波音公司領導的零件試驗探索了注塑、壓縮成型和熱塑性塑料，提供了經驗教訓和供應鏈選擇，以更好地與鋁競爭。

“DARPA"可定制原料與成形"(TFF)計劃中的RAPM子項目通過整合當前/歷史生產的分析數據，以及針對多種零件自行開展的成形試驗所得實證數據，最終生成了這些曲線。該項目旨在更深入地理解復合材料零件及其工藝的成本空間。

國防高級研究計劃局(DARPA，美國弗吉尼亞州阿靈頓)于2015年啟動了“可定制原料與成形”(TFF- Tailorable Feedstock and Forming)計劃，旨在實現國防飛機中復雜形狀小型復合材料部件的快速、低成本和敏捷制造。這項為期48個月的計劃旨在提高復合材料的成本競爭力，以利用其相對于機械加工鋁材的減重優勢以及抗腐蝕和抗開裂能力。在本系列的第一部分中，CW探討了TFF的愿景及其可定制通用成型原料(TuFF)子項目，該項目開發了一種具有高機械性能和類似金屬成型性的短纖維片材。

本文重點轉向TFF第二個子項目——由波音公司(美國伊利諾伊州芝加哥)主導的快速高性能制造(RAPM，發音同"wrap-em")中的成型環節。該項目自2016年7月啟動，其成果已通過多篇出版物展示，包括6篇論文及2019年SAMPE會議上的兩場報告。據波音技術專家兼首席研究員蓋爾·哈恩(Gail Hahn)與湯姆·楚奇斯(Tom Tsotsis)闡釋，RAPM的目標在于"徹底改變小型復合材料部件的成本模式，推動其在國防領域的廣泛應用"。

“我們最初懷著以汽車效率實現航空航天性能的愿景，” 哈恩說。該項目與汽車復合材料和零部件制造商合作，包括索爾維(Solvay-美國佐治亞州阿爾法利塔)和SGL Composites(奧地利里德和奧特因克賴斯)，但實現航空航天性能并非總是順利。“雖然低溫、快速固化的環氧樹脂在汽車應用中很容易獲得，但它們遠遠無法滿足航空航天需求，” 楚奇斯說。RAPM確實使用了新型快速固化的雙組分環氧樹脂，目標是航空航天級樹脂注入部件。然而，最初SGL的成型系統溫度不能超過130°C，導致無法實現30分鐘的模具作時間目標。

“我們的目標是實現工具的最大30分鐘使用時間，以便使用高速工作單元，降低系統層面成本，從而與機械加工鋁材進行成本競爭，” 楚奇斯說。哈恩補充道：“在波音內部，我們認為這能滿足我們對國防應用的所有預期。”“為什么要把它放在這里，我們用熱塑性塑料能有2到6分鐘？因為熱塑性塑料需要更高的溫度加工和相應的模具限制，我們的目標是為供應鏈提供豐富的選擇。”

隨著項目推進，它向航空材料和制造商開放，甚至包括實驗系統，如索爾維的XEP-2750。哈恩說：“我們最初以為能夠像2007年至2012年在DARPA項目'非熱壓罐制造技術'中對CYCOM 5320-1那樣，全面評估該系統。”雖然無法實現同等程度的評估，XEP-2750現已被索爾維商業化為CYCOM EP-2750，并受益于眾多RAPM零件試驗和經驗教訓。

復合材料行業和TFF項目顧問杰夫·亨德里克斯(Jeff Hendrix)談及他對RAPM的目標時說：“我只想要幾種能在貿易研究中勝過鋁的小型復合材料工藝。”那么，RAPM成功了嗎？CW探討了該項目制造數百種零部件的努力，通過多種材料和工藝對比十多種航空航天零部件配置，同時探索縮短時間和成本的方法。

項目框架

RAPM與關鍵行業合作伙伴合作，在三個主要方向上進行了零件試驗：

• 與HITCO碳復合材料（加迪納，美國）及SGL復合材料的樹脂注入
• 用索爾維（Solvay）材料進行熱固性預預預料成型、Fiber Dynamics（美國堪薩斯州威奇托）和Reinhold Industries（美國加利福尼亞州圣菲斯普林斯）
• 熱塑性塑性成形與ATC Manufacturing Inc.（美國愛達荷州Post Falls）和TxV Aero（美國羅德島州布里斯托爾）合作

