使用帶有真空夾具的機器人打開運輸工具，然后戴上耐熱手套，取出仍然很熱的層壓板，并將其放入存儲架中。

單個操作員可以運行整個工作站，包括裝載和卸載運輸工具。拉薩特說，工作站的運行周期最短可達三分鐘，“在這種情況下，我們會使用四到五個運輸工具。這些工具是特定尺寸的，但不是特定零件的，由低成本的金屬板制成。”

“通常情況下，這種類型的壓力機只有兩個氣缸，”他繼續說道，“但我們所有的壓力機都有四個氣缸，當與先進的液壓和控制裝置相結合時，在固結過程中以及在我們的沖壓成形單元中都能實現非常高的平行度。”這對于保持層壓板和成品的平面度和精度很重要。

拉薩特指著存儲架下面的一個盒子解釋道：“我們還使用了一種Victrex LMPAEK薄膜，它有助于在混合二次成形過程中粘合，這是混合層壓板標準簾布層計劃的一部分。”。然后，在沖壓成形之前，將固結的坯料送到隔壁的噴水池進行邊緣修整和添加特征。如上所述，然后在進行到印模形成單元之前再次干燥它們。

沖壓成形和二次成形

機器人沖壓成形前景中的導軌引導層壓板固定在張力框架中（下圖），進出沖壓成形室，背景中有兩個機器人和一臺275噸重的壓力機，兩側各有上下紅外爐。

用于無褶皺零件的精確張緊固結的熱塑性復合材料層壓板被固定在特定位置的框架中并張緊，以允許在沒有褶皺的情況下成形。

該工作站采用275噸壓機，由與雙塔固結壓機相同的供應商制造。一堆紅外（IR）烘箱（紅外線加熱技術公司，美國田納西州橡樹嶺）位于壓機的每一側，共有四個烘箱。拉薩特說：“這使得工作站能夠與媒體的索引速度相匹配。”。“只要我們有三到四個固定裝置來固定固結片材，每次打開時我們都可以在壓機中放入一塊層壓板。”

夾具是金屬框架，其被精確地配置為保持固結的層壓板，并能夠在沒有褶皺的情況下形成所需的3D幾何形狀。索爾克斯指出，成型過程通常在設計過程中使用成型模擬軟件（如AniForm（荷蘭恩斯赫德的AniForm Engineering））進行優化。他補充道：“更深入的繪制，復雜的幾何形狀需要廣泛的模擬才能達到優化的夾具設計。”。“這也是我們得出最佳壓力機關閉速度和壓力分布的方法，這是關鍵參數。”

夾具位于一組導軌上，導軌送入沖壓成形工作站，該工作站由一名操作員操作。將層壓板固定到成型夾具中后，操作員按下按鈕，夾具移動到工作站中，兩個Yaskawa（美國俄亥俄州Miamisburg）機器人中的一個拿起夾具并將其放置在左上角的IR烘箱中。經過短暫的預熱循環后，IR烘箱打開，機器人迅速將夾具轉移到成型機中，成型機立即關閉并開始該零件的2分鐘沖壓循環。IR烘箱和壓力機的時間和溫度遵循零件設計過程中優化的預編程配方。索爾克斯說：“我們控制溫度和壓力，每次都知道預成型件在壓力機內的位置。”。一旦沖壓循環完成，機器人將夾具從沖壓機上取下，并將其返回到軌道系統，操作員將其取下并準備另一層壓板。

注射二次成型Engel Victory 130注塑單元最多可包覆成型1個復合基材?平方米。隨著項目在未來五年內完成資格認證，將增加更多的工作站。

沖壓成形和CNC鉆孔后，零件被轉移到二次成形工作站，該工作站直接位于ATL工作站的對面。Engel（奧地利施韋特貝格）Victory 130注塑機位于一個大型圍墻生產區內，專為PEEK和PAEK所需的高溫而定制。索爾克斯說：“我們還需要一臺能夠處理寬達2米或長的大型基板的機器。”，“并使用1公斤或更少的塑料注射進行二次成形，與典型的塑料注射成型相比，這是很小的。我們需要很大的力來抵抗二次成型的背壓，否則模塑化合物會溢出。這就是為什么這些機器往往是高噸位的。”

