通过混合二次成型在工业规模上降低热塑性复合材料的风险。

支持新的供应链威格斯（Victrex）复合材料解决方案公司正在其5000平方米的生产设施中生产热塑性复合材料二次成型零件，该生产设施位于其与长期合作伙伴Tri-Mak Plastics共享的一栋大楼内。

CW首次讨论2015年Victrex（Cleveleys，Lancasthire，英国）开发的二次成形工艺时，这是革命性的，开辟了一个全新的“混合复合材料”类别。在此过程中，Victrex使用连续纤维增强聚芳醚酮（PAEK）复合材料基材，然后在其上注射成形短纤维增强聚醚酮（PEEK）化合物。在2015年的文章中，结果是一种高性能的混合复合材料支架，比同类金属部件轻60%。Victrex低熔体PAEK（LMPAEK）聚合物的305°C熔体温度允许基材在与PEEK化合物（在340°C下熔化）二次成型时在表面熔化，从而有效地形成焊接。二次成型同时使复合材料零件功能化——例如，用LED灯的加强筋或夹子——并使其比未加强的PEEK零件更薄、更轻，使用更少的材料。

2017年，Victrex宣布投资TxV AeroComposites，这是一家与客户和混合支架联合开发商Tri Mack Plastics（美国罗得岛州布里斯托尔）的合资企业。该合资企业随后被Victrex收购并拥有100%的股份，现在安装在布里斯托尔一栋5000平方米的建筑中。

Victrex航空航天销售主管乔纳森·索尔克斯(Jonathan Sourkes)表示：“最初的想法是创建一个卓越中心，在那里你可以完成所有的设计和工程，制造工具，制造原型，并最终生产商业零件。”。“从本质上讲，我们来这里是为了以工业价格生产零件，并激励其他公司也这样做。”

降低热塑性复合材料生产风险

CW对Victrex复合材料解决方案工厂的参观从楼上的会议室开始，讨论从2015年到现在的过渡。索尔克斯说，当Victrex开始生产其AE250 LMPAEK聚合物时，“它看到了对纤维、薄膜、粉末和UD带等产品形式的整个生态系统的需求，并对如何在复合材料中加工聚合物和预测零件性能进行研究，以推动应用开发。我们已经充分表征了包覆成型与基材的结合，实现了高达40兆帕的强度，这是航空级粘合剂结合的两倍，比热塑性复合材料焊接的典型基准好50%。”

Victrex复合材料主管罗波·玛泽拉（Rob Mazzella）表示：“混合复合材料正获得越来越多的认可，但在提高人们对该技术在供应链中的可能性的认识方面，还有更多的工作要做。我们这一设施的驱动力一直是以高速度生产高质量零件的能力。”

索尔克斯表示：“我们的目标是促进行业采用，降低风险，加快客户的发展。”。“这就是为什么我们帮助客户开发混合材料零件（见下面，“混合材料工程支持”），还销售复合材料层压板和插入件，供其他人进行二次成型。”玛泽拉说，建立这一设施是为了“以一种需要超越卓越中心的方式为他们提供支持。这就是为什么我们为高速PEEK和PAEK复合材料生产提供了设备和生产工艺。我们投资于提供工业循环时间和可重复性的自动化。”

混合零件、AAM和允许值

混合零件原型左上角，顺时针：支线飞机的纪念碑支架，Beta Technologies的先进空中机动（AAM）原型零件和货运飞行器的原型检修门板

现在讨论转向一系列包覆成型的热塑性复合材料零件，包括一个0.7 x 0.7米的货运飞行器检修门板。索尔克斯说：“它是用50层UD胶带和将近一公斤的二次成型制成的。”。“它还有一个双曲度，在层压板中形成一种口袋，二次成型填充。”该零件是为波音公司领导的DARPA资助的RAPM项目生产的。该零件的重量为5公斤，而之前的铝制零件几乎为10公斤。索尔克斯说：“为了从铝中获得这种形状，他们必须从一个14到23公斤的坯料和数控机床开始，这需要大量的材料。”。“因此，购买与飞行的比率很低。混合材料部件的浪费明显减少。”

事实上，混合动力汽车的零部件在购买比需要提高的地方做得很好。索尔克斯说：“我们的材料和工艺在重量轻、效率高和减少二氧化碳方面具有可持续性优势。”。“混合型复合材料检修门的循环时间不到10分钟，而用铝进行数控加工需要一整天的时间。因此，尽管每小时的数控成本低于复合材料的加工成本，但我们的加工时间要低得多，因此我们最终获得了更好的零件成本。”玛泽拉指出了另一个零件，一种仍在开发中的支线飞机的纪念碑支架。索尔克斯说：“购买与飞行的比例接近10：1，我们的重量和成本分别为现有零件的40%和40%。”。

玛泽拉指出，在移交一个关键尺寸的结构时，该结构具有撕裂形复合材料头部和从底部延伸的螺纹金属螺栓柄，“这个零件比我们通常工作的要小得多，但它实际上不仅有一个复合材料插件，还有一个包覆成型的金属轴承组件。这是我们正在帮助创新的新应用类型，因为当每架飞机涉及数百个零件时，即使每个零件节省几克，也会增加成本。”

