设计复材固化模具考虑的9个因素

        本文讨论了在设计良好的固化工具时常见 陷阱和妥协，以及它们对稳健的复合材料 生产过程的整体意义。

        碳纤维增强面板与碳蛋格支撑结构搭配， 可  实现最佳热膨胀系数（CTE-coefficient of thermalexpansion）和热性能。

         “你可以用一个好的工具制造一个糟糕的复合材料零件。事实并非如此。”。

        在我从事复合材料行业的近 30 年里，我学到了   （有时是在经历了大量的鲜血、汗水和泪水之后）这 句话的深刻真理。虽然复合材料零件从铺放到装袋再 到固化，  许多事情都可能出错，   但事实仍然是，如果你从糟糕的固化工具开始，事情就会出错。

         本专栏主要关注固化模具（即粘合夹具或叠层模 具）， 主要原因是其他类型的模具， 如装饰或组装夹   具，通常不会出现高温或高压，   因此在设计上大大简化。

        在最基本的层面上，   固化工具只是在温度下提供 压力反应表面的一种方式，以使复合材料在固化或固 结后具有最终形状。到达那个表面是有趣的部分；有 很多方法可以使模具设计成为梨形。让我们来了解 一些常见的陷阱。

         良好的复合材料工具（与复合材料工具或由复合 材料制成的工具不同） 涉及许多需要集成在整体设计 中的因素。从本质上讲，设计是一种折衷活动，对于复合材料固化工具，   需要考虑并平衡以下因素。

        Invar 面板与 Invar 子结构配对，以减少 CTE效应，但保持耐用性。注意层板边缘（EOP-edge of ply）和刻在面板上的装饰线，以及边缘周围的工具球孔，以精确定位用于自动板层叠层过程或激光板层投影系统的工具。

       设计驱动因素

        零件几何形状、材料系统、成型率和工艺驱动着 整体模具设计。固化温度和压力推动了工具材料和备 份结构布局的不同选择。 一般来说，固化温度越低， 固化工具就越便宜。零件越复杂， 工具就越昂贵。 一 个或两个原型的工具可能会与一个预期的千篇生产运行的工具设计得非常不同。

         此外，与自动化工艺一起使用的工具，如自动铺   丝（AFP） 或自动铺带（ATL）， 可能需要额外的支撑  结构或较厚的面板来处理来自辊头的压力点负载和/或在工具需要旋转时与主轴箱/尾架配件集成的特征。

        材料选择

        有许多材料可用于复合材料固化工具，但它们通 常分为三大类：低成本金属，如铝或普通碳钢；高端

镍钢合金， 如因瓦（Invar）；以及复合材料。

         这三个族中的每一个都有其用途， 需要根据此处 列出的所有其他必需特性进行评估。即将推出的还有 添加剂—— 金属和聚合物—— 制造的工具，   它们有自 己的一系列优势（设计变化快，   没有工具可以制造工 具，几乎无限的几何形状等）和挑战（热膨胀高，耐用性差，  真空完整性等）。

        热性能

        固化工具必须能够将其形状保持在固化温度， 甚   至超过固化温度，以解决固化周期过冲的问题。 热膨   胀系数（CTE-Coefficient of thermal expansion）是一个重要的考 虑因素，  尤其是对于较大的零件； 工具在加热过程中   增长（在冷却过程中收缩）的程度会显著影响零件的尺寸控制和/或质量。

        因瓦“ 蛋格架-eggcrate” 结构，使气体流动良好。面板加强筋也有半圆孔，以帮助热均匀性。

         例如，在固化后的冷却过程中，   由于高 CTE 工具的收 缩，捕获的细节可能会出现分层。工具的热均匀性对   于避免热点/冷点很重要—— 这意味着开放式背衬结构 可以实现气体流动。工具在投入生产之前，   需要进行

彻底的热调查，以确认加热均匀。

        尺寸补偿

        模具的设计必须确保最终固化零件符合尺寸要求。 CTE 是一个重要因素，也是固化复合材料的内应 力，它会导致回弹等效应。在金属中，形状需要过度 成型，因为它们会“ 回弹 ”—— 另一方面，  复合材料 需要成型不足，因为它们表现出相反的行为， 在固化后“ 回弹 ” 。根据经验，欠成形通常在 1.5 度左右，但它取决于材料和固化周期。近年来，零件和模具在固化过程中的热建模显著提高了首次模具设计的质量。

        面板和备份结构

        工具应设计为重量最小（便于运输、加热更快等）。面板（工具实际与复合材料零件接触的部分）需 要薄，以加快固化周期并降低成本，但要足够厚，以在压力下保持轮廓。

        耐用且价格低廉的低碳钢工具， 具有口袋功能， 可用于铺层堆积或蜂窝。注意分配真空的集成功能。

        面板是固化工具的关键部分，需要能够抵抗切割和刮 擦。上面的任何刻痕或划痕都必须能够很容易地修复 或混合。此外，面板必须在不退化或变形的情况下进 行多次热循环，同时与脱模相容， 并承受脱模的脱模

和清洁/重新应用循环。

        支撑结构（支撑面板） ，如“蛋格架- eggcrate ”，为了  刚性和尺寸控制，需要间隔得很近，但要足够远，以减轻重量（和成本）   并改善气流。

        真空完整性

        工具的面板必须防止任何气体泄漏路径（可能导 致孔隙率） 到达复合材料叠层。在金属工具中，这通 常不是一个主要问题， 尽管焊接接头处可能会发生泄漏。

        对于由复合材料制成的工具，面板中的孔隙或表面孔隙会使真空完整性更具挑战性。

        表面轮廓/光滑度

        根据加工方法，零件的加工表面可能是外模线（OML-  outer mold line）或内模线（IML- inner mold line）。 IML 工具化 零件需要合适的表面轮廓来与下部结构匹配； OML 工具化零件需要平滑度以减少阻力。

         尽管严格的公差似乎是降低风险的一种简单方法，但它也大大增加了成本。对于平滑度，   通常对工 具施加两倍于最终所需零件平滑度的公差，  以说明工具随时间的变化和退化。

        铺层表面的平整度很重要。反应性增材制造（RAM-Reactive additive manufacturing）制造了这种热固性叠层工具。固化模具的增材制造（AM-Additive manufacturing）可以很好地用于原型和概念验证快速制造试验。

        成本

        该工具的成本将分摊到零件的生产运行中。因此，在工具上构建的零件越多，  工具对零件成本的影 响就越小， 并且可以在更好（更低的 CTE）和更耐用的工具上投资越多。

        相反，对于原型设计和一两个零件的运行，   必须   非常小心地控制工具成本，否则可能会导致零件成本   的显著增加。这可能会促使工具选择较低的耐久性材   料和/或较高的 CTE，这需要更严格的设计来确保正确

的零件几何形状。

        最终，为积极解决上述每一个问题而预先投入的 时间（和预算）将在生产过程中产生巨大的回报，具

有强大的加工能力和较低的废品率。

------  完  ------

                                           注：原文见， 《 Nine factors to consider when designing composites

                                                                    cure tooling  》2023.3.17

杨超凡        2024.1.7