沖壓成型技術革命：如何用熱塑性復合材料為航空航天與汽車工業降本50%？
圖1沖壓成型工藝和典型的熱塑性復合材料（TPC）航空航天部件。來源 | ATC Manufacturing
短循環時間和自動化方法是滿足下一代窄體商用飛機、先進空中交通（AAM）、無人機（UAV）和無人駕駛飛機所需的高生產率的關鍵。它們還有助于降低復合材料部件和組件的成本。
沖壓成型概述
將 TPC 材料快速成型為零件可稱為熱成型、壓縮成型或沖壓成型。我更傾向于使用"沖壓成型"（圖 1）這一術語，因為熱成型、壓縮成型等術語可以指代一系列工藝，并非所有工藝都是快速成型。沖壓成型工藝始于預先固化的坯料，該坯料被快速加熱，然后轉移到一套快速閉合成型模具中，模具對坯料進行成型并使零件冷卻。循環時間可達 90 秒，甚至大型復雜零件也能在 15 分鐘內完成成型。沖壓成型工藝的關鍵步驟包括：
- 材料準備
- 坯料固化
- 坯料處理
- 空加熱和轉移
- 局部成型，冷卻
- 模具考慮事項
沖壓成型發展
盡管存在明顯挑戰，沖壓成型目前已被廣泛用于中小型熱塑性復合材料部件的高速率制造，并且由于速率和成本方面的優勢，人們對將沖壓成型擴展到更大、更復雜的結構部件抱有極大興趣。以下是幾個包含沖壓成型進步的當前項目示例。
熱塑性復合材料研究中心（TPRC）：TPRC 成立于 2009 年，對熱塑性復合材料（TPC）進行了基礎研究，包括多個評估和模擬快速成型工藝的項目?？赏ㄟ^其網站獲取公開報告。
多功能機身演示器（MFFD）： 這個為期 10 年的清潔航空計劃包括 12 個歐洲組織合作制造了一個 8 × 4 米的 TPC 機身演示器。該組裝部件獲得了 2025 年 JEC 創新獎（航空航天部件）。幾個結構部件是使用沖壓單向（UD）膠帶制造的。這為 TPC 主要結構部件的生產奠定了基礎，并展示了 TPC 結構的協同設計和組裝優勢，包括焊接，例如桁條到蒙皮的連接。
空客不萊梅壓機： 空客不萊梅工廠最近投入使用了 Pinette Emidecau Industries 制造的一臺 5 × 2 米高溫快速成型壓機。該壓機被描述為世界上最大的熱塑性復合材料沖壓成型壓機，能夠制造大型結構件，據報道，它可以將坯料從紅外加熱器轉移到壓機的時間縮短至 3 秒以內，并且能夠同時將兩個坯料送至沖壓模具。
NASA 高速復合材料制造（HiCAM）計劃： 該 NASA HiCAM 計劃是一個由 20 多個組織組成的公私合作聯盟，旨在為下一代窄體商用飛機實現大規模復合材料結構的量產。其主要目標之一是達到每月 80-100 架飛機的生產速度，并降低復合材料結構的成本。采用的方法包括熱固性預浸料、樹脂注入和 TPC 技術。沖壓成型被視為許多結構的關鍵技術。
美國航空航天材料制造中心（AAMMC）：AAMMC 技術中心的成立旨在提升用于航空航天應用的大規模熱塑性復合材料（TPC）結構的制造準備水平（MRL）。該聯盟包括行業合作伙伴波音、柯林斯、斯派瑞航空系統、ATC 制造、賽恩斯克和東麗公司。
材料準備
零件由預壓實坯料制成，其質量對成品性能至關重要。對于快速成型，坯料必須在成型前進行壓實，以確?？焖俚臒崃總鬟f到材料中，并確保各層的高質量壓實。零件制造商可以從織物層壓板（也稱為有機板）切割坯料，這些層壓板由多家材料制造商提供，尺寸可達 12 × 4 英尺（3.7 × 1.2 米）。對于更結構化的應用，通常使用單向（UD）膠帶，并定制各層的方向。這種坯料通常是長方形的，并且厚度可能變化。大多數 TPC UD 膠帶的寬度僅限于 12 英寸（305 毫米），邊緣必須在接縫處連接，不得有間隙或重疊。對于變厚度零件，坯料中各層邊緣的位置對于滿足設計公差至關重要。最初認為坯料必須滿足與成品零件相同的質量要求，近年來研究表明，具有高度壓實（但不是 100%）的坯料就足夠了。 這為其他毛坯制備和壓實方法打開了大門。
圖2毛坯組裝和壓實方法。來源 | David Leach
有多種方法可用于制備 UD 膠帶坯件（圖 2），包括手動和自動層壓組裝、自動膠帶鋪放（ATL）和自動纖維放置（AFP）。適當方向（例如 0°、45°、90°）的單層長條可以通過手動操作或使用商用設備來制備。
