複合材料模具的製造

複合材料的使用已經不是什麼新鮮事。到大英博物館看一看就可以發現，古代埃及人已經採用簡單但有效的稻草/泥土混合物建造他們的墓穴。

現在，用於複合材料成型的模具也稱為工具，可以採用任何材料製成。對於低温固化部件或原型部件來説，不需要嚴格控制尺寸的精確性，模具通常採用玻纖、高密度泡沫、可加工的環氧樹脂板甚至粘土或木材製成。

對於高温固化部件來説，或者需要高尺寸精度時，或者模具要用於大量部件的生產時，模具必須具有更高的性能。這類模具所採用的材料包括因鋼(一種鎳/不鏽鋼合金)、鋼、鋁、鎳和碳纖維。

模具材料的選擇通常要參考熱膨脹係數(CTE)、循環週期數、製品公差、表面質量要求、固化工藝、材料的玻璃化轉變温度、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，但它們在生產複合材料部件時也有重大缺陷。在高温固化過程中，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。對於大型部件來説，這類模具的尺寸和重量使其難以加工、移動和存儲。

　　複合材料模具

如果複合材料模具的材料與最終產品的材料相近，那麼即使無需昂貴的金屬模具也可以得到高性能的製品。過去複合材料模具僅僅是專業的航空和F1技術人員所知的一種藝術，而現在已被賽車製造商到航空業領導者(例如波音和空客)廣泛應用。經過幾十年的發展和改進，複合材料模具製造已不再那麼藝術，而成為一種更加穩定高效的工藝。

“工業複合材料的應用歷史已經超過50年，”AMBER複合材料公司歐洲地區銷售經理JEDILLSLEY説，“最初，樹脂和織物的處理採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，將織物用樹脂浸漬後，就可以得到一種性能穩定的材料，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複合材料模具的標準制造方法。”

隨着預浸料性能(包括可操作性、室温下的使用壽命和正確的粘度)的逐漸改進，這種模具製造方法現在已變得更加簡便和經濟。新一代複合材料正在越來越多的領域得以應用。

AMBER複合材料公司由一個小型的專家團隊於1988年在英國創立，開發和生產高性能的複合材料預浸料。預浸料技術那時還處於初級階段，早期的團隊參與了預浸料商業化應用的一些研究。AMBER總部位於英國諾丁漢郡(革命性的工業織布和碳纖維工業的搖籃)，在那裏他們與F1車隊和其他許多高性能應用設計人員緊密合作。正是這些高要求客户的需求推動了今天的模具材料的發展。

今天，AMBER為全球眾多行業提供服務，包括航空航天、汽車、船艇和通訊。

AMBER的低温固化環氧樹脂模具預浸料HX50和HX70以及先進複合材料集團(ACG)的LTM系列現在已成為航空、汽車、船艇、工業和賽車行業的標準產品。不斷的改進使得這些材料便於處理和使用，並賦予模具A級表面和極長的使用壽命。有些系統現在可以承受200℃的高温，一些最新的材料使得複合材料模具適用於更多的成型工藝。

ILLSEY提到了F1賽車生產商和美洲盃賽艇製造商：“F1車隊需要大量小型但複雜的部件，而賽艇製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採用模具預浸料製成的，就像軍事和航天行業的模具一樣。經過長期的發展，複合材料甚至被商業航空領域廣泛採用。例如，A350的整個機翼將採用碳纖維製成，大量的模具將採用複合材料預浸料。波音新機型B787由50%以上的複合材料組成，一些非常大的生產模具也是由複合材料模具預浸料製成的。

最近，相關的一些公司開始通過開發無需高温高壓處理或增加樹脂用量的預浸料來開發低成本的複合材料模具。這種產品適用於製造大型部件和無法承受高温的部件。

　　複合材料模具的優勢

複合材料模具相比傳統金屬模具的優勢在於，複合材料模具具有較低的生產成本，而且便於處理和存儲。對於需要精確尺寸的高性能部件來説，複合材料模具與部件的CTE更加接近，在固化過程有助於保持尺寸的完整性。

複合材料模具比幾年前更加普遍和環保，加工效率也更高。現在的預浸料有各種粘度、固化温度和尺寸可選。

複合材料變得普遍的另一個原因在於複合材料系統的可用性，客户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、脱模劑和預浸料，所有這些都可以從一個供應商那裏獲得，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增長迅速。

AXSON技術公司CEOLIONELPUGET説：“最近我們為德國一家造船廠的賽艇生產提供了一系列的模具材料，包括SC175環氧樹脂糊、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。”

樹脂糊在這類部件，特別是大型模具的生產中起着重要作用。採用樹脂糊，可以使用成本相對較低的數控銑牀粗略切割一個低成本低密度的樣品;然後在其上方覆蓋一層環氧樹脂或聚氨酯樹脂糊;樹脂糊固化後，可以將其加工成所需的尺寸，形成一個低成本模具樣品;然後模具預浸料被鋪放在精確切割好的樹脂糊上形成模具。

這種模具製造方法顯著縮短了大型精確部件的製造時間和成本。

最新的模具預浸料(例如HX90N)可以滿足低温固化的特殊需求，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温性能。

HX90N的這種優異性能使其非常適用於對模具預浸料有嚴格要求的一些領域，並以幫助模具製造商滿足了航空、汽車和交通運輸行業越來越嚴格的各種應用需求。

大型和小型複合材料結構比以往更快速、更便宜，也更精確，設計者可以利用複合材料的這些優勢將其用於越來越多的高性能應用中。