复合材料制造工艺

　　

　　有许多制造复合材料零件的方法。一些方法被借用（例如，塑料行业的注射成型），但许多方法是为了满足纤维增强聚合物面临的特定设计或制造挑战而开发的。因此，特定零件的方法选择将取决于材料、零件设计和最终用途或应用。

　　

　　复合材料的制造过程通常包括某种形式的成型，以使树脂和增强材料成形。在固化之前和固化过程中，需要使用模具使未成型的树脂/纤维组合成形。

　　

　　热固性复合材料最基本的制造方法是手工叠层，通常包括将称为干织物层或预浸料层（预浸树脂的织物）的层手工放置在工具上，以形成层压板叠层。在铺层完成后（例如，通过树脂注入），将树脂施加到干层上。在一种称为湿法成网的变型中，每一层都涂有树脂，并在成形后压实。尽管压实可以用滚筒手动完成，但如今大多数制造商都使用真空装袋技术，包括将塑料片材放置在叠层上，在工具边缘密封，为空气软管添加一个或多个端口，然后使用真空泵从片材和叠层之间的空间排出空气）。去毛刺不仅巩固了叠层，还去除了树脂基体中的空气，否则会在层压板中产生不希望的空隙（气穴），从而削弱复合材料。

　　

　　

　　最基本的是允许在室温下固化（由预混合到树脂中的催化剂或硬化剂添加剂引发）。然而，可以通过加热（通常用烤箱）和真空加压来加速固化。对于后者，将带有通气组件的真空袋放置在叠层上并连接到工具上（以与压实中使用的方式类似的方式），然后在开始固化之前抽真空。这里的真空装袋工艺进一步巩固了材料层，并显着减少了由于基体在其化学固化阶段进行时发生的排气而产生的空隙。

　　

　　

　　

　　2014 年 11 月，Globe Machine Manufacturing Co.（美国华盛顿州塔科马市）试验了其第二 代 RapidClave 系统，这是一种热压罐外混合成型工艺，在 6 分钟的周期内成功形成了单向碳纤维/环氧预浸料（6-8 层，0°/90° 叠层）零件，这是热固性复合材料的第一次，也是汽车行业向大规模生产预期迈出的一大步。

　　

　　压力

　　

　　许多高性能热固性零件需要加热和高固结压力才能固化，这些条件需要使用高压釜。一般来说，高压灭菌器的购买和操作成本很高。配备高压灭菌器的制造商通常同时固化多个零件。计算机系统监测和控制高压釜的温度、压力、真空和惰性气氛，这允许对固化过程进行无人值守和/或远程监督，并最大限度地有效利用该技术。

　　

　　加热

　　

　　当需要加热进行固化时，零件温度以小增量“上升”，在树脂系统规定的特定时间内保持在固化水 平，然后“下降”至室温，以避免因不均匀膨胀和收缩而导致的零件变形或翘曲。当该固化循环完成并且零件脱模后，一些零件经过二次独立后固化，在此期间，它们在比初始固化更高的温度下经受特定的时间段，以提高化学交联密度。

　　

　　替代固化方法

　　

　　电子束固化已被探索为一种有效的薄层压板固化方法。在电子束固化中，复合材料叠层暴露于提供电离辐射的电子流中，导致辐射敏感树脂中的聚合和交联。X 射线和微波固化技术以类似的方式工作。第四种替代方案，紫外线（UV- ultraviolet ）固化，涉及使用紫外线辐射来活化添加到热固性树脂中的光引发剂，当活化时，引发交联反应。紫外线固化需要透光树脂和增强材料。

　　

　　固化检测

　　

　　一项新兴技术是对固化方法本身的监测。介电固化监测器通过测量离子的电导率来测量固化程度，离子是树脂中存在的较小、极化、相对不重要的杂质。离子倾向于向相反极性的电极迁移，但迁移速度受到树脂粘度的限制——粘度越高，速度越慢。随着固化过程中交联的进行，树脂粘度增加。其他方法包括树脂内的偶极监测、交联产生的微电压监测、固化过程中聚合物放热反应的监测，以及通过光纤技术使用红外监测。

　　

　　热压罐外固化（OOA）

　　

　　热压罐外固化（OOA-）是高性能复合材料零件行业中一个引人注目的现象。热压罐系统的高成本和有限的尺寸促使许多加工商，特别是航空航天领域的加工商，要求使用 OOA 树脂，这种树脂只能在烘箱中加热固化（与热压罐相比，资金密集度更低，操作成本更低，尤其是使用非常大的零件）或在室温下固化。赛达航空航天材料公司（现为苏威复合材料公司- Solvay）推出了第一种 OOA 树脂，这是一种专为航空航天应用而设计的环氧树脂。OOA 工装环氧树脂和粘合剂也即将上市。