成形試驗分為兩個階段：初步的“制造開發”階段(見圖1)，隨后是后續的“挑戰與過渡”(C&T)部分(見圖2)，以挑戰初步開發并過渡具有潛力擊敗機械加工鋁材的候選產品。

成形試驗包括三個主要工藝路線和三個主要零件配置，旨在制定后續挑戰和過渡零件的設計與工藝指南（見圖2）

初始階段的部分被定義為一種或多種工藝，以挑戰初步開發并挑選有潛力擊敗機械加工鋁的過渡候選產品。

制造開發試驗采用三種主要零件配置:串珠面板(有兩種類型)、帶墊層的肋條(膠合板堆積)和彎曲的C型槽。這些設計融合了航空航天零件常見的制造難題：串珠面板具有多個非平面特征以及加裝墊、加裝和垂直邊緣;肋板有一個帶有多個90度邊緣的墊板，其中一邊還帶有一個凸起;C型槽的內外半徑不同，凸緣曲率變化，網體中有顯著的膠合板下落。

目標是為三條賽道制定設計和制造指南。“做這些初試看起來一點也不性感，”哈恩回憶道。“但它們幫助確定了可接受的半徑和零件幾何形狀，以制造出無不良纖維變形的零件，以及施加張力、溫度、壓力和刀具使用時間等參數的最佳組合。”

所有三條RAPM材料和工藝軌道均包含了使用表面生成(英國拉特蘭)的試驗。生產至功能規范(PtFS)像素化加熱控制和工具系統，位于美國密蘇里州圣路易斯的波音R&T。“這是因為我們希望找到一個能夠在靈活速率環境中兼容三種材料/工藝的工作單元，”哈恩說。“我們能夠探索不同的溫度控制方法和成本。”波音PtFS工作站的最高溫度為440°C，夾持力為150噸，有效零件體積為750×750×100毫米。

盡管最初設想是使用TuFF短纖維片材，但由于初期這些材料尚未獲得，RAPM最終采用了替代材料。這實際上對復合材料行業有利，因為這些替代品涵蓋了更能反映項目外使用和開發的材料:汽車管風琴板和航空航天認證預浸料、實驗性環氧、半晶熱塑性塑料和切碎預預預料化合物。因此，這些結果和發現涉及所有類型的復合材料制造商，而不僅僅是國防制造商。

路線1：樹脂注入/RTM制造

該方向的制造開發試驗始于汽車類型材料和工藝。零件由SGL Composites采用高壓樹脂傳遞模塑工藝(HP-RTM-high-pressure resin transfer molding，300巴)和C T50標準模量、50K碳纖維無壓接織物(德國瓦克斯多夫的SGL Carbon)制造，分為三段配置:RI-RAPM-009、RI-RAPM-002、RI-RAPM-003(見圖1)。這些參數用于確定高質量成品所需的預成型參數。波音圣路易斯的PtFS系統也曾對RI-RAPM-003進行過間隙輸注(壓縮RTM或C-RTM)試驗。

計算流建模用于更好地理解如何注入這些部件，分析工藝行為以優化材料和工藝參數，并評估注出場景。

評估了模具方法，以確定何時對不同類型的預成型幾何施加張力，以最大限度減少纖維變形。這些設計變更經過修改后C通道幾何形狀的驗證，隨后進行了計算機斷層掃描（CT-computed tomography）分析。在后續的C&T階段中應用了經驗教訓，轉向低壓RTM（LP-RTM）以降低成本。

在這些先導零件試驗中，發現了多個深拉半徑的分層現象。楚奇斯認為，這些分層是由于工具中樹脂初始固化不足——因為SGL的蒸汽加熱系統將工具內溫度限制在130°C—以及拆件時的熱/機械面外應力共同造成。“由于樹脂強度尚未充分發展，這些異常很可能通過工具的完全固化來消除，”哈恩指出。哈恩還指出，SGL在工具中加入油加熱（而非僅蒸汽）后，才能滿足工具性能和航空航天性能的滿足，從而使固化時間超過130°C。“這是在制造開發試驗后添加的。

