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

復(fù)合材料制造的模具挑戰(zhàn)

對(duì)于在高溫下固化的復(fù)合材料，尺寸精度、熱穩(wěn)定性和長(zhǎng)期耐用性至關(guān)重要，因此需要使用BMI工具。當(dāng)零件在熱源附近工作或在長(zhǎng)使用壽命內(nèi)要求航空航天級(jí)尺寸精度時(shí)，BMI工具對(duì)于確保零件質(zhì)量、重復(fù)性和生產(chǎn)良率至關(guān)重要。

BMI復(fù)合材料相比其他制造復(fù)合材料的刀具選擇有許多優(yōu)勢(shì)，而這些工具也有自身的限制。殷鋼(Invar)工具具有碳纖維復(fù)合材料的熱膨脹特性，且在反復(fù)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(huán)氧復(fù)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(chǎn)中常見的反復(fù)高溫固化耐久性。

除了輕便和低熱容量外，BMI工具因其經(jīng)受反復(fù)高溫固化的能力，已成為許多生產(chǎn)應(yīng)用的首選。然而，正是這一特性也推動(dòng)了對(duì)高成本主工具的需求，進(jìn)而影響工具成本和交貨時(shí)間。使用BMI系統(tǒng)的另一個(gè)挑戰(zhàn)是177°C工具固化過程中樹脂釋放氣體，這會(huì)導(dǎo)致標(biāo)準(zhǔn)尼龍袋裝膜降解，且固化過程中存在真空損失風(fēng)險(xiǎn)，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(tǒng)將從根本上解決這些挑戰(zhàn)。熱力學(xué)仍要求模具樹脂必須在某個(gè)時(shí)刻進(jìn)行高溫固化，才能在177°C下重復(fù)固化零件，但從主模上進(jìn)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(dāng)前的性能要求，包括機(jī)械性能、韌性、耐久性、控性和使用壽命，同時(shí)提升整體成本和交貨時(shí)間。

金岡航天長(zhǎng)期以來一直是雅尼基工業(yè)復(fù)合材料工具產(chǎn)品的供應(yīng)商，這促成了這次合作。雅尼基研發(fā)工程師杰德·布里奇（Jed Brich）說：“該項(xiàng)目誕生于2018年，當(dāng)時(shí)雅尼基與金岡航天（當(dāng)時(shí)為Applied Poleramic Inc.）就傳統(tǒng)177°C固化BMI系統(tǒng)的挑戰(zhàn)進(jìn)行了對(duì)話。”“最近一個(gè)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(rèn)為是BMI樹脂系統(tǒng)的逸散。”

經(jīng)過多次討論，金岡航天啟動(dòng)了一個(gè)項(xiàng)目，設(shè)計(jì)一種既滿足雅尼基需求又具備BMI耐用性工具的預(yù)固化系統(tǒng)，但這些系統(tǒng)至少在初期可以在更低溫度下修復(fù)。

模具預(yù)預(yù)預(yù)料評(píng)估，樹脂配方迭代

金岡航天開發(fā)了一種創(chuàng)新的BMI化學(xué)方法，代號(hào)TP2230，其初始固化過程在主工具121°C處固化，隨后是204°C的獨(dú)立固化后固化。這使得使用成本更低的主控設(shè)備成為可能，并大幅節(jié)省成本和交付時(shí)間。初步結(jié)果由金岡航天和雅尼基在CAMX 2025聯(lián)合發(fā)表的論文中報(bào)告。

金岡航天產(chǎn)品開發(fā)高級(jí)總監(jiān)小滝正也(Masaya Kotaki)博士報(bào)告：“開發(fā)BMI聚合物化學(xué)以達(dá)到121°C下足夠的固化度，使工具在固化后獨(dú)立狀態(tài)穩(wěn)定，是一項(xiàng)相當(dāng)大的技術(shù)挑戰(zhàn)。”“材料還能提供至少4周的車間出廠時(shí)間，這對(duì)大型工具的生產(chǎn)非常重要，同時(shí)還可采用標(biāo)準(zhǔn)的鋪設(shè)、裝袋和散裝方法。”

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

預(yù)產(chǎn)期使用標(biāo)準(zhǔn)2×2斜紋織造、6K碳纖維織物，使用比利時(shí)布魯塞爾Syensqo（索爾維的專業(yè)部門）的T300纖維和美國(guó)康涅狄格州斯坦福Hexcel（赫氏）的AS4C纖維進(jìn)行評(píng)估。該材料的早期開發(fā)樣品于2020年提供給雅尼基。初步測(cè)試小組遇到了粘性和孔隙度的挑戰(zhàn)。經(jīng)過幾次快速迭代，金岡航天成功調(diào)校了樹脂配方，效果顯著改善。