TPC 材料沒有粘性，因此必須將各層局部加熱，使它們在適當的方向上相互粘合。這可以通過手動或自動的熱壓或超聲波焊接方法完成，沿著接縫將同方向層彼此連接，并通過厚度將相鄰層相互粘合。在熱固性預浸料中，ATL 使用寬膠帶制作平面或平緩彎曲的鋪層，而 AFP 使用窄膠帶制作曲面鋪層。相比之下，TPC 坯料通常是平面的?？梢允褂玫湍芰恐谱魉缮⒄澈系匿亴?，然后必須在進一步的操作中對其進行固化，或者使用高能量充分固化坯料，可以直接用于沖壓成型。因此，我使用高能或低能自動膠帶放置（ATP）這一術語來區分這些方法，而不管預浸料寬度如何。連續壓縮成型（CCM）也制造坯料，將膠帶按所需方向排列以創建堆疊鋪層，然后立即在同一工藝中對其進行固化。
坯料致密化
有多種方法可以將鋪設層壓制成層壓板，該層壓板隨后用作沖壓成型坯料：
- 單壓機
- 雙壓機（熱壓機/冷壓機）
- CCM
- 高壓釜
- 烘箱中的真空袋（VBO）
- 高能鋪設（ATP）
在沖壓成型過程中，坯料將被重新加熱至熔融溫度，因此坯料中的聚合物微觀結構不會影響最終零件，即使是半結晶聚合物也是如此。
壓制成型技術已相當成熟，可實現高度自動化。壓制成型技術用于制造恒定厚度的層壓板，所選方法將取決于所需的產量、資本投入和重復成本。單壓法具有較長的循環時間，但可以使用壓模片在每層壓之間同時壓合多層。在雙壓法中，“熱壓”和“冷壓”分別保持在對應工藝溫度和固化溫度的恒定溫度，坯料自動在兩臺壓機之間穿梭。CCM（連續壓制成型技術）可實現連續自動化生產，將各層壓板自動通過具有熱區和冷區的模具，以生產非常長的層壓板。
使用高壓釜進行 TPC 處理可能看似不直觀，但它可以同時壓合多個層壓板，還可以制造厚度可變的層壓板。VBO 爐壓合是一種類似的方法，但僅使用真空壓力（14.7 psi/0.101 MPa），而不是高壓釜的全壓力（通常為 100 psi /0.7 MPa），其優點是不需要壓力容器。大型高溫爐的成本較低，與高壓釜或壓機相比，可以顯著降低資本成本，同時能夠經濟地壓合非常大的層壓板。VBO 已被證明可以提供高質量的坯件，盡管這取決于 UD 膠帶，我將在后續的 Troubleshooter 文章中討論。最后一種選擇是高能 ATP，用于實現高度壓合，通常超過 90%。這對于大型、非矩形以及特別是厚度可變的坯件是一個很好的選擇。
坯料處理
復合層壓板必須加工成與成品零件相匹配的尺寸和形狀，以便在加熱和轉移過程中固定坯料。這通常使用夾具或與零件尺寸相匹配的固定框架來完成（圖3）。連接方法可能包括彈簧，以控制坯料在模具中的成型運動。它也可以由聚酰亞胺薄膜支撐，這種薄膜不會阻礙加熱。坯料通常在沖壓成型前進行干燥，以防止高性能熱塑性聚合物吸收的少量水分在坯料快速預熱過程中導致最終零件出現孔隙。
圖3定型保持方法。來源 | Valeria Antonelli, 博士論文, 代爾夫特理工大學, 2014
空料加熱和轉移
空料在幾分鐘內被加熱到工藝溫度，通常使用紅外烤箱進行加熱。對于較大的部件，使用多區烤箱以確保空料各處均勻加熱。雖然快速加熱可以實現短循環時間，但最終空料溫度必須在特定范圍內，足夠高以確保熔化和聚合物流動，但不能達到聚合物會降解的范圍。這些條件必須在整個長度、寬度和厚度上得到滿足。
通常情況下，使用含有嵌入式熱電偶的試片來調整工藝參數是正常的。圖 4 展示了厚度為 0.2 英寸（5 毫米）的 UD 碳纖維/PEKK 膠帶試片中嵌入式熱電偶的熱跡。這些熱電偶分布在零件的多個位置，包括表面附近和厚度中心。在加熱過程中，不同位置的熱跡分散非常小，溫度在 PEKK 工藝溫度區（644-752°F，即 340-400°C）達到穩定。試片通常在固定時間內加熱，因此每個循環中的加熱必須一致，并且在加熱循環結束時，試片溫度的變化率應盡可能小，如圖 4 所示。
圖4單向（UD）碳纖維增強膠帶部件的沖壓成型熱電偶軌跡。厚度為 0.2 英寸（5 毫米）。來源 | ATC Manufacturing
工藝中一個雖小但至關重要的步驟是將坯料從預熱爐轉移到沖壓機。這必須迅速完成，因為坯料一旦離開爐子，溫度就會迅速下降（圖4）。通常接受的最大爐到機時間不超過5秒。此時聚合物處于熔融狀態，坯料的完整性由纖維增強材料維持，因此坯料通常會下垂，甚至可能從夾持器中滑落。在設計和夾持機構、轉移及在成型工具上放置坯料時，必須考慮這一點。
