目前，复合材料结构制造工艺较多，可以适用不同结构的生产制造，但考虑到航空领域尤其是民用飞机的工业化生产效率及生产成本，改进固化工艺以减少时间、降低成本迫在眉睫。快速成型技术(Rapid Prototyping)是一种基于离散、堆积成型原理的新型制造方法，是一种低成本快速成型技术，常见的有模压快速成型技术、液体成型技术、热塑性复合材料成型技术等。

01模压快速成型技术

模压快速成型技术是将预先铺贴好的预浸料毛坯放置在模压模具中，合模之后通过升温加压使得毛坯密实固化的工艺方法，模压成型速率快、制品尺寸准确、成型质量稳定均一，结合自动化技术，可实现碳纤维复合材料结构件在民用航空领域的批量化、自动化、低成本制造。

模压成型步骤：

①获得一个高强度金属模具，该模具与生产所需零件的尺寸完全匹配，然后将模具安装在压力机中并加热。

②将所需的复合材料预成型为模具的形状。预成型是至关重要的一步，有助于提高成品零件的性能。

③将预成型的零件插入加热的模具中。然后将模具在非常高的压力下压缩，通常范围为800psi至2000psi（取决于零件的厚度和所用材料的类型）。

④释放压力后，将零件从模具上卸下。然后将毛边清除。

模压成型的优点:

出于多种原因，模压成型是一种流行的技术。它之所以受欢迎，部分原因是它使用了先进的复合材料。与金属零件相比，这些材料往往更坚固，更轻并且更耐腐蚀，从而产生出机械性能更好的物体。

模压成型的另一个优点是它能够制造非常复杂的零件。尽管该技术不能完全达到塑料注射成型的生产速度，但与典型的层压复合材料相比，它确实提供了更多的几何形状。与塑料注塑相比，它还允许更长的纤维，从而使材料更坚固。因此，模压成型可以看作是塑料注射成型和层压复合材料制造之间的中间地带。

1.1 SMC成型工艺

SMC是板材成型复合材料的缩写，即板材成型复合材料。主要原料由SMC特种纱线、不饱和树脂、低收缩添加剂、填充剂及各种添加剂组成。20世纪60年代初，它首次出现在欧洲。1965年前后，美国和日本相继开发了这项技术。上世纪80年代末，中国引进国外先进的SMC生产线和生产工艺。SMC具有优越的电气性能、耐腐蚀、重量轻、工程设计简单灵活等优点。其机械性能可与某些金属材料相媲美，因此被广泛应用于交通工具、建筑、电子电气等行业。

1.2 BMC成型工艺

1961年，德国拜尔公司开发的不饱和树脂片状模塑料（Sheet Molding Compound，SMC）面市。20世纪60年代，团状模塑料（Bulk Molding Compound，BMC）开始推广，其在欧洲也被称为DMC（Dough Molding Compound），其早期（20世纪50年代）是不增稠的；而按美国定义，BMC就是增稠的BMC。日本在接受欧洲技术后在BMC应用及发展上颇有成绩，到20世纪80年代，技术已十分成熟。迄今BMC所用基体一直是不饱和聚酯树脂。

BMC属于热固性塑料，基于材料特性，注塑机的料筒温度不能太高，便于材料流动即可。因此，在BMC的注塑成型过程中，控制料筒温度十分重要，必须有一套控制系统来确保温度的适宜性，以使加料段到喷嘴的温度达到最佳状态。

1.3纤维增强热塑性复合材料直接在线成型（LFT-D）

1990年左右，LFT（Long Fiber Reinforced Thermoplastics-Direct）在欧美引入市场。美国CPI公司是世界上第一家开发出直接在线复合长纤维增强热塑性塑料模塑设备和相应技术（LFT-D，Direct In Line Compounding）的公司，其于1991年投入商业运营，是全球该领域的领导者。德国Diffenbarcher公司从1989年开始研究LFT-D技术，目前主要有LFT D、Tailored LFT（根据结构受力情况可实现局部增强）、advanced surface LFT-D（可视表面、表面质量高）技术。从生产线来看，Diffenbarcher的压机水平甚高。德国Coperion公司D-LFT挤出系统在国际上处于领先地位。LFT-D模塑料制备流程如下图所示。

