復合材料模具的制造

時間：2022-12-08 11:38:55 曉怡模具設計我要投稿

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復合材料模具的制造

　　復合材料的使用已經不是什么新鮮事。到大英博物館看一看就可以發現，古代埃及人已經采用簡單但有效的稻草/泥土混合物建造他們的墓穴。下面是小編收集整理的復合材料模具的制造，歡迎閱讀，希望大家能夠喜歡。

　　現在，用于復合材料成型的模具也稱為工具，可以采用任何材料制成。對于低溫固化部件或原型部件來說，不需要嚴格控制尺寸的精確性，模具通常采用玻纖、高密度泡沫、可加工的環氧樹脂板甚至粘土或木材制成。

　　對于高溫固化部件來說，或者需要高尺寸精度時，或者模具要用于大量部件的生產時，模具必須具有更高的性能。這類模具所采用的材料包括因鋼(一種鎳/不銹鋼合金)、鋼、鋁、鎳和碳纖維。

　　模具材料的選擇通常要參考熱膨脹系數(CTE)、循環周期數、制品公差、表面質量要求、固化工藝、材料的玻璃化轉變溫度、固化設備和成本來進行。

　　鋼和鋁通常是高性能模具的首選材料，但它們在生產復合材料部件時也有重大缺陷。在高溫固化過程中，模具和部件的CTE通常相差很遠而無法相容。高價金屬合金(例如因鋼)具有更加相似的CTE，但其加工成本很高。對于大型部件來說，這類模具的尺寸和重量使其難以加工、移動和存儲。

　　復合材料模具

　　如果復合材料模具的材料與最終產品的材料相近，那么即使無需昂貴的金屬模具也可以得到高性能的制品。過去復合材料模具僅僅是專業的航空和F1技術人員所知的一種藝術，而現在已被賽車制造商到航空業領導者(例如波音和空客)廣泛應用。經過幾十年的發展和改進，復合材料模具制造已不再那么藝術，而成為一種更加穩定高效的工藝。

　　“工業復合材料的應用歷史已經超過50年，”AMBER復合材料公司歐洲地區銷售經理JEDILLSLEY說，“最初，樹脂和織物的處理采用的是濕法手糊工藝，但這顯然不是一種能夠精確控制樹脂用量的好方法。在高精度儀器嚴格控制浸漬條件的情況下，將織物用樹脂浸漬后，就可以得到一種性能穩定的材料，也就是今天我們所熟知的預浸料。最近，模具預浸料已經成為高精度復合材料模具的標準制造方法。”

　　隨著預浸料性能(包括可操作性、室溫下的使用壽命和正確的粘度)的逐漸改進，這種模具制造方法現在已變得更加簡便和經濟。新一代復合材料正在越來越多的領域得以應用。

　　AMBER復合材料公司由一個小型的專家團隊于1988年在英國創立，開發和生產高性能的復合材料預浸料。預浸料技術那時還處于初級階段，早期的團隊參與了預浸料商業化應用的一些研究。AMBER總部位于英國諾丁漢郡(革命性的工業織布和碳纖維工業的搖籃)，在那里他們與F1車隊和其他許多高性能應用設計人員緊密合作。正是這些高要求客戶的需求推動了今天的模具材料的發展。

　　今天，AMBER為全球眾多行業提供服務，包括航空航天、汽車、船艇和通訊。

　　AMBER的低溫固化環氧樹脂模具預浸料HX50和HX70以及先進復合材料集團(ACG)的LTM系列現在已成為航空、汽車、船艇、工業和賽車行業的標準產品。不斷的改進使得這些材料便于處理和使用，并賦予模具A級表面和極長的使用壽命。有些系統現在可以承受200℃的高溫，一些最新的材料使得復合材料模具適用于更多的成型工藝。

　　ILLSEY提到了F1賽車生產商和美洲杯賽艇制造商：“F1車隊需要大量小型但復雜的部件，而賽艇制造商可能會需要一個30米長的部件。兩者都需要非常高的尺寸精度。”