零件從二次成形區域轉移到建筑的后部，并準備裝運。當我們往回走到大樓的前面時，我們在印模形成室前左轉，進入它后面的一個實驗室。這個分析實驗室是使用差示掃描量熱計（DSC- differential scanning calorimeter）檢查零件樣品結晶度的地方。“我們用它來驗證工藝參數，”索爾克斯說，“例如，以確認我們的冷卻周期。然后，我們使用我們的工藝控制來確保每個零件都符合規范。”對面的角落是一臺六角制造智能坐標測量機（CMM-coordinate measuring machine），用于在最終確定工藝規范之前驗證幾何精度。

五年后

當參觀結束時，我請團隊在五年內描述一下這個生產車間。“我們將有專門建造的生產工作站，”索爾克斯說。“我們現在有非常靈活的設備，但新工作站的安裝將針對一系列零件進行優化，最有可能是AAM。五年后，我們還將獲得商業航空原始設備制造商的混合工藝資格，這將為我們和其他零件制造商開展進一步的應用。”

瑪澤拉補充道：“這些資格是已經在進行的投資和項目。”。“有些將在近兩年內上線，但到五年，我們現在活躍的一切都應該達到TRL（技術準備水平-9）。”索爾克斯指出，還應該完成四到五個熱塑性復合材料的NCAMP公共數據庫， “這將使我們能夠幫助我們的客戶獲得FAA和EASA的零件認證。現在，一切都是點設計，但五年后，這將變得容易得多。這就是為什么存在這個專門的復合材料解決方案設施的真正原因——利用設計和開發能力以及聚酮專業知識，以及我們在這里學到的工藝和生產經驗，以及將其應用于將鋁、鈦或熱固性復合材料設計轉化為可在工業規模上生產的熱塑性混合復合材料零件。”

精密熱塑性塑料零件制造商擴展到混合復合材料領域，以幫助滿足OEM對更高性能的需求，同時減少重量、成本和交付周期

從顆粒到磁帶，再到兩者的混合體。Tri-Mak已從高性能注塑零件擴展到連續纖維增強熱塑性塑料和二次成型混合復合材料零件，在保持其最小開發和生產時間的制造理念的同時，提供了一個數量級的機械性能改進。

圖1. 處理復雜性而不復雜。Tri-Mak的混合材料將連續纖維復合材料與注射成型相結合，在成本和時間上有效地增加了肋條和其他幾何復雜性。

圖2. 充分利用機器。Tri-Mak投資于自動化注塑和數控加工系統，以不斷提高其效率和靈活性。

圖3. 采用的RELAY技術取代了最初由Fiberforge開發的Tri-Mak的RELAYS機器，該機器將預浸料條應用到可移動的桌子上，以構建量身定制的層壓坯料。

圖4. 繼電器按下combo=超低孔隙率。完成后，將量身定制的坯料從RELAY機器中取出，并在加熱的500噸壓機中進行固結，將空隙率降至<2%。

圖5. 通過沖壓將坯件中繼到零件。固結坯料可以轉換成扁平零件，也可以通過沖壓成形加工成復雜形狀。

圖6. 新的機器人工藝壓縮了高端混合生產。Tri-Mak最新的混合工藝輸入碳PEEK UD帶、碳填充PEEK成型顆粒和金屬插入件，并使用ABB五軸機器人和Engel成型機，消除了沖壓成型步驟和成型工具，從注塑模具中直接輸出具有集成支座和金屬插入物的成品復合材料零件。

Tri-Mak Plastics Mfg.Corp.（美國布里斯托爾，RI）成立于1974年，旨在制造飛機發動機的摩擦磨損塑料零件，已成為高精度、高性能熱塑性零件的完全集成供應商，不僅適用于航空航天/國防工業，也適用于工業設備和醫療部門。

Tri-Mak總裁威爾·凱恩（Will Kain）表示：“制造商一直面臨著提高性能、同時在不犧牲質量的情況下降低成本和交付周期的壓力。”。Tri-Mak滿足了行業對單一來源合作伙伴的需求，提供設計協助和材料/工藝開發，直至資格鑒定和商業生產，同時縮短了客戶的交付周期。銷售和市場總監湯姆·克內斯（Tom Kneath）指出：“以前分配給18個月的項目現在必須在3個月內完成。”。“因為我們在內部做了很多工作，包括工具設計和制造、成型、多軸加工和粘合/組裝，所以我們控制了時間線。”Tri-Mak開發了一種合作的新產品導入（NPI-new product introduction）流程，其客戶開始依賴該流程來滿足當今緊張的開發時間表。

現在，該公司的規模和提供的技術都在增加。Tri-Mak去年將其新的先進復合材料中心（ACC-Advanced Composites Center）增加了一倍，達到1115平方米，正在其主樓重復這一過程，包括擴大工程和生產流程，并開發了連續纖維增強塑料和二次成型熱塑性復合材料的自動化過程（圖1）。

