冲压成型技术革命：如何用热塑性复材为航空航天与汽车降本50%？

连续纤维增强热塑性复合材料（TPC）具有高固有韧性、可焊接组装、可回收性、快速成型等特点，从而降低部件成本。例如，冲压成型可以在几分钟内生产 TPC 部件，而热固性复合材料则需要数小时。每架空客 A350 飞机上使用超过 5,000 个冲压成型的 TPC 夹具和支架，供应商如 ATC Manufacturing、Collins Aerospace Almere（前身为荷兰热塑性部件公司）、Airbus（前身为 Premium Aerotec）和 Daher 等每年共同为各种飞机生产超过 100 万个部件。

图1冲压成型工艺和典型的热塑性复合材料（TPC）航空航天部件。来源 | ATC Manufacturing

短循环时间和自动化方法是满足下一代窄体商用飞机、先进空中交通（AAM）、无人机（UAV）和无人驾驶飞机所需的高生产率的关键。它们还有助于降低复合材料部件和组件的成本。

冲压成型概述

将 TPC 材料快速成型为零件可称为热成型、压缩成型或冲压成型。我更倾向于使用"冲压成型"（图 1）这一术语，因为热成型、压缩成型等术语可以指代一系列工艺，并非所有工艺都是快速成型。冲压成型工艺始于预先固化的坯料，该坯料被快速加热，然后转移到一套快速闭合成型模具中，模具对坯料进行成型并使零件冷却。循环时间可达 90 秒，甚至大型复杂零件也能在 15 分钟内完成成型。冲压成型工艺的关键步骤包括：

冲压成型发展

尽管存在明显挑战，冲压成型目前已被广泛用于中小型热塑性复合材料部件的高速率制造，并且由于速率和成本方面的优势，人们对将冲压成型扩展到更大、更复杂的结构部件抱有极大兴趣。以下是几个包含冲压成型进步的当前项目示例。

热塑性复合材料研究中心（TPRC）：TPRC 成立于 2009 年，对热塑性复合材料（TPC）进行了基础研究，包括多个评估和模拟快速成型工艺的项目。可通过其网站获取公开报告。

多功能机身演示器（MFFD）： 这个为期 10 年的清洁航空计划包括 12 个欧洲组织合作制造了一个 8 × 4 米的 TPC 机身演示器。该组装部件获得了 2025 年 JEC 创新奖（航空航天部件）。几个结构部件是使用冲压单向（UD）胶带制造的。这为 TPC 主要结构部件的生产奠定了基础，并展示了 TPC 结构的协同设计和组装优势，包括焊接，例如桁条到蒙皮的连接。

空客不莱梅压机： 空客不莱梅工厂最近投入使用了 Pinette Emidecau Industries 制造的一台 5 × 2 米高温快速成型压机。该压机被描述为世界上最大的热塑性复合材料冲压成型压机，能够制造大型结构件，据报道，它可以将坯料从红外加热器转移到压机的时间缩短至 3 秒以内，并且能够同时将两个坯料送至冲压模具。

NASA 高速复合材料制造（HiCAM）计划： 该 NASA HiCAM 计划是一个由 20 多个组织组成的公私合作联盟，旨在为下一代窄体商用飞机实现大规模复合材料结构的量产。其主要目标之一是达到每月 80-100 架飞机的生产速度，并降低复合材料结构的成本。采用的方法包括热固性预浸料、树脂注入和 TPC 技术。冲压成型被视为许多结构的关键技术。

美国航空航天材料制造中心（AAMMC）：AAMMC 技术中心的成立旨在提升用于航空航天应用的大规模热塑性复合材料（TPC）结构的制造准备水平（MRL）。该联盟包括行业合作伙伴波音、柯林斯、斯派瑞航空系统、ATC 制造、赛恩斯克和东丽公司。

材料准备

零件由预压实坯料制成，其质量对成品性能至关重要。对于快速成型，坯料必须在成型前进行压实，以确保快速的热量传递到材料中，并确保各层的高质量压实。零件制造商可以从织物层压板（也称为有机板）切割坯料，这些层压板由多家材料制造商提供，尺寸可达 12 × 4 英尺（3.7 × 1.2 米）。对于更结构化的应用，通常使用单向（UD）胶带，并定制各层的方向。这种坯料通常是长方形的，并且厚度可能变化。大多数 TPC UD 胶带的宽度仅限于 12 英寸（305 毫米），边缘必须在接缝处连接，不得有间隙或重叠。对于变厚度零件，坯料中各层边缘的位置对于满足设计公差至关重要。最初认为坯料必须满足与成品零件相同的质量要求，近年来研究表明，具有高度压实（但不是 100%）的坯料就足够了。 这为其他毛坯制备和压实方法打开了大门。

