在尋找低成本工藝為其半成品復合材料型材和管材添加功能，并減少其產品中粘合劑的使用時，Epsilon Composite 與其注塑成型合作伙伴 Somocap 共同開發了一種熱塑性復合材料注塑包覆成型工藝并獲得了專利。圖片來源，所有圖片（包括與標題一致的圖片）：Epsilon Composite

Epsilon Composite（法國Gaillan Médoc）專注于碳纖維/環氧樹脂拉擠和拉繞，與許多其他工藝相比，能夠以更快的速度和更低的成本制造中到大型系列的高性能碳纖維復合材料部件。

自 20 世紀 80 年代后期成立以來，該公司一直在為航空航天、工業和其他市場的各種應用制造半成品拉擠型材。對于許多由 Epsilon Composite 的型材和管材制成的最終用途部件——飛機支柱、工業部件、技術滾輪等——金屬或塑料端部配件和嵌件通常與它們粘合，以增加功能或為其他部件提供連接點。

然而，粘合需要增加幾個通常是手動的步驟：表面準備、粘合劑的應用和固化。對于每年需要數千個零件的許多大系列應用來說，這使得粘合劑粘合成本和勞動強度太大。在某些情況下也可以使用機械緊固件，但這也會帶來其他挑戰，例如增加重量和組裝步驟，以及需要在拉擠部件上加工孔，這通常會降低其機械性能。

2012 年，該公司開始嘗試使用替代方法為通過拉擠成型或拉繞成型制成的組件添加端部配件或其他功能。Epsilon Composite 副首席執行官 Alexandre Lull 解釋說：“我們的目標是找到一種能夠生產出低成本、高質量產品的方法，這是一種圣杯。”

一個想法是使用復合注塑包覆成型作為將金屬端配件連接到拉擠型材的方法。Lull 說，之所以選擇主要使用玻璃纖維或碳纖維增強熱塑性塑料的注塑包覆成型，是因為它有可能補充公司已經使用的拉擠成型或拉繞工藝的低循環時間和高容量能力。

然而，挑戰在于 Epsilon 的拉擠型材由環氧樹脂或其他熱固性樹脂基體制成，注塑包覆成型引入了熱塑性基體，在高溫高壓下注入，具有不同的熱膨脹系數。

工藝開發和第一個原型

在接下來的幾年里，Epsilon一直在尋找最好的方法來實現其用熱塑性塑料包覆成型的混合熱固性復合材料拉擠部件的想法。為此，Epsilon 與其注塑合作伙伴 Somocap（法國 Jatxou）密切合作。“我們帶來了工程和復合材料知識，他們帶來了注塑機械和工藝知識，”Epsilon 研發主管 Ambroise Latron 解釋道。

碳纖維/環氧樹脂拉擠和拉繞專家。這些圖像顯示了 Epsilon 的拉繞過程（上圖）和之后（下圖）通過加熱模具固化，型材被拉過。

根據 2021 年提交的美國專利申請，該工藝包括幾個步驟：首先，通過拉繞或拉擠成型生產中空管狀熱固性復合型材。然后加工型材的末端以允許連接端部配件的形狀，這為型材連接提供了粗糙的表面區域。接下來，將工具/塞子放置在注射機的型材內，然后在指定的熱量和壓力下將熱塑性塑料注射到型材和端部配件周圍，將它們粘合在一起。

最終，這種方法可以用作將傳統金屬端接頭連接到拉擠型材或管材上的一種方式，或者可以完全替換金屬，并且可以通過包覆成型添加熱塑性復合材料尖端。

該技術的首次演示涉及在碳纖維/環氧樹脂拉擠管的頂部注入聚醚醚酮 (PEEK)。

“PEEK 在非常高的溫度下注入，大約 300°C，因此我們必須確保 [熱固性] 復合管的樹脂基體能夠在短時間內維持該溫度，”

Latron 說，通過反復試驗，研發團隊找出了快速注塑包覆成型工藝和所需玻璃化轉變溫度 (Tg) 熱固性基質的正確組合，以產生可重復的結果，而不會損壞拉擠管，盡管材料存在差異。

該專利指出，“這種方法很簡單，因為它可能需要很少的步驟，但它可以使用不同膨脹系數的材料獲得能夠承受強大牽引力、壓縮力、溫度梯度的組件。”

Lull 說，原始演示部件不僅證明了該過程的可行性，而且超出了性能預期。這導致該公司為該技術申請了專利，并開始將其介紹給客戶用于商業應用。

Lull 指出，已經使用了一系列材料，從相對低成本的填充有玻璃纖維的聚酰胺 6 (PA6) 到更高性能的材料，例如 PEEK、聚苯硫醚 (PPS) 或用玻璃或碳纖維增強的聚醚酰亞胺 (PEI) . 如果需要，也可以使用未增強的樹脂系統。

