了解熱塑復材(TPC)沖壓成形的基礎科學，由于其快速成形、短循環時間和自動化方法，熱塑復材(TPC)沖壓成形是一種在航空航天和移動應用中穩步發展的制造工藝。

連續纖維增強熱塑性復合材料（TPC）具有高固有韌性、焊接組裝、可回收性、快速成型，從而降低了零件成本。例如，使用熱固性復合材料，沖壓成型可以在幾分鐘內生產TPC零件，而不是幾個小時。每架空客A350飛機上使用了5000多個沖壓成型的TPC角片和支架（注：在此前我看到的資料中，A350機身使用了約1500個角片和支架。波音787機身使用800多個），ATC Manufacturing、Collins Aerospace Almere（前身為荷蘭熱塑性部件）、空客（前身為Premium Aerotec）和Daher等供應商每年為各種飛機共制造了100多萬個零件。

圖1. 沖壓成型和典型的熱塑性復合材料（TPC）航空航天零件

短循環時間和自動化方法是滿足下一代窄體商用飛機、先進空中機動(AAM- aircraft, advanced air mobility)、無人機(UAV- unmanned aerial vehicles）和無人機所追求的高生產率的關鍵。它們還可以降低復合材料零件和組件的成本。

沖壓成型概述

TPC材料快速成型為零件可以描述為熱成型、壓縮成型、沖壓成型或沖壓。我更喜歡術語沖壓成型（圖1），因為熱成型、壓縮成型和其他術語可以指一系列工藝，但并非所有工藝都是快速成型。沖壓成型過程始于預固結的毛坯，該毛坯被快速加熱，然后被轉移到一組快速閉合的成型模具中，該模具對毛坯進行成型并冷卻零件。循環時間為90秒是可能的，甚至可能很長。

復雜零件可以在不到15分鐘內形成。沖壓成型過程中的關鍵步驟包括：

• 材料準備
• 坯料抓取
• 坯料處理
• 坯料加熱和轉移
• 零件成型、冷卻
• 工具注意事項。
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材料準備

該零件由預固結的毛坯形成，其質量對成品零件的性能至關重要。為了快速成型，必須在成型前對坯料進行固結，以確保熱量快速傳遞到材料中，并確保層板的高質量固結。零件制造商可以從織物層壓板（也稱為有機板材）上切割坯料，這些板材由幾家材料制造商提供，尺寸可達12×4英尺（3.7×1.2米）。對于更多的結構應用，單向（UD）膠帶經常與定制的層取向一起使用。這種坯料通常是非矩形的，厚度可以變化。大多數TPC UD膠帶的寬度僅為12英寸（305毫米），邊緣必須在接縫處連接，不得有間隙或重疊。對于厚度可變的零件，層板邊緣在坯料中的位置是滿足設計公差的關鍵。最初認為毛坯必須滿足與成品零件相同的質量要求，近年來，具有高度固結（但不是100%）的毛坯已被證明是足夠的。這開辟了其他坯料制備和合并方法。

圖2. 毛坯制造和固結方法。

有幾種方法可用于制備UD膠帶坯料（圖2），包括手動和自動簾布層組裝、自動膠帶鋪層（ATL）和自動纖維鋪放（AFP）?？梢允謩踊蚴褂蒙逃迷O備制備適當方向（例如0°、45°、90°）的很長的長度單層。

TPC材料沒有粘性，因此必須對層板進行局部加熱，使其以適當的方向相互粘附。這可以通過手動或自動熱焊接或超聲波焊接方法來實現，沿著接縫將相同方向的層彼此連接，并通過厚度將相鄰的層彼此縫合。在熱固性預浸料中，ATL與寬帶一起使用，以制作平坦或平緩彎曲的疊層，而AFP使用窄帶制作輪廓疊層。相比之下，TPC坯料通常是平的。低能量可用于制造松散的疊層，然后必須在進一步的操作中固結，或者高能量可用于充分固結坯料，坯料可以直接用于沖壓成型。因此，我使用高能量或低能量的自動膠帶放置（ATP）一詞來區分這些方法，而不管預浸料寬度如何。連續壓縮成型（CCM- Continuous compression molding）也會產生坯料，按照所需的方向整理膠帶，形成堆疊的疊層，然后在同一過程中立即固化。

坯料合并

有許多方法可以將疊層固結成層壓板，然后將其用作沖壓成型坯料：

• 單次按壓
• 雙壓機（熱壓機/冷壓機）
• CCM
• 熱壓罐
• 烤箱中僅使用真空袋（VBO- Vacuum bag only）
• 高能量儲存（ATP）

在沖壓成型過程中，坯料將被重新加熱到熔融溫度，因此坯料中的聚合物微觀結構即使對于半結晶聚合物也不會影響最終零件。

壓制方法發展良好，可以高度自動化。壓制技術用于制造恒定厚度的層壓板，選擇的方法將取決于所需的體積、資本支出和經常性成本。單次壓制法的循環時間較長，但可以在每層之間使用填縫板同時固結多個層壓板。在雙壓機方法中，“熱”和“冷”壓機分別保持與工藝溫度和凝固溫度相對應的恒溫，坯料自動穿梭于兩臺壓機之間。CCM能夠實現連續、自動化的制造，使層片在適當的方向上自動移動通過帶有熱區和冷區的模具，以生產非常長的層壓板。

