“你可以用一個(gè)好的工具制造一個(gè)壞的復(fù)合材料零件。反之則不然?！保↙aminateLife“復(fù)合真理”，2020 年）。

雖然從鋪層到裝袋再到固化，復(fù)合材料零件可能會(huì)出現(xiàn)很多問(wèn)題，但如果您從不良的固化工具開(kāi)始，事情就會(huì)出錯(cuò)。

用于整流罩疊層和固化的大型復(fù)合材料模具。碳纖維增強(qiáng)面板與碳蛋格支撐結(jié)構(gòu)搭配，以實(shí)現(xiàn)最佳的熱膨脹系數(shù) (CTE) 和熱性能。圖片來(lái)源：Janicki Industries

本專欄重點(diǎn)介紹固化工具（即粘合夾具或疊層模具），主要原因是其他類型的工具（例如修整或組裝夾具）通常不會(huì)出現(xiàn)高溫或高壓，因此在設(shè)計(jì)上大大簡(jiǎn)化。

在最基本的層面上，固化工具只是一種在一定溫度下提供壓力反應(yīng)表面以在固化或固結(jié)后賦予復(fù)合材料最終形狀的方法。到達(dá)那個(gè)表面是有趣的部分；工具設(shè)計(jì)可以通過(guò)多種方式變成梨形。讓我們來(lái)看看一些常見(jiàn)的陷阱。

良好的復(fù)合材料工具（區(qū)別于復(fù)合材料工具或由復(fù)合材料制成的工具）涉及許多需要集成到整體設(shè)計(jì)中的因素。設(shè)計(jì)，就其本質(zhì)而言，是一種妥協(xié)的活動(dòng)，對(duì)于復(fù)合材料固化工具，需要考慮和平衡以下因素。

設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)因素

殷鋼面板與殷鋼子結(jié)構(gòu)配對(duì)，以減少 CTE 效應(yīng)，但保持耐用性。注意面板邊緣 (EOP) 和蝕刻在面板中的修剪線以及邊緣周圍的工具球孔，以精確定位用于自動(dòng)層疊工藝或激光層投影系統(tǒng)的工具。圖片來(lái)源：Visioneering Composite Technologies

零件幾何形狀、材料系統(tǒng)、構(gòu)建速度和工藝驅(qū)動(dòng)著整體模具設(shè)計(jì)。固化溫度和壓力推動(dòng)了工具材料和支撐結(jié)構(gòu)布局的不同選擇。一般來(lái)說(shuō)，固化溫度越低，固化工具就越便宜。零件越復(fù)雜，工具就越昂貴。用于一個(gè)或兩個(gè)原型的工具的設(shè)計(jì)可能與用于預(yù)期的千件產(chǎn)品生產(chǎn)運(yùn)行的工具的設(shè)計(jì)有很大不同。

此外，用于自動(dòng)化工藝的工具，例如高級(jí)纖維鋪放 (AFP) 或自動(dòng)鋪帶 (ATL)，如果工具需要旋轉(zhuǎn)，可能需要額外的支撐結(jié)構(gòu)或更厚的面板來(lái)處理來(lái)自滾輪頭的壓力點(diǎn)負(fù)載和/或與頭架/尾架配件集成的功能。

材質(zhì)選擇

有多種材料可用于復(fù)合材料固化工具，但它們通常分為三大類：低成本金屬，如鋁或普通碳鋼；高端鎳鋼合金，如殷瓦合金；和復(fù)合材料。

這三個(gè)系列中的每一個(gè)都有其用途，需要根據(jù)此處列出的所有其他必需屬性進(jìn)行評(píng)估。同樣嶄露頭角的是增材金屬和聚合物制造工具，它們有自己的一系列優(yōu)勢(shì)（快速的設(shè)計(jì)變化、沒(méi)有制造工具的工具、幾乎無(wú)限的幾何形狀等）和挑戰(zhàn)（高熱膨脹、耐久性差 、真空完整性等）。

熱性能

固化工具必須能夠在固化溫度甚至更高溫度下保持其形狀，以解決固化周期過(guò)沖的問(wèn)題。熱膨脹系數(shù) (CTE) 是一個(gè)重要的考慮因素，尤其是對(duì)于較大的部件；工具在加熱過(guò)程中膨脹（以及在冷卻過(guò)程中收縮）的程度會(huì)顯著影響零件的尺寸控制和/或質(zhì)量。

殷鋼“eggcrate”結(jié)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)良好的氣流。面板加強(qiáng)筋也有半圓孔，以幫助實(shí)現(xiàn)熱均勻性。圖片來(lái)源：Visioneering Composite Technologies