最后要讨论的部分是先进的空中机动（AAM）制造商Beta Technologies（美国佛蒙特州南伯灵顿）。索尔克斯说：“该应用程序每年针对数千个组件，每个组件有多个零件。”。“这是一个玻璃纤维增强的PAEK零件，我们正在进行原型设计，也是我们今天设备中运行的大组件的零件。”为什么是混合复合材料？索尔克斯说：“为了达到这个形状，不使用任何金属。”。“减轻重量是关键，因为在这些电池驱动的汽车中，每克都很重要。”尽管业内一直在讨论AAM的主要结构将使用热固性复合材料，但索尔克斯指出，“我们从AAM制造商那里听说，每年超过1000架AAM，他们看到了对热塑性塑料的需求。”玛泽拉说，AAM的牵引力很快就来了。“这些飞机的某些部件对PEEK复合材料的要求非常好。我们也开始看到商用飞机原始设备制造商和供应商开始取消他们在新冠疫情前大力推动的努力。”

AAM的另一个问题，也是Victrex一直在研究的生态系统的另一关键部分，是可允许数据库的开发。索尔克斯说：“NIAR[美国堪萨斯州威奇托市]已经发布了一个NCAMP公用数据库，用于使用静态模压成型的东丽（Toray）的TC1225碳纤维/LMPAEK预浸料。”。“很快，我们将使用我们现有的穿梭机技术公布我们对这些数据的等效性。对于测试零件，我们的成型周期不到15分钟，但在实践中，零件通常在10分钟内成型。这之所以成为可能，是因为我们的穿梭机的工艺时间比静态冲压成型工艺更快。”。“虽然NCAMP TC1225数据库是基于Toray T700碳纤维的，但Victrex正在努力使用AS4、IM7以及最终的AS7碳纤维通过NCAMP发布数据。索尔克斯表示，这将使公司能够以相对较小的投资获得与其流程相同的产品。“我们投入了大量资金，使数据民主化，以支持该行业。”

混合型复合材料工程支撑

彼得·勒夫斯克(Peter Levsque)是Victrex的应用和航空航天工程经理。在CW的巡演中，他指出了他的团队在Victrex为行业提供的整体支持中所起的重要作用。他说：“聚合物是在英国生产的，你可以看到美国的这家工厂生产的零件。”。“介于两者之间的是工程—提出设计和制造来执行零件。对我们来说，这在很大程度上是一种协作的工程方法。我们在这里传递知识，帮助我们的客户和合作伙伴提出解决方案。”勒夫斯克说，客户是应用程序专家，“ 但我们是材料和工艺专家。我们通过一个分阶段的过程来了解零件及其要求。它在设计上是稳健的，有助于降低工艺风险。然后，我们将建议一个初始的混合复合材料设，并获得客户的反馈，与他们合作进行迭代，直到我们开始使用模拟和预测制造分析。”。“目前使用的工程工具包括拓扑优化、有限元分析（FEA）、热分析和Moldex 3D注塑模拟软件（美国密歇根州法明顿山）。”勒夫斯克说：“将Moldex输出转化为FEA输入的能力非常关键。”。“我们还与Altair（美国密歇根州特洛伊市）、MSC软件公司[美国加利福尼亚州纽波特海滩市]和Hexagon Manufacturing Intelligence（英国科巴姆市）合作为连续纤维复合材料和注塑材料提供材料数据卡，用于这些模拟。例如，这有助于绘制出复合材料插入件上注塑成型部分的纤维取向。通过我们的内部网络，我们可以向一些实验室提出特殊的挑战，也可以向世界级的材料专家提出晦涩难懂的问题。”

“这些早期研究的目标，”他解释道，“就是在我们投资建造工具之前，提出一个最终设计，让每个人都对制造和性能充满信心。要达到这个最终概念阶段需要做很多工作，通常需要几周，但可能需要几个月，这取决于复杂性。到那时，我们完成了零件图，并将其转入生产。”

勒夫斯克指出：“客户保留其特定零件设计的所有权。”。“当彼得的团队在设计零件时，他们正在与我们的工厂经理合作，为制造进行设计，并进行优化以满足生产率要求。”然后，所有这些零件工作都被用于返回并更新材料卡和过程模拟，就像Victrex作为多个联合体的成员所做的工作一样，例如热塑性复合材料研究中心（TPRC，荷兰恩斯赫德）。勒夫斯克说：“我们还与学术界合作，研究了多尺度物理，以真正了解正在发生的事情，这样，我们就可以高度自信地提供有效的原型零件。”。“我们将于明年与一所大学合著一篇论文，内容是使用分子动力学对混合复合材料键进行建模，并将其扩展到有限元分析和零件级别。”

灵活的工业生产

当我们准备参观楼下的生产车间时，玛泽拉解释说，Victrex的工艺是基于自动铺带（ATL）来创建定制的毛坯预成型件，然后进行压固、喷水修整、冲压成型、数控钻孔，然后进行二次成形。“虽然我们很想在大型初级结构中看到Victrex材料，”他说，“但我们不想在这里生产这些材料。”那么，目标零件尺寸是多少？索尔克斯说：“有了ATL和压力机，超过2米是没有意义的。”。“我们可以使用其他工艺，但我们选择了ATL和冲压。根据我们的分析，如果你能以这种方式制造零件，替代技术在经济上不会竞争。”

