了解热塑复材(TPC)冲压成形的基础科学，由于其快速成形、短循环时间和自动化方法，热塑复材(TPC)冲压成形是一种在航空航天和移动应用中稳步发展的制造工艺。

连续纤维增强热塑性复合材料（TPC）具有高固有韧性、焊接组装、可回收性、快速成型，从而降低了零件成本。例如，使用热固性复合材料，冲压成型可以在几分钟内生产TPC零件，而不是几个小时。每架空客A350飞机上使用了5000多个冲压成型的TPC角片和支架（注：在此前我看到的资料中，A350机身使用了约1500个角片和支架。波音787机身使用800多个），ATC Manufacturing、Collins Aerospace Almere（前身为荷兰热塑性部件）、空客（前身为Premium Aerotec）和Daher等供应商每年为各种飞机共制造了100多万个零件。

图1. 冲压成型和典型的热塑性复合材料（TPC）航空航天零件

短循环时间和自动化方法是满足下一代窄体商用飞机、先进空中机动(AAM- aircraft, advanced air mobility)、无人机(UAV- unmanned aerial vehicles）和无人机所追求的高生产率的关键。它们还可以降低复合材料零件和组件的成本。

冲压成型概述

TPC材料快速成型为零件可以描述为热成型、压缩成型、冲压成型或冲压。我更喜欢术语冲压成型（图1），因为热成型、压缩成型和其他术语可以指一系列工艺，但并非所有工艺都是快速成型。冲压成型过程始于预固结的毛坯，该毛坯被快速加热，然后被转移到一组快速闭合的成型模具中，该模具对毛坯进行成型并冷却零件。循环时间为90秒是可能的，甚至可能很长。

复杂零件可以在不到15分钟内形成。冲压成型过程中的关键步骤包括：

• 材料准备
• 坯料抓取
• 坯料处理
• 坯料加热和转移
• 零件成型、冷却
• 工具注意事项。
•  

材料准备

该零件由预固结的毛坯形成，其质量对成品零件的性能至关重要。为了快速成型，必须在成型前对坯料进行固结，以确保热量快速传递到材料中，并确保层板的高质量固结。零件制造商可以从织物层压板（也称为有机板材）上切割坯料，这些板材由几家材料制造商提供，尺寸可达12×4英尺（3.7×1.2米）。对于更多的结构应用，单向（UD）胶带经常与定制的层取向一起使用。这种坯料通常是非矩形的，厚度可以变化。大多数TPC UD胶带的宽度仅为12英寸（305毫米），边缘必须在接缝处连接，不得有间隙或重叠。对于厚度可变的零件，层板边缘在坯料中的位置是满足设计公差的关键。最初认为毛坯必须满足与成品零件相同的质量要求，近年来，具有高度固结（但不是100%）的毛坯已被证明是足够的。这开辟了其他坯料制备和合并方法。

图2. 毛坯制造和固结方法。

有几种方法可用于制备UD胶带坯料（图2），包括手动和自动帘布层组装、自动胶带铺层（ATL）和自动纤维铺放（AFP）。可以手动或使用商用设备制备适当方向（例如0°、45°、90°）的很长的长度单层。

TPC材料没有粘性，因此必须对层板进行局部加热，使其以适当的方向相互粘附。这可以通过手动或自动热焊接或超声波焊接方法来实现，沿着接缝将相同方向的层彼此连接，并通过厚度将相邻的层彼此缝合。在热固性预浸料中，ATL与宽带一起使用，以制作平坦或平缓弯曲的叠层，而AFP使用窄带制作轮廓叠层。相比之下，TPC坯料通常是平的。低能量可用于制造松散的叠层，然后必须在进一步的操作中固结，或者高能量可用于充分固结坯料，坯料可以直接用于冲压成型。因此，我使用高能量或低能量的自动胶带放置（ATP）一词来区分这些方法，而不管预浸料宽度如何。连续压缩成型（CCM- Continuous compression molding）也会产生坯料，按照所需的方向整理胶带，形成堆叠的叠层，然后在同一过程中立即固化。

坯料合并

有许多方法可以将叠层固结成层压板，然后将其用作冲压成型坯料：

• 单次按压
• 双压机（热压机/冷压机）
• CCM
• 热压罐
• 烤箱中仅使用真空袋（VBO- Vacuum bag only）
• 高能量储存（ATP）

在冲压成型过程中，坯料将被重新加热到熔融温度，因此坯料中的聚合物微观结构即使对于半结晶聚合物也不会影响最终零件。

压制方法发展良好，可以高度自动化。压制技术用于制造恒定厚度的层压板，选择的方法将取决于所需的体积、资本支出和经常性成本。单次压制法的循环时间较长，但可以在每层之间使用填缝板同时固结多个层压板。在双压机方法中，“热”和“冷”压机分别保持与工艺温度和凝固温度相对应的恒温，坯料自动穿梭于两台压机之间。CCM能够实现连续、自动化的制造，使层片在适当的方向上自动移动通过带有热区和冷区的模具，以生产非常长的层压板。

