目前，復(fù)合材料結(jié)構(gòu)制造工藝較多，可以適用不同結(jié)構(gòu)的生產(chǎn)制造，但考慮到航空領(lǐng)域尤其是民用飛機(jī)的工業(yè)化生產(chǎn)效率及生產(chǎn)成本，改進(jìn)固化工藝以減少時間、降低成本迫在眉睫。快速成型技術(shù)(Rapid Prototyping)是一種基于離散、堆積成型原理的新型制造方法，是一種低成本快速成型技術(shù)，常見的有模壓快速成型技術(shù)、液體成型技術(shù)、熱塑性復(fù)合材料成型技術(shù)等。
模壓快速成型技術(shù)是將預(yù)先鋪貼好的預(yù)浸料毛坯放置在模壓模具中，合模之后通過升溫加壓使得毛坯密實固化的工藝方法，模壓成型速率快、制品尺寸準(zhǔn)確、成型質(zhì)量穩(wěn)定均一，結(jié)合自動化技術(shù)，可實現(xiàn)碳纖維復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件在民用航空領(lǐng)域的批量化、自動化、低成本制造。①獲得一個高強(qiáng)度金屬模具，該模具與生產(chǎn)所需零件的尺寸完全匹配，然后將模具安裝在壓力機(jī)中并加熱。②將所需的復(fù)合材料預(yù)成型為模具的形狀。預(yù)成型是至關(guān)重要的一步，有助于提高成品零件的性能。③將預(yù)成型的零件插入加熱的模具中。然后將模具在非常高的壓力下壓縮，通常范圍為800psi至2000psi（取決于零件的厚度和所用材料的類型）。出于多種原因，模壓成型是一種流行的技術(shù)。它之所以受歡迎，部分原因是它使用了先進(jìn)的復(fù)合材料。與金屬零件相比，這些材料往往更堅固，更輕并且更耐腐蝕，從而產(chǎn)生出機(jī)械性能更好的物體。模壓成型的另一個優(yōu)點是它能夠制造非常復(fù)雜的零件。盡管該技術(shù)不能完全達(dá)到塑料注射成型的生產(chǎn)速度，但與典型的層壓復(fù)合材料相比，它確實提供了更多的幾何形狀。與塑料注塑相比，它還允許更長的纖維，從而使材料更堅固。因此，模壓成型可以看作是塑料注射成型和層壓復(fù)合材料制造之間的中間地帶。SMC是板材成型復(fù)合材料的縮寫，即板材成型復(fù)合材料。主要原料由SMC特種紗線、不飽和樹脂、低收縮添加劑、填充劑及各種添加劑組成。20世紀(jì)60年代初，它首次出現(xiàn)在歐洲。1965年前后，美國和日本相繼開發(fā)了這項技術(shù)。上世紀(jì)80年代末，中國引進(jìn)國外先進(jìn)的SMC生產(chǎn)線和生產(chǎn)工藝。SMC具有優(yōu)越的電氣性能、耐腐蝕、重量輕、工程設(shè)計簡單靈活等優(yōu)點。其機(jī)械性能可與某些金屬材料相媲美，因此被廣泛應(yīng)用于交通工具、建筑、電子電氣等行業(yè)。1961年，德國拜爾公司開發(fā)的不飽和樹脂片狀模塑料（Sheet Molding Compound，SMC）面市。20世紀(jì)60年代，團(tuán)狀模塑料（Bulk Molding Compound，BMC）開始推廣，其在歐洲也被稱為DMC（Dough Molding Compound），其早期（20世紀(jì)50年代）是不增稠的；而按美國定義，BMC就是增稠的BMC。日本在接受歐洲技術(shù)后在BMC應(yīng)用及發(fā)展上頗有成績，到20世紀(jì)80年代，技術(shù)已十分成熟。迄今BMC所用基體一直是不飽和聚酯樹脂。BMC屬于熱固性塑料，基于材料特性，注塑機(jī)的料筒溫度不能太高，便于材料流動即可。因此，在BMC的注塑成型過程中，控制料筒溫度十分重要，必須有一套控制系統(tǒng)來確保溫度的適宜性，以使加料段到噴嘴的溫度達(dá)到最佳狀態(tài)。聚雙環(huán)戊二烯（PDCPD）模壓大部分是純基體而非增強(qiáng)塑料。1984年出現(xiàn)的PDCPD模壓工藝原理與聚氨酯（PU）模壓同屬反應(yīng)注射成型一類，由美國、日本率先研發(fā)。日資古河公司（Zeon Corporation）旗下的Telene公司（在法國Bondues）在PDCPD的研發(fā)與商貿(mào)方面甚有所成。PDCPD成型（RIM）原理示意圖如下圖所示。RIM成型工藝本身比FRP噴射、RTM或SMC等工藝更容易實現(xiàn)自動化，勞動力成本更低。PDCPD RIM采用的模具費用比SMC的低很多，例如肯沃斯W900L的引擎罩模具使用鎳殼和鑄造鋁芯，只有1.03比重的低密度樹脂，不僅減少了費用，也減輕了重量。1.4纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料直接在線成型（LFT-D）1990年左右，LFT（Long Fiber Reinforced Thermoplastics-Direct）在歐美引入市場。美國CPI公司是世界上第一家開發(fā)出直接在線復(fù)合長纖維增強(qiáng)熱塑性塑料模塑設(shè)備和相應(yīng)技術(shù)（LFT-D，Direct In Line Compounding）的公司，其于1991年投入商業(yè)運營，是全球該領(lǐng)域的領(lǐng)導(dǎo)者。