工程师们继续推进复合材料部件的新加工概念
从波音 787 到新型海军驱逐舰，纤维增强复合材料的使用越来越广泛。随着生产规模的扩大，更高效的制造仍然是一个重点。提高效率的关键之一是复合材料的加工。这些模具和模型为零件提供了最终形状，并且通常是其最终固化不可或缺的一部分。尤其是航空航天领域的制造趋势正在促使人们寻找新的工具概念，即使其他行业也在努力提高效率和准确性。树脂供应商正在提供为工具设计的更新的复合材料，即使金属工具正在看到自己的进步。
F-35 进气道一体成型，是单元化挑战与成就的典范。“A tool [for composites]必须准确、严格、易于使用且经济l，”Morris Group（康涅狄格州温莎）的执行技术顾问 Bert Erdel 说。在大多数情况下，保持严格的公差意味着将工具的热膨胀系数 (CTE) 与复合材料相匹配。在高达 180°C 或更高的高温固化过程中尤其如此，这是航空航天中常见的一种情况。在高固化温度下，工具和大型零件之间的 CTE 不匹配会引起材料内应力，并导致公差失效。均匀加热是另一个关键因素，如果工具表面的温度发生变化，这种变化也会在高温固化过程中引起材料应力。
复合材料的常用工具材料有铝、钢、殷钢（一种铁合金）和镍）、环氧基复合材料、双马来酰亚胺 (BMI) 复合材料以及石墨或碳-碳复合材料。铝和钢具有低成本和可加工性的优点。易于修改和维修，它们的缺点是高 CTE com与复合材料相比。殷钢与复合材料的 CTE 相匹配，最高约 200°C 左右，但价格昂贵且笨重。较轻的复合材料工具的权衡通常是耐用性较差——金属工具通常承受更多的磨损并且使用寿命更长。
“早在 1982 年，当我第一次在诺斯罗普面试时，我提到了最大的挑战之一在使用复合材料的过程中，是工具，”Martin McLaughlin 评论道，他现在是 Northrop Grumman Aerospace Systems（加利福尼亚州雷东多比奇）的空间结构主管。虽然 Northrop 在开发复合材料工具方面对所有常用材料都取得了进展，但他特别指出了两种材料的成功。一种是殷钢，另一种是使用块状石墨源工具制成的有效 BMI 工具的组合。 “我们购买大块石墨，将它们粘合起来，然后将它们加工成原始工具的形状。工作工具由 BMI 复合预浸渍 [prepreg] 材料制成，与我们在飞机上使用的相同。”这个组合他报告说，这种方法效果非常好，诺斯罗普用它来为大多数 F-18 型号的复合材料部件重新装配。目前，F-35 生产中使用的所有复合工具都采用这种组合。
但是，他指出，随着新机会的出现，这种方法可能需要改进。 “复合材料的一大优势是能够制造出统一的、不寻常的形状，而不是将 [零件的几何形状] 限制在金属的可成形性范围内，”McLaughlin 指出。 “例如，B2 上混合的机翼到机身轮廓在金属中将是一场噩梦。”除了这种创建复杂形状的能力之外，还有单元化的趋势。它节省了质量、成本和制造时间。 “我们一直在寻找将越来越大的部件组合起来收益递减的点，但我们还没有找到。”这种趋势存在于航空航天以外的领域。他指出，新型 DDG-1000 驱逐舰将拥有复合材料上层建筑和150 英尺（45.7 米）长的扫雷舰船体由组合工具制成。 “大块石墨太重且不够耐用”对于较大的零件。 McLaughlin 表示，重新使用殷钢模具会产生其自身的问题，例如费用、重量和交货时间长（在某些情况下长达一年）。他认为，未来用殷钢制造这些零件会越来越困难。此外，他表示对他们的 BMI 工具很满意，但相信他们在新兴的大型组合应用中会遇到放大问题。
新一代复合工具材料供应商现在提供的材料利用两种-一步治愈。该工具在低温下部分固化以固定其形状，然后取出并在更高的温度（最高 425°F（218°C））下进行自由成型固化。 “我对这些用于模具材料的新型两步固化系统持乐观态度，”他说。