“我们的方法，”玛泽拉说，“一直是建立一个最灵活的设施，能够将你一只手拿着的零件作为混合动力，连接到一两米长的零件上。我们现在的计划在工业规模上是可行的，但如果我们要开始每年运行10000或20000个零件，那么我们很可能会为此安装一个专门设计的工作站。”

参观由索尔克斯和Victrex工厂经理卡隆·拉萨特（Kalon Lasater）带领，从办公室下面的一楼开始，从大楼的前面一直延伸到后面。第一个区域包含所谓的“脏”过程，包括数控加工、金属车间和原型夹具区域。Haas Automation（Oxnard，California，U.S.）CNC工作站用于在二次成型之前对冲压成形的零件进行钻孔。就在它的后面是一个来自Flow International（美国华盛顿州肯特市）的封闭喷水池，用于在冲压成形前修剪固结的层压板。

当我们穿过一扇门进入主生产区时，值得注意的是，这里有很多空地。索尔克斯说：“我们为今天准备生产的产品安装了设备，所以我们有很大的增长空间。”拉萨特指出，地板布局的设计允许额外的穿梭冲压站以及ATL、冲压成形和二次成形线。我们走过左边的穿梭机冲压固结工作站和右边与之相对的机器人成型站，朝着左边前面封闭的ATL工作站走去。

自动铺带（ATL）工作站

灵活、自动化的生产。自动铺带（ATL）工作站的机器人线轴更换和筒子架。

在ATL工作站内，Dieffenbacher（德国埃平根）Fiberforge 4.0定制坯料生产线正在为另一个AAM项目生产碳纤维/PAEK预成型件。站在Fiberforge的前面，操作员控制台在左边，在那里的另一边是存放胶带卷轴的区域。在线轴存储器和Fiberforge机器之间是一个机器人，它可以拾取新的线轴，并将其与机器筒子架中耗尽的线轴切换。该筒子架构成Fiberforge机器的左端，最多可进给四种类型的胶带，每种胶带都具有缓冲展开和张力控制功能。

通过ATL快速预成型转盘（顶部）和多层碳纤维/PAEK预成型件（底部）

右边的下一个站有两个平行的快速胶带分配器。这些进给和切割胶带的循环时间小于1秒，最大胶带长度为2000毫米。这包括随后的超声波点焊，将每一层粘在下面的一层上。或者，可以以相同的亚秒速度同时放置两个较短的磁带，而不是一个长胶带。

Dieffenbacher声称其最大沉积速率为490公斤/小时。ATL系统适用于所有热塑性胶带配方，包括Victrex PEEK和LMPAEK以及玻璃和碳纤维。胶带宽度可以在50到165毫米的范围内，厚度可以在0.1到0.4毫米的范围。切割胶带的长度可以在30到2000毫米之间。

切割后，将胶带放置在直径2米的旋转台上，通过真空系统固定，并立即通过一系列超声波焊接头进行点焊。一旦整个帘布层完成，工作台旋转并分度以接收下一个帘布层，或者从胶带层向控制站快速平移以供操作员检查。

该工艺可以实现接近净形状的叠层，并最大限度地减少材料浪费。ATL系统允许在胶带之间具有小间隙（例如0.4毫米）的叠层。拉萨特指出：“在整合过程中，随着磁带的扩散，缺口逐渐缩小。”。“我们已经为我们展示的检修面板放置了多达50层，但我们还没有达到最大值。”90层的零件是通过将两层叠放在一起制成的。“这个系统不同于连续压缩成型（CMC），”他解释道，“因为我们不必将胶带对接焊接在一起以包括离轴帘布层。工作台只是旋转，所以我们有广泛的可能纤维角度，焊接位置是偏移的，所以每个帘布层的位置都不相同。”

焊接位置是生产工程设计的一部分，每个焊缝的压力以及每个层胶带的形状、数量和位置也是如此。Tailor Gen是迪芬巴赫用于其操作员界面的软件。拉萨特说：“想象一下，用Solidworks来设计一种层压板。”。“你可以预测运行时间、材料消耗以及每条切割胶带的放置位置。它还可以检测问题并拒绝设计，这样你就不允许铺设糟糕的路线。”

干燥和固结

从ATL工作站中，将定制好的坯料带到位于穿梭机固结区附近的干燥炉中。尽管PEEK和LMPAEK的吸湿率<1%，但作为预防措施，已完成的定制坯料应进行干燥，以确保不存在可能导致固结层压板出现孔隙的水分。拉萨特说，烤箱在135°C下的干燥周期通常为8小时，但取决于厚度。坯件被分层放入一个大推车内的金属丝架中，当推车被推入烤箱时，可以通过横向流动来干燥每个层压板。在我们参观期间，购物车底部有ATL坯料，顶部有已经固结的板材。索尔克斯说：“我们有两个干燥步骤：一个在固结之前，另一个在喷水切割之后，在我们将固结的坯料放入成形室之前。”。