與其他方法（如粘合、使用機械緊固件或什至在端部配件頂部纏繞細絲）相比，包覆成型的好處據說包括降低成本、減輕重量和提高抗沖擊能力。如果用熱塑性塑料代替金屬，也可以消除腐蝕風險。

該解決方案還可以增加可持續性優勢：從工藝中去除化學溶劑和粘合劑，加上使用熱塑性塑料作為連接方法，可以在零件壽命結束 (EOL) 時通過增加熱量將兩個組件分開，增加可回收性的潛力。“此外，注射過程中沒有廢料。產生的任何廢料都可以熔化并在注塑成型過程中重復使用，”Lull 補充道。

商業應用：工業、航空航天、農業

在開發和驗證原型后，該技術的第一個商業用例是在 2015 年與一家美國公司合作，該公司制造用于工業機器人的拉擠棒材。

第一個應用：工業。Epsilon 的核心終端市場之一，工業應用，如機械臂或機器人技術，是其注塑包覆成型連接工藝的第一個應用。

“我們最初與工業客戶合作，但我們的第一個主要業務是航空航天”，納爾說。2018年，公司開始與空中客車公司（法國圖盧茲）開展研發項目。這項工作源于之前的研發合作，其中 Epsilon 展示了其拉擠成型技術，用于制造具有粘合金屬端部配件的高性能管狀結構支柱。

Epsilon 成功地展示了零件的性能和制造過程的可靠性，達到TRL 6和空中客車的內部標準——但是，該項目沒有在商業上進行，因為結構粘合被認為對關鍵的航空航天結構來說風險太大。

為了應對這些風險，Epsilon 開發了一種專門設計用于根據航空航天標準確保粘合的工藝并獲得了專利，但該工藝更加昂貴，與此同時，Epsilon 和 Somocap 開發了一種新的包覆成型工藝，并開始商業化生產工業零件。因此，對于與空中客車公司的這些支柱的下一次研發迭代，Epsilon 引入了端部配件的包覆成型作為解決方案，以滿足零件和工藝的優化成本和高可靠性的需求。

Lull 解釋說，隨后進行了長達一年半的密集開發過程，旨在找到合適的參數和工具集，以將端部配件最佳地包覆成型到熱固性復合拉擠管上。最終，支柱被證明是成功的，并且比由纖維纏繞或預浸料制成的傳統復合材料支柱節省了 50% 的成本。支柱最終獲得空中客車公司的商用資格，Epsilon 繼續向航空航天市場提供這些部件。

飛機支柱及其他。在工業和航空航天市場取得初步成功后，Epsilon 表示，在其許多大訂單中，它使用注塑包覆成型作為一種經濟高效、可靠的粘合劑粘合替代方法。

“這對航空航天來說尤其有利，”Lull 說。“這項技術消除了粘合甚至機械緊固件失敗的風險，我們已經證明該過程能夠始終如一地生產出數以千計可靠的高質量零件，沒有廢料。” 他補充說，該解決方案能夠使用無法用于粘合部件的無損檢測 (NDI) 方法對部件進行可靠且有效的評估。

除了航空航天外，該公司還展示了該技術在農業機械方面的商業應用，與客戶合作，用50米寬的拉擠復合材料噴桿取代工業拖拉機的鋼噴桿臂。Epsilon的銷售總監Romain Coullette解釋說：“鋼制吊桿不能那么寬，因為它們更重而且不那么僵硬。” “復合材料更硬、更輕，并消除了潛在的腐蝕問題，因此有很多好處，但生產力是最大的優勢。” 更大的噴桿可以在更短的時間內噴灑農田，從而提高效率。

市場上還有其他復合材料吊桿；Epsilon的是一種桁架形拉擠結構，Coullette 說這使得它在盡可能低的重量和最少的材料使用量下高度優化以實現高剛度，從而降低總體成本。

該技術已成為 Epsilon 面向終端市場大批量零件的首選解決方案。“我們已經制造了數以萬計的零故障零件，”Coullette 說。“這是非常具有成本競爭力的。最終，我們計劃在我們所有的終端市場中更換中型和大型系列零件的粘合。”

Epsilon 的研發團隊不斷優化其包覆成型工藝，使拉擠成型和注射之間的整體工藝和工作流程更快、更高效，并開發適用于小批量應用的低成本或模塊化工具。

來源：

https://www.compositesworld.com/articles/demonstrating-novel-processes-for-hybrid-thermoset-thermoplastic-pultruded-parts-