使用熱壓罐進行TPC似乎違反直覺，但它可以用于同時固結多個層壓板以及制造可變厚度層壓板。VBO爐固結是一種類似的方法，但僅使用真空壓力（14.7 psi/0.101 MPa）而不是全熱壓罐壓力（通常為100 psi/0.7 MPa），其優點是不需要壓力容器。大面積高溫爐的價格低廉，與熱壓罐或壓力機相比，可以大大降低資本成本，同時經濟地固結非常大的層壓板。VBO已被證明可以提供高質量的坯料，盡管這取決于UD膠帶，我將在稍后的故障排除文章中討論。最后一種選擇是高能ATP，用于實現高度的固結，通常超過90%。對于大型、非矩形、特別是厚度可變的坯料，這是一個不錯的選擇。

坯料處理

必須將固結層壓板加工成成品零件的適當尺寸和形狀，并在加熱和轉移過程中保持坯料。這通常是使用夾具或根據零件尺寸成形的固定架完成的（圖3）。附加裝置可以包括彈簧，以在模具中成形期間控制坯料的運動。它也可以由不會阻擋加熱的聚酰亞胺薄膜支撐。坯料通常在沖壓成型前干燥，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. 坯料保持方法

坯料加熱和轉移

通常在紅外爐中，在幾分鐘內將坯料加熱到工藝溫度。對于較大的零件，使用多區烤箱來確保整個毛坯的均勻加熱。雖然快速加熱可以縮短循環時間，但最終坯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，但不能進入聚合物會降解的范圍。必須在坯料的整個長度、寬度和厚度上滿足這些條件。

使用包含嵌入式熱電偶的坯料進行試驗以調整工藝條件是正常的。圖4顯示了厚度為0.2英寸（5毫米）的UD碳纖維/PEKK帶坯中嵌入式熱電偶的熱跡線。熱電偶位于零件的多個位置，包括靠近表面和厚度中心。在加熱過程中，不同位置的痕跡分散非常小，溫度在644-752°F（340-400°C）的PEKK工藝溫度區趨于平穩。坯料通常被加熱一段固定的時間，因此重要的是每個循環的加熱都是一致的，并且在加熱循環結束時坯料溫度的變化率很小，如圖4所示。

圖4. 單向（UD）碳纖維增強帶部件沖壓成型的熱電偶痕跡。厚度為0.2英寸（5毫米）

該過程中一個很小但非常關鍵的步驟是將坯料從預熱爐轉移到沖壓機。這必須迅速完成，因為坯料一離開烤箱，溫度就會迅速下降（圖4）。從烤箱到壓機的公認最長時間為5秒。聚合物處于熔融狀態，坯料的完整性由纖維增強材料保持，因此坯料通常會下垂，甚至可能從夾具中滑落。在設計夾持機構以及在成形工具上的轉移和放置時必須考慮這一點。

圖5. UD TPC膠帶中的流動過程

圖6. 實際形成問題。

零件成型、冷卻

為了實現所需的短循環時間，壓機必須快速關閉以形成零件，并且工具必須保持恒溫。這種要求組合帶來了挑戰，因為連續纖維增強材料必須快速一致地流動，同時冷卻速度非?？?，從而導致聚合物粘度的增加。

在成型方面，有多種流動過程（圖5）。在織物增強部件中，編織限制了纖維變形量。但使用UD膠帶時，層板可以橫向和剪切流動，可能會導致層板變薄、橋接和起皺等特征（圖6）。纖維橫向于成型方向的UD帶層可以在拐角處擴散，導致變薄，而拐角外側的纖維可能會導致橋接。在成型過程中受到壓縮的簾布層（例如，在拐角內側）會起皺，這對結構零件來說是不可接受的。為了控制成形過程中的層板變形，通常會張緊坯料，有時會使用彈簧加載的張緊器（圖3）。

當毛坯被成型為成品零件時，它會迅速冷卻（圖4）。外層在接觸時幾乎立即冷卻到工具溫度，甚至內層也迅速冷卻到模具溫度。

對于半結晶材料，必須選擇工具溫度，以平衡材料流動和形成零件的能力，以及所需結晶度的固化和發展。聚合物的粘度隨著材料的冷卻而迅速增加，限制了材料的流動。半結晶聚合物在冷卻時在結晶溫度下固化，但該溫度取決于冷卻速率，結晶程度取決于零件溫度在工具上達到平衡時等溫條件下的時間和溫度。典型的冷卻循環包括初始冷卻過程中的非等溫結晶，然后是等溫結晶。聚合物的體積在結晶過程中發生了顯著變化，聚合物模量隨之增加，隨著材料冷卻到玻璃化轉變溫度（Tg），然后冷卻到環境條件，聚合物進一步收縮。