成形，冷卻
圖5UD TPC 膠帶的流動過程（經“航空結構中的經濟型熱塑性復合材料”作者 Corbin Chamberlain 等人授權轉載，SAMPE Journal 2020 年 3 月/4 月刊）。
圖6
實際成型問題。來源 | David Leach
要實現所需的短循環時間，壓機必須快速閉合以成型零件，且工具必須保持恒定溫度。這種組合要求帶來了挑戰，因為連續纖維增強材料必須快速且一致地流動，同時在快速冷卻時導致聚合物粘度增加。
在成型方面，存在多種流動過程（圖5）。在織物增強部件中，織紋限制了纖維變形的程度。但對于單向帶而言，各層可以橫向流動和剪切，可能導致層變薄、搭橋和起皺等特征（圖6）。當單向帶中的纖維與成型方向垂直時，它們會圍繞拐角擴散，導致變薄，而拐角外部的纖維可能導致搭橋。在成型過程中進入壓縮狀態的層——例如拐角內側的層——會起皺，這對結構部件是不可接受的。為了控制成型過程中的層變形，通常會對坯料進行張緊，有時會使用彈簧式張緊器（圖3）。
在坯料成型為成品的過程中，它正在快速冷卻（圖4）。外層鋪層在接觸時幾乎瞬間冷卻到模具溫度，甚至內層鋪層也快速冷卻到模溫。
對于半結晶材料，必須選擇合適的工具溫度，以平衡材料流動和成型零件的能力，以及固化和形成所需結晶度的程度。隨著材料冷卻，聚合物的粘度迅速增加，限制了材料的流動。半結晶聚合物在冷卻到結晶溫度時會凝固，但這個溫度取決于冷卻速率，而結晶程度則取決于零件溫度在工具上達到平衡后的時間和溫度。典型的冷卻循環包括初始冷卻時的非等溫結晶，隨后進行等溫結晶。聚合物在結晶過程中體積會發生顯著變化，伴隨著聚合物模量的增加，并且當材料冷卻到玻璃化轉變溫度（Tg）以及環境條件時，還會進一步收縮。
聚合物和復合材料供應商會收集大量關于結晶如何受冷卻速率、等溫時間及溫度影響的數據，并應能提供最快結晶速率所需的推薦溫度以及達到最大結晶度所需的時間。
模具考慮因素
由于聚合物在冷卻和凝固過程中體積會顯著減小，因此成型零件的尺寸在冷卻過程中會發生變化。即使在凝固后，由于聚合物冷卻到環境溫度，尺寸仍會發生變化。這會導致“回彈”效應，即成品零件的角落角度比模具的小。這可以通過建模來模擬，考慮模具和 TPC 材料的膨脹系數（CTE）隨溫度的變化。當然，復合材料的 CTE 高度各向異性，因此必須考慮每個鋪層方向特定鋪層的 CTE。
工具溫度通常超過 400°F（204°C），以允許 TPC 成型和結晶，當坯料接觸工具時溫度更高，因此通常需要金屬模具。在其中一個模具上使用彈性體工具或彈性體面金屬工具在成型復雜零件時具有優勢，提供一定的彈性以確保良好的成型和成品零件的壓實。
圖7用于通過 UD TPC 膠帶形成變厚度機身框架的多部件模具。來源 | Spirit AeroSystems，由 Ron Jones 在 ACMA 熱塑性復合材料會議 2022 上的演示
最常見的模具設計是匹配的兩部分模套，但對于更復雜的零件，使用多部件模具的情況越來越多。例如，可以使用兩個主模具形成一個網狀結構，然后可移動部分可以折疊邊緣。這種方法由 Spirit AeroSystems 在形成圖 7 所示的曲面和可變厚度機翼框架時進行了演示。
建模和仿真
現在可以使用 AniForm 等組織的軟件（用于成型）和 Convergent Manufacturing 等組織的軟件（用于熱特性）等，來實現成型和熱效應的非常精確的仿真。可以在事先識別潛在問題區域，并在虛擬環境中對坯料設計、層壓方向、坯料張緊和模具設計進行調整。現在，仿真可以兼容材料與模具的摩擦、可變厚度零件和柔性模具。
使用 UD TPC 膠帶成型復雜零件時的變形應變建模如圖 8 所示。熱模型可以預測熔化和結晶過程中的熱滯后、熱梯度，以及冷卻過程中的熱粘彈性行為。這使得能夠計算殘余應力并預測回彈和翹曲，從而設計熱補償模具。
圖8使用 UD TPC 膠帶和 AniForm 軟件成型窗框組件時的材料應變偏差。來源 | ATC Manufacturing
現在 TPC 沖壓成型的基礎科學已經得到了充分理解，人們正積極利用其優勢，將其應用于航空及其他行業的廣泛領域。TPC 的持續發展將使 TPC 在未來得到更廣泛的應用。