　　

　　开式模塑

　　

　　单面模具中的开放接触成型是制造玻璃纤维复合材料产品的一种低成本、常见的工艺。开放式成型通常用于船体和甲板、RV 部件、卡车驾驶室和挡泥板、水疗中心、浴缸、淋浴间和其他相对较大、不复杂的形状，包括手动叠层或半自动替代品喷涂。

　　

　　在开模喷涂应用中，首先对模具进行脱模处理。如果使用凝胶涂层，通常在脱模后将其喷涂到模具 中。然后固化凝胶涂层，并且模具准备好开始制造。在喷涂过程中，使用切断枪将催化树脂（粘度为 500-1000cps）和玻璃纤维喷涂到模具中，切断枪将连续纤维切成短的长度，然后将短纤维直接吹入喷涂的树脂流中，从而同时应用这两种材料。为了减少挥发性有机物，活塞泵启动的非雾化喷枪和流体冲击喷头在低压下分配凝胶涂层，并在凝胶涂层固化后，在较大液滴中分配树脂。另一种选择是滚筒浸渍器，它将树脂泵入类似于油漆滚筒的滚筒中。

　　

　　在喷涂过程的最后几步，工人们用滚筒手工压实层压板。然后可以添加木材、泡沫或其他芯材，并且第二喷涂层将芯嵌入层压板蒙皮之间。然后将零件固化、冷却并从典型的可重复使用的模具中取出。

　　

　　手工铺放和喷雾法经常同时使用，以减少劳动。例如，织物可能首先被放置在暴露于高应力的区域；然后，可以使用喷枪来施加碎玻纤和树脂，以构建层压板的其余部分。巴沙木（Balsa）或泡沫芯可以在任一过程中插入层压层之间。典型的玻璃纤维体积在喷涂时为 15%，在手工叠层时为 25%。

　　

　　喷雾加工，曾经是一种非常流行的制造方法，现在已经开始失宠。美国的联邦法规和欧盟的类似法规规定了对工人接触挥发性有机物和危险空气污染物（HAP-hazardous air pollutants）以及向环境中排放的限制。苯乙烯是热固性树脂中用作稀释剂的最常见的单体，在这两个列表中都有。由于工人在喷涂过程中难以控制苯乙烯的暴露和排放，且成本高昂，许多复合材料制造商已转向封闭模具、基于输液的工艺，以更好地包含和管理苯乙烯。

　　

　　尽管通过手工叠层的开放式成型正在被更快、技术更精确的方法所取代（如下所示），但它仍然广泛用于修复损坏的零件，包括由其他常用材料制成的零件，如钢和混凝土。

　　

　　树脂灌注工艺

　　

　　对更快生产率的需求不断增加，迫使该行业用替代制造工艺取代手工叠层，并鼓励制造商尽可能实现这些工艺的自动化。

　　

　　树脂传递模塑（RTM）

　　

　　一种常见的替代方案是树脂传递模塑（RTM- resin transfer molding），有时被称为液体模塑。RTM 是一个相当简单的过程：它从一个由两部分组成的、匹配的、封闭的模具开始，该模具由金属或复合材料制成。将干增强件（通常为预成型件）放入模具中，然后关闭模具。树脂和催化剂在分配设备中进行计量和混合，然后在低至中等压力下通过注射口泵入模具，沿着预先设计的路径穿过预成型件。极低粘度树脂用于 RTM应用，特别是用于厚零件，以确保树脂在固化开始前快速、彻底地渗透到预成型件中。模具和树脂都可以根据需要进行预热，以用于特定的应用。

　　

　　RTM 生产高质量的零件，而无需热压罐。然而，当固化和脱模时，用于高温应用的零件通常会进行后固化。

　　

　　大多数 RTM 应用使用由两部分组成的环氧树脂配方。这两部分在注射之前混合在一起。双马来酰亚胺和聚酰亚胺树脂也可用于 RTM 工艺。

　　

　　轻型RTM(LRTM)

　　

　　轻型 RTM（Light RTM）是 RTM 的一种变体，越来越受欢迎。在轻型 RTM 中，低注射压力加上真空，允许使用价格较低、重量轻的两部分模具或非常轻、灵活的上模具。

　　