　　今天的高性能賽艇模具通常采用模具預浸料制成的，就像軍事和航天行業的模具一樣。經過長期的發展，復合材料甚至被商業航空領域廣泛采用。例如，A350的整個機翼將采用碳纖維制成，大量的模具將采用復合材料預浸料。波音新機型B787由50%以上的復合材料組成，一些非常大的生產模具也是由復合材料模具預浸料制成的。

　　最近，相關的一些公司開始通過開發無需高溫高壓處理或增加樹脂用量的預浸料來開發低成本的復合材料模具。這種產品適用于制造大型部件和無法承受高溫的部件。

　　復合材料模具的優勢

　　復合材料模具相比傳統金屬模具的優勢在于，復合材料模具具有較低的生產成本，而且便于處理和存儲。對于需要精確尺寸的高性能部件來說，復合材料模具與部件的CTE更加接近，在固化過程有助于保持尺寸的完整性。

　　復合材料模具比幾年前更加普遍和環保，加工效率也更高。現在的預浸料有各種粘度、固化溫度和尺寸可選。

　　復合材料變得普遍的另一個原因在于復合材料系統的可用性，客戶可以購買到全系列的材料，包括模具樹脂糊或樹脂板、膠粘劑、脫模劑和預浸料，所有這些都可以從一個供應商那里獲得，而且所有材料都可以完美相容。AXSON是一個提供全方位服務的供應商，其整體解決方案系統增長迅速。

　　AXSON技術公司CEOLIONELPUGET說：“最近我們為德國一家造船廠的賽艇生產提供了一系列的模具材料，包括SC175環氧樹脂糊、EC85表面膠衣、HX50模具預浸料和EG42膠衣，從而幫助其以較低成本，快速生產出高精度高性能的賽艇。”

　　樹脂糊在這類部件，特別是大型模具的生產中起著重要作用。采用樹脂糊，可以使用成本相對較低的數控銑床粗略切割一個低成本低密度的樣品;然后在其上方覆蓋一層環氧樹脂或聚氨酯樹脂糊;樹脂糊固化后，可以將其加工成所需的尺寸，形成一個低成本模具樣品;然后模具預浸料被鋪放在精確切割好的樹脂糊上形成模具。

　　這種模具制造方法顯著縮短了大型精確部件的制造時間和成本。

　　最新的模具預浸料(例如HX90N)可以滿足低溫固化的特殊需求，同時具有極好的表面質量。HX90N具有很低的熱膨脹率(比同等材料低60-70%)、極好的表面質量以及耐高溫性能。

　　HX90N的這種優異性能使其非常適用于對模具預浸料有嚴格要求的一些領域，并以幫助模具制造商滿足了航空、汽車和交通運輸行業越來越嚴格的各種應用需求。

　　大型和小型復合材料結構比以往更快速、更便宜，也更精確，設計者可以利用復合材料的這些優勢將其用于越來越多的高性能應用中。

　　拓展：復合材料無損檢測技術的現狀與發

　　1、概述

　　復合材料之所以能夠成為20 世紀迅速地在工業部門推廣應用的新材料、新結構，無損檢測技術發揮了十分重要的推動作用，反過來，復合材料也為無損檢測技術的迅速發展帶來了更多的研究空間。一些過去在金屬材料無損檢測中因技術障礙而面臨困境的檢測技術，在復合材料對無損檢測技術的需求牽引下，得到了新的飛速發展。如針對初期基于金屬材料及其結構在負載作用下產生應力波的物理現象的聲發射檢測技術、基于物理波相干原理的激光全息干涉檢測技術、激光超聲檢測技術等，幾乎都是70 年代問世， 80 年代在應用中由于物理信號特征解釋困難、環境條件要求苛刻或技術上有待進一步突破等原因，難以在工程上找到用武之地，自90 年代后則得到了迅速的應用發展。