Weber Manufacturing 的镍气相沉积工艺逐原子沉积镍，使其非常适合生产金属工具据该公司称，复杂形状的复合材料。虽然单元化复合材料的尺寸越来越大，但对更高生产率的需求也在不断增加，Hexcel（犹他州西谷市）的产品经理 Michael Gleason 指出。更高的生产率是部分原因在于复合工具的质量较轻（与殷钢相比）。重量较轻意味着热质量较低，从而可以加快加热/冷却循环。“复合工具的重量大约是殷钢的 40%工具，”格里森指出。较低的重量还可以实现更实用的自动化。对于自动纤维铺放 (AFP) 机器尤其如此，这些机器往往会移动与铺放头结合的芯轴工具。由重因钢应力制成的芯轴工具AFP 的机制不仅仅是一种更轻的复合材料
Hexcel 提供两种不同的工具材料：BMI 材料 HexTOOL M61 和环氧树脂 HexTOOL M81。与可用于复合工具的结构应用标准预浸料不同，格里森指出，这些材料实际上是准各向同性的，使用具有 3-D 结构的随机取向的短纤维。 “你可以很快把它铺好。你不必像结构预浸料那样担心方向的对称性，而且铺设速度更快。”这种 3-D 短纤维结构意味着这些材料特别适用于后固化加工。由 Hexcel HexTOOL M61 或 M81 制成的工具可以在工具的使用寿命期间进行修改。可加工性的另一个主要好处是消除了对精密母模的要求。 “你可以把它放在一个接近最终形状的母模上，然后将它加工到最终公差。”该公司宣传这种材料的工具能够承受数百次自动oclave 循环在 180°C。它的最高使用温度为 218°C。 Hexcel HexTOOL M61 需要高压釜固化，环氧树脂 HexTOOL M81 也是如此。
Cytec Engineered Materials（坦佩，亚利桑那州）还提供环氧树脂和 BMI 预浸树脂系统，用于由编织碳或玻璃制成的工具织物增强复合材料。环氧树脂模具在不超过 185°C 的温度下通常限于少于 300 个固化周期，使其适用于低速生产。据该公司称，它还非常适合用作原型和一次性开发工具设计的低成本解决方案。对于更高的生产率，Cytec 提供其 Duratool BMI 树脂系统。这些系统需要高压釜固化并提供 232°C 的工作温度和非常高的耐用性（在 375°F 或 191°C 下超过 1000 个固化周期）。它们也是可加工的；该零件可以在接近最终形状的母模上创建并加工到特定的公差。
在高生产率下根据 Cytec 现场技术服务工程师 David Hulme 的说法，复合工具可以为组织带来经济效益。 “如果你正在构建一个单一的工具，除了重量和热质量的考虑之外，Invar 和 BMI 是相似的。对于单个工具，BMI 可能更昂贵，因为它需要母模。但是，当您需要多种工具来满足生产率时，BMI 工具就变得非常经济。使用四套或六套工具，您可以将主模型的成本分摊到工作工具上，”他解释道。
虽然复合材料工具有时被认为不如金属工具耐用，但 Hulme 指出不太可能的盟友。推动高生产率意味着更多的自动化设备；不仅 ATL 和 AFP，还有 CNC 层板切割机。这些用于组装用于制造零件的预浸料织物。 “人们不像过去那样在工具上手工切割预浸料。工具是也没有在商店周围进行同样程度的处理，因为机器人移动它们。它有助于减少工具受到的损坏和滥用。”
虽然大块石墨和碳-碳复合材料长期以来一直是复合材料工具的主要材料，但一种相对较新的工具材料是碳泡沫。 Touchstone Research Laboratories Ltd.（西弗吉尼亚州特里亚德尔菲亚）提供用于复合工具的 CFOAM。据该公司称，CFOAM 碳泡沫是一种由煤制成的不可燃材料，具有与复合零件相匹配的低 CTE、低成本、易加工性和耐高温能力，适用于工具应用的 343°C。 “它也很轻，大约是同类殷钢工具重量的 1/10。大约五年前，我们开始制造 [用于复合材料] 的工具，”Touchstone 高级复合材料总监 William Welychko 解释道。 “从那时起，我们制造了数百种碳泡沫工具。该材料提供了一个完全支持的工具表面CE。其易于加工的特性有助于快速制造，并以低廉的成本适应设计变更。”