克內斯說：“我們將金屬和熱固性材料轉化為熱塑性和熱塑性復合材料。”。“我們使用耐高溫、耐化學性強的材料和由單向膠帶制成的定制層壓板。與注塑成型相比，連續纖維膠帶的機械性能提高了10倍，與不銹鋼相比，重量減輕了70%。”

工程聚合物零件

CW參觀從Tri-Mak的工程辦公室開始，克內斯在那里展示了波音787上空氣分配系統的注塑部件。他解釋道：“注射成型復雜形狀的優勢在于轉化成本低。”他指出，注射成型工藝可以在很短的時間內從增強的熱塑性塑料顆粒中產生復雜的幾何形狀，而將金屬轉化為相同的幾何形狀需要數小時。克內斯說：“與金屬相比，我們可以在2-3分鐘內成型一個完整的網狀零件，材料浪費和加工時間更少，我們還可以插入模具硬件進行緊固。”

Tri-Mak豐富的材料知識建立在創始人愛德華·J·麥克（Edward J.Mack）的早期工作基礎上，愛德華·J·麥克是聚合物化學和摩擦學（材料摩擦、磨損和韌性）的先驅，制造增強/填充聚四氟乙烯（PTFE）襯套。此后，該公司開發了一系列聚合物的專業知識，包括聚醚醚酮（PEEK）、蘇威（Solvay）公司的Torlon聚酰胺酰亞胺（PAI）、SABIC公司Ultem聚醚酰亞胺（PEI）和聚酰亞胺，如Vespel公司（美國威爾明頓杜邦公司）。

克內斯說：“我們的主要客戶群是商業和軍事航空航天，但他補充道，“我們也為具有苛刻負載和溫度要求的專業應用提供產品，例如低溫設備。”

由于這個利基市場，協作工程是Tri-Mak的一個關鍵優勢。“我們支持為制造而設計，但可以克內斯說：“還要審查圖紙并進行必要的驗證和質量檢查。Tri-Mak的認證包括AS9100和ISO9001:2008，以及用于復合材料粘合的Nadcap?？藘人贡硎荆?ldquo;我們有指定供應商質量代表（DSQR-Designated Supplier Quality Representatives ），有權批準貨物直接在航空航天原始設備制造商處庫存。”。

他打開一扇門，從辦公室通往一個1860平方米的生產區，里面裝滿了自動注塑機和數控車削機?？藘人棺哌^一排車床時說：“我們確實有一些較舊的設備，對特定的零件仍然能很好地工作。”。我們也去了自動化程度更高的新設備因為它提供了效率和通用性。他指著一排自動化數控工作站補充道。“這些可以同時加工一個零件的前部和第二個零件的后部。”（圖2）

然后，參觀團將穿過Tri-Mak自己制作注塑模具的工具室。它具有制造模具部件所需的各種金屬加工設備，包括電火花加工中心。與工具室相鄰的是注塑部門，該部門容納了14臺壓力機，重量從28噸到720噸不等。Tri-Mak專注于持續改進，在過去三年中購買了四臺新的注塑機和一個自動化機器人成型工作站。

參觀團離開Tri-Mak的主樓，穿過一條小路前往ACC。 克內斯說：“作為新英格蘭的制造商，紡織廠曾領導過美國工業革命，我們明白我們必須不斷更新我們的制造方法。”。“我們一直期待著下一步的發展。”然而，添加復合材料的決定并非輕率之舉。

復合材料的新功能

凱恩說：“有人會說，我們一直在制造復合材料，因為塑料是用短纖維填充或增強的。但我們現在所做的是保持特定方向的連續纖維——比填充樹脂強一個數量級。”

這一發展是基于主要客戶對他們正在探索的新技術的反饋。凱恩說：“我們評估了自動化膠帶鋪設和原位整合，但六年前，當我們希望實現這一轉變時，我們認為RELAY將是鋪設膠帶和制造我們設想的零件的最快、最有效的方式。”RELAY是一款自動熱塑性膠帶放置機，由現已倒閉的Fiberforge（Glenwood Springs，CO，US）開發，用于其量身定制的坯料預成型技術。當CW在2006年訪問FiberForge時，定制的金屬坯料已經在汽車行業廣為人知。在復合材料中，定制坯料只是通過在產生特定性能所需的位置和方向上鋪設纖維增強熱塑性膠帶而制成的扁平復合材料層壓板（圖3）。