1.4无模铸型制造技术（PCM）

PCM（Patternless Casting Manufacturing）是由清华大学激光快速成形中心开发研制。该将快速成形技术应用到传统的树脂砂铸造工艺中来。首先从零件CAD模型得到铸型CAD模型。由铸型CAD模型的STL文件分层，得到截面轮廓信息，再以层面信息产生控制信息。造型时，第一个喷头在每层铺好的型砂上由计算机控制精确地喷射粘接剂，第二个喷头再沿同样的路径喷射催化剂，两者发生胶联反应，一层层固化型砂而堆积成形。粘接剂和催化剂共同作用的地方型砂被固化在一起，其他地方型砂仍为颗粒态。固化完一层后再粘接下一层，所有的层粘接完之后就得到一个空间实体。原砂在粘接剂没有喷射的地方仍是干砂，比较容易清除。清理出中间未固化的干砂就可以得到一个有一定壁厚的铸型，在砂型的内表面涂敷或浸渍涂料之后就可用于浇注金属。

PCM工艺通常的固化温度点在170℃左右，PCM工艺实际采用的冷铺冷脱，跟模压成型还是有一定的区别的，冷铺冷脱是在模具处于冷端的时候将预浸料按照产品结构要求逐步铺层在模具上，再根据跟你铺层结束之后将成型压机合模，提供一定的压力，这个时候利用模温机对模具进行一个升温，通常工艺是从常温升温到170℃，同时升温速率需要按照3-5℃/min，这个可以根据不同产品进行调整，大多数都是这个塑料，等到模具温度到达设定温度的时候开始保温保压对产品进行高温固化，固化完成之后同样需要利用模温机将模具的温度降温至常温，同时升温速率也按照3-5℃/min，然后再进行开模取件。

02液体成型技术

液体成型技术(LCM)是指先将干纤维预制体铺放于闭合模具型腔中，合模后将液体树脂注射入模腔中，在压力作用下树脂流动并浸润纤维的一系列复合材料成型技术，相比于热压罐成型工艺有很多优点，例如，适用于尺寸精度高、外形复杂的零件制造;制造成本低、操作简单。

特别是近些年发展起来的高压RTM工艺，HP-RTM（High Pressure Resin Transfer Molding），简称HP-RTM成型工艺。它是指利用高压压力将树脂对冲混合并注入到预先铺设有纤维增强材料和预置嵌件的真空密闭模具内，经树脂流动充模、浸渍、固化和脱模，获得复合材料制品的成型工艺。通过缩减注射时间，有望将航空结构件制造时间控制在几十分钟内，实现高纤维含量、高性能的零件制造。

 

HP-RTM成型工艺是现在广泛应用在多行业的复合材料成型工艺之一，它的优点在于可能实现相对于传统RTM工艺的低成本、短周期、大批量、高质量生产（良好的制件表面），在汽车制造、造船、飞机制造、农业机械、铁路运输、风力发电、体育用品等多行业均有应用。

03热塑性复合材料成型技术

近年来，热塑性复合材料已成为国内外复合材料制造领域的研究热点，因其具有高抗冲击性、高韧性、高损伤容限以及良好的耐热性等优点。通过热塑性复合材料焊接可以大幅降低飞机结构的铆钉和螺栓连接数量，可大幅提高生产效率、降低生产成本。据飞机结构一级供应商Airframer Collins Aerospace报道，与金属和热固性复合材料组件相比，非热压罐成型的可焊接热塑性结构有可能将制造周期缩短80%。

 

采用最合适少量的材料，选用最经济的工艺，将制品用在合适的部位，实现预定的设计目标，令产品达到理想的性能成本比，始终是复合材料从业者的努力方向。相信未来会发展出更多的成型工艺来满足生产设计需求。

 

参考文献：

[1]罗云烽,王高鹏,程文礼等.复合材料快速成型技术研究综述[J].纤维复合材料,2023,40(02):96-102.

[2]陈博.国内外复合材料工艺设备发展述评之六——模压成型[J/OL].复合材料科学与工程

1-28[2023-11-10].https://doi.org/10.19936/j.cnki.2096-8000.20211128.032.