摘要：制造高性能的碳纤维增强环氧树脂零件，包括圆角，一直是航空航天工业面临的长期制造挑战。与这些零件的制造相关的主要困难在于碳/环氧预浸料材料在夹角中的初始铺层。手动操作员和自动铺叠设备也难以实际进入这些狭窄区域；预浸料的粘性与相邻墙壁上已经铺设的材料有亲和力，这也

制造高性能的碳纤维增强环氧树脂零件，包括圆角，一直是航空航天工业面临的长期制造挑战。与这些零件的制造相关的主要困难在于碳/环氧预浸料材料在夹角中的初始铺层。手动操作员和自动铺叠设备也难以实际进入这些狭窄区域；预浸料的粘性与相邻墙壁上已经铺设的材料有亲和力，这也使铺设过程复杂化。这些困难往往导致铺层桥接到角落，在固化过程中难以压实。在固化过程中，热压罐压实压力垂直施加在整个零件表面，包括角落附近的墙壁。这种压力的施加会对层压板产生夹紧效应，这使得叠层更难固结到角部空隙中。智能模具模胎（Smart Too Caul）产品是一种匹配模具的模胎，在室温下是刚性的，在层压板固化过程中是弹性的。智能模具模胎产品能够将叠层直接应用于凹模腔的刚性凸模反面，然后可以直接装入凹模固化模具。将层压板应用于反向刚性凸模上，消除了与制造小半径（包括角）相关的物理访问和粘性问题。在固化过程中，智能模具模胎从刚性状态转变为弹性体状态，使热压罐的正常挤压力能够转化为复合层压板。

基于智能模具模胎的吊挂整流罩CAD绘图

凹模腔CAD显示零件

本案例研究回顾了使用传统制造方法与智能模具模胎制造方法在具有小半径角的部件（吊挂后缘整流罩）上进行制造尝试的结果。以下案例研究大纲中回顾的细节提高了最终零件的质量，其特征是层间分层和空隙的显著减少，以及传统制造工艺和智能模具模胎工艺之间的制造成本分析。

吊挂整流罩后缘传统工艺

吊挂后缘整流罩是一个双轮廓8层环氧树脂/碳纤维层压板，带有环氧树脂/铜网和环氧树脂/玻璃纤维表层。它沿整个零件长度包含一个不恒定的半径，从0.40英寸到0.12英寸（10.2毫米到3毫米）不等。吊挂整流罩采用了继承的铝制凹模，用于手工铺叠和真空袋热压罐固化。碳层压板必须在凹模腔内铺设成复杂的半径，这给实现适当的层固化和防止空隙带来了困难。叠层是一个劳动密集型的过程，需要6个小时才能完成。由于层间分层，从项目开始就出现了50%的废品率。

传统的凹模解决方案

吊挂整流罩后缘二次加工

通过采用凹铝模具的外模线（OML）并将其减去层压板体积系数（在凸模和凹模上铺设层时，层固结减少百分比），将继承的凹铝模具转换为凸模。由环氧树脂泡沫加工而成的吊挂整流罩后缘样件。第二个过程开始于将碳纤维织物以相反的顺序铺设在环氧泡沫样件上，然后将铺层转移到凹铝工具上，再装袋进行热压罐固化。这种二次加工防止了由于在凹形工具中铺设复杂几何形状而导致的层间分层，然而，它在电荷转移方面产生了新的问题。它还将半径厚度从36%降低到22%。二次加工将废品率从50%降低到30%，工时从6小时（67%效率）降低到4小时（100%效率）。

使用一个智能工具作为模胎

吊挂整流罩智能模胎解决方案

左：智能模胎和最终复合材料部件。右：零件内部的模胎

用环氧泡沫吊挂整流罩后缘样件制作了一个碳纤维凹模。然后，通过真空辅助树脂传递模塑（VARTM）从碳纤维智能凹模中脱模出智能凸模。使用阻隔层剥离膜覆盖智能模具模胎，以缓解固化层压板的剥离。这使得铺放可以在坚硬的智能凸模上完成。一旦在刚性凸智能模具模胎上完成叠层（按相反的图案顺序），就将其直接放入铝制凹模固化模具中。与二次过程不同，不需要转移铺放。

在固化过程中，智能模具模胎变得有弹性，并被加压以将热压罐力传递到层压板上并转化为半径，从而充分压实和固结层压板。脱模后，智能模具模胎在智能模具中在250°F（121°C）的真空袋下进行改性。智能模具模胎工艺显著降低了废品率，降至3%以下，并将工时缩短至2小时。

结果

工艺还显著降低了半径厚度，并将整体铺层固化度提高了36%，从而达到了所需的零件标称厚度。改进的零件固化消除了层间分层问题。下表提供了制造过程结果比较。

实现智能工具的优势

将复合材料层铺设到小圆角会产生可能的角桥接和树脂富集区域的问题。即使是最有经验的复合材料技术人员也很难在深尖角处进行铺设。这就是智能模具模胎为制造过程增加价值的地方。智能模具模胎按照IML（内模线）零件线的净形状制造，这使得可以在凸形IML（内模线）表面而不是凹形OML（外模线）表面上进行铺层。角部铺层可以很容易地在凸IML（内模线）工具上进行，其中层可以紧紧地放置在角部上方和周围，以消除最终零件中的角部桥接和树脂富集区域。智能模具模胎表面涂有永久性阻隔层，如Airtech Tooltech，这将在固化后使其易于从复合材料部件上释放。智能模具模胎的密度为1.13g/cm3，比铝或钢轻得多，铝或钢的密度分别为2.70 g/cm3和7.75 g/cm3。智能模具模胎不仅具有较低比重的优点，而且其制造厚智能模具模胎度约为0.100英寸（，这转化为非常轻且可操作的模胎，但仍然足够坚固，可以叠放。

智能模具模胎在固化周期中也为制造过程增加了价值。将智能模具模胎和铺层装袋放入固化模具中，抽真空以去除所有空气。固化模具按照最终零件的OML（外模线）制造。在固化过程中，智能模具模胎高于其Tg，这意味着它们从刚性状态变为弹性状态。在零件上抽真空将在智能模具模胎上产生14.7 psi的力，该力将直接均匀地传递到整个叠层上。如果需要额外的力来完全固结层压板，可以使用热压罐进行固化，并施加适当的压力以确保复合材料层压板的固结。一旦零件固化，如果没有任何被卡住的特征，可以使用冷法移除智能模具模胎；如果几何形状中有被卡住的特征，则可以使用热法移除。

智能工装为航空航天和国防工业制造具有复杂几何形状的复合材料零件提供可成形、可重复使用的工具解决方案。智能工装提高了质量，减少了工时，减少了耗材，提高了吞吐量—本质上，智能工装使复合材料零件的制造更好、更便宜、更快。

智能工装的形状记忆聚合物（SMP-Shape Memory Polymers）设计为在室温下为航空航天级刚性环氧树脂，在加热时为高度柔性弹性体，无需昂贵、费力、乏味、肮脏和具有挑战性的解决方案，如熔融泡沫、金属分解工具、橡胶气囊或冲洗工具。

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来源：材料技术