凱恩說：“我們的RELAY機器可以以7米/分鐘的速度生產1平方米的坯料。”。它可以使用單向（UD）形式的玻璃纖維、碳纖維和其他纖維，以及各種熱塑性基體，但對于Tri-Mak的目的，重點是更高端的材料：PEEK、聚醚酮（PEKK）、聚苯硫醚PPS和PEI。Kneath評論道：“對我們來說，尼龍是最底層的。”。通過兩個筒子架，該系統還可以同時運行兩種物料。

計算機控制的RELAY測量、切割預浸料帶，并將其應用到可以在x、y和z軸上移動的平板上。凱恩解釋道：“第一層是通過真空固定的，隨后的層通過超聲波焊接固定在一起。”坯料可以設計成帶有窗口和襯墊，使Tri-Mak能夠優化坯料的效率和性能。

完成后，將定制好的坯料從RELAY機器的工作臺上取下，放入加熱的500噸壓機中，以固結層壓板（圖4），將空隙率降至2%以下。這些固結坯料可以轉化為扁平零件，也可以通過沖壓成型加工成復雜形狀（圖5）。

沖壓成型前，坯件必須在紅外烘箱中重新加熱至熱成型溫度。一個具有靈活設計的自動穿梭系統將坯件送入烤箱并送至壓力機，在那里，坯件使用Tri-Mak設計和制造的模具形成復雜的形狀。凱恩說：“我們有多達36層的生產坯料。”。“我們可以走得更高，但還沒有必要。”他指出，毛坯的固化率是為了達到PEEK等半結晶基質所需的結晶度，同時防止翹曲。在壓機和烤箱中的循環時間通常只有幾分鐘。然后，可以使用噴水器或幾個多軸數控銑床中的一個對這些熱成型成型的層壓板進行機加工，以生產成品零件。

混合復合材料

 

Tri-Mak一直在利用其熱塑性塑料專業知識開發所謂的混合材料：二次成型的熱塑性復合材料用熱塑性樹脂制造復雜形狀的肋條、凸臺、模制插入件和連接點?；旌喜牧蠝p少了零件數量和加工步驟，有助于實現成本/重量目標。

凱恩說：“我們認為混合復合材料技術能夠提供兩個世界中最好的：連續纖維復合材料的強度和剛度，以及注射成型的成本效益和時間效益。”。他指出，Tri-Mak多年來一直在使用注塑PEEK以非常有效的方式生產復雜的幾何形狀。凱恩解釋道：“能夠將這一優勢擴展到復合材料的關鍵是，要使您的聚合物系統保持穩定，并擁有PEEK和Victrex新型低熔體PAEK等系列產品，這可以在成型的定制坯料和二次成型之間實現真正的熔接。”，其使用預熱至200°C的單碳/PAEK坯料，并用Victrex PEEK 150CA30（30%碳纖維增強化合物）二次成型，以實現比同類金屬支架輕60%的零件，同時在測試中表現出強大的性能。

一項新的開發是一種全PEEK混合面板，由Tri-Mak使用其機器人成型工作站設計和制造。254毫米乘229毫米面板的材料輸入為碳纖維/PEEK UD膠帶、碳纖維填充PEEK成型顆粒和金屬插件。這個UD膠帶使用RELAY機器貫穿Tri-Mak的鋪放和固結過程。接下來，ABB股份有限公司機器人部門（美國密歇根州奧本山）的5軸機器人和ENGEL（奧地利施韋特伯格）成型機（圖6）共同工作，在注塑模具中形成最終的復合材料形狀。

凱恩指出：“這消除了沖壓成型步驟和成型工具，降低了生產部件的總體成本。”。“注塑操作還增加了支架，并捕獲了金屬插入件，從而在模具外形成成品。其結果是為高性能解決方案提供了一種低成本的制造方法。”

保守、穩定增長

在CW參觀期間，先進復合材料中心（ACC）大樓仍處于過渡階段。工作人員正在重組和精簡業務，安裝新設備并為生產區配備設備。ACC現在擁有一個質量控制和材料測試實驗室，配備標準物理測試機和無損檢測設備，包括奧林巴斯（馬薩諸塞州沃爾瑟姆，美國）相控陣超聲波系統。相鄰的組裝和粘接部門包括激光打標設備和環氧復合材料粘接單元。后者與Gruenberg烘箱（Thermal Product Solutions，New Columbia，PA，US）一起使用，以加速固化循環。Tri-Mak還能夠使用室溫硫化（RTV-room temperature vulcanization ）硅樹脂集成邊緣封閉和密封功能。560平方米的數控銑削室現在位于沖壓區的正后方，擁有9個多軸HAAS銑削中心，包括通過機內探測進行檢查。