　　RTM 的好处令人印象深刻。通常，RTM 中使用的干燥预成型件和树脂比预浸料材料便宜，并且可以在室温下储存。该工艺可以生产出厚的、接近净形状的零件，省去了大多数后期制造工作。它还生产出具有良好表面细节的尺寸精确的复杂零件，并且与开放成型技术不同，开放成型技术通常生产出具有 a 面和 B 面（分别为完成面和未完成面）的轮廓但平面的零件。RTM 可以在复杂的三维部件的所有暴露表面上提供所需的外观光洁度。在模具闭合之前，也可以在预成型件内放置插入件，使 RTM 工艺能够适应核心材料，并将“模制”配件和其他硬件集成到零件结构中。此外，RTM 成型零件的空隙率较低，测量值≤2%。最后，RTM 显着缩短了循环时间，并且可以作为自动化、可重复制造过程中的一个阶段使用，以获得更高的效率，将循环时间从几天（典型的手工铺放）减少到几小时甚至几分钟。

　　

　　高压RTM(HP-RTM)

　　

　　RTM 的一 种最新变体 ， 称为高压RTM（High pressure RTM），因其快速生产汽车零部件的潜力而备受关注。

　　

　　“低压 RTM（在 10 到 20 巴下注入树脂）的标准循环时间为 30 到 60 分钟。”。“它可以低至 5 分钟，但只适用于非常小的零件。”

　　

　　“高压，”Mayr 说，“意味着混合头中的压力高达 150 巴，模具中的压力从 30 巴到 120 巴，具体取决于零件尺寸和几何形状。

　　

　　”HP-RTM 通常被设计成一个包括模具穿梭机的完全自动化系统，它能够用非常快速的固化树脂快速填充装有预成型件的模具，有望实现高产量。HP-RTM仍然包括纤维预制件、闭合模具、压机和树脂注射系统，但后者现在是一个冲击混合头，就像 20 世纪 60年代首次为聚氨酯（PU）泡沫应用开发的那样。事实上，PU 和反应注射成型（RIM，见下一项）工艺的计量/混合/注射供应商是 HP-RTM 的早期开发商之一，包括 KraussMaffei Technologies GmbH（德国慕尼黑）、Hennecke Inc.（德国 Sankt Augustin）、Frimo Inc.（德国乐天）、Cannon USA Inc.和 Cannon SpA（美国宾夕法尼亚州 Cranberry 镇和意大利Borromeo。

　　

　　

　　

　　大批量成型复杂零件：树脂转移成型（RTM）的一种变体，高压 RTM（HP-RTM），已经用于大规模集成碳纤维增强 塑料汽车部件的批量生产，例如这款宝马（沃尔夫斯堡， 杰玛尼）i8 跑车的侧架。

　　

　　反应注射成型（RTM）

　　

　　与 RTM 不同的是，在 RTM 中，树脂和催化剂在压力下注射到模具中之前是预混合的，反应注射成型（RIM- reaction injection molding ）将快速固化树脂和催化剂以两种不同的流注入到模具中。混合和由此产生的化学反应发生在模具中，而不是在分配头中。汽车行业供应商已将结构 RIM（SRIM- structural RIM）与快速预成型方法相结合，以制造不需要 A 级表面处理的结构零件。可编程机器人已经成为将切碎的玻璃纤维/粘合剂组合喷涂到配备真空的预制棒筛网或模具上的常用手段。机器人喷洒可以用来控制纤维的方向。一种相关的技术，干纤维放置，结合了缝合预制件和 RTM。高达 68%的纤维体积是可能的，自动化控制确保了低空隙和一致的预制件复制，而无需修剪。

　　

　　真空辅助树脂转移模型（VARTM）

　　

　　真空辅助树脂转移模塑（VARTM- Vacuum-assisted resin transfer molding ）是指各种相关工艺，代表了一种发展最快的模塑技术。VARTM 型工艺和 RTM 之间的显着区别在于，在 VARTM 中，树脂仅通过使用真空而不是在压力下泵入而被抽成预成型件。VARTM 不需要高热量或高压力。出于这个原因，VARTM 采用低成本的工具，使得一次性生产大型复杂零件成为可能。

　　

　　

　　

　　真空灌注在造船中有着重要的应用，因为它允许制造商在一个步骤中灌注整个船体、甲板结构和平面轮廓零件。但航空航天结构，另一组通常是大型部件，也正在使用真空注入工艺进行开发。

　　

　　在 VARTM 工艺中，将纤维增强件放置在单面模具中，并在顶部放置盖子（通常是塑料袋膜）以形成真空密封。树脂通常通过战略性放置的端口和进料管线进入结构，称为“歧管”。树脂通过一系列设计的内部通道通过增强件通过真空抽吸，以促进纤维的润湿。成品中的纤维含量可高达 70%。目前的应用包括海运、陆运和基础设施部分。

　　

　　树脂灌注在造船中有着重要的应用，因为它允许制造商在一个步骤中灌注整个船体、甲板结构和平面轮廓零件。但航空航天结构，另一组通常是大型部 件，也在使用 VARTM 进行开发。

　　