RI-RAPM-004深吸挑戰部分采用低壓預成型和RTM制作，這使得廉價的樂工具和手工夾持機構用于預成型（左上）和固化鋁制工具（右上）成為可能。使用多種預成型件以實現無皺褶的深繪幾何形狀。

深拉伸制造挑戰零件

制造開發試驗結果隨后被用于開發挑戰和過渡試驗。RI-RAPM-004深拉挑戰部分(見圖3)也完成了建模，該部分包含兩個深拉:一個是5厘米的矩形區域，另一個是從矩形過渡到V形的10厘米區域。其受生產模具組件啟發，其復雜的幾何結構確保了樹脂流動路徑的不均勻性。Huntsman(瑞士巴塞爾)使用PAM RTM軟件(ESI集團，法國巴黎)為使用FAF2兩組份環氧樹脂(美國德克薩斯州伍德蘭茲Huntsman)和SGL Carbon NCF雙軸150克和單向(UD)190克/平方米的單向增強進行LP-RTM工藝的流動建模。

RI-RAPM-004包括一個蒙皮預置體、每個深層吸動區的預設體，以及兩個積層區(見圖3)。為滿足設計面板厚度，這些預成型元件采用了不同的鋪層方式。

“低壓預成型和LP-RTM使得使用成本較低的工具（相比鋼制）：這種帶有手工驅動夾具的預成型工具采用聚氨酯基的Raku-Tool材料（RAMPF工具解決方案，德國格拉芬貝格）;固化工具采用5083鋁制成。

最初的RI-RAPM-004試驗顯示，出口附近的流動出現意外異常，抬起了表面的夾層，導致纖維變形。反轉進出口后問題解決了。在130°C工具中浸泡并初步固化后，零件在180°C下進行60分鐘的后固化，然后加工成凈型。十個高質量零件交付給波音公司，用于自動超聲系統(AUSS)C掃描。

完成的挑戰部件顯示出完全固結、纖維對齊良好且質量良好。這些部件的玻璃轉變溫度為197°C，纖維體積分數(FVF- fiber volume fraction)為49.5%，是所用NCF的典型表現。零件鋪設件數量比現行預產流程減少了三分之二以上，觸摸人工估計減少了90%。RAPM還將挑戰部分納入了航空航天認證的樹脂和織物—以測試其開發的工具和工藝的適應性—并制造了符合無損檢測(NDT- nondestructive testing)生產要求的零件。

路線2：TS預成型

彈簧張力預料，壓縮成型前(頂部)和成型件(下方)，用于珠飾面板 TS-RAPM-009。

三款制造開發熱固性(TS- thermoset)預預料零件在索爾維(Solvay)的應用中心生產，采用彈簧框架沖壓和/或雙隔膜成型(DDF- double diaphragm forming)。這三個零件均使用基于索爾維(Solvay)樹脂的環氧預預料制造，包括CYCOM 5320-1、CYCOM 970和CYCOM EP-2750航空航天系統。哈恩說：“CYCOM 5320-1是我們用于非熱壓罐(OOA- out-of-autoclave)零件的首選，但它也作為熱壓罐的合格系統使用。”“CYCOM 970是一種溶劑而非熱熔預浸料的選擇，而(CYCOM）)EP-2750是我們的沖壓成型系統，因為它針對工藝的物理和動力學進行了優化，我們證明了這能產出最佳零件。”

彈簧框架沖壓(Spring-frame stamping)和雙隔膜成型(DDF)是一種等溫壓縮成型工藝，通過切割、整理并固結熱固性預預成型件，形成二維預成型件。預成型件隨后預熱，轉入匹配的金屬工具，并在傳統液壓壓力機中成型。預成型件可通過彈簧框架保持張力(見圖4)，以減少成形過程中材料壓縮區引起的皺縮?；蛘撸珼DF將預成型件夾在兩個隔膜之間，無需清潔和脫模。預制片被貼在其中一個振膜上，基本上保持張力，雖然不如彈簧框架那樣直接或可定制。在RAPM中，彈簧類型、位置和張力均通過仿真優化，彈簧框架亦然。例如，珠飾面板TS-RAPM-009采用了一個可上下驅動的框架，以在壓機閉合時并行調節裝藥形成。