聚合物和復合材料供應商開發了大量關于冷卻速率和等溫時間和溫度如何影響結晶的數據，并且應該能夠提供最快結晶速率和達到最大結晶度所需時間的推薦溫度。

工具注意事項

由于聚合物體積在冷卻和固化過程中顯著減少，因此成型零件的尺寸在冷卻過程中會發生變化。即使在固化時，由于聚合物冷卻到環境溫度，尺寸也會發生變化。這會導致“彈簧”效應，即成品零件的角角度小于工具的角角度。這可以建模，結合工具和TPC材料的熱膨脹系數（CTE）與溫度的關系。當然，復合材料的CTE是高度各向異性的，因此必須考慮每層特定鋪層方向的CTE。

工具溫度通常超過400°F（204°C），以允許TPC的形成和結晶，當坯料接觸工具時，其溫度更高，因此通常需要金屬工具。一個模具上的彈性體模具或彈性體表面金屬模具在形成復雜零件方面具有優勢，提供了一些合規性，以確保成品零件的高質量成型和固結。

圖7. 用于使用UD TPC膠帶形成可變厚度機身框架的多部件工具

最常見的模具設計是匹配的兩部分模具組，但對于更復雜的零件，多部分模具的使用正在增加。例如，可以使用兩個主模具形成網，然后可移動部分可以折疊凸緣。Spirit AeroSystems在形成彎曲和可變厚度機身框時演示了這種方法，如圖7所示。

建模和仿真

自CW 2021年發表熱成型文章以來，模擬方面取得了很大進展。現在可以使用來自AniForm等組織的軟件來實現非常精確的成形和熱效應模擬，以及用于熱性能的Convergent Manufacturing等?？梢蕴崆白R別潛在的問題區域，并對毛坯設計、層板方向、毛坯張緊和模具設計進行虛擬調整。模擬現在可以適應材料工具摩擦、可變厚度零件和柔性工具。

使用UD TPC膠帶對復雜零件成形過程中的變形應變進行建模，如圖8所示。熱建?？梢灶A測熔融和結晶過程中的熱滯后、熱梯度以及冷卻過程中的粘彈性行為。這使得能夠計算殘余應力并預測回彈和翹曲，以設計熱補償模具。

圖8. 使用UD TPC膠帶和AniForm軟件在窗框

 

組件成型過程中的材料應變偏差

 

現在，TPC沖壓成型的基礎科學已經得到了很好的理解，有動力利用其在航空和其他行業的廣泛應用。它的持續發展將導致TPC在未來得到更廣泛的應用。

 

沖壓成型發展

 

盡管存在明顯的挑戰，但沖壓成形現在已經很好地用于中小型TPC部件的高速制造，并且由于在速度和成本方面的優勢，人們對將沖壓成形推進到更大、更復雜的結構部件中非常感興趣。以下是一些當前項目的例子，其中包括沖壓成型的進步。

 

熱塑性復合材料研究中心（TPRC）：TPRC成立于2009年，對TPC進行了基礎研究，包括幾個評估和建?？焖俪尚凸に嚨捻椖?。

 

公開報告可通過其網站獲得。

 

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，他們合作制造了一個8×4米的TPC機身演示器。

 

該組件獲得了2025年JEC航空航天零件創新獎。幾個結構零件是使用沖壓成型的單向（UD）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結構的協同設計和裝配優勢，包括焊接，如長桁到蒙皮。

 

空中客車不來梅工廠：空中客車不來梅工廠最近調試了一臺由Pinette Emidecau Industries制造的5×2米高溫快速成型機。被描述為世界上最大的TPC沖壓機，它能夠制造大型結構件，據報道，它包括在<5秒內將坯料從紅外加熱器轉移到沖壓機，以及同時將兩個坯料帶到沖壓模具的能力。

 

美國宇航局高速復合材料制造（HiCAM）計劃：美國宇航局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的大型復合材料結構實現生產準備。

 

其中兩個主要目標是達到每月80-100架飛機的速度，并降低復合材料結構的成本。方法包括熱固性預浸料、樹脂注入和TPC技術。沖壓成形被視為許多結構的關鍵技術。

 

美國航空航天材料制造中心（AAMC）：AAMC技術中心的成立是為了提高用于航空航天應用的大型TPC結構的高制造準備水平。該聯盟包括行業合作伙伴波音、柯林斯、Spirit AeroSystems、ATC Manufacturing、Syensqo和東麗。正在建立一個設施。

 

原文,《Troubleshooting thermoplastic composite stamp forming》

楊超凡