　　一种树脂灌注扭曲是使用两个袋，称为双袋灌 注，它使用一个连接到内袋的真空泵来提取挥发物和截留的空气，并使用外袋上的第二个真空泵来压实层压板。波音公司（美国伊利诺伊州芝加哥）和美国国家航空航天局以及小型制造公司都采用了这种方法，在没有热压罐的情况下生产航空航天质量的层压板。俄罗斯原始设备制造商 Irkut 和制造商 Aerocomposit生产的 MS-21 单通道喷气式客机的热压罐外（OOA） CFRP 机翼的开发也实现了航空航天质量，这两家公司都位于莫斯科。一个关键步骤是 FACC AG（Ried im Innkreis，Austria）利用其专有的膜辅助树脂灌注（MARI）工艺开发了一种整体式 CFRP 翼盒，该工艺使用半渗透膜，实现了一个稳定、稳健的过程，可提供 100%的浸渍（无干点或空隙）。OOA 注入也已在美国国家航空航天局太空发射系统（SLS）项目的大型工具和结构上进行了演示，该项目使用环氧树脂和双马来酰亚胺（BMI）树脂，苯并恶嗪树脂的类似工作正在迅速进行。

　　

　　树脂膜灌注（RFI）

　　

　　树脂膜灌注（RFI- Resin film infusion）是一种混合工艺，其中将干燥的预成型件放置在高粘度树脂膜的一层顶部或与多层交织的模具中。在施加的热量、真空和压力下，树脂液化并被吸入预成型件中，即使是高粘度的增韧树脂，由于流动距离短，也会产生均匀的树脂分布。

　　

　　大体积成型方法

　　

　　模压成型（Compression molding）

　　

　　模压成型（Compression molding）是一种使用昂贵但非常耐用的金属模具的大容量热固性成型工艺。当生产数量超过 10000 个零件时，这是一个合适的选择。使用片状模塑化合物（SMC- sheet molding compound），一种将切碎的玻璃纤维夹在两层厚树脂浆之间制成的复合片材，在一套锻钢模具上可以生产多达 200000 个零件。为了形成片材，树脂浆料从计量装置转移到移动的薄膜载体上。切碎的玻璃纤维掉到糊状物上，第二个薄膜载体在玻璃纤维上再放一层树脂。辊将玻纤压实，使树脂浸透玻纤，并挤出截留的空气。树脂浆最初是糖蜜的稠度（20000-40000cps）；在接下来的三到五天里，它的粘度增加，片材变成皮革状（约 2500 万 cps），非常适合处理。

　　

　　当 SMC 准备好成型时，将其切割成更小的薄 片，并在加热的模具（121°C 至 262°C ）上组装填充图案（帘布层表）。模具闭合并夹紧，施加 24.5 至172.4 巴的压力。随着材料粘度的下降，SMC 流动以填充模腔。固化后，手动或通过一体式脱模销脱模零件。

　　

　　用于 A 级面漆的典型的低型面（收缩率小于 0.05%）SMC 配方按重量计由 25%聚酯树脂、25%短切玻璃纤维、45%填料和 5%添加剂组成。玻璃纤维热固性 SMC 在 30-150 秒内固化，并且总循环时间可以低至 60 秒。其他级别的 SMC 包括低密度、柔性和色素配方。目前市场上的低压 SMC 配方为开放式模具制造商提供了进入闭式模具加工的低资本投资，VOC排放几乎为零，并有可能获得非常高质量的表面光洁度。

　　

　　汽车制造商正在探索碳纤维增强 SMC，希望在车身外部面板和其他部件中利用碳纤维的高强度和刚度重量比。较新的增韧 SMC 配方有助于防止微裂纹，这是一种以前在涂装过程中导致油漆“爆裂”的现象（由脱气引起的表面凹坑，即在烘箱固化过程中释放出困在微裂纹中的气体）。

　　

　　工业市场上的复合材料制造商正在自行配制树脂，并在内部配制 SMC，以满足特定应用中的需求，这些应用需要抗紫外线、抗冲击和防潮，表面质量要求推动了定制材料开发的需求。

　　

　　注射成型（Injection molding）

　　

　　注射成型(Injection molding)是一种快速、大容 量、低压、封闭的工艺，最常见的是使用填充的热塑性塑料，如带有短切玻璃纤维的尼龙。然而，在过去的 20 年里，BMC 的自动注射成型已经占领了一些以前由热塑性塑料和金属铸件制造商占据的市场。例 如，第一个基于 BMC 的电子节气门控制阀（ETC- electronic throttle control）（之前仅由压铸铝制成）首次出现在宝马迷你和标致 207 的发动机上，利用了由 TetraDUR GmbH（德国汉堡）提供的特殊成型 BMC 所提供的尺寸稳定性，该 BMC 是 Bulk Molding Compounds 股份有限公司（BMCI，美国伊利诺伊州西芝加哥）的子公司。