凱恩指出，Tri-Mak的增長是復合材料和傳統業務的混合。“我們了解航空航天的周期性，”他說，“經歷了許多起伏。”與此同時，該公司認識到新興技術的潛力，以及盡早參與壽命長的新制造項目的重要性。其與客戶協作方式的好處之一是對新技術和程序采用曲線可能相交的地方的更好理解。凱恩表示，目前的目標是提高Tri-Mak復合材料的尺寸和效率：“我們已經研究了Coriolis（法國奎文）和其他用于下一代產品的設備。”對于未來，他希望探索能夠提高復雜性并擴大零件性能的技術。“畢竟，我們越能提高客戶的成功率，我們就越能成功。”

混合二次成形設計：此CAD圖像顯示了具有PEEK二次成形（綠色）的連續纖維增強PAEK復合材料（紅色）。

最低重量的最佳性能：混合成形工藝使用平坦、低溫的VICTREX PAEK復合材料基材，該基材由短纖維增強PEEK與共成型金屬插件包覆成型。最終制成的支架比同類金屬部件輕60%。

成品支架，帶有一個額外的端部插件，準備安裝。

表1:Victrex PAEK A250與PEEK 150

在復合材料行業，聚醚醚酮（PEEK）的使用最近出現了熱沖壓飛機機身角片和支架的增加，這些角片和支架由具有編織和/或單向增強的預固結坯料制成。（但那些使用和填空的人都認識到了它們的局限性。

PEEK供應商Victrex Polymer Solutions（英國蘭開夏郡Cleveleys）的航空航天戰略業務總監蒂姆·赫爾（Tim Herr）表示：“大約3-4年前，我們認識到壓縮成型層壓板沒有提供飛機設計師所追求的設計靈活性和制造效率。”。赫爾的Victrex團隊和航空航天零件制造商Tri-Mak（美國布里斯托爾，RI）利用其在飛機行業25年的填充和未填充注塑塑料零件（如支架和墊片、管道、外殼和電氣連接器）中的高溫高性能樹脂歷史開始探索注射二次成形的概念，作為克服預固結坯料熱沖壓固有局限性的一種手段。

“該行業需要二次成形，”他解釋道，就像現在汽車行業聚酰胺和聚丙烯常見的有機片材工藝一樣。航空航天零件制造商Tri-Mak（Bristol，RI，US）已經開始探索這種類型的PEEK加工，作為其熱塑性復合材料開發的一部分?，F在展示了一種新的PEEK混合成型工藝，該工藝使用低溫連續增強的Victrex聚芳醚酮（PAEK）復合材料作為基底，用短纖維增強的PEEK進行二次成形，以生產出比可比金屬部件輕60%的高性能負載支架。

混合復合材料塑料加工

Tri-Mak銷售總監湯姆·克內斯（Tom Kneath）表示：“我們的想法是將熱塑性塑料的耐化學性和可塑性與復合材料的高性能和輕重量相結合。”。“只有這樣，熱塑性復合材料才能進入到新的應用領域，因為塑料本身具有所需的機械性能。”但有機片材工藝并非沒有問題。傳統的步驟包括將預固結的熱塑性層壓板預熱至再熔化溫度，轉移至打開的注塑模具，關閉模具以熱成型坯料，然后用填充纖維的熔體進行注塑二次成形，以提供最終的三維表面。Victrex必須解決一系列問題，包括預熱過程中基材的支撐、成型過程中纖維取向的控制、對均勻坯料厚度的潛在限制以確?；w熔化，以及在包覆成型過程中確實會融合在一起的聚合物的開發。

赫爾說：“我們可以在PEEK上成型PEEK，但它不能融合在一起。”?；|的融合需要具有比二次成形更低的熔融溫度的基底。赫爾指出：“如果你不把兩者融合在一起，你就無法鞏固這一部分。”。“所以，我們需要一種具有PEEK特性的低溫加工PAEK。”將PAEK視為聚合物家族——Victrex可以制造不同的配方，每種配方都有特定的分子量、熔體溫度和Tg——PEEK是一種。因此，Victrex開發了PAEK A250聚合物，熔體溫度為305°C（見表1，左側）。赫爾聲稱：“我們不僅能夠使用PEEK進行二次成形，而且能夠在與PPS或PEI類似的加工溫度下使用當前設備實現PEEK型性能。”