干燥和固结

ATL预成型件在烘箱中干燥（中间），然后在双塔压机中固结（左）。金属板运输工具内的固结层压板（右）正在离开辊道，将使用带有橙色真空夹具的机器人提取。

整合单元的尺寸约为6 x 9米，采用了一个定制的压机，该压机有两个塔，包含由美国传统工业设备供应商制造的单独驱动的压板。AAM零件使用的玻璃纤维/AE250 LMPAEK层压板正在使用三套运输工具进行加固。每个10分钟的巩固周期包括三个同时的阶段：（1）新坯料进入第一个“热”塔；（2） 熔化的坯料从第一个“热”塔进入第二个“冷”塔（仍然是热的）；（3） 固结坯件离开第二个塔并围绕金属辊的故意尺寸的轨道移动，该长度是为了充分冷却以形成完整机械性能所需的结晶度而计算的。在轨道的尽头，工作站操作员使用带有真空夹具的机器人打开运输工具，然后戴上耐热手套，取出仍然很热的层压板，并将其放入存储架中。

单个操作员可以运行整个工作站，包括装载和卸载运输工具。拉萨特说，工作站的运行周期最短可达三分钟，“在这种情况下，我们会使用四到五个运输工具。这些工具是特定尺寸的，但不是特定零件的，由低成本的金属板制成。”

“通常情况下，这种类型的压力机只有两个气缸，”他继续说道，“但我们所有的压力机都有四个气缸，当与先进的液压和控制装置相结合时，在固结过程中以及在我们的冲压成形单元中都能实现非常高的平行度。”这对于保持层压板和成品的平面度和精度很重要。

拉萨特指着存储架下面的一个盒子解释道：“我们还使用了一种Victrex LMPAEK薄膜，它有助于在混合二次成形过程中粘合，这是混合层压板标准帘布层计划的一部分。”。然后，在冲压成形之前，将固结的坯料送到隔壁的喷水池进行边缘修整和添加特征。如上所述，然后在进行到印模形成单元之前再次干燥它们。

冲压成形和二次成形

机器人冲压成形前景中的导轨引导层压板固定在张力框架中（下图），进出冲压成形室，背景中有两个机器人和一台275吨重的压力机，两侧各有上下红外炉。

用于无褶皱零件的精确张紧固结的热塑性复合材料层压板被固定在特定位置的框架中并张紧，以允许在没有褶皱的情况下成形。

该工作站采用275吨压机，由与双塔固结压机相同的供应商制造。一堆红外（IR）烘箱（红外线加热技术公司，美国田纳西州橡树岭）位于压机的每一侧，共有四个烘箱。拉萨特说：“这使得工作站能够与媒体的索引速度相匹配。”。“只要我们有三到四个固定装置来固定固结片材，每次打开时我们都可以在压机中放入一块层压板。”

夹具是金属框架，其被精确地配置为保持固结的层压板，并能够在没有褶皱的情况下形成所需的3D几何形状。索尔克斯指出，成型过程通常在设计过程中使用成型模拟软件（如AniForm（荷兰恩斯赫德的AniForm Engineering））进行优化。他补充道：“更深入的绘制，复杂的几何形状需要广泛的模拟才能达到优化的夹具设计。”。“这也是我们得出最佳压力机关闭速度和压力分布的方法，这是关键参数。”

夹具位于一组导轨上，导轨送入冲压成形工作站，该工作站由一名操作员操作。将层压板固定到成型夹具中后，操作员按下按钮，夹具移动到工作站中，两个Yaskawa（美国俄亥俄州Miamisburg）机器人中的一个拿起夹具并将其放置在左上角的IR烘箱中。经过短暂的预热循环后，IR烘箱打开，机器人迅速将夹具转移到成型机中，成型机立即关闭并开始该零件的2分钟冲压循环。IR烘箱和压力机的时间和温度遵循零件设计过程中优化的预编程配方。索尔克斯说：“我们控制温度和压力，每次都知道预成型件在压力机内的位置。”。一旦冲压循环完成，机器人将夹具从冲压机上取下，并将其返回到轨道系统，操作员将其取下并准备另一层压板。

注射二次成型Engel Victory 130注塑单元最多可包覆成型1个复合基材平方米。随着项目在未来五年内完成资格认证，将增加更多的工作站。

冲压成形和CNC钻孔后，零件被转移到二次成形工作站，该工作站直接位于ATL工作站的对面。Engel（奥地利施韦特贝格）Victory 130注塑机位于一个大型围墙生产区内，专为PEEK和PAEK所需的高温而定制。索尔克斯说：“我们还需要一台能够处理宽达2米或长的大型基板的机器。”，“并使用1公斤或更少的塑料注射进行二次成形，与典型的塑料注射成型相比，这是很小的。我们需要很大的力来抵抗二次成型的背压，否则模塑化合物会溢出。这就是为什么这些机器往往是高吨位的。”

零件从二次成形区域转移到建筑的后部，并准备装运。当我们往回走到大楼的前面时，我们在印模形成室前左转，进入它后面的一个实验室。这个分析实验室是使用差示扫描量热计（DSC- differential scanning calorimeter）检查零件样品结晶度的地方。“我们用它来验证工艺参数，”索尔克斯说，“例如，以确认我们的冷却周期。然后，我们使用我们的工艺控制来确保每个零件都符合规范。”对面的角落是一台六角制造智能坐标测量机（CMM-coordinate measuring machine），用于在最终确定工艺规范之前验证几何精度。