RAPM通過在15-30分鐘的初始固化后移除尺寸穩定的零件，然后在固化后批量處理，從而縮短了零件在模具上的部分時間，以提升速率能力。還使用單一工具組研究了部件家族—例如沿機翼長度具有三個不同凸緣角度的C通道——以最大化工作站利用率。指導RAPM技術支持的其他目標包括：

• 自動整理和成型，以減少人工勞動
• 177°C固化的航空航天機械性能
• 鋼制工具每套可>1,000個零件。

針對“波浪”挑戰部分的開發工作

熱固性預預售制造開發零件組逐步調整一個變量，直到達到足夠質量的零件質量。評估了壓合速度、閉合位置和閉合壓力等變量，旨在使材料在流變曲線的正確位置凝結，以產生內部靜水壓，減少樹脂泄漏，防止固化過度推進，避免裂紋誘導。一旦成型參數確定，會制作三到五個部件以驗證工藝重復性，然后進行質量測試。珠狀面板因高固結壓力（20.7巴）顯示孔隙度為<0.5%。還生產可重復生產的高品質肋。

隨后，經驗經驗應用于波紋“波浪”挑戰零件TS-RAPM-012，演示了厚度（名義厚度6.3毫米）UD層壓板的壓縮成型，曲率為12.7毫米。為滿足需求，該部件采用了準各向同性中間模量（IM7;赫氏;美國康涅狄格州斯坦福）碳纖維UD膠帶。外層采用108型玻璃纖維織物和索爾維的 THORNEL T650標準模量碳纖維，采用8束緞面織物，保護UD纖維，防止與金屬部件結合側的電腐蝕。使用索爾維的 CYCOM 5320-1環氧樹脂，實現了更短的等溫固化周期（≤30分鐘），并在177°C下實現2小時獨立固化。

波浪挑戰零件采用波音的PtFS工作單元和P20鋼模具面，并集成真空和樹脂密封件。為了適應材料樹脂含量的變化，刀具腔體比名義層壓厚度更薄，從而保持高品質零件的內部靜水壓力。

測試了三個工藝參數，包括冷成型（無加熱預成型膠）、熱散料預固結和預熱。冷成型被認為耗時且無益而被拒絕。在預固結時，層壓板被真空袋裝到帶有編織玻璃纖維呼吸器的板上，并在116°C的全真空烤箱中散裝40分鐘。雖然工業生產標準采用自動紅外預熱，但在這些試驗中，預熱是將預制件放入熱模具（179°C）中，并盡可能關閉模具且不接觸3分鐘。隨后該零件進行了壓縮成型。

九臺已完成的試驗（#0-8）中第8臺生產出了最高質量的零件，主要歸功于合并前的部分。取樣符合厚度（其他零件存在問題）和層壓材料質量，纖維體積為59-63%，空隙含量為0-0.6%。

路線 3：氣囊成型 TP 肋與 C 通道

RAPM從制造開發試驗中選擇了TP-RAPM-002肋，用于演示從原材料到復雜零件的單步壓縮成型，并選擇TP-RAPM-003曲面槽，采用兩步成型方法。波音圣路易斯公司使用美國特拉華州Accudyne Systems的壓機成型-002肋，并使用PtFS設備為-003 C通道做合并毛坯。第二步，ATC制造公司將C槽毛坯沖壓成零件。

對于-002肋，RAPM使用了索爾維提供的12英寸寬UD膠:赫氏的12K AS4D碳纖維;增強聚醚酮酮(PEKK)。-003 C槽采用了Cramer Fabrics Inc.（美國新罕布什爾州多佛）的面料:赫氏的3K AS4未上漿碳纖維，包覆2x2斜紋布，粉末涂層聚醚酮(PEEK);纖維面積重量為250克/平方米;樹脂含量為42%。

波音圣路易斯公司需要新穎的模具，在液壓機中僅具垂直驅動力的液壓機中，在壓實過程中對肋的垂直構件產生水平壓力。其解決方案是薄鋁囊（TP-RAPM-003的類似系統也被用來形成，見圖5）。在高溫下用惰性氬氣加壓后，氣囊膨脹，在固結過程中對所有零件表面施加均勻壓力。