　　

　　在 BMC 注射成型过程中，柱塞或螺杆式柱塞迫使计量的材料通过加热的桶，并将其（34.47- 82.74MPa）注射到封闭的加热模具中。在模具中，液化的 BMC 很容易沿着流道流动并进入闭合的模具。在固化和脱模后，零件只需要最少的精加工。注射速度通常为一到五秒，在一些多腔模具中，每小时可以生产多达 2000 个小零件。

　　

　　具有厚横截面的零件可以用 BMC 压缩成型或转移成型。转移模塑是一种闭模工艺，其中测量的 BMC装料被放置在具有通向模腔的流道的罐中。柱塞迫使材料进入空腔，在那里产品在热和压力下固化。

　　

　  混合注塑/热成型

　　

　　混合注塑/热成型(injection-molding/thermoforming)是汽车行业通过混合塑料和复合材料工艺寻求短模具周期（<2 分钟）的一个例子。SpriForm 是由 HBW Gubesch Thermoforming GmbH（德国威廉斯多夫）开发的一种工艺，用于 Johnson Controls（JCI， Burscheid，德国）领导的 CAMISMA 汽车座椅靠背项目。该工艺预加热由碳纤维（CF）增强聚酰胺 12（PA12）有机片制成的定制坯料，在匹配的金属模具和工具中压缩成型，然后注射成型 30%短玻璃纤维增强 PA12 化合物，该化合物填充模腔以产生完全包覆成型的边缘以及肋和其他功能元件。该过程使用两个机器人很容易实现自动化，与钢制座椅靠背相比，可节省 40-50%的重量，并为节省的重量增加不到 5 美元/公斤的增量成本。尽管连续的 CF/PA12 胶带提供了量身定制的刚度和强度，但成本较低的注塑材料占座椅靠背质量的一半。一次成型过程大约需要 90 秒，无需二次操作即可生产出几何细节零件。有机片材预成型件的基层是由回收碳纤维（RCF- recycled carbon fiber）制成的 PA12 浸渍垫，这也是降低零件成本和碳足迹的一种手段。

　　

　　纤维缠绕（Filament winding）

　　

　　纤维缠绕(Filament winding )是一种连续的制造方法，可以高度自动化和可重复，材料成本相对较低。一种称为芯轴的长圆柱形工具水平悬挂在端部支撑件之间，而“头”——纤维应用机器——沿着旋转芯轴的长度来回移动，以预定的配置将纤维放置在工具上。可提供计算机控制的细丝缠绕机，配备 2 至 12 个运动轴。

　　

　　在大多数热固性应用中，纤维缠绕设备在材料接触心轴之前使纤维材料通过树脂“浴”。这被称为湿绕组。然而，一种变体使用丝束预浸料，即用树脂预浸的连续纤维。这消除了现场树脂浴的需要。在一个稍微不同的过程中，纤维是在没有树脂的情况下缠绕的（干式缠绕）。然后将干燥的形状用作另一成型工艺（例如 RTM）中的预成型件。

　　

　　在烘箱或热压罐固化后，芯轴要么保持在原位，成为缠绕部件的一部分，要么通常将其移除。一件式圆柱形或锥形芯轴，通常形状简单，用芯轴提取设备从零件中拔出。一些芯轴，特别是在更复杂的零件 中，由可溶性材料制成，可以溶解并从零件中冲洗出来。其他的是可折叠的或由几个零件制成的，可以拆卸和拆卸成更小的零件。纤维缠绕制造商经常“调 整”或稍微修改现成的树脂，以满足特定的应用要 求。一些复合材料零件制造商开发自己的树脂配方。

　　

　　在热塑性塑料缠绕中，所有材料都是预浸材料，因此不需要树脂浴。材料在缠绕到芯轴上时会被加 热，这一过程被称为“动态固化”或原位固结。预浸料坯在一次连续操作中加热、铺放、压实、固结和冷却。热塑性预浸料消除了热压罐固化（切割成本和尺寸限制）并降低了原材料成本，由此产生的零件可以进行再加工以纠正缺陷。

　　

　　纤维缠绕可产生具有特殊周向或“环向”强度的零件。纤维缠绕的最大单次应用是高尔夫球杆杆身。钓鱼杆、管道、压力容器和其他圆柱形零件构成了剩余业务的大部分。

　　

　　拉挤成型（Pultrusion)

　　

