随着工艺融合，混合成型技术正被越来越多地应用于快速、大批量生产更集成化的部件，但实现这一目标需要掌握包括新型模具开发在内的工艺知识。

多腔注塑模具的3D CAD模型，突出显示了用于复合包覆成型开发的型芯、型腔及辅助系统。

热塑性复合材料(TPC)包覆成型正加速传统注塑工艺与连续纤维TPC层压板加工的融合。汽车和航空航天团队如今需要能集成加强筋、首领结构及/或连接点的层压板，且无需额外粘接步骤。采用传统注塑一步成型这些特征时，因模具温度过低无法保证界面处充分熔融结合，常导致局部层压板变形或加强筋填充不全。

因此，包覆成型(又称混合成型)成为将注塑成型的几何灵活性与热塑性复合材料层压板面内刚度相结合的实用方法。但该工艺对模具温控、复合材料嵌件定位以及包覆层与层压板界面结合提出了更严苛的要求。在大规模生产中，即使筋条根部出现轻微温差或嵌件位置稍有偏移，都可能导致接合强度不足或表面印痕问题。

图展示了基本的包覆成型工艺：在模具内，热塑性熔体被注入预先放置的复合层压嵌件上，从而形成粘合的多材料组件。

注塑成型与包覆成型的模具对比

当混合成型从概念进入模具制造阶段时，首先面临的现实是复合嵌件的表现与熔融聚合物截然不同。模具需求迅速分化，理解这些差异将决定包覆成型单元是否能生产出稳定、可重复的零部件。

热管理决定了整个工艺窗口。需要注意的是，传统注塑模具的工作温度很少超过80-120°C。然而，由PA6、PPS或酮类材料(PEEK、PEKK、PAEK)制成的有机板材或单向(UD)带材预浸料坯制成的复合材料嵌件，所需的模具温度必须达到或超过其熔融或固结温度范围。对于PA6基材的层压板来说，这意味着表面温度需达到220-240°C；而PPS和酮类材料则要求更高的温度。

这一差距重塑了一切：加热器能力、热分区、模具钢材选择以及冷却布局。若缺乏严格的热控制，层压材料在包覆成型过程中无法实现充分的表面固化，界面机械强度将始终薄弱。

传统注塑模具与复合材料包覆成型模具在温度和工装方面的差异。复合材料包覆成型需要更高的模具表面温度（220-400°C）以及先进的工装材料，如殷钢、铝或碳纤维基嵌件，通常还需配合变温或热控制系统使用。

模具材料。标准P20或H13钢适用于大多数塑料注塑模具，但难以满足TPC加工所需的热稳定性和扩展包性能要求。针对这些高温材料的模具系统通常采用以下材料之一：

因瓦合金提供卓越的尺寸稳定性，最大限度减少热变形
铝合金可实现快速升温和冷却
当轻量化和快速循环至关重要时，会采用碳纤维(CF)复合材料模具

模具材料的热膨胀行为决定了型腔表面在反复加热和冷却循环中保持平整度的能力。任何型腔平整度的损失都可能导致嵌件移位、改变局部压力分布，并降低二次注塑的稳定性。

流动和压力行为有所不同。虽然熔融热塑性塑料在剪切作用下表现可预测，但固化的有机板材则不然。当在复合层压板上进行包覆成型时，熔体前沿可能会绕过纤维高密度区域，这会导致局部压力梯度或无法润湿富含纤维的角落。这些效应会影响包覆成型件中熔接线的形成、纤维印透现象以及肋条底部的完整性。预测这些行为需要将聚合物流动分析与层压板力学模型相结合——这是传统注塑成型模拟无法完全捕捉的。

示意图展示了包覆成型过程中聚合物熔体在富含纤维的层压材料上的流动情况。熔体前沿沿表面推进，形成局部压力梯度，从而影响润湿质量和界面结合

温控模具技术至关重要。与等温成型不同，当前许多包覆成型工艺采用变温模具技术，使型腔表面能快速升温以实现熔合，再迅速冷却以便脱模。另一些方案则采用增材制造的随形冷却通道来稳定加强筋和首领部位的温差梯度。这两种方法追求相同目标：确保层压材料在熔体接触期间保持高于熔合温度，并避免因温差过大导致融合不良或表面缺陷。

材料、工艺流程

选择包覆材料很大程度上取决于具体应用。汽车项目仍主要采用PA(聚酰胺)基材料体系，因其应用历史悠久、加热迅速可满足汽车行业短周期需求，且成本较为经济。百分之百相比之下，航空部件则需要不同的耐温曲线和耐化学性能。目前大多数航空领域包覆成型/混合成型部件采用PAEK族复合材料基板(尤以PEEK和PEKK为主)，特定情况下仍会使用PPS或PEI材料。百分之百这类树脂在转移过程中比PA材料能更长时间保持熔融温度，并在更高固化压力下形成更牢固的接合线。