五年后

当参观结束时，我请团队在五年内描述一下这个生产车间。“我们将有专门建造的生产工作站，”索尔克斯说。“我们现在有非常灵活的设备，但新工作站的安装将针对一系列零件进行优化，最有可能是AAM。五年后，我们还将获得商业航空原始设备制造商的混合工艺资格，这将为我们和其他零件制造商开展进一步的应用。”

玛泽拉补充道：“这些资格是已经在进行的投资和项目。”。“有些将在近两年内上线，但到五年，我们现在活跃的一切都应该达到TRL（技术准备水平-9）。”索尔克斯指出，还应该完成四到五个热塑性复合材料的NCAMP公共数据库， “这将使我们能够帮助我们的客户获得FAA和EASA的零件认证。现在，一切都是点设计，但五年后，这将变得容易得多。这就是为什么存在这个专门的复合材料解决方案设施的真正原因——利用设计和开发能力以及聚酮专业知识，以及我们在这里学到的工艺和生产经验，以及将其应用于将铝、钛或热固性复合材料设计转化为可在工业规模上生产的热塑性混合复合材料零件。”

精密热塑性塑料零件制造商扩展到混合复合材料领域，以帮助满足OEM对更高性能的需求，同时减少重量、成本和交付周期

从颗粒到磁带，再到两者的混合体。Tri-Mak已从高性能注塑零件扩展到连续纤维增强热塑性塑料和二次成型混合复合材料零件，在保持其最小开发和生产时间的制造理念的同时，提供了一个数量级的机械性能改进。

图1. 处理复杂性而不复杂。Tri-Mak的混合材料将连续纤维复合材料与注射成型相结合，在成本和时间上有效地增加了肋条和其他几何复杂性。

图2. 充分利用机器。Tri-Mak投资于自动化注塑和数控加工系统，以不断提高其效率和灵活性。

图3. 采用的RELAY技术取代了最初由Fiberforge开发的Tri-Mak的RELAYS机器，该机器将预浸料条应用到可移动的桌子上，以构建量身定制的层压坯料。

图4. 继电器按下combo=超低孔隙率。完成后，将量身定制的坯料从RELAY机器中取出，并在加热的500吨压机中进行固结，将空隙率降至<2%。

图5. 通过冲压将坯件中继到零件。固结坯料可以转换成扁平零件，也可以通过冲压成形加工成复杂形状。

图6. 新的机器人工艺压缩了高端混合生产。Tri-Mak最新的混合工艺输入碳PEEK UD带、碳填充PEEK成型颗粒和金属插入件，并使用ABB五轴机器人和Engel成型机，消除了冲压成型步骤和成型工具，从注塑模具中直接输出具有集成支座和金属插入物的成品复合材料零件。

Tri-Mak Plastics Mfg.Corp.（美国布里斯托尔，RI）成立于1974年，旨在制造飞机发动机的摩擦磨损塑料零件，已成为高精度、高性能热塑性零件的完全集成供应商，不仅适用于航空航天/国防工业，也适用于工业设备和医疗部门。

Tri-Mak总裁威尔·凯恩（Will Kain）表示：“制造商一直面临着提高性能、同时在不牺牲质量的情况下降低成本和交付周期的压力。”。Tri-Mak满足了行业对单一来源合作伙伴的需求，提供设计协助和材料/工艺开发，直至资格鉴定和商业生产，同时缩短了客户的交付周期。销售和市场总监汤姆·克内斯（Tom Kneath）指出：“以前分配给18个月的项目现在必须在3个月内完成。”。“因为我们在内部做了很多工作，包括工具设计和制造、成型、多轴加工和粘合/组装，所以我们控制了时间线。”Tri-Mak开发了一种合作的新产品导入（NPI-new product introduction）流程，其客户开始依赖该流程来满足当今紧张的开发时间表。

现在，该公司的规模和提供的技术都在增加。Tri-Mak去年将其新的先进复合材料中心（ACC-Advanced Composites Center）增加了一倍，达到1115平方米，正在其主楼重复这一过程，包括扩大工程和生产流程，并开发了连续纤维增强塑料和二次成型热塑性复合材料的自动化过程（图1）。

克内斯说：“我们将金属和热固性材料转化为热塑性和热塑性复合材料。”。“我们使用耐高温、耐化学性强的材料和由单向胶带制成的定制层压板。与注塑成型相比，连续纤维胶带的机械性能提高了10倍，与不锈钢相比，重量减轻了70%。”

工程聚合物零件

CW参观从Tri-Mak的工程办公室开始，克内斯在那里展示了波音787上空气分配系统的注塑部件。他解释道：“注射成型复杂形状的优势在于转化成本低。”他指出，注射成型工艺可以在很短的时间内从增强的热塑性塑料颗粒中产生复杂的几何形状，而将金属转化为相同的几何形状需要数小时。克内斯说：“与金属相比，我们可以在2-3分钟内成型一个完整的网状零件，材料浪费和加工时间更少，我们还可以插入模具硬件进行紧固。”

Tri-Mak丰富的材料知识建立在创始人爱德华·J·麦克（Edward J.Mack）的早期工作基础上，爱德华·J·麦克是聚合物化学和摩擦学（材料摩擦、磨损和韧性）的先驱，制造增强/填充聚四氟乙烯（PTFE）衬套。此后，该公司开发了一系列聚合物的专业知识，包括聚醚醚酮（PEEK）、苏威（Solvay）公司的Torlon聚酰胺酰亚胺（PAI）、SABIC公司Ultem聚醚酰亚胺（PEI）和聚酰亚胺，如Vespel公司（美国威尔明顿杜邦公司）。

