航空模压成型工艺

航空模压成型工艺

（一）工艺历史

为追求轻质商用飞机，一个最新开启的前沿是飞机内部托架的轻质生产，其中许多托架都是长型材形式的。这些重要的但不经常被见到的飞机组装部件，长期以来都是由铝制成的。模压成型，一个与汽车和工业复合材料关系更紧密的加工工艺，将改变这种铝制托架的局面。

为追求轻质商用飞机，一个最新开启的前沿是飞机内部托架的轻质生产，其中许多托架都是长型材形式的。这些重要的但不经常被见到的飞机组装部件——C形通道、H形梁、U型剖面、L形和T形桁条、以及空心梯形桁条，长期以来都是由铝制成的。模压成型，一个与汽车和工业复合材料关系更紧密的加工工艺，将改变这种铝制托架的局面。模压成型(CCM)，是一个自动的半连续加工过程，可以将增强的可作热压成形的输入料带入到模具中，然后制作有效的无限长的异形型材和平面板。由一人操作，该计算机控制过程生产产品的速度，与拉挤成型的生产速度接近，异形型材的生产速度高达40米/小时（131英尺/小时），而平面板的生产速度高达91米/小时（300英尺/小时）。

左边为CCM异形型材生产线，右边为CCM平面板生产线。这两条生产线都是自动化的，由一人操作。每一条生产线都具备电脑控制喂料、挤压、切割和堆积功能

不像热塑性拉挤成型，热塑性树脂在模具中被注入到干纤维中去，模压成型采用的输入料，与航空环氧预浸料相似，是高均衡的、用高端热塑性塑料浸渍过的连续纤维增强材料，包括聚醚醚酮(PEEK)、PEKK、聚醚酰亚胺（PEI）和聚苯硫醚（PPS）。对于非航空应用而言，聚丙烯（PP）和其他工程塑料是常见的基体材料。由此产生的热塑性结构具备了航空级别的优质质量，不可用的部分通常少于1%（已通过层压显微照片得到证实），而对于经热压处理的复合材料而言，要求不可用的部分少于2%。

Xperion公司已经采用模压成型工艺，为用于固定空客A330/A340飞机室内侧壁板的碳纤维/聚醚酰亚胺横杆扣件装置，制作长型材和托架

目前为止，商业产品的制作已经使用碳纤维或玻璃纤维（尽管他们可以由芳纶或其它纤维制成），其中包括高负荷结构构件，比如，用来固定空客A330/A340飞机室内侧壁板的碳纤维/聚醚酰亚胺横杆扣件装置。CCM制造商Xperion Aerospace GmbH公司（位于德国黑尔福德）表示，已经生产出3万多个这样的扣件，这些复合材料扣件代替了传统的铝制扣件，重量减轻约50%，生产成本降低了21%，两年后，部件拒绝率将小于0.1%。

模压成型(CCM)不是一种新型工艺，20世纪90年代初，Dornier飞机制造公司（位于德国）的Ulrich Spelz——一位热塑性复合材料(TPC)先驱，开发了此工艺并获得了专利。1999年，Ulrich Spelz创立了ACM公司（即Advanced Composites and Machines GmbH, 位于德国，马克多夫），目的是为了推动CCM工艺的发展；为客户测试新的热塑性复合材料及原型模具；并使部件投入到批量生产中去。

一个早期的成功产品是用于Bico AG公司（位于瑞士，Schänis）创新板条床设计的卡条，该卡条被提名为2002年JEC奖的候选产品。为适应模压成型，ACM公司与

Dyne Design Engineering公司（位于瑞士，Niederlenz）及制造商Nägeli Swiss AG公司（位于瑞士，Güttingen）合作，调整了卡条设计。CCM机器中装入了五层Gurit公司的Plytron 60% 玻璃增强聚丙烯单向预浸带后，就开始加热并挤压这种材料。由此产生的加固片材自动被切割成650毫米×200毫米（25.6英寸×7.9英寸）的板块。这些板块被送入到一台双面图案成形液压机内，液压机对其加热直到可以压印为止，每50秒，压印25根发条，每根卡条25毫米宽，大约70毫米长，1.4毫米厚（0.98英寸×2.75英寸×0.06英寸）。到2007年为止，通过这种工艺平均每年生产的卡条有140万根。

Xperion采用模压成型工艺，为Bico AG公司压制复合材料床用卡条，从2001年到2007年一共生产了800万根卡条

2004年，ACM公司与波音公司幻影工作室合作，协助其开发用于未来飞机（比如787梦想飞机）的热塑性复合材料部件。合作计划中包括了用作圣路易斯工厂研究平台的可生产板材和异形型材的CCM机器。这促使ACM公司寻找一个更大的制造商合作者，来承担这项重大的投资。Xperion公司完成了对Dornier公司的部分收购并于2000年正是成立，该公司于2007年1月1日收购了ACM公司，Spelz仍然任命首席技术经理一职。

Xperion公司于2005年交付了CCM机器，在Spelz的领导下，公司继续与波音合作，利用模压成型工艺，制造各种热塑性复合材料飞机部件。“波音公司需要更多更大的部件”，Spelz回想道：“所以Xperion公司开始考虑在美国成立一个工厂的好处。”于是一个与CDI公司（Cutting Dynamics Inc.位于俄亥俄州）合资的企业出现了，各自拥有50%的股份。CDI公司是Sikorsky公司（位于康涅狄格州，斯特拉特福）长期的机械加工金属部件供应商，也是波音公司及Bell Helicopter公司（位于德克萨斯州）的合格供应商。该公司有丰富的热塑复合材料经验，已经购买了Fiberforge公司的自动铺带装置，将其与传统的图案成形液压机一同使用，为飞机座椅生产TPC部件。新成立的合资公司总部设在CDI公司的Avon工厂内，今年就能够为波音787飞机生产热塑性复合材料吊顶部件。空客飞机的部件将继续由Xperion公司德国工厂提供。

