航空模压成型工艺

为追求轻质商用飞机，一个最新开启的前沿是飞机外部托架的轻质消费，其中许多托架都是长型材方式的。这些重要的但不经常被见到的飞机组装部件——C形通道、H形梁、U型剖面、L形和T形桁条、以及空心梯形桁条，临时以来都是由铝制成的。模压成型，一个与汽车和工业复合资料关系更严密的加工工艺，将改动这种铝制托架的局面。模压成型(CCM)，是一个自动的半延续加工进程，可以将增强的可作热压成形的输入料带入到模具中，然后制造有效的有限长的异形型材战争面板。由一人操作，该计算机控制进程消费产品的速度，与拉挤成型的消费速度接近，异形型材的消费速度高达40米/小时〔131英尺/小时〕，而平面板的消费速度高达91米/小时〔300英尺/小时〕。

左边为CCM异形型材消费线，左边为CCM平面板消费线。这两条消费线都是自动化的，由一人操作。

每一条消费线都具有电脑控制喂料、挤压、切割和堆积功用。

不像热塑性拉挤成型，热塑性树脂在模具中被注入到干纤维中去，模压成型采用的输入料，与航空环氧预浸料相似，是高平衡的、用高端热塑性塑料浸渍过的延续纤维增强资料，包括聚醚醚酮(PEEK)、PEKK、聚醚酰亚胺〔PEI〕和聚苯硫醚〔PPS〕。关于非航空运用而言，聚丙烯〔PP〕和其他工程塑料是罕见的基体资料。由此发生的热塑性结构具有了航空级别的优质质量，不可用的局部通常少于1%〔已经过层压显微照片失掉证明〕，而关于经热压处置的复合资料而言，要求不可用的局部少于2%。

Xperion公司曾经采用模压成型工艺，为用于固定空客A330/A340飞机室内侧壁板的

碳纤维/聚醚酰亚胺横杆扣件装置，制造长型材和托架〔如本图所示〕。

目前为止，商业产品的制造曾经运用碳纤维或玻璃纤维〔虽然他们可以由芳纶或其它纤维制成〕，其中包括高负荷结构构件，比如，用来固定空客A330/A340飞机室内侧壁板的碳纤维/聚醚酰亚胺横杆扣件装置。CCM制造商Xperion Aerospace GmbH公司〔位于德国黑尔福德〕表示，曾经消费出3万多个这样的扣件，这些复合资料扣件替代了传统的铝制扣件，重量减轻约50%，消费本钱降低了21%，两年后，部件拒绝率将小于0.1%。

工艺历史

模压成型(CCM)不是一种新型工艺，20世纪90年代初，Dornier飞机制造公司〔位于德国〕的Ulrich Spelz——一位热塑性复合资料(TPC)先驱，开发了此工艺并取得了专利。1999年，Ulrich Spelz创立了ACM公司〔即Advanced Composites and Machines GmbH, 位于德国，马克多夫〕，目的是为了推进CCM工艺的开展；为客户测试新的热塑性复合资料及原型模具；并使部件投入到批量消费中去。

一个早期的成功产品是用于Bico AG公司〔位于瑞士，Schänis〕创新板条床设计的卡条，该卡条被提名为2002年JEC奖的候选产品。为顺应模压成型，ACM公司与Dyne Design Engineering公司〔位于瑞士，Niederlenz〕及制造商Nägeli Swiss AG公司〔位于瑞士，Güttingen〕协作，调整了卡条设计。CCM机器中装入了五层Gurit公司的Plytron 60% 玻璃增强聚丙烯单向预浸带后，就末尾加热并挤压这种资料。由此发生的加固片材自动被切割成650毫米×200毫米〔25.6英寸×7.9英寸〕的板块。这些板块被送入到一台双面图案成形液压机内，液压机对其加热直到可以压印为止，每50秒，压印25根发条，每根卡条25

毫米宽，大约70毫米长，1.4毫米厚〔0.98英寸×2.75英寸×0.06英寸〕。到2007年为止，经过这种工艺平均每年消费的卡条有140万根。

Xperion采用模压成型工艺，为Bico AG公司压制复合资料床用卡条，

从2001年到2007年一共消费了800万根卡条。

2004年，ACM公司与波音公司幻影任务室协作，协助其开发用于未来飞机〔比如787梦想飞机〕的热塑性复合资料部件。协作方案中包括了用作圣路易斯工厂研讨平台的可消费板材和异形型材的CCM机器。这促使ACM公司寻觅一个更大的制造商协作者，来承当这项严重的投资。Xperion公司完成了对Dornier公司的局部收买并于2000年正是成立，该公司于2007年1月1日收买了ACM公司，Spelz依然任命首席技术经理一职。

Xperion公司于2005年交付了CCM机器，在Spelz的指导下，公司继续与波音协作，应用模压成型工艺，制造各种热塑性复合资料飞机部件。〝波音公司需求更多更大的部件〞，Spelz回想道：〝所以Xperion公司末尾思索在美国成立一个工厂的益处。〞于是一个与CDI公司〔Cutting Dynamics Inc.位于俄亥俄州〕合资的企业出现了，各自拥有50%的股份。CDI公司是Sikorsky公司〔位于康涅狄格州，斯特拉特福〕临时的机械加工金属部件供应商，也是波音公司及Bell Helicopter公司〔位于德克萨斯州〕的合格供应商。该公司有丰厚的热塑复合资料阅历，曾经购置了Fiberforge公司的自动铺带装置，将其与传统的图案成形液压机一同运用，为飞机座椅消费TPC部件。新成立的合资公司总部设在CDI公司的Avon工厂内，往年就可以为波音787飞机消费热塑性复合资料吊顶部件。空客飞机的部件将继续由Xperion公司德国工厂提供。