图2毛坯组装和压实方法。来源 | David Leach

有多种方法可用于制备 UD 胶带坯件（图 2），包括手动和自动层压组装、自动胶带铺放（ATL）和自动纤维放置（AFP）。适当方向（例如 0°、45°、90°）的单层长条可以通过手动操作或使用商用设备来制备。

TPC 材料没有粘性，因此必须将各层局部加热，使它们在适当的方向上相互粘合。这可以通过手动或自动的热压或超声波焊接方法完成，沿着接缝将同方向层彼此连接，并通过厚度将相邻层相互粘合。在热固性预浸料中，ATL 使用宽胶带制作平面或平缓弯曲的铺层，而 AFP 使用窄胶带制作曲面铺层。相比之下，TPC 坯料通常是平面的。可以使用低能量制作松散粘合的铺层，然后必须在进一步的操作中对其进行固化，或者使用高能量充分固化坯料，可以直接用于冲压成型。因此，我使用高能或低能自动胶带放置（ATP）这一术语来区分这些方法，而不管预浸料宽度如何。连续压缩成型（CCM）也制造坯料，将胶带按所需方向排列以创建堆叠铺层，然后立即在同一工艺中对其进行固化。

坯料致密化

有多种方法可以将铺设层压制成层压板，该层压板随后用作冲压成型坯料：

在冲压成型过程中，坯料将被重新加热至熔融温度，因此坯料中的聚合物微观结构不会影响最终零件，即使是半结晶聚合物也是如此。

压制成型技术已相当成熟，可实现高度自动化。压制成型技术用于制造恒定厚度的层压板，所选方法将取决于所需的产量、资本投入和重复成本。单压法具有较长的循环时间，但可以使用压模片在每层压之间同时压合多层。在双压法中，“热压”和“冷压”分别保持在对应工艺温度和固化温度的恒定温度，坯料自动在两台压机之间穿梭。CCM（连续压制成型技术）可实现连续自动化生产，将各层压板自动通过具有热区和冷区的模具，以生产非常长的层压板。

使用高压釜进行 TPC 处理可能看似不直观，但它可以同时压合多个层压板，还可以制造厚度可变的层压板。VBO 炉压合是一种类似的方法，但仅使用真空压力（14.7 psi/0.101 MPa），而不是高压釜的全压力（通常为 100 psi /0.7 MPa），其优点是不需要压力容器。大型高温炉的成本较低，与高压釜或压机相比，可以显著降低资本成本，同时能够经济地压合非常大的层压板。VBO 已被证明可以提供高质量的坯件，尽管这取决于 UD 胶带，我将在后续的 Troubleshooter 文章中讨论。最后一种选择是高能 ATP，用于实现高度压合，通常超过 90%。这对于大型、非矩形以及特别是厚度可变的坯件是一个很好的选择。

坯料处理

复合层压板必须加工成与成品零件相匹配的尺寸和形状，以便在加热和转移过程中固定坯料。这通常使用夹具或与零件尺寸相匹配的固定框架来完成（图3）。连接方法可能包括弹簧，以控制坯料在模具中的成型运动。它也可以由聚酰亚胺薄膜支撑，这种薄膜不会阻碍加热。坯料通常在冲压成型前进行干燥，以防止高性能热塑性聚合物吸收的少量水分在坯料快速预热过程中导致最终零件出现孔隙。

图3定型保持方法。来源 | Valeria Antonelli, 博士论文, 代尔夫特理工大学, 2014

空料加热和转移

空料在几分钟内被加热到工艺温度，通常使用红外烤箱进行加热。对于较大的部件，使用多区烤箱以确保空料各处均匀加热。虽然快速加热可以实现短循环时间，但最终空料温度必须在特定范围内，足够高以确保熔化和聚合物流动，但不能达到聚合物会降解的范围。这些条件必须在整个长度、宽度和厚度上得到满足。

通常情况下，使用含有嵌入式热电偶的试片来调整工艺参数是正常的。图 4 展示了厚度为 0.2 英寸（5 毫米）的 UD 碳纤维/PEKK 胶带试片中嵌入式热电偶的热迹。这些热电偶分布在零件的多个位置，包括表面附近和厚度中心。在加热过程中，不同位置的热迹分散非常小，温度在 PEKK 工艺温度区（644-752°F，即 340-400°C）达到稳定。试片通常在固定时间内加热，因此每个循环中的加热必须一致，并且在加热循环结束时，试片温度的变化率应尽可能小，如图 4 所示。

图4单向（UD）碳纤维增强胶带部件的冲压成型热电偶轨迹。厚度为 0.2 英寸（5 毫米）。来源 | ATC Manufacturing

工艺中一个虽小但至关重要的步骤是将坯料从预热炉转移到冲压机。这必须迅速完成，因为坯料一旦离开炉子，温度就会迅速下降（图4）。通常接受的最大炉到机时间不超过5秒。此时聚合物处于熔融状态，坯料的完整性由纤维增强材料维持，因此坯料通常会下垂，甚至可能从夹持器中滑落。在设计和夹持机构、转移及在成型工具上放置坯料时，必须考虑这一点。

