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復(fù)合材料模具的制造
復(fù)合材料的使用已經(jīng)不是什么新鮮事。到大英博物館看一看就可以發(fā)現(xiàn)，古代埃及人已經(jīng)采用簡單但有效的稻草/泥土混合物建造他們的墓穴。
現(xiàn)在，用于復(fù)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(yán)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(huán)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(chǎn)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(shù)(CTE)、循環(huán)周期數(shù)、制品公差、表面質(zhì)量要求、固化工藝、材料的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度、固化設(shè)備和成本來進(jìn)行。
鋼和鋁通常是高性能模具的首選材料，但它們在生產(chǎn)復(fù)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(yuǎn)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(fù)合材料模具
如果復(fù)合材料模具的材料與最終產(chǎn)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(fù)合材料模具僅僅是專業(yè)的航空和F1技術(shù)人員所知的一種藝術(shù)，而現(xiàn)在已被賽車制造商到航空業(yè)領(lǐng)導(dǎo)者(例如波音和空客)廣泛應(yīng)用。經(jīng)過幾十年的發(fā)展和改進(jìn)，復(fù)合材料模具制造已不再那么藝術(shù)，而成為一種更加穩(wěn)定高效的工藝。
“工業(yè)復(fù)合材料的應(yīng)用歷史已經(jīng)超過50年，”AMBER復(fù)合材料公司歐洲地區(qū)銷售經(jīng)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(yán)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(wěn)定的材料，也就是今天我們所熟知的預(yù)浸料。最近，模具預(yù)浸料已經(jīng)成為高精度復(fù)合材料模具的標(biāo)準(zhǔn)制造方法。”
隨著預(yù)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(jìn)，這種模具制造方法現(xiàn)在已變得更加簡便和經(jīng)濟。新一代復(fù)合材料正在越來越多的領(lǐng)域得以應(yīng)用。
AMBER復(fù)合材料公司由一個小型的專家團(tuán)隊于1988年在英國創(chuàng)立，開發(fā)和生產(chǎn)高性能的復(fù)合材料預(yù)浸料。預(yù)浸料技術(shù)那時還處于初級階段，早期的團(tuán)隊參與了預(yù)浸料商業(yè)化應(yīng)用的一些研究。AMBER總部位于英國諾丁漢郡(革命性的工業(yè)織布和碳纖維工業(yè)的搖籃)，在那里他們與F1車隊和其他許多高性能應(yīng)用設(shè)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(fā)展。
今天，AMBER為全球眾多行業(yè)提供服務(wù)，包括航空航天、汽車、船艇和通訊。
AMBER的低溫固化環(huán)氧樹脂模具預(yù)浸料HX50和HX70以及先進(jìn)復(fù)合材料集團(tuán)(ACG)的LTM系列現(xiàn)在已成為航空、汽車、船艇、工業(yè)和賽車行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品。不斷的改進(jìn)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(tǒng)現(xiàn)在可以承受200℃的高溫，一些最新的材料使得復(fù)合材料模具適用于更多的成型工藝。
ILLSEY提到了F1賽車生產(chǎn)商和美洲杯賽艇制造商：“F1車隊需要大量小型但復(fù)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(yù)浸料制成的，就像軍事和航天行業(yè)的模具一樣。經(jīng)過長期的發(fā)展，復(fù)合材料甚至被商業(yè)航空領(lǐng)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(fù)合材料預(yù)浸料。波音新機型B787由50%以上的復(fù)合材料組成，一些非常大的生產(chǎn)模具也是由復(fù)合材料模具預(yù)浸料制成的。
最近，相關(guān)的一些公司開始通過開發(fā)無需高溫高壓處理或增加樹脂用量的預(yù)浸料來開發(fā)低成本的復(fù)合材料模具。這種產(chǎn)品適用于制造大型部件和無法承受高溫的部件。
復(fù)合材料模具的優(yōu)勢
復(fù)合材料模具相比傳統(tǒng)金屬模具的優(yōu)勢在于，復(fù)合材料模具具有較低的生產(chǎn)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(fù)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(fù)合材料模具比幾年前更加普遍和環(huán)保，加工效率也更高�，F(xiàn)在的預(yù)浸料有各種粘度、固化溫度和尺寸可選。
復(fù)合材料變得普遍的另一個原因在于復(fù)合材料系統(tǒng)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(yù)浸料，所有這些都可以從一個供應(yīng)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(wù)的供應(yīng)商，其整體解決方案系統(tǒng)增長迅速。
AXSON技術(shù)公司CEOLIONELPUGET說：“最近我們?yōu)榈聡患以齑瑥S的賽艇生產(chǎn)提供了一系列的模具材料，包括SC175環(huán)氧樹脂糊、EC85表面膠衣、HX50模具預(yù)浸料和EG42膠衣，從而幫助其以較低成本，快速生產(chǎn)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(chǎn)中起著重要作用。采用樹脂糊，可以使用成本相對較低的數(shù)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(huán)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(yù)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(yù)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(zhì)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(zhì)量以及耐高溫性能。
HX90N的這種優(yōu)異性能使其非常適用于對模具預(yù)浸料有嚴(yán)格要求的一些領(lǐng)域，并以幫助模具制造商滿足了航空、汽車和交通運輸行業(yè)越來越嚴(yán)格的各種應(yīng)用需求。
大型和小型復(fù)合材料結(jié)構(gòu)比以往更快速、更便宜，也更精確，設(shè)計者可以利用復(fù)合材料的這些優(yōu)勢將其用于越來越多的高性能應(yīng)用中。
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