混合成型工艺始于一块平板或预成型的有机板材或单向带嵌件，先将其预热至适宜的成型温度，再定型稳定以便转移至注塑模具中。实现层压材料整体温度的均匀分布往往比听上去更具挑战性，尤其是对于较厚的碳纤维/尼龙或碳纤维/聚苯硫醚叠层。预热嵌件的转移必须极为迅速；任何延误都可能导致表面温度降至相互扩散与结合阈值以下。

复合材料二次注塑工艺流程：将加热的有机板材在热成型模具中成型，转移至注塑模具后与热塑性材料进行二次注塑。

一旦嵌件放入注塑模具，加工窗口就变得非常狭窄。层压板需保持足够温度以实现聚合物链相互扩散并形成牢固结合，但又不能过度熔融导致表面失去结构稳定性。若层压板过度熔融，其表面会在注塑压力下出现褶皱或移位；反之，若冷却过度，从注塑机筒射出的熔体将无法重新熔化层压板表面，从而影响接合强度。

由于这种紧密的热平衡关系，包覆成型树脂必须具有与嵌件材料相匹配的熔体温度和热行为特性。实际操作中，这意味着所选热塑性塑料的熔点、粘度曲线和热稳定性必须能使两种材料相互扩散，同时避免层压板降解或表面变形。

材料相容性、包覆边缘的纤维取向以及层压板表面状态，往往决定着部件是可靠结合还是出现薄弱点。即使微小的不一致——如树脂富集区、表面污染或边缘受热不足——都可能以仅在机械测试中显现的方式影响接合强度。

在我们最近的一次试验中，位于美国佐治亚州康耶斯的Kemal Precision Manufacturing公司，采用含40%碳纤维的PA6有机板材与PA6树脂进行包覆成型，成功制造出一款汽车结构支架。与铝合金材质相比，该部件实现了约40%的减重效果。百分之百通过重新设计模具的加热与冷却流道，团队优化了热量传递至界面的方式以及散热速率，使得模具能更高效地达到目标温度。这种优化的热传导路径使整体成型周期缩短了约25%。

通过重新设计模具的加热和冷却路径，该团队改进了热量传递到界面的方式以及热量去除的速度，使模具能够更有效地达到目标温度。这种优化的热路径将整个成型周期缩短了约25%。

试验表明界面温度和固化压力对最终零件质量的影响极为显著。

包覆成型模具设计的创新

当复合材料嵌件进入模腔后，模具本身就成为了关键所在。混合成型工艺对模具的要求已超出传统注塑模具的设计范畴。在包覆成型过程中，需要加热、稳定并压实具有自身热历史的层压材料——同时注入的熔体必须在极短的接合时间窗内到达界面。现代模具设计必须与时俱进才能满足这些需求。

局部热区控制。混合成型工艺的成败关键在于温度控制。复合层压板很少能均匀受热，其热容量与注入熔体也存在差异。通过设置局部热区，模具既能将嵌件保持在相互扩散与接合的温度区间，又能使包覆区域快速冷却以满足循环周期要求。尤其在航空模具领域，围绕肋板根部与主要承重路径设置的独立温控区，可在避免预成型件变形的同时，确保界面温度始终高于熔融点。

高精度定位。复合材料嵌件无法像刚性金属冲压件那样保持形态。若模具支撑不够精确，有机板材在夹紧过程中可能发生移位、起皱或松弛。即使微小偏差也会改变充填时的压力流向，在结合线处形成薄弱区域。因此现代模具采用机械定位巢、轮廓匹配真空吸盘或边缘锁紧结构，确保层压材料可重复精准定位。

表面能预处理。接合过程不仅关乎温度，层压材料表面还需具备适当能量状态使熔体能够润湿并二次熔融。部分模具现已在接合界面附近集成等离子处理单元或可控表面加热板，帮助清除轻微污染物并在注塑前提升表面能。这些步骤看似细微，却往往决定了接合处是形成致密结构还是残留微观气孔。

模具表面与传感器技术。随着混合成型工艺的成熟，多项模具侧创新已成为行业标配：

微纹理模具表面。通过激光结构化技术创造的精细纹理，有助于分散压实压力并增强覆膜层与二次注塑界面的机械互锁效果。

TiN(氮化钛)或DLC(类金刚石碳)等先进涂层。这些涂层能减少复合材料纤维对模具的磨损，并实现更洁净的脱模效果，对于大批量生产PA(聚酰胺)和PAEK(聚芳醚酮)系列产品至关重要。

嵌入式模内传感器。安装在结合界面附近的压力、温度和/或超声波传感器，可实时监测成型与接合状态。众多制造商利用这些数据实施闭环控制，确保每一模次中覆膜层始终处于最佳压实窗口。

工艺考量

确保界面处理得当是使混合部件紧密结合的关键。温度、压力和表面准备状态都至关重要。其中任何一项稍有偏差，都会在后期表现为弱结合或早期尺寸漂移。

界面温度控制。保持层压板与包覆成型之间的温差（ΔT）低于10°C非常重要。如果层压板相对于熔体过冷，表面无法完全重熔，会形成一层薄薄的半冻结层，阻碍分子相互扩散并降低连接强度。如果熔体温度明显高于层压板，界面会不均匀冷却并以不同速率结晶，从而引入残余应力。将ΔT控制在10°C以内，可使两种材料保持足够时间的热状态一致，从而实现充分融合。