德國Diffenbarcher公司從1989年開始研究LFT-D技術(shù)，目前主要有LFT D、Tailored LFT（根據(jù)結(jié)構(gòu)受力情況可實現(xiàn)局部增強(qiáng)）、advanced surface LFT-D（可視表面、表面質(zhì)量高）技術(shù)。從生產(chǎn)線來看，Diffenbarcher的壓機(jī)水平甚高。德國Coperion公司D-LFT擠出系統(tǒng)在國際上處于領(lǐng)先地位。LFT-D模塑料制備流程如下圖所示。PCM（Patternless Casting Manufacturing）是由清華大學(xué)激光快速成形中心開發(fā)研制。該將快速成形技術(shù)應(yīng)用到傳統(tǒng)的樹脂砂鑄造工藝中來。首先從零件CAD模型得到鑄型CAD模型。由鑄型CAD模型的STL文件分層，得到截面輪廓信息，再以層面信息產(chǎn)生控制信息。造型時，第一個噴頭在每層鋪好的型砂上由計算機(jī)控制精確地噴射粘接劑，第二個噴頭再沿同樣的路徑噴射催化劑，兩者發(fā)生膠聯(lián)反應(yīng)，一層層固化型砂而堆積成形。粘接劑和催化劑共同作用的地方型砂被固化在一起，其他地方型砂仍為顆粒態(tài)。固化完一層后再粘接下一層，所有的層粘接完之后就得到一個空間實體。原砂在粘接劑沒有噴射的地方仍是干砂，比較容易清除。清理出中間未固化的干砂就可以得到一個有一定壁厚的鑄型，在砂型的內(nèi)表面涂敷或浸漬涂料之后就可用于澆注金屬。 PCM工藝通常的固化溫度點在170℃左右，PCM工藝實際采用的冷鋪冷脫，跟模壓成型還是有一定的區(qū)別的，冷鋪冷脫是在模具處于冷端的時候?qū)㈩A(yù)浸料按照產(chǎn)品結(jié)構(gòu)要求逐步鋪層在模具上，再根據(jù)跟你鋪層結(jié)束之后將成型壓機(jī)合模，提供一定的壓力，這個時候利用模溫機(jī)對模具進(jìn)行一個升溫，通常工藝是從常溫升溫到170℃，同時升溫速率需要按照3-5℃/min，這個可以根據(jù)不同產(chǎn)品進(jìn)行調(diào)整，大多數(shù)都是這個塑料，等到模具溫度到達(dá)設(shè)定溫度的時候開始保溫保壓對產(chǎn)品進(jìn)行高溫固化，固化完成之后同樣需要利用模溫機(jī)將模具的溫度降溫至常溫，同時升溫速率也按照3-5℃/min，然后再進(jìn)行開模取件。液體成型技術(shù)(LCM)是指先將干纖維預(yù)制體鋪放于閉合模具型腔中，合模后將液體樹脂注射入模腔中，在壓力作用下樹脂流動并浸潤纖維的一系列復(fù)合材料成型技術(shù)，相比于熱壓罐成型工藝有很多優(yōu)點，例如，適用于尺寸精度高、外形復(fù)雜的零件制造;制造成本低、操作簡單。特別是近些年發(fā)展起來的高壓RTM工藝，HP-RTM（High Pressure Resin Transfer Molding），簡稱HP-RTM成型工藝。它是指利用高壓壓力將樹脂對沖混合并注入到預(yù)先鋪設(shè)有纖維增強(qiáng)材料和預(yù)置嵌件的真空密閉模具內(nèi)，經(jīng)樹脂流動充模、浸漬、固化和脫模，獲得復(fù)合材料制品的成型工藝。通過縮減注射時間，有望將航空結(jié)構(gòu)件制造時間控制在幾十分鐘內(nèi)，實現(xiàn)高纖維含量、高性能的零件制造。HP-RTM成型工藝是現(xiàn)在廣泛應(yīng)用在多行業(yè)的復(fù)合材料成型工藝之一，它的優(yōu)點在于可能實現(xiàn)相對于傳統(tǒng)RTM工藝的低成本、短周期、大批量、高質(zhì)量生產(chǎn)（良好的制件表面），在汽車制造、造船、飛機(jī)制造、農(nóng)業(yè)機(jī)械、鐵路運輸、風(fēng)力發(fā)電、體育用品等多行業(yè)均有應(yīng)用。近年來，熱塑性復(fù)合材料已成為國內(nèi)外復(fù)合材料制造領(lǐng)域的研究熱點，因其具有高抗沖擊性、高韌性、高損傷容限以及良好的耐熱性等優(yōu)點。通過熱塑性復(fù)合材料焊接可以大幅降低飛機(jī)結(jié)構(gòu)的鉚釘和螺栓連接數(shù)量，可大幅提高生產(chǎn)效率、降低生產(chǎn)成本。據(jù)飛機(jī)結(jié)構(gòu)一級供應(yīng)商Airframer Collins Aerospace報道，與金屬和熱固性復(fù)合材料組件相比，非熱壓罐成型的可焊接熱塑性結(jié)構(gòu)有可能將制造周期縮短80%。采用最合適少量的材料，選用最經(jīng)濟(jì)的工藝，將制品用在合適的部位，實現(xiàn)預(yù)定的設(shè)計目標(biāo)，令產(chǎn)品達(dá)到理想的性能成本比，始終是復(fù)合材料從業(yè)者的努力方向。相信未來會發(fā)展出更多的成型工藝來滿足生產(chǎn)設(shè)計需求。
參考文獻(xiàn)：
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