　　由于復合材料的先進性與其質量的離散性和高成本并存，在實際應用中，即使是經過研究和試驗制訂的合理工藝，在結構件的制造過程中還可能會產生缺陷，引起質量問題，嚴重時還會導致整個結構件的報廢，造成重大經濟損失。因此，國外自70 年代以來，就針對復合材料的研究、應用開展了全方位的無損檢測技術研究。早期主要是沿用金屬材料所采取的一些檢測方法，進行復合材料的無損檢測技術探索，隨著研究工作的深入，人們對復合材料的內部規律和缺陷特征有了更深的認識，發現完全采用常規金屬材料無損檢測的方法不能解決復合材料的無損檢測問題。因此，進入80 年代后，才真正走向復合材料無損檢測，研究出了許多適應復合材料特點的無損檢測新技術、新方法，從而為解決復合材料的無損檢測、促進復合材料的推廣應用發揮了重要作用。

　　目前復合材料無損檢測已經應用于材料、結構件和服役無損檢測3 個方面。技術上已從初期的檢測方法探索發展到目前的檢測方法研究、信號處理技術、傳感器技術、缺陷識別技術、成像顯示技術、儀器設備技術、結構件檢測技術、定量檢測與評估、服役結構壽命評估、強度評估和性能測試等。無損檢測技術已經成為復合材料研究和應用中的一項關鍵技術，融入復合材料從研究到最終裝機應用的全過程。

　　2、復合材料無損檢測技術的應用范圍

　　復合材料無損檢測主要應用于以下3 個方面:(1)材料無損檢測;(2)結構無損檢測;(3)服役無損檢測。

　　2.1 材料無損檢測

　　材料無損檢測主要解決材料研究中面臨的問題，進行諸如材料內部缺陷表征、性能測試、缺陷基本判據的建立、無損檢測物理數學模型的建立等研究。其檢測對象主要是試樣、試片，采用精細無損檢測技術，面對材料研究過程，重視無損檢測物理數學模型的建立，重點開展新的檢測方法研究。采用高分辨率超聲成像檢測技術得到的復合材料內部3 個不同深度位置的超聲層析掃描檢測結果，被檢測試樣為正交鋪層的碳纖維層壓結構，厚度為1 .5 mm 。從圖中可以看出碳纖維束的取向，即使是一些位于纖維束之間的細小缺陷也能較好地檢測出來，箭頭所指的白色區域即為纖維束間的細小缺陷。從中還能清晰地看出，試樣近表面層靠近左側纖維束的走向似乎不如右側有規律。這些信息的獲得對材料和工藝研究非常有益，為得到這種微細缺陷信息，必須采用高精度的超聲掃描檢測技術。

　　2.2 結構無損檢測

　　結構無損檢測主要解決結構在工藝制訂、結構件制造過程中面臨的問題，如對各種結構件進行無損檢測所需的儀器設備等檢測手段的建立、信號處理技術、缺陷判別、標準建立與完善等。檢測的對象是各種裝機應用的工程結構件，需要工程化檢測技術，面對結構件制造過程，重視無損檢測手段的建立，重點開展高效可靠的檢測技術研究。圖4 是一種典型的針對復合材料結構的超聲檢測設備，可以用于多種復合材料結構的自動掃描檢測。

　　2.3 服役無損檢測

　　服役無損檢測主要研究裝機結構件在服役過程中所需的無損檢測方法、手段等，包括提供有關結構件殘余壽命、剩余強度、損傷擴展等綜合信息的評估。檢測的對象是裝機后的各種服役結構件，采用易實現、快速可行的外場檢測技術，面對產品結構的安全服役全過程，重視外場檢測技術與結構件的安全服役的質量保證，重點開展外場檢測技術研究。如中國航空工業制造工程研究所研制生產的FCC 外場復合材料檢測儀，是目前用于外場復合材料服役結構件無損檢測的主要儀器，具有很高的檢測分辨率。