克内斯说：“我们的主要客户群是商业和军事航空航天，但他补充道，“我们也为具有苛刻负载和温度要求的专业应用提供产品，例如低温设备。”

由于这个利基市场，协作工程是Tri-Mak的一个关键优势。“我们支持为制造而设计，但可以克内斯说：“还要审查图纸并进行必要的验证和质量检查。Tri-Mak的认证包括AS9100和ISO9001:2008，以及用于复合材料粘合的Nadcap。克内斯表示：“我们有指定供应商质量代表（DSQR-Designated Supplier Quality Representatives ），有权批准货物直接在航空航天原始设备制造商处库存。”。

他打开一扇门，从办公室通往一个1860平方米的生产区，里面装满了自动注塑机和数控车削机。克内斯走过一排车床时说：“我们确实有一些较旧的设备，对特定的零件仍然能很好地工作。”。我们也去了自动化程度更高的新设备因为它提供了效率和通用性。他指着一排自动化数控工作站补充道。“这些可以同时加工一个零件的前部和第二个零件的后部。”（图2）

然后，参观团将穿过Tri-Mak自己制作注塑模具的工具室。它具有制造模具部件所需的各种金属加工设备，包括电火花加工中心。与工具室相邻的是注塑部门，该部门容纳了14台压力机，重量从28吨到720吨不等。Tri-Mak专注于持续改进，在过去三年中购买了四台新的注塑机和一个自动化机器人成型工作站。

参观团离开Tri-Mak的主楼，穿过一条小路前往ACC。 克内斯说：“作为新英格兰的制造商，纺织厂曾领导过美国工业革命，我们明白我们必须不断更新我们的制造方法。”。“我们一直期待着下一步的发展。”然而，添加复合材料的决定并非轻率之举。

复合材料的新功能

凯恩说：“有人会说，我们一直在制造复合材料，因为塑料是用短纤维填充或增强的。但我们现在所做的是保持特定方向的连续纤维——比填充树脂强一个数量级。”

这一发展是基于主要客户对他们正在探索的新技术的反馈。凯恩说：“我们评估了自动化胶带铺设和原位整合，但六年前，当我们希望实现这一转变时，我们认为RELAY将是铺设胶带和制造我们设想的零件的最快、最有效的方式。”RELAY是一款自动热塑性胶带放置机，由现已倒闭的Fiberforge（Glenwood Springs，CO，US）开发，用于其量身定制的坯料预成型技术。当CW在2006年访问FiberForge时，定制的金属坯料已经在汽车行业广为人知。在复合材料中，定制坯料只是通过在产生特定性能所需的位置和方向上铺设纤维增强热塑性胶带而制成的扁平复合材料层压板（图3）。

凯恩说：“我们的RELAY机器可以以7米/分钟的速度生产1平方米的坯料。”。它可以使用单向（UD）形式的玻璃纤维、碳纤维和其他纤维，以及各种热塑性基体，但对于Tri-Mak的目的，重点是更高端的材料：PEEK、聚醚酮（PEKK）、聚苯硫醚PPS和PEI。Kneath评论道：“对我们来说，尼龙是最底层的。”。通过两个筒子架，该系统还可以同时运行两种物料。

计算机控制的RELAY测量、切割预浸料带，并将其应用到可以在x、y和z轴上移动的平板上。凯恩解释道：“第一层是通过真空固定的，随后的层通过超声波焊接固定在一起。”坯料可以设计成带有窗口和衬垫，使Tri-Mak能够优化坯料的效率和性能。

完成后，将定制好的坯料从RELAY机器的工作台上取下，放入加热的500吨压机中，以固结层压板（图4），将空隙率降至2%以下。这些固结坯料可以转化为扁平零件，也可以通过冲压成型加工成复杂形状（图5）。

冲压成型前，坯件必须在红外烘箱中重新加热至热成型温度。一个具有灵活设计的自动穿梭系统将坯件送入烤箱并送至压力机，在那里，坯件使用Tri-Mak设计和制造的模具形成复杂的形状。凯恩说：“我们有多达36层的生产坯料。”。“我们可以走得更高，但还没有必要。”他指出，毛坯的固化率是为了达到PEEK等半结晶基质所需的结晶度，同时防止翘曲。在压机和烤箱中的循环时间通常只有几分钟。然后，可以使用喷水器或几个多轴数控铣床中的一个对这些热成型成型的层压板进行机加工，以生产成品零件。

混合复合材料

 

Tri-Mak一直在利用其热塑性塑料专业知识开发所谓的混合材料：二次成型的热塑性复合材料用热塑性树脂制造复杂形状的肋条、凸台、模制插入件和连接点。混合材料减少了零件数量和加工步骤，有助于实现成本/重量目标。