　　拉挤成型（Pultrusion）与 RTM 一样，已经在玻璃纤维和聚酯树脂中使用了几十年，但在过去的 10 年里，该工艺也在先进的复合材料应用中得到了应用。在这种相对简单、低成本的连续工艺中，增强纤维（通常是粗纱、丝束或连续毡）通常被拉动通过加热的树脂浴，然后在其通过一个或多个成型引导件或衬套时形成特定形状。然后，材料通过加热模具，在那里形成网状并固化。在更下游，冷却后，将得到的型材切割成所需的长度。拉挤生产出光滑的成品零件，通常不需要后处理。广泛的连续、一致、实心和空心型材都是拉挤成型的，该工艺可以根据特定应用进行定制。

　　

　　管材轧制(Tube rolling)

　　

　　管材轧制(Tube rolling)是一种长期存在的复合材料制造工艺，可以生产有限长度的管材和棒材。它特别适用于长度高达 6.2 米的小直径圆柱形或锥形管道。

　　

　　直径高达 152 毫米的管道可以有效轧制。通常，根据零件的不同，使用粘性预浸料织物或单向胶带。该材料被预切割成图案，这些图案被设计为实现应用所需的帘布层计划和纤维结构。图案块被放置在平坦的表面上，在施加的压力下，将芯轴卷绕在每个图案块  上，从而压实和分拆材料。当滚动锥形心轴时，例  如，对于鱼竿或高尔夫杆，只有第一排纵向纤维落在真正的 0°轴上。因此，为了赋予管弯曲强度，必须通过以规则间隔重新定位图案片来连续地重新定向纤维。

　　

　　自动纤维放置（AFP）

　　

　　自动纤维放置（AFP）。纤维放置过程自动将多个单独的预浸料丝束高速放置在芯轴上，使用数控铰接机器人放置头同时分配、夹紧、切割和重新启动多达 32 个丝束。最小切割长度（机器可以铺设的最短丝束长度）是决定帘布层形状的重要因素。纤维放置头可以连接到 5 轴龙门架上，也可以改装到纤维缠绕机上，或者作为交钥匙定制系统交付。机器配有双芯轴工位，可提高生产率。纤维放置的优点包括加工速 度、减少材料废料和劳动力成本、零件整合和提高零件间的一致性。该工艺通常用于生产形状复杂的大型热固性零件。

　　

　　自动铺带（ATL）

　　

　　自动铺带（ATL）是一种速度更快的自动化过 程，在该过程中，预浸胶带而不是单根丝束被连续铺设以形成零件。它通常用于轮廓或角度高度复杂的零件。胶带叠层是通用的，允许在过程中断裂，并易于改变方向，它可以适用于热固性和热塑性材料。该头包括一个或多个磁带卷轴、卷绕器、卷绕器导向器、压实靴、位置传感器和磁带切割器或纵切机。在任何一种情况下，头部都可以位于多轴铰接机器人的末 端，该机器人围绕应用材料的工具或心轴移动，或者头部可以位于悬挂在工具上方的龙门架上。可替换 地，工具或心轴可以移动或旋转，以使头部接近工具的不同部分。胶带或纤维被应用于课程中的工具，该课程由一排任意长度、任意角度的材料组成。多个课程通常一起应用于一个区域或图案，并由机器控制软件定义和控制，该软件使用从零件设计和分析中获得的数字输入进行编程。计算机驱动的自动化设备的资本支出可能是巨大的。

　　

　　尽管 ATL 通常比 AFP 更快，并且可以在更长的距离上放置更多的材料，但 AFP 更适合于较短的路 线，并且可以更有效地在轮廓表面上放置材料。这些技术源于机床行业，并在即将推出的波音 787 梦想客机和空客 A350 XWB 的机身、翼板、翼盒、尾翼和其他结构的制造中得到了广泛应用。ATL 和 AFP 也被广泛用于生产 F-35 闪电 II 战斗机、V-22 鱼鹰倾转旋翼部队运输和其他各种飞机的零件。最新的设备趋势使 AFP 和 ATL 都能在几分钟内通过更换可固定的头在两者之间切换。另一个发展领域是通过高性能热塑性塑料追求热压罐外（OOA）主要受力的复合材料飞机结构。空中客车公司（法国图卢兹）正在与 MTorres（西班牙纳瓦拉）支持的 FIDAMC（西班牙马德里）和 Coriolis Composites SAS（法国奎文）支持的 Technocus EMC2（法国南特）合作，开发长桁加筋机身蒙皮板，该蒙皮板是使用自动机械通过激光原位固化的。FIDAMC 和 MTorres 在 2014 年 JEC 上宣布了一种 CF/聚醚醚酮（PEEK）机身面板，其基体结晶度达到 35-40%，固结度（DOC- degree of consolidation）足以无需进一步加热、真空袋或热压罐处理。实时温度控制正在集成到设备中。材料由 Cytec Aerospace Materials HQ（美国新泽西州伍德兰公园）和 Toho Tenax Europe GmbH（德国伍珀塔尔）提供。

