現在,用于復合材料成型的模具也稱為工具,可以采用任何材料制成。對于低溫固化部件或原型部件來說,不需要嚴格控制尺寸的精確性,模具通常采用玻纖、高密度泡沫、可加工的環(huán)氧樹脂板甚至粘土或木材制成。
對于高溫固化部件來說,或者需要高尺寸精度時,或者模具要用于大量部件的生產時,模具必須具有更高的性能。這類模具所采用的材料包括因鋼(一種鎳/不銹鋼合金)、鋼、鋁、鎳和碳纖維。
模具材料的選擇通常要參考熱膨脹系數(CTE)、循環(huán)周期數、制品公差、表面質量要求、固化工藝、材料的玻璃化轉變溫度、固化設備和成本來進行。
鋼和鋁通常是高性能模具的首選材料,但它們在生產復合材料部件時也有重大缺陷。在高溫固化過程中,模具和部件的CTE通常相差很遠而無法相容。高價金屬合金(例如因鋼)具有更加相似的CTE,但其加工成本很高。對于大型部件來說,這類模具的尺寸和重量使其難以加工、移動和存儲。
復合材料模具
如果復合材料模具的材料與最終產品的材料相近,那么即使無需昂貴的金屬模具也可以得到高性能的制品。過去復合材料模具僅僅是專業(yè)的航空和F1技術人員所知的一種藝術,而現在已被賽車制造商到航空業(yè)領導者(例如波音和空客)廣泛應用。經過幾十年的發(fā)展和改進,復合材料模具制造已不再那么藝術,而成為一種更加穩(wěn)定高效的工藝。
“工業(yè)復合材料的應用歷史已經超過50年,”AMBER復合材料公司歐洲地區(qū)銷售經理JEDILLSLEY說,“最初,樹脂和織物的處理采用的是濕法手糊工藝,但這顯然不是一種能夠精確控制樹脂用量的好方法。在高精度儀器嚴格控制浸漬條件的情況下,將織物用樹脂浸漬后,就可以得到一種性能穩(wěn)定的材料,也就是今天我們所熟知的預浸料。最近,模具預浸料已經成為高精度復合材料模具的標準制造方法。”
隨著預浸料性能(包括可操作性、室溫下的使用壽命和正確的粘度)的逐漸改進,這種模具制造方法現在已變得更加簡便和經濟。新一代復合材料正在越來越多的領域得以應用。
AMBER復合材料公司由一個小型的專家團隊于1988年在英國創(chuàng)立,開發(fā)和生產高性能的復合材料預浸料。預浸料技術那時還處于初級階段,早期的團隊參與了預浸料商業(yè)化應用的一些研究。AMBER總部位于英國諾丁漢郡(革命性的工業(yè)織布和碳纖維工業(yè)的搖籃),在那里他們與F1車隊和其他許多高性能應用設計人員緊密合作。正是這些高要求客戶的需求推動了今天的模具材料的發(fā)展。
AMBER的低溫固化環(huán)氧樹脂模具預浸料HX50和HX70以及先進復合材料集團(ACG)的LTM系列現在已成為航空、汽車、船艇、工業(yè)和賽車行業(yè)的標準產品。不斷的改進使得這些材料便于處理和使用,并賦予模具A級表面和極長的使用壽命。有些系統(tǒng)現在可以承受200℃的高溫,一些最新的材料使得復合材料模具適用于更多的成型工藝。
ILLSEY提到了F1賽車生產商和美洲杯賽艇制造商:“F1車隊需要大量小型但復雜的部件,而賽艇制造商可能會需要一個30米長的部件。兩者都需要非常高的尺寸精度。”
今天的高性能賽艇模具通常采用模具預浸料制成的,就像軍事和航天行業(yè)的模具一樣。經過長期的發(fā)展,復合材料甚至被商業(yè)航空領域廣泛采用。例如,A350的整個機翼將采用碳纖維制成,大量的模具將采用復合材料預浸料。波音新機型B787由50%以上的復合材料組成,一些非常大的生產模具也是由復合材料模具預浸料制成的。
最近,相關的一些公司開始通過開發(fā)無需高溫高壓處理或增加樹脂用量的預浸料來開發(fā)低成本的復合材料模具。這種產品適用于制造大型部件和無法承受高溫的部件。
復合材料模具的優(yōu)勢
復合材料模具相比傳統(tǒng)金屬模具的優(yōu)勢在于,復合材料模具具有較低的生產成本,而且便于處理和存儲。對于需要精確尺寸的高性能部件來說,復合材料模具與部件的CTE更加接近,在固化過程有助于保持尺寸的完整性。
復合材料模具比幾年前更加普遍和環(huán)保,加工效率也更高。現在的預浸料有各種粘度、固化溫度和尺寸可選。
復合材料變得普遍的另一個原因在于復合材料系統(tǒng)的可用性,客戶可以購買到全系列的材料,包括模具樹脂糊或樹脂板、膠粘劑、脫模劑和預浸料,所有這些都可以從一個供應商那里獲得,而且所有材料都可以完美相容。AXSON是一個提供全方位服務的供應商,其整體解決方案系統(tǒng)增長迅速。
AXSON技術公司CEOLIONELPUGET說:“最近我們?yōu)榈聡患以齑瑥S的賽艇生產提供了一系列的模具材料,包括SC175環(huán)氧樹脂糊、EC85表面膠衣、HX50模具預浸料和EG42膠衣,從而幫助其以較低成本,快速生產出高精度高性能的賽艇?!?BR> 樹脂糊在這類部件,特別是大型模具的生產中起著重要作用。采用樹脂糊,可以使用成本相對較低的數控銑床粗略切割一個低成本低密度的樣品;然后在其上方覆蓋一層環(huán)氧樹脂或聚氨酯樹脂糊;樹脂糊固化后,可以將其加工成所需的尺寸,形成一個低成本模具樣品;然后模具預浸料被鋪放在精確切割好的樹脂糊上形成模具。
這種模具制造方法顯著縮短了大型精確部件的制造時間和成本。
最新的模具預浸料(例如HX90N)可以滿足低溫固化的特殊需求,同時具有極好的表面質量。HX90N具有很低的熱膨脹率(比同等材料低60-70%)、極好的表面質量以及耐高溫性能。
HX90N的這種優(yōu)異性能使其非常適用于對模具預浸料有嚴格要求的一些領域,并以幫助模具制造商滿足了航空、汽車和交通運輸行業(yè)越來越嚴格的各種應用需求。
大型和小型復合材料結構比以往更快速、更便宜,也更精確,設計者可以利用復合材料的這些優(yōu)勢將其用于越來越多的高性能應用中。
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