凯恩说：“我们认为混合复合材料技术能够提供两个世界中最好的：连续纤维复合材料的强度和刚度，以及注射成型的成本效益和时间效益。”。他指出，Tri-Mak多年来一直在使用注塑PEEK以非常有效的方式生产复杂的几何形状。凯恩解释道：“能够将这一优势扩展到复合材料的关键是，要使您的聚合物系统保持稳定，并拥有PEEK和Victrex新型低熔体PAEK等系列产品，这可以在成型的定制坯料和二次成型之间实现真正的熔接。”，其使用预热至200°C的单碳/PAEK坯料，并用Victrex PEEK 150CA30（30%碳纤维增强化合物）二次成型，以实现比同类金属支架轻60%的零件，同时在测试中表现出强大的性能。

一项新的开发是一种全PEEK混合面板，由Tri-Mak使用其机器人成型工作站设计和制造。254毫米乘229毫米面板的材料输入为碳纤维/PEEK UD胶带、碳纤维填充PEEK成型颗粒和金属插件。这个UD胶带使用RELAY机器贯穿Tri-Mak的铺放和固结过程。接下来，ABB股份有限公司机器人部门（美国密歇根州奥本山）的5轴机器人和ENGEL（奥地利施韦特伯格）成型机（图6）共同工作，在注塑模具中形成最终的复合材料形状。

凯恩指出：“这消除了冲压成型步骤和成型工具，降低了生产部件的总体成本。”。“注塑操作还增加了支架，并捕获了金属插入件，从而在模具外形成成品。其结果是为高性能解决方案提供了一种低成本的制造方法。”

保守、稳定增长

在CW参观期间，先进复合材料中心（ACC）大楼仍处于过渡阶段。工作人员正在重组和精简业务，安装新设备并为生产区配备设备。ACC现在拥有一个质量控制和材料测试实验室，配备标准物理测试机和无损检测设备，包括奥林巴斯（马萨诸塞州沃尔瑟姆，美国）相控阵超声波系统。相邻的组装和粘接部门包括激光打标设备和环氧复合材料粘接单元。后者与Gruenberg烘箱（Thermal Product Solutions，New Columbia，PA，US）一起使用，以加速固化循环。Tri-Mak还能够使用室温硫化（RTV-room temperature vulcanization ）硅树脂集成边缘封闭和密封功能。560平方米的数控铣削室现在位于冲压区的正后方，拥有9个多轴HAAS铣削中心，包括通过机内探测进行检查。

凯恩指出，Tri-Mak的增长是复合材料和传统业务的混合。“我们了解航空航天的周期性，”他说，“经历了许多起伏。”与此同时，该公司认识到新兴技术的潜力，以及尽早参与寿命长的新制造项目的重要性。其与客户协作方式的好处之一是对新技术和程序采用曲线可能相交的地方的更好理解。凯恩表示，目前的目标是提高Tri-Mak复合材料的尺寸和效率：“我们已经研究了Coriolis（法国奎文）和其他用于下一代产品的设备。”对于未来，他希望探索能够提高复杂性并扩大零件性能的技术。“毕竟，我们越能提高客户的成功率，我们就越能成功。”

混合二次成形设计：此CAD图像显示了具有PEEK二次成形（绿色）的连续纤维增强PAEK复合材料（红色）。

最低重量的最佳性能：混合成形工艺使用平坦、低温的VICTREX PAEK复合材料基材，该基材由短纤维增强PEEK与共成型金属插件包覆成型。最终制成的支架比同类金属部件轻60%。

成品支架，带有一个额外的端部插件，准备安装。

表1:Victrex PAEK A250与PEEK 150

在复合材料行业，聚醚醚酮（PEEK）的使用最近出现了热冲压飞机机身角片和支架的增加，这些角片和支架由具有编织和/或单向增强的预固结坯料制成。（但那些使用和填空的人都认识到了它们的局限性。

PEEK供应商Victrex Polymer Solutions（英国兰开夏郡Cleveleys）的航空航天战略业务总监蒂姆·赫尔（Tim Herr）表示：“大约3-4年前，我们认识到压缩成型层压板没有提供飞机设计师所追求的设计灵活性和制造效率。”。赫尔的Victrex团队和航空航天零件制造商Tri-Mak（美国布里斯托尔，RI）利用其在飞机行业25年的填充和未填充注塑塑料零件（如支架和垫片、管道、外壳和电气连接器）中的高温高性能树脂历史开始探索注射二次成形的概念，作为克服预固结坯料热冲压固有局限性的一种手段。

“该行业需要二次成形，”他解释道，就像现在汽车行业聚酰胺和聚丙烯常见的有机片材工艺一样。航空航天零件制造商Tri-Mak（Bristol，RI，US）已经开始探索这种类型的PEEK加工，作为其热塑性复合材料开发的一部分。现在展示了一种新的PEEK混合成型工艺，该工艺使用低温连续增强的Victrex聚芳醚酮（PAEK）复合材料作为基底，用短纤维增强的PEEK进行二次成形，以生产出比可比金属部件轻60%的高性能负载支架。

混合复合材料塑料加工

Tri-Mak销售总监汤姆·克内斯（Tom Kneath）表示：“我们的想法是将热塑性塑料的耐化学性和可塑性与复合材料的高性能和轻重量相结合。”。“只有这样，热塑性复合材料才能进入到新的应用领域，因为塑料本身具有所需的机械性能。”但有机片材工艺并非没有问题。传统的步骤包括将预固结的热塑性层压板预热至再熔化温度，转移至打开的注塑模具，关闭模具以热成型坯料，然后用填充纤维的熔体进行注塑二次成形，以提供最终的三维表面。Victrex必须解决一系列问题，包括预热过程中基材的支撑、成型过程中纤维取向的控制、对均匀坯料厚度的潜在限制以确保基体熔化，以及在包覆成型过程中确实会融合在一起的聚合物的开发。