例如，由于高 CTE 工具在固化后的冷卻過(guò)程中收縮，捕獲的細(xì)節(jié)可能會(huì)發(fā)生分層。工具的熱均勻性對(duì)于避免熱點(diǎn)/冷點(diǎn)很重要——這意味著開(kāi)放式背襯結(jié)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)氣體流動(dòng)。在投入生產(chǎn)之前，工具需要進(jìn)行徹底的熱測(cè)量以確認(rèn)均勻加熱。

尺寸補(bǔ)償

工具的設(shè)計(jì)必須使最終的固化零件符合尺寸要求。CTE 是一個(gè)重要因素，也是固化復(fù)合材料的內(nèi)應(yīng)力，它會(huì)導(dǎo)致諸如回彈之類的影響。在金屬中，形狀需要過(guò)度成型，因?yàn)樗鼈儠?huì)“回彈”——另一方面，復(fù)合材料需要成型不足，因?yàn)樗鼈儽憩F(xiàn)出相反的行為，在固化后“彈回”。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，成型不足通常在 1.5 度左右，但它取決于材料和固化周期。近年來(lái)，零件和工具在固化過(guò)程中的熱建模顯著提高了首次工具設(shè)計(jì)的質(zhì)量。

面板和備份結(jié)構(gòu)

工具應(yīng)設(shè)計(jì)為重量最?。ū阌谶\(yùn)輸、加熱更快等）。面板（工具與復(fù)合材料部件實(shí)際接觸的部分）需要很薄，以加快固化周期并降低成本，但又要足夠厚，以在壓力下保持輪廓。

耐用且價(jià)格低廉的低碳鋼工具，具有口袋功能，可用于層積或蜂窩。請(qǐng)注意分配真空的集成功能。圖片來(lái)源：Visioneering Composite Technologies

面板是固化工具的關(guān)鍵部分，需要能夠抵抗切割和刮擦。其上的任何刻痕或劃痕必須能夠輕松修復(fù)或磨平。此外，面板必須經(jīng)受多次熱循環(huán)而不會(huì)退化或變形，同時(shí)與脫模劑兼容，并經(jīng)受脫模劑的脫模和清潔/重新應(yīng)用循環(huán)。

支撐結(jié)構(gòu)（支撐面板），例如“eggcrate”，需要靠得很近，以實(shí)現(xiàn)剛性和尺寸控制，但又要離得足夠遠(yuǎn)，以減輕重量（和成本）并改善氣流。

真空完整性

工具的面板必須防止任何氣體泄漏路徑（可能導(dǎo)致孔隙）到達(dá)復(fù)合材料疊層。在金屬工具中，這通常不是主要問(wèn)題，盡管焊接接頭處可能會(huì)發(fā)生泄漏。對(duì)于由復(fù)合材料制成的工具，面板中的孔隙率或表面孔隙率會(huì)使真空完整性更具挑戰(zhàn)性。

表面輪廓/光滑度

根據(jù)加工方法，零件的加工表面可能是外模線 (OML) 或內(nèi)模線 (IML)。IML 加工零件需要適當(dāng)?shù)谋砻孑喞耘c子結(jié)構(gòu)配合；OML 加工零件需要光滑度以減少阻力。

雖然嚴(yán)格的公差似乎是降低風(fēng)險(xiǎn)的簡(jiǎn)單方法，但它也會(huì)大大增加成本。對(duì)于平滑度，通常對(duì)工具施加比最終所需零件平滑度高兩倍的公差，以解決過(guò)程中的變化和工具隨時(shí)間的退化。

鋪層表面的光滑度很重要。反應(yīng)增材制造 (RAM) 制造了這種熱固性疊層工具。固化工具的增材制造 (AM) 可以很好地用于原型和概念驗(yàn)證快速制造試驗(yàn)。圖片來(lái)源：密西西比州立大學(xué)高級(jí)復(fù)合材料研究所

成本

該工具的成本將分?jǐn)偟搅慵恼麄€(gè)生產(chǎn)過(guò)程中。因此，在工具上構(gòu)建的零件越多，工具對(duì)零件成本的影響就越小，可以投資于更好（更低的 CTE）和更耐用的工具。

相反，對(duì)于原型制作和一兩次零件運(yùn)行，必須非常小心地控制工具成本，否則可能會(huì)導(dǎo)致零件成本顯著增加。這可能會(huì)促使工具選擇耐用性較低的材料和/或較高的 CTE，這需要更嚴(yán)格的設(shè)計(jì)以確保正確的零件幾何形狀。

最終，預(yù)先投入時(shí)間（和預(yù)算）來(lái)主動(dòng)解決上述每個(gè)問(wèn)題，將在生產(chǎn)過(guò)程中以穩(wěn)健的加工和低廢品率帶來(lái)巨大的回報(bào)。

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