熱塑性復(fù)合材料成型工藝簡(jiǎn)介

熱塑性復(fù)合材料是以熱塑性聚合物為基體，以玻璃纖維、碳纖維或芳綸纖維等為增強(qiáng)材料復(fù)合而成，具有密度低，比強(qiáng)度高，耐化學(xué)性能好，成型周期短、生產(chǎn)效率高，環(huán)?？苫厥盏忍匦裕瑥V泛應(yīng)用于汽車工業(yè)、軌道交通、體育休閑、電子電器、醫(yī)療器械、航空航天等領(lǐng)域。

成型工藝是復(fù)合材料由原材料轉(zhuǎn)化為結(jié)構(gòu)件的關(guān)鍵步驟。而熱塑性復(fù)合材料根據(jù)增強(qiáng)方式的不同，可分為短纖維（0.2-0.6mm）、長(zhǎng)纖維（約20mm）及連續(xù)纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料三類，不同材料所采用的成型工藝也不同。

圖 纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料構(gòu)成

短纖增強(qiáng)熱塑性粒料通常采用注塑成型工藝；長(zhǎng)纖增強(qiáng)熱塑性材料的成型則分為直接法LFT-D、間接法LFT-G：

直接法LFT-D：是在雙螺桿擠出機(jī)內(nèi)將纖維、熱塑性樹脂及添加劑進(jìn)行混合浸漬，然后將混合料直接采用注塑或模壓的工藝制成各種產(chǎn)品。這種工藝減少了中間的半成品環(huán)節(jié)，降低了成本，且纖維長(zhǎng)度保持較好，制品性能優(yōu)異，適合大規(guī)模生產(chǎn)，廣泛應(yīng)用于汽車零部件等領(lǐng)域；

圖 LFT-D工藝，圖源泰山玻纖

間接法LFT-G：是將熱塑性樹脂熔體和纖維在特制的模頭內(nèi)進(jìn)行包覆、浸漬，然后進(jìn)行牽伸、切粒制成LFT-G顆粒，LFT-G顆粒可采用注塑或模壓的工藝制成各種產(chǎn)品。LFT-G工藝靈活，適合小批量生產(chǎn)，顆粒易于儲(chǔ)存和運(yùn)輸，適合復(fù)雜形狀零部件的制造；

圖 LFT-G工藝，圖源泰山玻纖

圖 LFT-G粒料，

而連續(xù)纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料（CFRTP）結(jié)構(gòu)件成型工藝根據(jù)原材料的狀態(tài)可以分為液體成型工藝、熱塑性預(yù)浸料成型工藝和纖維混雜工藝。其中，液體成型工藝主要包括熱塑性基體樹脂傳遞模塑( T-RTM) 工藝、原位拉擠工藝等；而熱塑性預(yù)浸料成型工藝則包括熱壓罐工藝、模壓工藝、沖壓成型、纏繞工藝等；纖維混雜工藝是制備與增強(qiáng)纖維直徑相當(dāng)?shù)臉渲w維，然后使兩種纖維混雜成一種復(fù)合紗，最終模壓制備成品。

1. 模壓成型

模壓成型工藝是將預(yù)浸料或纖維編織物與樹脂膜組成的層疊料等材料裁切為模具大小的片材層疊置于模具中，通過加熱、加壓后冷卻成型制備得到最終滿足要求的制品。

模壓成型操作簡(jiǎn)單、成型周期短、易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，可用于成型平板或者小變形制件，對(duì)于一些復(fù)雜的特征、安裝位及加強(qiáng)筋，使用模壓成型很難實(shí)現(xiàn)，因此市場(chǎng)上出現(xiàn)模壓注塑一體成型工藝，如ENGEL的Organomelt工藝、克勞斯瑪菲的FiberForm工藝等。

在克勞斯瑪菲的FiberForm工藝中，連續(xù)纖維經(jīng)過熱塑性樹脂浸漬制成的片材（有機(jī)板材）在烘箱內(nèi)進(jìn)行加熱處理后被置入模具，合模熱壓成型后再進(jìn)行二次包覆注塑，最終實(shí)現(xiàn)一體化成型。