CCM模具得益于广泛的发展。“大量从事热塑性复合材料行业的供应商来自于注射成型业或有过从事深扛成形汽车零部件工作的经历，在深扛成形过程中，模具相当复杂和昂贵”，Spelz指出，“在Xperion公司，基于迅速变化的模块，我们开发了一种新的模具系统。”所有CCM模具是为符合机器上的一个标准模式的安装孔而改装的。许多种形状可由一套模具制得，所有不同的阳模和阴模可以结合起来，并且很容易更改和调整。例如，一个L形阴模可与不同的阳模一起使用，来达到不同的厚度或外半径（如果部件腿儿的尺寸是一样的），而不用设计新的密封件或加热装置。Spelz表示组合模具节省了大量的时间和成本，特别是在原型制作中。

模压成型工艺的灵活性可以通过一个事实得以加强证明：不用停止机器运作，通过添加预浸带层和/或变化堆积顺序就可以改变部件的接头处，只需要添加、移除和/或替换进料绕线轴架上的线圈（预浸带），并将他们放置到轴架上合适的位置。Spelz说明了这样做的好处：“对于长线线圈而言，可以在高装载的地方增加线圈厚度。”模压成型工艺可能被改进，用于较小较薄部件的持续高速生产。

“因为模压成型允许单独改变每一个变量，在原型制作和迅速达到解决方案上，这种工艺是非常经得起检验的”，Xperion/CDI合资工厂常务董事Bill Carson说道。他也指出异形型材机器能产生垂直方向和水平方向的压力，生产出的型材没有起皱，即便是复杂的几何型材也是如此，这都是选用了非常高质量复合材料的结果。Carson表示这是传统的真空袋成型工艺不容易达到的。Carson也看到了热塑性复合材料可循环利用的灵活性。

Xperion/CDI合资工厂的第一批产品将是用于梦想787飞机的吊顶部件，包括C形件和L形件，大约2英寸/51毫米宽，这些吊顶部件将为头顶行李架承载所有的负荷。尽管空客飞机的侧壁扣件由TenCate公司的碳纤维/聚醚酰亚胺织物预浸料制成，但787飞机部件，将最可能采用碳纤维/PEEK或碳纤维/PEEK单向预浸带制成。

半成品TPC输入料被装上进料绕线轴架

“我们已经使用CCM模压板材制作了飞机内部侧壁板，但是对于这样大的一个部件来说，使用的材料太过昂贵了，而目前使用的酚醛材料，价格非常便宜”，Spelz说道。此外，用于侧壁生产的大型机器不太利于CCM（模压成型工艺）加工。“内部侧壁板后面

的许多小部件非常适合采用热塑性复合材料和CCM工艺”，他又说道。

“我们认为，关于某一部件的生产，选择什么材料，什么工艺最好，人们必须要诚实”，Spelz说道。他欣然承认，并非所有部件都适合采用热塑性复合材料，空心部件和夹层结构更适合热固性加工。

在Institut für Verbundwerkstoffe GmbH研究中心（位于德国，凯撒斯劳滕），已有夹层结构和空心件制作方面的新突破。2009年，该非营利性研究机构展示了通过模压成型制成的空心型材的连续生产，这种型材的制成过程采用了一种改良后的设计——模具中央有一个浮动模芯。这项工作也探究了PBT（聚对苯二甲酸丁）参与的加工过程，PBT是在单体CBT（cyclic butylene terephthalate）加工过程中形成的，CBT易发生化学反应的。Cyclics公司（位于纽约斯克内克塔迪）制作过程是将聚对苯二甲酸丁（PBT）分解成环状齐聚物的形式，然后将其加热到指定的温度，待环状齐聚物成为水一样的粘质时，就会促进纤维的浸润。待催化并冷却后，环状齐聚物就又成为较常见的粘质，并构成长链、高分子量的PBT热塑性塑料。Cyclics公司表示，这种材料具有热塑性性能，但可进行热固性加工。为形象化这两种材料的益处，一位重要的CBT作家Steve Winckler指出，人们必须将CBT想象为奶油溶化粘质，把PBT当作橡皮泥，他们的性能更接近环氧树脂，比聚丙烯性能好，纯树脂价格为6美元/镑到8美元/镑——仅略高于聚醚酰亚胺（PEI，5美元/镑到6美元/镑），是PEEK 及 PEKK价格（30美元/镑）的一部分。Winckler也解释道，CBT作为一个基体，天生“想”去浸润复合增强材料，从而导致更好的树脂与纤维分布，也有助于达到与环氧树脂相近的力学性能。相关报告指出，CBT的使用加快了生产速度，大大降低了生产成本，但力学性能没有损失。

Spelz和Carson同意，下一步要将高力学性能（以前只有热固性复合材料才可以实现）、快速度、高质量及低成本结合起来用于模压成型工艺，首先用来生产飞机吊顶的桁条和加

固件及结构部件，最后生产蒙皮桁条组件及地板等。CMM异型型材和平面板材可以进行熔接，以形成非常长的组件，迅速而节约成本。Carson看到了对Xperion/CDI开放的一个全新世界。“基于CDI公司悠久的供应历史，我们知道航空部件制作需要花费的材料成本和劳动力成本。 现在我们可以利用新的材料，生产出可替代铝制结构或其他金属结构的复合材料结构。这样重量至少减30%, 成本却非常便宜，而且我们能够轻而易举地回收这些复合材料结构”，Carson说道。