上下模具均采用410不銹鋼制成，符合UD碳纖維/PEKK層壓板的平面內CTE。在沖壓過程中，帶鋁囊的上工具下沉，緩慢地將疊層壓入下工具的母腔。為了容納大部分未合并的膠帶預成型件，氣囊被按最終零件厚度縮小了30%。該工具安裝在傳統沖壓機上，配備電加熱筒，按12個獨立控制區接線——加上壓板的六個主要區—以控制肋凸緣和腹板內的工具表面溫度。

這些成形試驗產生的復合零件，NDI結果尚可。然而，氣囊模具設計仍需進一步改進，以更好地將鋪層成型于零件緊密內半徑內，并保持均勻的表面厚度。

固結PEEK織物毛坯

對于TP-RAPM-003彎曲C槽，所用的粉末涂層PEEK 2x2斜紋織物體積系數相對較高。波音圣路易斯首先將鋪層從32層減少到24層，固結成截面錐形的平板，然后將空坯送交ATC制造廠，最終在最終零件上沖壓了垂直凸緣。

與肋一樣，波音采用成型囊和鋼制上下模具。氣囊更換為AZ31鎂合金，比鋁合金更能抵抗破裂。C型槽工具設計用于表面生成PtFS成形工作站內工作，以實現比傳統帶有筒式加熱器的壓榨機更快速的加熱和冷卻。

C槽模具方法旨在提高多部件的靈活性。鋪層液被放置在底部工具上，并加熱至材料的玻璃轉變溫度（T）g保持柔韌性而不熔化。一個包含壓密封墊圈的體積減小框架被放置在底部模具頂部，留下一個略大于零件鋪設的腔體（見圖5）。從頂部模具通過氣囊施加熱量和液壓壓力，傳遞到鋪設裝置。成型溫度達到后，向氣囊注入氬氣，迫使其進入框架腔體，對錐形毛坯施加壓力。隨后在材料熔融階段提高模具溫度，同時保持氣囊壓力，防止材料在熔融階段流經下部模具。

織物毛坯整合為TP-RAPM-003曲面C型槽，采用鋁合金囊和PtFS系統。合并后的毛坯隨后送往ATC制造廠，在張力系統中進行沖壓以防止起皺。

預成形周期為55分鐘，囊和TP裝藥達到工藝溫度，冷卻至PEEK結晶溫度以下30分鐘。壓力范圍為1.4至9.7巴，需通過帶閥門的高壓罐手動維持。隨著PtFS工作站中最近引入了壓條(pressclave)系統，未來將實現類似熱壓罐的壓模腔內真空和壓力(±3 psi)控制。

TP沖壓成型

-003 C槽的固結毛坯被送往ATC制造進行沖壓成型，即將毛坯加熱到高于熔點以保證聚合物流動。然后將它轉移到快速閉合的壓力機中，以快速成型和冷卻零件。壓機中的成型工具保持恒溫，通過消除冷卻的啟動和冷卻，實現了快速的循環時間。模具溫度必須介于熔點和Tg之間在短時間內達到所需的熱塑性基體結晶水平，同時確保零件可無變形地拆卸。使用了一系列帶有熱電偶植入的毛坯，驗證了沖壓成型C通道的完整熱循環。

使用Aniform軟件（荷蘭恩斯赫德）進行成形模擬顯示，高度可垂掛的PEEK織物毛坯在壓縮區域仍存在起皺風險，尤其是內側（較小半徑）凸緣。因此，由穿梭板和夾子組成的張緊系統（見圖5）在匹配金屬工具閉合形成毛坯時保持張力。盡管如此，在壓縮過程中，凸緣面在纖維內側半徑被推入時仍出現屈曲。“三件RAPM項目都很難做到這部分，”哈恩辯稱。“它的幾何形狀極其極端，并不像真正的零件，更像是為了推動我們成型能力的極限。”

