复合材料模具的制造分析

优胜编程龚老师

复合材料模具的制造分析：

复合材料的使用已经不是什么新鲜事。到大英博物馆看一看就可以发现，古代埃及人已经采用简单但有效的稻草/泥土混合物建造他们的墓穴。

　　现在，用于复合材料成型的模具也称为工具，可以采用任何材料制成。对于低温固化部件或原型部件来说，不需要严格控制尺寸的精确性，模具通常采用玻纤、高密度泡沫、可加工的环氧树脂板甚至粘土或木材制成。

　　对于高温固化部件来说，或者需要高尺寸精度时，或者模具要用于大量部件的生产时，模具必须具有更高的性能。这类模具所采用的材料包括因钢（一种镍/不锈钢合金）、钢、铝、镍和碳纤维。

　　模具材料的选择通常要参考热膨胀系数（CTE）、循环周期数、制品公差、表面质量要求、固化工艺、材料的玻璃化转变温度、固化设备和成本来进行。

　　钢和铝通常是高性能模具的首选材料，但它们在生产复合材料部件时也有重大缺陷。在高温固化过程中，模具和部件的CTE通常相差很远而无法相容。高价金属合金（例如因钢）具有更加相似的CTE，但其加工成本很高。对于大型部件来说，这类模具的尺寸和重量使其难以加工、移动和存储。

　　复合材料模具

　　如果复合材料模具的材料与最终产品的材料相近，那么即使无需昂贵的金属模具也可以得到高性能的制品。过去复合材料模具仅仅是专业的航空和F1技术人员所知的一种艺术，而现在已被赛车制造商到航空业领导者（例如波音和空客）广泛应用。经过几十年的发展和改进，复合材料模具制造已不再那么艺术，而成为一种更加稳定高效的工艺。

　　“工业复合材料的应用历史已经超过50年，”Amber复合材料公司欧洲地区销售经理JedIllsley说，“最初，树脂和织物的处理采用的是湿法手糊工艺，但这显然不是一种能够精确控制树脂用量的好方法。在高精度仪器严格控制浸渍条件的情况下，将织物用树脂浸渍后，就可以得到一种性能稳定的材料，也就是今天我们所熟知的预浸料。最近，模具预浸料已经成为高精度复合材料模具的标准制造方法。”

　　随着预浸料性能（包括可操作性、室温下的使用寿命和正确的粘度）的逐渐改进，这种模具制造方法现在已变得更加简便和经济。新一代复合材料正在越来越多的领域得以应用。

　　Amber复合材料公司由一个小型的专家团队于1988年在英国创立，开发和生产高性能的复合材料预浸料。预浸料技术那时还处于初级阶段，早期的团队参与了预浸料商业化应用的一些研究。Amber总部位于英国诺丁汉郡（革命性的工业织布和碳纤维工业的摇篮），在那里他们与F1车队和其他许多高性能应用设计人员紧密合作。正是这些高要求客户的需求推动了今天的模具材料的发展。

　　今天，Amber为全球众多行业提供服务，包括航空航天、汽车、船艇和通讯。

　　Amber的低温固化环氧树脂模具预浸料HX50和HX70以及先进复合材料集团（ACG）的LTM系列现在已成为航空、汽车、船艇、工业和赛车行业的标准产品。不断的改进使得这些材料便于处理和使用，并赋予模具A级表面和极长的使用寿命。有些系统现在可以承受200℃的高温，一些最新的材料使得复合材料模具适用于更多的成型工艺。

　　Illsey提到了F1赛车生产商和美洲杯赛艇制造商：“F1车队需要大量小型但复杂的部件，而赛艇制造商可能会需要一个30米长的部件。两者都需要非常高的尺寸精度。”

　　今天的高性能赛艇模具通常采用模具预浸料制成的，就像军事和航天行业的模具一样。经过长期的发展，复合材料甚至被商业航空领域广泛采用。例如，A350的整个机翼将采用碳纤维制成，大量的模具将采用复合材料预浸料。波音新机型B787由50%以上的复合材料组成，一些非常大的生产模具也是由复合材料模具预浸料制成的。

　　最近，相关的一些公司开始通过开发无需高温高压处理或增加树脂用量的预浸料来开发低成本的复合材料模具。这种产品适用于制造大型部件和无法承受高温的部件。

　　复合材料模具的优势

　　复合材料模具相比传统金属模具的优势在于，复合材料模具具有较低的生产成本，而且便于处理和存储。对于需要精确尺寸的高性能部件来说，复合材料模具与部件的CTE更加接近，在固化过程有助于保持尺寸的完整性。

　　复合材料模具比几年前更加普遍和环保，加工效率也更高。现在的预浸料有各种粘度、固化温度和尺寸可选。

　　“智利的一个ALMA望远镜的开发是一个很好的应用实例。”Illsley说，“这个望远镜由一系列部件组成，每个部件必须完全一样和精确。为了达到严格的精度要求，他们使用了HX50模具预浸料。为解决大型模具使用过程中面临的问题，我们为其提供了预切割成块的模具预浸料。”

　　复合材料变得普遍的另一个原因在于复合材料系统的可用性，客户可以购买到全系列的材料，包括模具树脂糊或树脂板、胶粘剂、脱模剂和预浸料，所有这些都可以从一个供应商那里获得，而且所有材料都可以完美相容。Axson是一个提供全方位服务的供应商，其整体解决方案系统增长迅速。

　　Axson技术公司CEOLionelPuget说：“最近我们为德国一家造船厂的赛艇生产提供了一系列的模具材料，包括SC175环氧树脂糊、EC85表面胶衣、HX50模具预浸料和EG42胶衣，从而帮助其以较低成本，快速生产出高精度高性能的赛艇。”

　　树脂糊在这类部件，特别是大型模具的生产中起着重要作用。采用树脂糊，可以使用成本相对较低的数控铣床粗略切割一个低成本低密度的样品；然后在其上方覆盖一层环氧树脂或聚氨酯树脂糊；树脂糊固化后，可以将其加工成所需的尺寸，形成一个低成本模具样品；然后模具预浸料被铺放在精确切割好的树脂糊上形成模具。

　　这种模具制造方法显著缩短了大型精确部件的制造时间和成本。

　　最新的模具预浸料（例如HX90N）可以满足低温固化的特殊需求，同时具有极好的表面质量。HX90N具有很低的热膨胀率（比同等材料低60-70%）、极好的表面质量以及耐高温性能。

　　HX90N的这种优异性能使其非常适用于对模具预浸料有严格要求的一些领域，并以帮助模具制造商满足了航空、汽车和交通运输行业越来越严格的各种应用需求。

　　大型和小型复合材料结构比以往更快速、更便宜，也更精确，设计者可以利用复合材料的这些优势将其用于越来越多的高性能应用中。