圖 FiberForm工藝流程，圖源克勞斯瑪菲

克勞斯瑪菲創(chuàng)新的FiberForm技術(shù)自動(dòng)化程度高，成型效率高，可以一步式生產(chǎn)結(jié)構(gòu)復(fù)雜的制件，目前已在汽車領(lǐng)域成熟應(yīng)用，并拓展到空中交通領(lǐng)域等領(lǐng)域。

圖 FiberForm技術(shù)應(yīng)用于垂直起降飛行器（eVTOL）的肋狀結(jié)構(gòu)部件，僅需2分鐘即可成型

2. 沖壓成型

沖壓成型過程中，需要將熱塑性預(yù)浸料預(yù)熱，預(yù)熱溫度通常比樹脂基體的熔化溫度或軟化點(diǎn)溫度高約10-40℃，然后將預(yù)熱后的預(yù)浸料快速放入有一定溫度的沖壓機(jī)上下模具之間，快速閉合模具，施加較大的成型壓力，并在壓力下冷卻固結(jié)為制品。

圖 沖壓成型工藝制備高性能熱塑性復(fù)合材料過程示意圖，圖源網(wǎng)絡(luò)

3. 熱壓罐工藝

熱塑性復(fù)合材料熱壓罐成型技術(shù)和熱固性復(fù)合材料熱壓罐工藝基本類似。熱塑性預(yù)浸料按鋪層要求鋪放于模具上，并密封在真空袋中后放入熱壓罐中，經(jīng)過熱壓罐設(shè)備加溫、加壓，使預(yù)浸料坯件成為所需形狀和質(zhì)量要求的構(gòu)件。

圖 熱壓罐工藝高溫高壓成型高性能熱塑性復(fù)合材料示意圖，圖源網(wǎng)絡(luò)

與熱固性復(fù)合材料熱壓罐工藝不同的是，熱塑性預(yù)浸料比較硬、表面沒有黏性，鋪貼性差，且固化溫度更高、壓力更高，成型時(shí)需要選用高耐熱性的真空袋膜和密封材料，對(duì)熱壓罐設(shè)備要求也更高。

4. T-RTM工藝

傳統(tǒng)RTM（樹脂傳遞模塑）通常指熱固性復(fù)合材料成型工藝，其流程是將干纖維預(yù)成型體鋪放到閉合模具的模腔內(nèi)，通過壓力將低黏度樹脂（如環(huán)氧樹脂、不飽和聚酯等）注入閉合模腔中，使其充分浸漬預(yù)成型體，最終固化成型。該工藝采用閉合模具，具備制品表面質(zhì)量高、尺寸精度好、纖維含量可控等優(yōu)點(diǎn)，是復(fù)合材料低成本制造的主流技術(shù)之一。

然而熱塑性聚合物熔體黏度普遍較高，難以直接采用傳統(tǒng)RTM工藝實(shí)現(xiàn)有效浸潤(rùn)。為突破這一限制，克勞斯瑪菲開創(chuàng)性把浸有ε-己內(nèi)酰胺活性混合物的半成型織物預(yù)成型，直接在模具中聚合熟化成尼龍-6，制成熱塑性復(fù)合材料制品。

該技術(shù)在2016K展上首次展出，應(yīng)用于Roding Roadster R1跑車的車頂外殼框架，該部件同時(shí)使用了玻璃纖維( 白色) 和碳纖維作為增強(qiáng)材料，并在模具中一體裝配了金屬嵌件，展現(xiàn)出T-RTM在復(fù)雜結(jié)構(gòu)集成方面的潛力。

圖 Roding Roadster R1跑車的車頂外殼框架 圖片來自KraussMaffei官網(wǎng)