对于大多数热塑性塑料组合来说，200-250°C的界面温度足以激活表面重熔而不损害层压板性能。但在航空航天领域，特别是PAEK类聚合物需要更高的界面温度，因为这类材料冷却时黏度会急剧上升，且熔融稳定窗口较窄。PPS和PEI材料虽仍用于航空部件，但只有当层压板表面被充分活化时才能实现可靠接合。

管理尺寸稳定性。一旦零件固化，尺寸精度就取决于您对两种材料内部运动的预判能力。有机板中的纤维取向会导致各向异性收缩，而包覆成型部分往往呈现更均匀的收缩特性。若未能补偿这种材料间的收缩差异，边缘会出现翘曲、加强肋将发生隆起，孔位也将偏离公差范围。

工艺模拟有助于解决问题，但混合材料部件通常需要更精细的洞察。采用差异收缩映射技术——评估局部层压板刚度、纤维方向和熔体前沿推进情况——能帮助您提前预判变形发生的位置。在模具加工阶段就实施这些修正措施，往往是确保复杂几何结构保持严格公差的唯一方法。

平衡周期时间与性能

一旦混合成型进入量产阶段，周期时间与部件完整性之间的张力就会变得显而易见。更快的周期能保持压力机高效运转，但热塑性复合材料(TPC)并不总是适应被快速加工。层压材料需要足够的热量来扩散并与二次注塑结合，需要充足的时间进行压实，还需要受控的冷却过程以避免残余应力的积累。对于聚酰胺(PA)和聚芳醚酮(PAEK)类半结晶体系，还需要时间形成足够的结晶度。若过度压缩其中任何环节的耗时，在肉眼可见缺陷出现之前，机械性能就会显著下降。

插图重点展示了变温加热、局部嵌件加热和定向冷却在复合材料包覆成型工艺中用于管理热循环的应用。

为了在不损伤层压板的前提下快速加热和冷却，变温模具通常是首选方案。通过将模具表面温度从高温成型区迅速切换至低温冷却区，既能为层压板提供理想的接合窗口，又能实现快速散热。当运行良好时，该工艺会展现出近乎反常的效果——模具表面升温超出预期，随后冷却速度又远超传统钢制区块所能达到的水平。

一些方案更进一步，将导电碳纤维加热层直接嵌入模具叠层内部。这些加热层能精准作用于粘接界面所需的区域加热，而非对整个模具整体加热。这种方式缩短了热传导路径，减少了层压材料暴露在可能损害树脂结晶度的温度下的时间。

然而，真正的效益来自于实时监测热分布曲线，因为把握停止加热与启动冷却的时机至关重要。通过模内热电偶或红外反馈实现的智能温感技术，使压机能够动态调节加热与冷却过程。如此一来，成型系统不再依赖固定计时，而是根据层压材料的实际状态做出响应，在确保层压窗口的同时精准控制循环周期。

以某航空领域试验为例：采用包覆成型工艺制造的碳纤维增强热塑性复合材料(CFRTP)肋条，初始循环周期为6分钟，其中大部分时间用于等待层压材料达到稳定状态再冷却。转为变温控制并增加局部加热后，循环周期缩短至3分钟，且层间强度未受影响—构件层间剪切强度保持原始值的95%，这表明层压材料始终高于其固化临界阈值。

汽车与航空复合材料领域的未来发展

混合成型技术已迅速从原型试验转向生产项目，汽车与航空航天应用之间的对比显示出材料选择和模具设计对工艺过程的重大影响。

近期一项汽车门框加固项目采用玻璃纤维/尼龙有机板材配合尼龙包覆成型工艺，通过添加承重肋和连接结构实现强化。该尼龙材料体系具备快速加热与可预测粘度的特性，使团队能在保持足够压实压力的同时缩短成型周期，确保层压板与包覆层结合线完整性。最终在不进行二次粘接的情况下，制得具有高刚度且符合碰撞要求的几何结构。

某航空项目在支架制造中分别选用了碳纤维/聚醚酮酮层压板和碳纤维/聚醚醚酮材料(后者具备更高耐化学性)。两者均需采用多温区加热模具，以确保材料在转移和注塑过程中保持高于熔融温度。在稳定热成型窗口条件下，包覆成型结构的尺寸精度可控制在±0.05毫米以内，甚至在纤维方向跨越肋部接面的区域也不例外。

跨领域的关键成果包括：

相比铝制结构，重量减轻30-40%
显著减少后期加工，许多特征直接在模具中成型
尤其在应用热分区与受控层压支撑的情况下，工艺可重复性得到提高

随着这些成果在广泛应用领域的不断积累，混合成型技术将持续扩大其应用范围，帮助制造商在追求更轻量化结构、更快循环周期以及更高效率的大批量生产过程中，实现更可靠的热塑性连接。