通过填充泡沫的孔隙并使用高温环氧涂料系统，可以创建适合拉动有限的表面原型环境中的零件数量。硬化环氧树脂或 BMI 表面最适合生产工具。 Welychko 表示：“我们可以在开发后以及在所有几何形状更改 [最终确定] 之后，将该工具转换为具有耐用表面的生产工具，其成本仅为因瓦全新工具的一小部分。”该开发的合作伙伴是 Hexcel，它提供其任一工具材料作为 CFOAM 工具的表面处理剂。 CFOAM 的重量轻和可加工性意味着它可以与 BMI 面漆一起用作工作工具，从而消除了创建源工具的费用。 “这既省时又省钱，是未来的方向。”
A CFOAM 工具可能是非高压灭菌器的一种选择，因为令人惊讶的是，泡沫是一种良好的电导体。 “因为泡沫是导体，我们能够让电流通过泡沫，然后它就像一个加热元件。借助热像仪，我们可以调整整个工具的加热均匀性。一旦我们在 HexTOOL 等工具上放置一个表面，它就会进一步标准化加热模式，确保没有任何热点，”Welychko 解释道。虽然 CFOAM 似乎是一种奇特的材料，但他指出，目前大多数熟悉复合材料的工厂已经拥有使用它所需的基本资本设备和专业知识。
金属模具在复合材料加工中仍然占有一席之地。 “金属工具通常会产生更好的表面，例如 A 级汽车引擎盖和行李箱盖。它们使用寿命更长，真空密封且可以自加热，广泛用于具有快速脱模功能的压缩模具。他们很我们ll 适合制造 1000–100,000 个或更多零件，”Weber Manufacturing（加拿大安大略省米德兰）的 Tom Schmitz 评论道。
为了克服传统金属工具的一些几何限制，Weber 使用化学气相沉积镍 (NVD) 以生产具有复杂形状的纯镍模具。 NVD 是一种两阶段化学工艺，可将散装镍粉转化为固态镍壳。该工艺将镍原子逐个原子地沉积到与工具形状相同的机加工正心轴上。根据 Schmitz 的说法，可以复制表面的精确复制品，表面纹理的分辨率几乎没有限制。据该公司称，由此产生的外壳是 99.98% 的纯镍，没有残余应力。 “导热性比钢好 3 倍，比殷钢好 8 倍，并提供均匀的加热表面和更快的加热和冷却速率。均匀、复杂形状的薄镍能够以一定的速度改变温度每分钟 150°F (66°C) 的速率。 NVD 在整个工具表面的变化通常不超过 ±2°C。我们开发了用于在高温 [700°F 或 371°C] 下固化的发动机部件的工具，您甚至无法使用殷钢。这种材料会将碳从工具表面拉出。”
由于操作员只加工一次母模，因此这项技术再次特别适合大批量应用。它们生产的镍前缘薄至 0.008 英寸（0.2 毫米），工具厚度可达 1.5 英寸（38 毫米），尽管它们通常为 0.250 英寸（6.4 毫米）。航空航天应用利用了这种加工方法，正如 Schmitz 指出的那样，复杂的几何形状（如管道系统和整流罩）已使用 NVD 外壳制成，这样更容易加工主模型。 “形状越丑，就越容易用 NVD 镍壳来证明。”迄今为止，他们生产的工具大至 14 x 14 x 4′（4.27 x 4.27 x 1.22 米），尽管他认为没有限制，因为他们生产的工具是由在其 10 英尺（3 米）长的沉积室中创建的部分焊接而成的。
RocTool（佐治亚州亚特兰大） ) 凭借其 3iTech 感应加热系统在金属模具领域提供了另一项创新。虽然使用热水、热油或筒式加热器或电筒加热金属工具具有优势，但感应加热系统在大容量、高吞吐量应用中提供更多价值。该系统使用电磁感应加热模具。 RocTool 将感应器集成到模具内部以匹配零件的形状。电感器放置在距模具表面几毫米处，通过传导加热工具表面附近的较小区域。
“它可以非常快速地均匀加热工具，”研发部 Jose Feigenblum 补充道RocTool 经理。加上通过冷却管路泵送的冷水，循环时间大大减少，acc向公司订货。 “我们有一些例子，其中树脂在 80°C 下需要 1 小时才能固化。我们 [均匀] 将工具加热至 130°C，并将固化时间缩短至 2 分钟——固化时间缩短了 30 倍。”