5. 拉擠工藝

拉擠成型工藝是將浸漬樹脂膠液的連續(xù)纖維束、帶或布等，在牽引力的作用下，通過擠壓模具成型、固化，連續(xù)不斷地生產(chǎn)長(zhǎng)度不限的型材。熱塑性復(fù)合材料拉擠工藝，根據(jù)預(yù)浸技術(shù)可分為非反應(yīng)拉擠成型和反應(yīng)拉擠成型兩大類。

圖 兩類熱塑性復(fù)合材料拉擠成型工藝示意圖

熱塑性復(fù)合材料原位拉擠成型技術(shù)指的是在牽引設(shè)備的牽引下，經(jīng)過樹脂浸潤(rùn)的連續(xù)纖維或其織物通過加熱成型模具，在模具內(nèi)樹脂發(fā)生聚合反應(yīng)成為高分子量聚合物，最后經(jīng)冷卻獲得復(fù)合材料制品的成型技術(shù)。熱塑性復(fù)合材料原位拉擠成型技術(shù)具有生產(chǎn)效率高，可連續(xù)化大規(guī)模生產(chǎn)；設(shè)備簡(jiǎn)單，成本低；產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定，可重復(fù)性高等優(yōu)點(diǎn)。

圖 APA6 復(fù)合材料原位拉擠成型示意圖

圖 彼歐采用法國(guó)CQFD 公司開發(fā)的原位拉擠工藝制成的現(xiàn)代汽車前保險(xiǎn)杠防撞梁

6. 纏繞成型

纏繞成型工藝是先將浸漬樹脂的連續(xù)纖維預(yù)熱，在張力的作用下纏繞在具有一定幾何形狀的芯模上，在纏繞的過程中持續(xù)加熱，再通過施加壓力使預(yù)浸料熔接為一體，逐層粘合，冷卻后得到相應(yīng)構(gòu)件制品。

熱塑性復(fù)合材料的纏繞成型可以采用預(yù)浸纖維或者預(yù)浸帶進(jìn)行，具有生產(chǎn)效率高，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定，容易實(shí)現(xiàn)機(jī)械化和自動(dòng)化，便于大批量生產(chǎn)等特點(diǎn)，適用于生產(chǎn)大型的且表面曲率均為正的構(gòu)件，尤其是在各種生產(chǎn)管道、壓力 容器、飛機(jī)結(jié)構(gòu)件等制備領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。

圖 預(yù)浸帶纏繞成型

7. 自動(dòng)鋪放原位成型

熱塑性復(fù)合材料自動(dòng)鋪放成型技術(shù)通常采用連續(xù)玻纖或碳纖維增強(qiáng)熱塑性預(yù)浸帶/絲，通過帶有特殊加熱裝置的自動(dòng)鋪放設(shè)備鋪貼在模具表面，結(jié)合原位固化技術(shù)，自動(dòng)鋪放后原位冷卻直接成型制備得到復(fù)合材料制件，可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜曲面熱塑性纖維預(yù)浸帶(絲)的鋪層與制造，是一種發(fā)展前景廣泛的工藝技術(shù)。

熱塑性復(fù)合材料自動(dòng)鋪放原位成型技術(shù)大幅度減少了復(fù)合材料制造工序,不再需要進(jìn)熱壓罐,同時(shí)由于該技術(shù)對(duì)模具要求降低,且熱塑性預(yù)浸料可室溫存放和使用,使得復(fù)合材料制造成本可降低50%以上。目前，熱塑性復(fù)合材料自動(dòng)鋪放原位成型技術(shù)主要應(yīng)用于飛機(jī)機(jī)身結(jié)構(gòu)和深潛水器等。

8. 3D打印成型

除了上述工藝外，3D打?。ㄔ霾闹圃欤┘夹g(shù)以其無模成型、設(shè)計(jì)自由度高、快速成型復(fù)雜結(jié)構(gòu)等優(yōu)勢(shì)，為實(shí)現(xiàn)高性能復(fù)雜結(jié)構(gòu)復(fù)合材料構(gòu)件的低成本一體化快速制造提供了新的解決方案。