圖1. 使用金岡航天TP2230低溫固化BMI模具材料的工具，零件由工具制造（上圖），生產復合工具由雅尼基制造（下圖）

這款工具代表了雅尼基將用TP2230制作的尺寸和形狀

模具是制造復合材料零件的關鍵，但通常被視為生產后期。比斯馬雷亞胺（BMI）預浸料因其性能和耐用性，已成為高溫復合結構件制造的首選模具材料，但仍存在制造挑戰，通常影響成本和交貨周期。正是這些挑戰，金岡航空（Kaneka Aerospace-美國加利福尼亞州貝尼西亞）和雅尼基工業（Janicki Industries-美國華盛頓州塞德羅-伍利）著手解決。

復合材料制造的模具挑戰

對于在高溫下固化的復合材料，尺寸精度、熱穩定性和長期耐用性至關重要，因此需要使用BMI工具。當零件在熱源附近工作或在長使用壽命內要求航空航天級尺寸精度時，BMI工具對于確保零件質量、重復性和生產良率至關重要。

BMI復合材料相比其他制造復合材料的刀具選擇有許多優勢，而這些工具也有自身的限制。殷鋼(Invar)工具具有碳纖維復合材料的熱膨脹特性，且在反復高溫固化下非常耐用，但工具體積較大，熱容量大，需要大量加工。環氧復合材料工具成本較低，可配合低溫主模具使用，但缺乏批量生產中常見的反復高溫固化耐久性。

除了輕便和低熱容量外，BMI工具因其經受反復高溫固化的能力，已成為許多生產應用的首選。然而，正是這一特性也推動了對高成本主工具的需求，進而影響工具成本和交貨時間。使用BMI系統的另一個挑戰是177°C工具固化過程中樹脂釋放氣體，這會導致標準尼龍袋裝膜降解，且固化過程中存在真空損失風險，因此需要使用更昂貴的替代袋裝材料。

采用較低初始固化溫度的BMI模具樹脂系統將從根本上解決這些挑戰。熱力學仍要求模具樹脂必須在某個時刻進行高溫固化，才能在177°C下重復固化零件，但從主模上進行此固化開啟了制造工藝的新途徑。任何新材料都必須滿足當前的性能要求，包括機械性能、韌性、耐久性、控性和使用壽命，同時提升整體成本和交貨時間。

金岡航天長期以來一直是雅尼基工業復合材料工具產品的供應商，這促成了這次合作。雅尼基研發工程師杰德·布里奇（Jed Brich）說：“該項目誕生于2018年，當時雅尼基與金岡航天（當時為Applied Poleramic Inc.）就傳統177°C固化BMI系統的挑戰進行了對話。”“最近一個尼龍真空袋在一次大型工具面板固化過程中失效，原因被認為是BMI樹脂系統的逸散?！?/p>

經過多次討論，金岡航天啟動了一個項目，設計一種既滿足雅尼基需求又具備BMI耐用性工具的預固化系統，但這些系統至少在初期可以在更低溫度下修復。

模具預預預料評估，樹脂配方迭代

金岡航天開發了一種創新的BMI化學方法，代號TP2230，其初始固化過程在主工具121°C處固化，隨后是204°C的獨立固化后固化。這使得使用成本更低的主控設備成為可能，并大幅節省成本和交付時間。初步結果由金岡航天和雅尼基在CAMX 2025聯合發表的論文中報告。

金岡航天產品開發高級總監小滝正也(Masaya Kotaki)博士報告：“開發BMI聚合物化學以達到121°C下足夠的固化度，使工具在固化后獨立狀態穩定，是一項相當大的技術挑戰?！薄安牧线€能提供至少4周的車間出廠時間，這對大型工具的生產非常重要，同時還可采用標準的鋪設、裝袋和散裝方法?！?/p>

圖2TP2230 BMI工具復合材料與Syensqo T300和Hexcel AS4C纖維的層隙斷裂韌性，以及在177°C時陳釀后重量減輕

預產期使用標準2×2斜紋織造、6K碳纖維織物，使用比利時布魯塞爾Syensqo（索爾維的專業部門）的T300纖維和美國康涅狄格州斯坦福Hexcel（赫氏）的AS4C纖維進行評估。該材料的早期開發樣品于2020年提供給雅尼基。初步測試小組遇到了粘性和孔隙度的挑戰。經過幾次快速迭代，金岡航天成功調校了樹脂配方，效果顯著改善。