使用热压罐进行TPC似乎违反直觉，但它可以用于同时固结多个层压板以及制造可变厚度层压板。VBO炉固结是一种类似的方法，但仅使用真空压力（14.7 psi/0.101 MPa）而不是全热压罐压力（通常为100 psi/0.7 MPa），其优点是不需要压力容器。大面积高温炉的价格低廉，与热压罐或压力机相比，可以大大降低资本成本，同时经济地固结非常大的层压板。VBO已被证明可以提供高质量的坯料，尽管这取决于UD胶带，我将在稍后的故障排除文章中讨论。最后一种选择是高能ATP，用于实现高度的固结，通常超过90%。对于大型、非矩形、特别是厚度可变的坯料，这是一个不错的选择。

坯料处理

必须将固结层压板加工成成品零件的适当尺寸和形状，并在加热和转移过程中保持坯料。这通常是使用夹具或根据零件尺寸成形的固定架完成的（图3）。附加装置可以包括弹簧，以在模具中成形期间控制坯料的运动。它也可以由不会阻挡加热的聚酰亚胺薄膜支撑。坯料通常在冲压成型前干燥，以防止高性能热塑性聚合物吸收的少量水分在坯料快速预热过程中导致最终零件出现孔隙。

图3. 坯料保持方法

坯料加热和转移

通常在红外炉中，在几分钟内将坯料加热到工艺温度。对于较大的零件，使用多区烤箱来确保整个毛坯的均匀加热。虽然快速加热可以缩短循环时间，但最终坯料温度必须在特定范围内，足够高以确保熔化和聚合物流动，但不能进入聚合物会降解的范围。必须在坯料的整个长度、宽度和厚度上满足这些条件。

使用包含嵌入式热电偶的坯料进行试验以调整工艺条件是正常的。图4显示了厚度为0.2英寸（5毫米）的UD碳纤维/PEKK带坯中嵌入式热电偶的热迹线。热电偶位于零件的多个位置，包括靠近表面和厚度中心。在加热过程中，不同位置的痕迹分散非常小，温度在644-752°F（340-400°C）的PEKK工艺温度区趋于平稳。坯料通常被加热一段固定的时间，因此重要的是每个循环的加热都是一致的，并且在加热循环结束时坯料温度的变化率很小，如图4所示。

图4. 单向（UD）碳纤维增强带部件冲压成型的热电偶痕迹。厚度为0.2英寸（5毫米）

该过程中一个很小但非常关键的步骤是将坯料从预热炉转移到冲压机。这必须迅速完成，因为坯料一离开烤箱，温度就会迅速下降（图4）。从烤箱到压机的公认最长时间为5秒。聚合物处于熔融状态，坯料的完整性由纤维增强材料保持，因此坯料通常会下垂，甚至可能从夹具中滑落。在设计夹持机构以及在成形工具上的转移和放置时必须考虑这一点。

图5. UD TPC胶带中的流动过程

图6. 实际形成问题。

零件成型、冷却

为了实现所需的短循环时间，压机必须快速关闭以形成零件，并且工具必须保持恒温。这种要求组合带来了挑战，因为连续纤维增强材料必须快速一致地流动，同时冷却速度非常快，从而导致聚合物粘度的增加。

在成型方面，有多种流动过程（图5）。在织物增强部件中，编织限制了纤维变形量。但使用UD胶带时，层板可以横向和剪切流动，可能会导致层板变薄、桥接和起皱等特征（图6）。纤维横向于成型方向的UD带层可以在拐角处扩散，导致变薄，而拐角外侧的纤维可能会导致桥接。在成型过程中受到压缩的帘布层（例如，在拐角内侧）会起皱，这对结构零件来说是不可接受的。为了控制成形过程中的层板变形，通常会张紧坯料，有时会使用弹簧加载的张紧器（图3）。

当毛坯被成型为成品零件时，它会迅速冷却（图4）。外层在接触时几乎立即冷却到工具温度，甚至内层也迅速冷却到模具温度。

对于半结晶材料，必须选择工具温度，以平衡材料流动和形成零件的能力，以及所需结晶度的固化和发展。聚合物的粘度随着材料的冷却而迅速增加，限制了材料的流动。半结晶聚合物在冷却时在结晶温度下固化，但该温度取决于冷却速率，结晶程度取决于零件温度在工具上达到平衡时等温条件下的时间和温度。典型的冷却循环包括初始冷却过程中的非等温结晶，然后是等温结晶。聚合物的体积在结晶过程中发生了显著变化，聚合物模量随之增加，随着材料冷却到玻璃化转变温度（Tg），然后冷却到环境条件，聚合物进一步收缩。