成形，冷却

图5UD TPC 胶带的流动过程（经“航空结构中的经济型热塑性复合材料”作者 Corbin Chamberlain 等人授权转载，SAMPE Journal 2020 年 3 月/4 月刊）。

图6

实际成型问题。来源 | David Leach

要实现所需的短循环时间，压机必须快速闭合以成型零件，且工具必须保持恒定温度。这种组合要求带来了挑战，因为连续纤维增强材料必须快速且一致地流动，同时在快速冷却时导致聚合物粘度增加。

在成型方面，存在多种流动过程（图5）。在织物增强部件中，织纹限制了纤维变形的程度。但对于单向带而言，各层可以横向流动和剪切，可能导致层变薄、搭桥和起皱等特征（图6）。当单向带中的纤维与成型方向垂直时，它们会围绕拐角扩散，导致变薄，而拐角外部的纤维可能导致搭桥。在成型过程中进入压缩状态的层——例如拐角内侧的层——会起皱，这对结构部件是不可接受的。为了控制成型过程中的层变形，通常会对坯料进行张紧，有时会使用弹簧式张紧器（图3）。

在坯料成型为成品的过程中，它正在快速冷却（图4）。外层铺层在接触时几乎瞬间冷却到模具温度，甚至内层铺层也快速冷却到模温。

对于半结晶材料，必须选择合适的工具温度，以平衡材料流动和成型零件的能力，以及固化和形成所需结晶度的程度。随着材料冷却，聚合物的粘度迅速增加，限制了材料的流动。半结晶聚合物在冷却到结晶温度时会凝固，但这个温度取决于冷却速率，而结晶程度则取决于零件温度在工具上达到平衡后的时间和温度。典型的冷却循环包括初始冷却时的非等温结晶，随后进行等温结晶。聚合物在结晶过程中体积会发生显著变化，伴随着聚合物模量的增加，并且当材料冷却到玻璃化转变温度（Tg）以及环境条件时，还会进一步收缩。

聚合物和复合材料供应商会收集大量关于结晶如何受冷却速率、等温时间及温度影响的数据，并应能提供最快结晶速率所需的推荐温度以及达到最大结晶度所需的时间。

模具考虑因素

由于聚合物在冷却和凝固过程中体积会显著减小，因此成型零件的尺寸在冷却过程中会发生变化。即使在凝固后，由于聚合物冷却到环境温度，尺寸仍会发生变化。这会导致“回弹”效应，即成品零件的角落角度比模具的小。这可以通过建模来模拟，考虑模具和 TPC 材料的膨胀系数（CTE）随温度的变化。当然，复合材料的 CTE 高度各向异性，因此必须考虑每个铺层方向特定铺层的 CTE。

工具温度通常超过 400°F（204°C），以允许 TPC 成型和结晶，当坯料接触工具时温度更高，因此通常需要金属模具。在其中一个模具上使用弹性体工具或弹性体面金属工具在成型复杂零件时具有优势，提供一定的弹性以确保良好的成型和成品零件的压实。

图7用于通过 UD TPC 胶带形成变厚度机身框架的多部件模具。来源 | Spirit AeroSystems，由 Ron Jones 在 ACMA 热塑性复合材料会议 2022 上的演示

最常见的模具设计是匹配的两部分模套，但对于更复杂的零件，使用多部件模具的情况越来越多。例如，可以使用两个主模具形成一个网状结构，然后可移动部分可以折叠边缘。这种方法由 Spirit AeroSystems 在形成图 7 所示的曲面和可变厚度机翼框架时进行了演示。

建模和仿真

现在可以使用 AniForm 等组织的软件（用于成型）和 Convergent Manufacturing 等组织的软件（用于热特性）等，来实现成型和热效应的非常精确的仿真。可以在事先识别潜在问题区域，并在虚拟环境中对坯料设计、层压方向、坯料张紧和模具设计进行调整。现在，仿真可以兼容材料与模具的摩擦、可变厚度零件和柔性模具。

使用 UD TPC 胶带成型复杂零件时的变形应变建模如图 8 所示。热模型可以预测熔化和结晶过程中的热滞后、热梯度，以及冷却过程中的热粘弹性行为。这使得能够计算残余应力并预测回弹和翘曲，从而设计热补偿模具。

图8使用 UD TPC 胶带和 AniForm 软件成型窗框组件时的材料应变偏差。来源 | ATC Manufacturing

现在 TPC 冲压成型的基础科学已经得到了充分理解，人们正积极利用其优势，将其应用于航空及其他行业的广泛领域。TPC 的持续发展将使 TPC 在未来得到更广泛的应用。