工艺进程

CCM模具得益于普遍的开展。〝少量从事热塑性复合资料行业的供应商来自于注射成型业或有过从事深扛成形汽车零部件任务的阅历，在深扛成形进程中，模具相当复杂和昂贵〞，Spelz指出，〝在Xperion公司，基于迅速变化的模块，我们开发了一种新的模具系统。〞一切CCM模具是为契合机器上的一个规范形式的装置孔而改装的。许多种外形可由一套模具制得，一切不同的阳模和阴模可以结合起来，并且很容易更改和调整。例如，一个L形阴模可与不同的阳模一同运用，来到达不同的厚度或外半径〔假设部件腿儿的尺寸是一样的〕，而不用设计新的密封件或加热装置。Spelz表示组合模具节省了少量的时间和本钱，特别是在原型制造中。

模压成型工艺的灵敏性可以经过一个理想得以增强证明：不用中止机器运作，经过添加预浸带层和/或变化堆积顺序就可以改动部件的接头处，只需求添加、移除和/或交流进料绕线轴架上的线圈〔预浸带〕，并将他们放置到轴架上适宜的位置。Spelz说明了这样做的益处：〝关于长线线圈而言，可以在高装载的中央添加线圈厚度。〞模压成型工艺能够被改良，用于较小较薄部件的继续高速消费。

〝由于模压成型允许独自改动每一个变量，在原型制造和迅速到达处置方案上，这种工艺是十分经得起检验的〞，Xperion/CDI合资工厂常务董事Bill Carson说道。他也指出异形型材机器能发生垂直方向和水平方向的压力，消费出的型材没有起皱，即使是复杂的几何型材也是如此，这都是选用了十分高质量复合资料的结果。Carson表示这是传统的真空袋成型工艺不容易到达的。Carson也看到了热塑性复合资料可循环应用的灵敏性。

现状及前景展望

Xperion/CDI合资工厂的第一批产品将是用于梦想787飞机的吊顶部件，包括C形件和L形件，大约2英寸/51毫米宽，这些吊顶部件将为头顶行李架承载一切的负荷。虽然空客飞机的侧壁扣件由TenCate公司的碳纤维/聚醚酰亚胺织物预浸料制成，但787飞机部件，将最能够采用碳纤维/PEEK或碳纤维/PEEK单向预浸带制成。

半成品TPC输入料被装上进料绕线轴架

〝我们曾经运用CCM模压板材制造了飞机外部侧壁板，但是关于这样大的一个部件来说，运用的资料太过昂贵了，而目前运用的酚醛资料，价钱十分廉价〞，Spelz说道。此外，用于侧壁消费的大型机器不太利于CCM〔模压成型工艺〕加工。〝外部侧壁板前面的许多小部件十分适宜采用热塑性复合资料和CCM工艺〞，他又说道。

〝我们以为，关于某一部件的消费，选择什么资料，什么工艺最好，人们必需要老实〞，Spelz说道。他欣然供认，并非一切部件都适宜采用热塑性复合资料，空心部件和夹层结构更适宜热固性加工。

在Institut für Verbundwerkstoffe GmbH研讨中心〔位于德国，凯撒斯劳滕〕，已有夹层结构和空心件制造方面的新打破。2020年，该非营利性研讨机构展现了经过模压成型制成的空心型材的延续消费，这种型材的制成进程采用了一种改良后的设计——模具中央有一个浮动模芯。这项任务也探求了PBT〔聚对苯二甲酸丁〕参与的加工进程，PBT是在单体CBT〔cyclic butylene terephthalate〕加工进程中构成的，CBT易发作化学反响的。Cyclics公司〔位于纽约斯克内克塔迪〕制造进程是将聚对苯二甲酸丁〔PBT〕分解成环状齐聚物的方式，然后将其加热到指定的温度，待环状齐聚物成为水一样的粘质时，就会促进纤维的浸润。待催化并冷却后，环状齐聚物就又成为较罕见的粘质，并构生长链、高分子量的PBT热塑性塑料。Cyclics公司表示，这种资料具有热塑性功用，但可停止热固性加工。为笼统化这两种资料的益处，一位重要的CBT作家Steve Winckler指出，人们必需将CBT想象为奶油溶化粘质，把PBT当作橡皮泥，他们的功用更接近环氧树脂，比聚丙烯功用好，纯树脂价钱为6美元/镑到8美元/镑——仅略高于聚醚酰亚胺〔PEI，5美元/镑到6美元/镑〕，是PEEK 及 PEKK价钱〔30美元/镑〕的一局部。Winckler也解释道，CBT作为一个基体，天生〝想〞去浸润复合增强资料，从而招致更好的树脂与纤维散布，也有助于到达与环氧树脂相近的力学功用。相关报告指出，CBT的运用加快了消费速度，大大降低了消费本钱，但力学功用没有损失。

Spelz和Carson赞同，下一步要将高力学功用〔以前只要热固性复合资料才可以完成〕、

快速度、高质量及低本钱结合起来用于模压成型工艺，首先用来消费飞机吊顶的桁条和加固件及结构部件，最后消费蒙皮桁条组件及地板等。CMM异型型材战争面板材可以停止熔接，以构成十分长的组件，迅速而浪费本钱。Carson看到了对Xperion/CDI开放的一个全新世界。〝基于CDI公司悠久的供应历史，我们知道航空部件制造需求破费的资料本钱和休息力本钱。 如今我们可以应用新的资料，消费出可替代铝制结构或其他金属结构的复合资料结构。这样重量至少减30%, 本钱却十分廉价，而且我们可以轻而易举地回收这些复合资料结构〞，Carson说道。