赫尔说：“我们可以在PEEK上成型PEEK，但它不能融合在一起。”。基质的融合需要具有比二次成形更低的熔融温度的基底。赫尔指出：“如果你不把两者融合在一起，你就无法巩固这一部分。”。“所以，我们需要一种具有PEEK特性的低温加工PAEK。”将PAEK视为聚合物家族——Victrex可以制造不同的配方，每种配方都有特定的分子量、熔体温度和Tg——PEEK是一种。因此，Victrex开发了PAEK A250聚合物，熔体温度为305°C（见表1，左侧）。赫尔声称：“我们不仅能够使用PEEK进行二次成形，而且能够在与PPS或PEI类似的加工温度下使用当前设备实现PEEK型性能。”

Victrex还证明，在成型过程中可以保持纤维取向，并且基底层压板厚度有可能发生变化，这使得最终零件的刚度能够进行局部调整。该工艺所需的能量低于预期，基板预热通常保持在200°C。

二次成形为航空复合材料成型者提供了两个成形“世界”中固有的优势：克内斯评论道，复杂的航空热固性复合材料可以在低重量下提供所需的功能和强度，但“需要手工叠层和热压罐处理，导致零件生产需要数小时到数天”。

相比之下，纯热塑性塑料的注射成形在几分钟内产生复杂的部件，但限制了成型者优化零件功能的能力。克内斯指出：“这种混合工艺的优点在于，你可以把材料放在你需要的地方，而不是标准的注塑成形，在标准的注塑成形中，你不能很容易地选择性地加固零件。”

因为基材坯料是多层复合材料叠层，所以它们很容易针对特定性能和/或负载处理进行定制。例如，Tri-Mak能够使用内部自动化成型工作站在坯件中放置和定向UD胶带。事实上，该公司的先进复合材料中心毗邻其主工厂，专门设计用于实现复合材料的自动叠层、固结和热成型，并结合其传统的注塑能力，在航空航天应用中取代金属和热固性复合材料。

构建更好的支架

为了演示这个过程，Tri-Mak需要一个能够传递信息的部分。克内斯说：“航空航天中使用的支架太多了，我们用热塑性复合材料制作了一个简单的支架，所以我们决定设计一个复杂的支架形状，也能承受很大的载荷。”该设计分为三个轴，包括四个安装点，这些安装点依赖于PEEK二次成型中的共同成形金属插件，后者是Tri-Mak的无增强热塑性支架的典型特征。克内斯描述道：“我们将航空航天级碳纤维增强PAEK基板和四个金属插件装入标准注塑模具中。”。“我们使用标准工艺将VICTREX PEEK 150CA30”——30%碳纤维增强化合物——“注射到基底上，几分钟后，我们就有了一个集成组件，将PEEK复合材料的性能与注射成形的成本效益相结合。”（见上图。）初步测试显示，PAEK和PEEK基体之间的结合非常牢固。克内斯断言：“这将在工程界开始利用这项技术设计零件时建立信心。”。

“设计的灵活性是巨大的，”他补充道，并指出用锻造金属制成的相同支架需要大量的机加工。“这很容易通过2-3分钟的注射成形来克服。”克内斯承认这会带来工具成本，但他表示回报通常很快。“大多数航空航天公司都会说他们没有注塑的数量，但我们已经注塑航空航天零件40年了，知道如何设计平衡现金和性能要求的工具。”

扩大PEEK的范围

赫尔声称：“我们从飞机制造商和市场上的其他公司那里得到了响亮的回应。”。“这项技术为工程师们提供了设计一个非常坚固但重量轻、承载能力强的部件的灵活性。”他解释说，这也是中国商用飞机公司（COMAC，Shanghai）全力参与并积极研究PEEK在哪里可以取代重而昂贵的金属的原因之一。

克内斯说：“这是一项使能技术，提供了许多超越支架的机会。”他补充道，考虑到PEEK的机械和高温性能以及耐化学/腐蚀性，很少有领域不适合使用它。“我们可以谈论更复杂的外壳或具有非常薄、二次成形的纤维增强肋的不同类型的面板。”Tri-Mak也看到了赋予多功能的过程中的机会。克内斯说：“我们已经评估了增加雷击保护（LSP-lightning strike protection）路径或电磁屏蔽（EMI- electromagnetic interference ）的技术。这通常是通过二次涂层或在叠层中添加金属层来实现的。”但Tri-Mak现在正在探索如何通过混合加工中使用的化合物来实现这一点。

赫尔说：“我们看到了在航空航天领域显著扩大PEEK应用的真正机会。”。克内斯说：“下一步，我们也在探索其他行业的应用。”

参见原文：

1. 《Plant tour: Victrex Composites Solutions, Bristol, Rhode Island, U.S.》 2022.2.25

2. 《Plant Tour: Tri-Mack Plastics Manufacturing, Bristol, RI, US 》 2016.12.30

3．《Overmolding expands PEEK’s range in composites 》2015.7.1

杨超凡 2024.2.29