CAMX論文中報告的機械測試確認，含兩種纖維的材料在初次固化后達到足夠的強度和剛性，并滿足典型的模具性能要求。

韌性是耐久性和反復高溫循環中抗裂的關鍵。金岡航天評估了層間斷裂韌性（GIC）使用雙懸臂梁測試，測試包含兩根纖維的TP2230層壓板。圖2的結果顯示，TP2230兩種纖維的韌性與傳統材料相似，且在固化后有所提升。The GIC使用Hexcel AS4C纖維的材料比使用T300高出20-30%，這一點通過掃描電子顯微鏡對斷裂面進行了進一步研究。這些圖示纖維橋接和拉拔伴隨著AS4C層壓材料中基體塑性變形增加，表明纖維基體附著力較高。這些工具顯示出非常好的熱穩定性，在177°C下陳化1萬小時（~14個月）后重量損失不到1.2%（見圖2）。

金岡航天首席科學家列昂尼德·沃羅比耶夫（Leonid Vorobyev）博士表示：“最大的挑戰是平衡低溫固化性、粘性保持時間和工具耐用性。在121°C下可固化的BMI非常罕見，因此需要創造力來實現這一點。還需要維持較長的針距壽命，這通常與固化溫度和所需的熱氧化穩定性處于權衡關系中，這并不簡單?！?/p>

制造過程評估：模擬模具固化

圖3上方是鋪設時的斜倚工具，底部則是固化的玻纖和碳纖零件

在開發和初步材料測試后，雅尼基使用具有代表性元素的“Z”型梁工具對包含兩種碳纖維的TP2230工具預料進行了制造評估。雅尼基的觀察結果得出結論，TP2230的貼合度、垂墜感和操作性與傳統BMI工具預浸料相當。新型材料體積低，去除后起皺和起皺極少，初期121°C固化時樹脂滲出適宜，加工后表面光潔度良好。

隨后，雅尼基使用示范工具進行模擬生命周期評估，包括在潔凈室環境調節30天，隨后鋪設碳纖維和玻璃纖維預預置液，并在177°C下進行熱壓罐固化（見圖3）。Hexcel AS4C工具已評估84個周期，Syensqo T300工具測試了137個周期。在第20至30個周期之間首次觀察到局部表面纖維撕裂，兩條纖維均有首次觀察到層隙裂紋，均為40周期，這在當前BMI工具中表現為典型。熱老化梁工具的表面圖像和顯微照片（見圖4）證實了其相較于傳統BMI工具材料在高溫下具有高熱穩定性和抗微裂紋能力。這兩種工具繼續保持真空完整性，固化零件質量保持高水平。

圖4經過多次零件固化后使用測試工具

雅尼基將繼續將小型測試工具循環至至少200個工藝循環，以評估TP2230在實際生產條件下的使用壽命。總體而言，使用AS4C纖維的工具表現出更高的耐用性，與韌性效果一致。

雅尼基通過開場圖中展示的6.1米工具進一步評估了TP2230的生產能力（見圖1）。初始的航空航天級零件正在該工具上成型，以評估模具材料在生產規模和復雜度下的尺寸穩定性和性能。公司已經在該工具上制造了多個部件，每個周期后都會進行全面評估，未來還計劃更多部件。此外，雅尼基已確定今年晚些時候將根據TP2230制造大量生產工具。

低固化溫度 BMI 工具預產期，用于未來項目

金岡和雅尼基指出，將初始固化溫度從177°C降至121°C，可以使用更經濟的母模選項。此外，較低的初始固化溫度大大降低了工具固化過程中真空袋失效的風險，因為尼龍真空袋在暴露于低于149°C的BMI樹脂時更不易降解和失效。

雅尼基看到的新模具材料的一些具體好處包括工具交貨時間縮短25%-50%，刀具成本降低20-40%。

小滝表示：“通過將降低固化溫度與長期熱穩定性結合，TP2230為經濟高效工具開辟了新機遇。”

雅尼基研發高級總監托德·“TJ”·查斯(Todd 'TJ' Chace)指出：“TP2230的低溫初始固化使我們能夠簡化刀具制造流程，為客戶降低刀具成本、縮短交貨周期開辟了一條道路，同時保持他們所需的高溫、高耐用性性能?！薄敖涍^全面評估，我們有信心用這種材料制造的工具能夠為大多數程序生產高質量的零件。雅尼基將于2026年初生產首批TP2230生產工具，并持續發掘未來客戶項目的新機遇?！?/p>

原文,《Kaneka BMI material attains >25% lead time, >20% tool cost reductions in Janicki evaluations》 2026.2.25