　　3、復合材料無損檢測技術現狀

　　經過不斷的研究、發展和完善，目前超聲和X 射線照相法檢測已成為2 種最主要和成熟的復合材料無損檢測技術。特別是超聲檢測技術，由于被檢測物理量與復合材料內部缺陷存在最為良好的可精確表述的物理數學關系，因此，通常復合材料構件都要求采用超聲方法進行100 %無損檢測。大量的研究和應用也表明，超聲是目前國內外復合材料無損檢測最為實用有效、應用最為廣泛的無損檢測技術，它能可靠地檢測出復合材料中的分層、疏松、孔隙等大部分危害性缺陷。基于超聲反射回波原理，目前可以檢測到復合材料內部微細缺陷信息，采用超聲層析檢測技術還可以得到復合材料結構內部不同深度、不同截面位置的C 掃描、T掃描和B 掃描檢測結果。對于一些特殊的復合材料結構，或者特殊缺陷(如夾層結構中的芯缺陷)及重要部位(如連接接頭和較為受力部位)，則采用X 射線照相法輔助檢測。利用X 射線衰減原理，可以檢測出引起材料厚度或密度1 %～ 2 %變化的缺陷，但對于碳纖維/樹脂基復合材料，由于其密度小、缺陷大多位于鋪層之間，缺陷的存在引起的厚度變化非常小，因此， X 射線照相法一般不用于這類復合材料的無損檢測，它主要用于夾層結構的無損檢測。

　　聲顯微和超聲層析是揭示復合材料內部微細規律的精細無損檢測技術。

　　在眾多的無損檢測方法中，目視檢測、敲擊法檢測、超聲諧振法檢測是最為廉價的復合材料無損檢測方法。

　　超聲相關、X 射線背散射、聲-超聲、聲發射等檢測技術，都在復合材料無損檢測中尋找應用空間，但在復合材料研究和結構件制造過程中，目前還較難找到應用場合。

　　未來的復合材料無損檢測將更加追求快速高效，因此，基于干涉原理和溫度場分布原理的激光全息干涉檢測技術和熱/紅外成像檢測技術，因其具有非接觸、可大面積掃描、快速等特點，將成為復合材料結構無損檢測的良好技術。但目前還必須突破一些技術難題，賦予這些檢測技術新的工程應用內涵，才能使其廣泛用于復合材料結構的無損檢測。

　　4、復合材料無損檢測技術的發展

　　未來復合材料的無損檢測技術應圍繞以下幾個方面開展研究。

　　(1)針對復合材料裝機結構件的快速高效無損檢測技術。

　　賦予傳統復合材料無損檢測新的技術內涵，使之更適合未來復合材料的低成本設計、制造和裝機應用主流，通過提高傳統檢測技術的功效，達到提高檢測效率、降低檢測成本的目的。開展無損檢測新技術和新方法的研究，探索研究適合復合材料的快速高效無損檢測技術和方法。美國等復合材料用量較大的國家，自90 年代后期已經開始將復合材料無損檢測技術研究的重點轉移到快速高效的無損檢測方向，而且有了初步應用成果。

　　(2)針對新型復合材料的無損檢測技術。

　　與發達國家相比，目前我國復合材料無損檢技術的研究深度和發揮作用的程度還遠遠不夠。在復合材料及其應用研究過程中，如果能很好地掌握其內部微細規律，對復合材料工藝制訂、結構制造等將具有重要的作用和意義。復合材料的一個重要結構特征就是內部各組分之間物理界面復雜，如果能利用無損檢測技術得到這些界面的全部信息，將會對材料研究和工藝分析起十分重要的指導作用。

　　(3)復合材料無損檢測技術的升華。

　　未來復合材料無損檢測只有與材料的性能、結構件的壽命和剩余強度密切結合，才能發揮更大的作用。近年來國外已經在這方面開展了大量的研究工作。

　　(4)國內復合材料無損檢測硬件的自主建設。

　　復合材料無損檢測也是一個技術產業，其研究成果和效益在很大程度上是通過為復合材料應用部門提供無損檢測硬件平臺和技術支持來實現的。必須經過自身的努力和投入才能得到一流的技術，形成自己的技術產業，發揮效益，復合材料無損檢測行業也不例外，真正的技術和手段必須通過自主研究和開發，當然，可以充分利用國際技術平臺，但不應盲目地采購實物。

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