　　

　　离心铸造（Centrifugal casting）

　　

　　离心铸造（Centrifugal casting）直径为 25 mm 至 356 mm 的管道是高性能、耐腐蚀服务中纤维缠绕的替代方案。在铸管中，与多轴玻璃纤维缠绕管相比， 0°/90° 编织玻璃纤维在整个管壁上提供纵向和环向强度，并在相同壁厚下带来更大的强度。在铸造过程 中，环氧树脂或乙烯基酯树脂被注入 150G 离心旋转模具中，渗透到包裹在模具内表面的编织物中。离心力推动树脂穿过织物层，在管道外部形成光滑的表 面，多余的树脂泵入模具，形成富含树脂、耐腐蚀和耐磨的内衬。

　　

　　纤维增强热塑性组件现在也可以通过挤压生产。利用长纤维玻璃增强热塑性塑料（ABS、PVC 或聚丙烯）复合材料开发了突破性的材料和工艺技术，以提供一种坚固、低成本的型材，替代办公家具、电器、半挂车和体育用品中使用的木材、金属和注塑塑料部件。在过去的十年里，挤出热塑性塑料/木粉（或其他添加剂，如韧皮纤维或粉煤灰）复合材料出现了巨大的市场。这些木塑复合材料，或称为 WPC，用于模拟木板、墙板、门窗框架和围栏。

　　

　　增材制造3D 打印

　　

　　增材制造也被称为 3D 打印，这种更新形式的复合材料零件生产源于在产品开发的设计到原型阶段降低成本的努力，特别针对工具制造的材料、劳动力和时间密集型领域。增材制造是 20 多年前引入的快速原型概念发展的一个阶段性变化，快速原型概念是一组类似但单独开发的增材制造技术，即从一系列名义上二维（2D）横截面的专用材料层组装三维（3D）物体的自动化过程。

　　

　　所有的增材制造技术都是从 CAD 图纸开始的。使用特殊软件将实体模型 CAD 数据转换为文件格 式，该文件格式将三维曲面表示为平面三角形的组合。然后使用附加的、通常是专有的软件将该虚拟图像“切片”成非常薄的 2D 横截面图案。该层数据用于指导增材制造机械通过“堆叠”2D 切片来构建 3D 物理模型。

　　

　　目前，使用了五种增材制造方法：

　　

　　立体光刻（SLA- Stereolithography)

　　

　　立体光刻（SLA- Stereolithography）于 1986 年获得专利，是第一种完全商业化的快速原型技术，至今仍是应用最广泛的技术。在 SLA 过程中，零件模型建立在一个平台上，该平台位于液体光固化聚合物（通常是环氧树脂或丙烯酸酯树脂）的大桶中的表面正下方。使用先前创建的 CAD 切片数据编程的低功率紫外线（UV- ultraviolet）激光器，用其高度聚焦的 UV 光束追踪零件的第一层，扫描并固化切片轮廓边界内的树 脂，直到切片横截面内的整个区域固化。然后，升降机将平台逐渐降低到液体聚合物中，深度等于切片厚度，清扫器用液体聚合物重新涂覆固化层。然后，激光在第一层的顶部划出第二层。重复该过程，直到零件完成。根据零件的几何形状，在构建过程中可能需要在零件中构建机械支架以容纳液体。从大桶中取出后，将支架从零件中取出，然后将其放入紫外线烘箱中进行额外固化。

　　

　　熔融沉积建模（FDM- Fused Deposition Modeling ）

　　

　　熔融沉积建模（FDM- Fused Deposition Modeling ）是第二种应用最广泛的 AM 工艺。FDM 由 ABS（丙烯腈-丁二烯-苯乙烯）、聚碳酸酯和其他以韧性着称的树脂制成。通常，当零件耐久性至关重要时，才选择它。

　　

　　FDM 一次一层地构建三维对象。塑料丝从线圈上解开，将材料供应到加热的挤出喷嘴，该喷嘴控制流量。喷嘴安装在机械台上，可以水平和/或垂直移动。喷嘴在台上移动，台上涂有支撑材料，沉积出一条挤出塑料的薄珠。对于 ABS，该层的厚度通常为 0.25mm/0.010 英寸，这大致定义了 FDM 零件上的公差。连续挤出的层与前一层粘合，然后立即硬化。整个系统包含在一个温度刚好低于塑料熔点的腔室中。从腔室中取出零件后，无需进行后处理。

　　

　　激光烧结（LS- Laser Sintering ）

　　