CAMX論文中報(bào)告的機(jī)械測(cè)試確認(rèn)，含兩種纖維的材料在初次固化后達(dá)到足夠的強(qiáng)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(fù)高溫循環(huán)中抗裂的關(guān)鍵。金岡航天評(píng)估了層間斷裂韌性（GIC）使用雙懸臂梁測(cè)試，測(cè)試包含兩根纖維的TP2230層壓板。圖2的結(jié)果顯示，TP2230兩種纖維的韌性與傳統(tǒng)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(diǎn)通過掃描電子顯微鏡對(duì)斷裂面進(jìn)行了進(jìn)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(wěn)定性，在177°C下陳化1萬小時(shí)（~14個(gè)月）后重量損失不到1.2%（見圖2）。

金岡航天首席科學(xué)家列昂尼德·沃羅比耶夫（Leonid Vorobyev）博士表示：“最大的挑戰(zhàn)是平衡低溫固化性、粘性保持時(shí)間和工具耐用性。在121°C下可固化的BMI非常罕見，因此需要?jiǎng)?chuàng)造力來實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。還需要維持較長(zhǎng)的針距壽命，這通常與固化溫度和所需的熱氧化穩(wěn)定性處于權(quán)衡關(guān)系中，這并不簡(jiǎn)單。”

制造過程評(píng)估：模擬模具固化

圖3上方是鋪設(shè)時(shí)的斜倚工具，底部則是固化的玻纖和碳纖零件

在開發(fā)和初步材料測(cè)試后，雅尼基使用具有代表性元素的“Z”型梁工具對(duì)包含兩種碳纖維的TP2230工具預(yù)料進(jìn)行了制造評(píng)估。雅尼基的觀察結(jié)果得出結(jié)論，TP2230的貼合度、垂墜感和操作性與傳統(tǒng)BMI工具預(yù)浸料相當(dāng)。新型材料體積低，去除后起皺和起皺極少，初期121°C固化時(shí)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(jìn)行模擬生命周期評(píng)估，包括在潔凈室環(huán)境調(diào)節(jié)30天，隨后鋪設(shè)碳纖維和玻璃纖維預(yù)預(yù)置液，并在177°C下進(jìn)行熱壓罐固化（見圖3）。Hexcel AS4C工具已評(píng)估84個(gè)周期，Syensqo T300工具測(cè)試了137個(gè)周期。在第20至30個(gè)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(dāng)前BMI工具中表現(xiàn)為典型。熱老化梁工具的表面圖像和顯微照片（見圖4）證實(shí)了其相較于傳統(tǒng)BMI工具材料在高溫下具有高熱穩(wěn)定性和抗微裂紋能力。這兩種工具繼續(xù)保持真空完整性，固化零件質(zhì)量保持高水平。

圖4經(jīng)過多次零件固化后使用測(cè)試工具

雅尼基將繼續(xù)將小型測(cè)試工具循環(huán)至至少200個(gè)工藝循環(huán)，以評(píng)估TP2230在實(shí)際生產(chǎn)條件下的使用壽命。總體而言，使用AS4C纖維的工具表現(xiàn)出更高的耐用性，與韌性效果一致。

雅尼基通過開場(chǎng)圖中展示的6.1米工具進(jìn)一步評(píng)估了TP2230的生產(chǎn)能力（見圖1）。初始的航空航天級(jí)零件正在該工具上成型，以評(píng)估模具材料在生產(chǎn)規(guī)模和復(fù)雜度下的尺寸穩(wěn)定性和性能。公司已經(jīng)在該工具上制造了多個(gè)部件，每個(gè)周期后都會(huì)進(jìn)行全面評(píng)估，未來還計(jì)劃更多部件。此外，雅尼基已確定今年晚些時(shí)候?qū)⒏鶕?jù)TP2230制造大量生產(chǎn)工具。

低固化溫度 BMI 工具預(yù)產(chǎn)期，用于未來項(xiàng)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(jīng)濟(jì)的母模選項(xiàng)。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(fēng)險(xiǎn)，因?yàn)槟猃堈婵沾诒┞队诘陀?49°C的BMI樹脂時(shí)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(shí)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(zhǎng)期熱穩(wěn)定性結(jié)合，TP2230為經(jīng)濟(jì)高效工具開辟了新機(jī)遇。”

雅尼基研發(fā)高級(jí)總監(jiān)托德·“TJ”·查斯(Todd 'TJ' Chace)指出：“TP2230的低溫初始固化使我們能夠簡(jiǎn)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(shí)保持他們所需的高溫、高耐用性性能。”“經(jīng)過全面評(píng)估，我們有信心用這種材料制造的工具能夠?yàn)榇蠖鄶?shù)程序生產(chǎn)高質(zhì)量的零件。雅尼基將于2026年初生產(chǎn)首批TP2230生產(chǎn)工具，并持續(xù)發(fā)掘未來客戶項(xiàng)目的新機(jī)遇。”

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