制造開發試驗帶來了挑戰和過渡部分，包括TP-RAPM-008蒙皮檢查面板的多個版本、TP-RAPM-013凸緣上帶有下陷的肋，以及使用TP-RAPM-01面板的三種不同幾何形狀的氣囊研究（圖2）。波音圣路易斯公司生產了所有這些，除了ATC生產的TP-RAPM-013肋。“盡管這個零件是用UD膠帶制作的，通常比布料更難成型，但我們還是能很好地成型這些零件，”ATC制造研發總監特雷弗·麥克雷（Trevor McCrae）說?？傮w而言，TP成型試驗表明，沖壓成型能夠產生傳統壓縮成型無法實現的復雜幾何形狀。

學習如何削減成本與使用鋁的對比

RAPM在這三條路線上都展示了新穎的成型能力，并積累了大量經驗教訓，涵蓋從如何定位墊件以防止壓縮成型時滑動，到為最大化質量和最小化模具成本制定零件幾何設計的指導方針。“隨著零件尺寸的減小，理解平面外特征、半徑與厚度比以及幾何細節間的距離所產生的影響”變得至關重要”哈恩 觀察到。“標準化諸如半徑、曲線和凸緣角度等特征有助于緩解成本驅動因素，例如通過為一系列零件打造標準的AUSS鞋(shoe)，降低模具成本、開發過程中的成形試驗次數以及減少NDI-nondestructive inspection(無損檢測)期間多次掃描的需求。”

RAPM強調的另一個成本驅動因素是TS預壓成型過程中耗時的預固結步驟。哈恩解釋道：“低體積和高樹脂含量預預售物拓寬了工藝窗口，提高了高質量零件的重復性。”“索爾維開發了一種正在申請專利的“超越前者薄膜-transformer film”，可在壓縮成型前應用于低浸漬預料，作為確保模具腔體在鞏固過程中保持靜水壓力的方法。”

盡管RAPM將在2020年秋季正式結束，隨后有更多成果發表，但目前基于真實國防項目的部分零件研究顯示，復合材料可以與機械加工鋁材競爭(見圖6)。雖然所選樹脂注入和TP零件降低了經常性成本—例如材料、機器時間等，這些計算均基于每家族零件總數(假設有非周期性基礎設施)—但TS-RAPM-012波形組件實際上比機械加工鋁材提高了7%。不過，它確實實現了預期的減重效果，而且溢價實際上在亨德里克斯規定的范圍內：“沒人會為復合材料帶來的減重支付兩倍的費用;它們的價格必須在鋁的10%以內。”不過，他也承認，“仍有一些非重復性的時間和成本問題需要解決，比如模具和成功成型所需的開發。”

RAPM計算了選定挑戰和過渡部件的重復制造成本（如材料、機器時間），假設有非周期性基礎設施，然后與機械加工鋁進行比較。

擴展選項

雖然樹脂注入對大件零件更有利，但哈恩說，TS和TP 沖壓對小零件來說看起來相當不錯。“樹脂注入的初始模具成本很難克服，除非金屬部件非常復雜，需要大量加工，”她解釋道。

“熱塑性塑料看起來適合大批量生產，但某個項目的分包商可能不會專門做熱塑性塑料。不過，熱固性沖壓可能是個很好的選擇，即使是低容量替換件。由于國防應用范圍廣泛，貿易討論中擁有多種材料和工藝非常重要。”哈恩指出，RAPM開辟了新材料，且經驗證的航空航天材料可以應用于汽車類工藝。“我們還引進了新的制造商。”

亨德里克斯同意RAPM的航空航天和汽車制造交流是有益的。此外，他對索爾維和SGL在無纖維變形或其他缺陷的情況下形成復雜形狀的能力印象深刻。“制造美學汽車零件所需的條件其實是有好處的，”他承認。“你不能有皺褶或糟糕的表面處理;他們必須完美無缺。但他們仍經過多次試驗和大量開發，才形成了RAPM零件。如果國防項目處理的是少量，我不確定他們是否愿意投資這種非周期性工程。經濟問題將具體情況，但工具和開發仍是我們需要解決的問題。”哈恩補充道：“我們正在發布經驗教訓，推動更明智的貿易研究，并擴大選項，并為行業討論建立一個相對開放的基礎。”CW將在RAPM今年晚些時候結束后繼續討論并更新最新情況。

原文，《Revolutionizing the composites cost paradigm, Part 2: Forming》 2020.5.13

楊超凡