　　激光烧结（LS- Laser Sintering ）是 20 世纪 80 年代末由德克萨斯州奥斯汀的美国 DTM 公司开发的。该技术于 2001 年被 3D Systems 收购。在一种类似于立体光刻的方法中，3D 的选择性激光烧结（SLS- Selective Laser Sintering）工艺使用 CO2 激光的热量来处理各种粉末而非液体形式的材料，包括尼龙和玻璃纤维或碳纤维填充的尼龙。在一个大约有印刷店复印机大小的封闭单元中，CO2 激光器和反射镜系统安装在支撑零件的构建台或底座上。辊子在底座表面上分布一层薄薄的粉末材料，然后反射镜系统将激光束引导到粉末层上。当光束在材料上来回扫描时，激光器打开和关闭，选择性地将粉末烧结（将粉末颗粒加热至熔化或熔化温度），其图案在尺寸和形状上与从转换的 CAD文件中导出的横截面切片相同。然后，将底座降低层厚度的距离，将另一层粉末卷在冷却并现已固化的第一层上，并重复烧结过程，将第二层粘合到第一层上。该过程以 0.08 毫米至 0.15 毫米（0.003 英寸至0.006 英寸）厚的层重复进行，直到零件完成。

　　

　　数字光处理（DLP- Digital Light Processing）

　　

　　数字光处理（DLP- Digital Light Processing）由美国德克萨斯州奥斯汀市德州仪器股份有限公司开发，支持 EnvisionTEC（美国密歇根州芬代尔）开发的一系列计算机辅助建模设备（CAMOD- Computer Aided Modeling Devices ）。与立体光刻平台一样，这项技术使用光固化树脂，但据报道，使用涉及掩模投影的连续工艺（而不是增量分层）更快地处理它们（约 25mm/1 英寸/小时），即，将整个图像投影到液体光聚合物浴上，而不是用点能量源在连续施加的粉末或液体树脂层上扫描或沉积材料层并施加热量。此外，连续构建技术消除了可视和触觉的阶梯形零件表面，这是基于层的添加制造的特征。EnvisionTEC 的 Perfactory Xede 机器使用单个或多个基于 DLP 的投影仪，在相对较小的 457×304×508 毫米（18×12×20 英寸）构建外壳内生产多个零件。据报道，成品部件与工程塑料具有相同的性能，如 ABS、高密度聚乙烯或聚丙烯。

　　

　　3D 打印

　　

　　3D 打印是进入该市场的最新产品，于 2007 年末首次亮相，当时 Objet Geometrys（以色列雷霍沃特）推出了 Connex500 3D 系统，该系统通过喷射连续的材料层来构建 3D 零件。该系统设计用于同时打印一种或两种建筑材料，基于 Objet 的 PolyJet Matrix 打印技术，这是大多数人熟悉的喷墨技术的高级版本。Objet Studio for Connex 软件管理该过程，使用转换后的 CAD 数据创建打印文件。

　　

　　在操作中，该系统将一种或两种材料输送到连接到 PolyJet Matrix 块的专用液体系统，该系统包含八个打印头，每个打印头包含 96 个喷嘴。为每种材料指定两个完全同步的打印头，包括一种易于移除的水溶性凝胶状支撑材料。

　　

　　这些工艺最初是有意的，现在仍然使零件设计师和工程师能够绕过对原型工具的需求，使他们能够在几个小时内制造出原型，以评估形状和配合特性，在某些情况下，还可以作为测试品，例如用于零件空气动力学风洞评估的测试品。然而，设计师们已经意识到，也有可能使用增材制造系统来制造生产零件。

　　

　　熔融沉积建模是一种已成为纤维增强塑料零件生产中大多数应用模式的方法。

　　

　　安全与环境保护

　　

　　制造商和原始设备制造商在生产和处理复合材料时必须解决健康、安全和环境问题。他们维护工作场所安全的方法包括定期培训、遵守详细的处理程序、维护当前的毒性信息、使用防护设备（手套、围裙、防尘系统和呼吸器）以及制定全公司的监测政策。供应商和原始设备制造商都在努力通过重新配方树脂和预浸料并改用水分散清洁剂来减少高挥发性有机化合物（VOC- volatile organic compounds）的排放。

　　

　　美国环境保护局继续加强其要求，以满足国会 1990 年通过的《清洁空气法修正案》的要求。具体而言，该机构的目标是减少危险空气污染物（HAP-hazardous air pollutants）的排放，这是一份由大约 180 种被认为会对健康构成风险的挥发性化学品组成的清单。树脂中使用的和固化过程中释放的一些化合物含有HAP。2003 年初，美国环保局颁布了专门针对复合材料行业的法规，要求使用最大可实现控制技术（MACT- maximum achievable control technology）进行排放控制。该条例于 2006 年初生效。

　　

　　注：原文见《 Materials & Processes: Fabrication methods》