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

雖然從鋪層到裝袋再到固化，復合材料零件可能會出現很多問題，但如果您從不良的固化工具開始，事情就會出錯。

用于整流罩疊層和固化的大型復合材料模具。碳纖維增強面板與碳蛋格支撐結構搭配，以實現最佳的熱膨脹系數 (CTE) 和熱性能。圖片來源：Janicki Industries

本專欄重點介紹固化工具（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）通常不會出現高溫或高壓，因此在設計上大大簡化。

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表面以在固化或固結后賦予復合材料最終形狀的方法。到達那個表面是有趣的部分；工具設計可以通過多種方式變成梨形。讓我們來看看一些常見的陷阱。

良好的復合材料工具（區別于復合材料工具或由復合材料制成的工具）涉及許多需要集成到整體設計中的因素。設計，就其本質而言，是一種妥協的活動，對于復合材料固化工具，需要考慮和平衡以下因素。

設計驅動因素

殷鋼面板與殷鋼子結構配對，以減少 CTE 效應，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層疊工藝或激光層投影系統的工具。圖片來源：Visioneering Composite Technologies

零件幾何形狀、材料系統、構建速度和工藝驅動著整體模具設計。固化溫度和壓力推動了工具材料和支撐結構布局的不同選擇。一般來說，固化溫度越低，固化工具就越便宜。零件越復雜，工具就越昂貴。用于一個或兩個原型的工具的設計可能與用于預期的千件產品生產運行的工具的設計有很大不同。

此外，用于自動化工藝的工具，例如高級纖維鋪放 (AFP) 或自動鋪帶 (ATL)，如果工具需要旋轉，可能需要額外的支撐結構或更厚的面板來處理來自滾輪頭的壓力點負載和/或與頭架/尾架配件集成的功能。

材質選擇

有多種材料可用于復合材料固化工具，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；和復合材料。

這三個系列中的每一個都有其用途，需要根據此處列出的所有其他必需屬性進行評估。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勢（快速的設計變化、沒有制造工具的工具、幾乎無限的幾何形狀等）和挑戰（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，以解決固化周期過沖的問題。熱膨脹系數 (CTE) 是一個重要的考慮因素，尤其是對于較大的部件；工具在加熱過程中膨脹（以及在冷卻過程中收縮）的程度會顯著影響零件的尺寸控制和/或質量。

殷鋼“eggcrate”結構可實現良好的氣流。面板加強筋也有半圓孔，以幫助實現熱均勻性。圖片來源：Visioneering Composite Technologies

例如，由于高 CTE 工具在固化后的冷卻過程中收縮，捕獲的細節可能會發生分層。工具的熱均勻性對于避免熱點/冷點很重要——這意味著開放式背襯結構可實現氣體流動。在投入生產之前，工具需要進行徹底的熱測量以確認均勻加熱。

尺寸補償

工具的設計必須使最終的固化零件符合尺寸要求。CTE 是一個重要因素，也是固化復合材料的內應力，它會導致諸如回彈之類的影響。在金屬中，形狀需要過度成型，因為它們會“回彈”——另一方面，復合材料需要成型不足，因為它們表現出相反的行為，在固化后“彈回”。根據經驗，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，零件和工具在固化過程中的熱建模顯著提高了首次工具設計的質量。

面板和備份結構

工具應設計為重量最小（便于運輸、加熱更快等）。面板（工具與復合材料部件實際接觸的部分）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。

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

面板是固化工具的關鍵部分，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或磨平。此外，面板必須經受多次熱循環而不會退化或變形，同時與脫模劑兼容，并經受脫模劑的脫模和清潔/重新應用循環。

支撐結構（支撐面板），例如“eggcrate”，需要靠得很近，以實現剛性和尺寸控制，但又要離得足夠遠，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（可能導致孔隙）到達復合材料疊層。在金屬工具中，這通常不是主要問題，盡管焊接接頭處可能會發生泄漏。對于由復合材料制成的工具，面板中的孔隙率或表面孔隙率會使真空完整性更具挑戰性。

表面輪廓/光滑度

根據加工方法，零件的加工表面可能是外模線 (OML) 或內模線 (IML)。IML 加工零件需要適當的表面輪廓以與子結構配合；OML 加工零件需要光滑度以減少阻力。

雖然嚴格的公差似乎是降低風險的簡單方法，但它也會大大增加成本。對于平滑度，通常對工具施加比最終所需零件平滑度高兩倍的公差，以解決過程中的變化和工具隨時間的退化。

鋪層表面的光滑度很重要。反應增材制造 (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證快速制造試驗。圖片來源：密西西比州立大學高級復合材料研究所

成本

該工具的成本將分攤到零件的整個生產過程中。因此，在工具上構建的零件越多，工具對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，對于原型制作和一兩次零件運行，必須非常小心地控制工具成本，否則可能會導致零件成本顯著增加。這可能會促使工具選擇耐用性較低的材料和/或較高的 CTE，這需要更嚴格的設計以確保正確的零件幾何形狀。

最終，預先投入時間（和預算）來主動解決上述每個問題，將在生產過程中以穩健的加工和低廢品率帶來巨大的回報。

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原文始發于微信公眾號（艾邦復合材料網）：設計復合材料固化工具時要考慮的九個因素