聚合物和复合材料供应商开发了大量关于冷却速率和等温时间和温度如何影响结晶的数据，并且应该能够提供最快结晶速率和达到最大结晶度所需时间的推荐温度。

工具注意事项

由于聚合物体积在冷却和固化过程中显著减少，因此成型零件的尺寸在冷却过程中会发生变化。即使在固化时，由于聚合物冷却到环境温度，尺寸也会发生变化。这会导致“弹簧”效应，即成品零件的角角度小于工具的角角度。这可以建模，结合工具和TPC材料的热膨胀系数（CTE）与温度的关系。当然，复合材料的CTE是高度各向异性的，因此必须考虑每层特定铺层方向的CTE。

工具温度通常超过400°F（204°C），以允许TPC的形成和结晶，当坯料接触工具时，其温度更高，因此通常需要金属工具。一个模具上的弹性体模具或弹性体表面金属模具在形成复杂零件方面具有优势，提供了一些合规性，以确保成品零件的高质量成型和固结。

图7. 用于使用UD TPC胶带形成可变厚度机身框架的多部件工具

最常见的模具设计是匹配的两部分模具组，但对于更复杂的零件，多部分模具的使用正在增加。例如，可以使用两个主模具形成网，然后可移动部分可以折叠凸缘。Spirit AeroSystems在形成弯曲和可变厚度机身框时演示了这种方法，如图7所示。

建模和仿真

自CW 2021年发表热成型文章以来，模拟方面取得了很大进展。现在可以使用来自AniForm等组织的软件来实现非常精确的成形和热效应模拟，以及用于热性能的Convergent Manufacturing等。可以提前识别潜在的问题区域，并对毛坯设计、层板方向、毛坯张紧和模具设计进行虚拟调整。模拟现在可以适应材料工具摩擦、可变厚度零件和柔性工具。

使用UD TPC胶带对复杂零件成形过程中的变形应变进行建模，如图8所示。热建模可以预测熔融和结晶过程中的热滞后、热梯度以及冷却过程中的粘弹性行为。这使得能够计算残余应力并预测回弹和翘曲，以设计热补偿模具。

图8. 使用UD TPC胶带和AniForm软件在窗框

 

组件成型过程中的材料应变偏差

 

现在，TPC冲压成型的基础科学已经得到了很好的理解，有动力利用其在航空和其他行业的广泛应用。它的持续发展将导致TPC在未来得到更广泛的应用。

 

冲压成型发展

 

尽管存在明显的挑战，但冲压成形现在已经很好地用于中小型TPC部件的高速制造，并且由于在速度和成本方面的优势，人们对将冲压成形推进到更大、更复杂的结构部件中非常感兴趣。以下是一些当前项目的例子，其中包括冲压成型的进步。

 

热塑性复合材料研究中心（TPRC）：TPRC成立于2009年，对TPC进行了基础研究，包括几个评估和建模快速成型工艺的项目。

 

公开报告可通过其网站获得。

 

多功能机身演示器（MFFD）：这个为期10年的清洁航空计划包括12个欧洲组织，他们合作制造了一个8×4米的TPC机身演示器。

 

该组件获得了2025年JEC航空航天零件创新奖。几个结构零件是使用冲压成型的单向（UD）带制造的。这为TPC主要结构部件的生产奠定了基础，并展示了TPC结构的协同设计和装配优势，包括焊接，如长桁到蒙皮。

 

空中客车不来梅工厂：空中客车不来梅工厂最近调试了一台由Pinette Emidecau Industries制造的5×2米高温快速成型机。被描述为世界上最大的TPC冲压机，它能够制造大型结构件，据报道，它包括在<5秒内将坯料从红外加热器转移到冲压机，以及同时将两个坯料带到冲压模具的能力。

 

美国宇航局高速复合材料制造（HiCAM）计划：美国宇航局HiCAM计划是一个由20多个组织组成的公私合作联盟，旨在为下一代窄体商用飞机的大型复合材料结构实现生产准备。

 

其中两个主要目标是达到每月80-100架飞机的速度，并降低复合材料结构的成本。方法包括热固性预浸料、树脂注入和TPC技术。冲压成形被视为许多结构的关键技术。

 

美国航空航天材料制造中心（AAMC）：AAMC技术中心的成立是为了提高用于航空航天应用的大型TPC结构的高制造准备水平。该联盟包括行业合作伙伴波音、柯林斯、Spirit AeroSystems、ATC Manufacturing、Syensqo和东丽。正在建立一个设施。

 

原文,《Troubleshooting thermoplastic composite stamp forming》

杨超凡