Victrex還證明，在成型過程中可以保持纖維取向，并且基底層壓板厚度有可能發生變化，這使得最終零件的剛度能夠進行局部調整。該工藝所需的能量低于預期，基板預熱通常保持在200°C。

二次成形為航空復合材料成型者提供了兩個成形“世界”中固有的優勢：克內斯評論道，復雜的航空熱固性復合材料可以在低重量下提供所需的功能和強度，但“需要手工疊層和熱壓罐處理，導致零件生產需要數小時到數天”。

相比之下，純熱塑性塑料的注射成形在幾分鐘內產生復雜的部件，但限制了成型者優化零件功能的能力?？藘人怪赋觯?ldquo;這種混合工藝的優點在于，你可以把材料放在你需要的地方，而不是標準的注塑成形，在標準的注塑成形中，你不能很容易地選擇性地加固零件。”

因為基材坯料是多層復合材料疊層，所以它們很容易針對特定性能和/或負載處理進行定制。例如，Tri-Mak能夠使用內部自動化成型工作站在坯件中放置和定向UD膠帶。事實上，該公司的先進復合材料中心毗鄰其主工廠，專門設計用于實現復合材料的自動疊層、固結和熱成型，并結合其傳統的注塑能力，在航空航天應用中取代金屬和熱固性復合材料。

構建更好的支架

為了演示這個過程，Tri-Mak需要一個能夠傳遞信息的部分?？藘人拐f：“航空航天中使用的支架太多了，我們用熱塑性復合材料制作了一個簡單的支架，所以我們決定設計一個復雜的支架形狀，也能承受很大的載荷。”該設計分為三個軸，包括四個安裝點，這些安裝點依賴于PEEK二次成型中的共同成形金屬插件，后者是Tri-Mak的無增強熱塑性支架的典型特征?？藘人姑枋龅溃?ldquo;我們將航空航天級碳纖維增強PAEK基板和四個金屬插件裝入標準注塑模具中。”。“我們使用標準工藝將VICTREX PEEK 150CA30”——30%碳纖維增強化合物——“注射到基底上，幾分鐘后，我們就有了一個集成組件，將PEEK復合材料的性能與注射成形的成本效益相結合。”（見上圖。）初步測試顯示，PAEK和PEEK基體之間的結合非常牢固?？藘人箶嘌裕?ldquo;這將在工程界開始利用這項技術設計零件時建立信心。”。

“設計的靈活性是巨大的，”他補充道，并指出用鍛造金屬制成的相同支架需要大量的機加工。“這很容易通過2-3分鐘的注射成形來克服。”克內斯承認這會帶來工具成本，但他表示回報通常很快。“大多數航空航天公司都會說他們沒有注塑的數量，但我們已經注塑航空航天零件40年了，知道如何設計平衡現金和性能要求的工具。”

擴大PEEK的范圍

赫爾聲稱：“我們從飛機制造商和市場上的其他公司那里得到了響亮的回應。”。“這項技術為工程師們提供了設計一個非常堅固但重量輕、承載能力強的部件的靈活性。”他解釋說，這也是中國商用飛機公司（COMAC，Shanghai）全力參與并積極研究PEEK在哪里可以取代重而昂貴的金屬的原因之一。

克內斯說：“這是一項使能技術，提供了許多超越支架的機會。”他補充道，考慮到PEEK的機械和高溫性能以及耐化學/腐蝕性，很少有領域不適合使用它。“我們可以談論更復雜的外殼或具有非常薄、二次成形的纖維增強肋的不同類型的面板。”Tri-Mak也看到了賦予多功能的過程中的機會?？藘人拐f：“我們已經評估了增加雷擊保護（LSP-lightning strike protection）路徑或電磁屏蔽（EMI- electromagnetic interference ）的技術。這通常是通過二次涂層或在疊層中添加金屬層來實現的。”但Tri-Mak現在正在探索如何通過混合加工中使用的化合物來實現這一點。

赫爾說：“我們看到了在航空航天領域顯著擴大PEEK應用的真正機會。”?？藘人拐f：“下一步，我們也在探索其他行業的應用。”

參見原文：

1. 《Plant tour: Victrex Composites Solutions, Bristol, Rhode Island, U.S.》 2022.2.25

2. 《Plant Tour: Tri-Mack Plastics Manufacturing, Bristol, RI, US 》 2016.12.30

3．《Overmolding expands PEEK’s range in composites 》2015.7.1

楊超凡 2024.2.29