將(jiang)TPC材料(liao)(liao)快(kuai)(kuai)(kuai)速(su)(su)成型為(wei)部(bu)件(jian)，可(ke)以(yi)(yi)被描述為(wei)熱(re)成型、模(mo)壓成型、沖(chong)(chong)壓成型或沖(chong)(chong)壓，在(zai)此，我們(men)更(geng)愿意(yi)使用“沖(chong)(chong)壓成型”一詞(ci)（如圖(tu)1所示），因為(wei)熱(re)成型、模(mo)壓成型和(he)其(qi)他術語可(ke)以(yi)(yi)指代一系列的(de)加(jia)工(gong)，并非所有這(zhe)些(xie)都是快(kuai)(kuai)(kuai)速(su)(su)成型。沖(chong)(chong)壓成型過(guo)程始于對坯(pi)(pi)料(liao)(liao)的(de)預固結。將(jiang)坯(pi)(pi)料(liao)(liao)快(kuai)(kuai)(kuai)速(su)(su)加(jia)熱(re)后，移送到一副(fu)快(kuai)(kuai)(kuai)速(su)(su)閉合的(de)成型模(mo)具(ju)(ju)中，該模(mo)具(ju)(ju)成型坯(pi)(pi)料(liao)(liao)并冷卻(que)部(bu)件(jian)，這(zhe)一循環時間可(ke)達(da)90秒(miao)，即使是大而復雜(za)的(de)部(bu)件(jian)，也(ye)可(ke)以(yi)(yi)在(zai)不(bu)到15分(fen)鐘內成型。沖(chong)(chong)壓成型工(gong)藝的(de)關(guan)鍵步驟包括：材料(liao)(liao)制備(bei)、坯(pi)(pi)料(liao)(liao)固結、坯(pi)(pi)料(liao)(liao)處理、坯(pi)(pi)料(liao)(liao)加(jia)熱(re)和(he)輸(shu)送、部(bu)件(jian)成型和(he)冷卻(que)、模(mo)具(ju)(ju)注意(yi)事項。

盡管存(cun)在明顯的(de)挑戰，但沖壓(ya)成(cheng)(cheng)型(xing)(xing)現已(yi)成(cheng)(cheng)熟(shu)地應用于中小型(xing)(xing)TPC部(bu)件的(de)快速制造之中，并且由于存(cun)在生產效(xiao)率和成(cheng)(cheng)本方(fang)面(mian)(mian)的(de)優勢，人們(men)對“將沖壓(ya)成(cheng)(cheng)型(xing)(xing)用于更大、更復雜的(de)結構部(bu)件的(de)生產”產生了極大的(de)興趣(qu)。以下是當前的(de)一些項目示例，其中包括沖壓(ya)成(cheng)(cheng)型(xing)(xing)方(fang)面(mian)(mian)的(de)進展。

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熱塑(su)性(xing)復合材料研(yan)究中心（TPRC）：TPRC 成立于2009年，對TPC開展了(le)一些基礎研(yan)究，包括對快速(su)成型工藝進行評估和建模的(de)幾(ji)個項(xiang)目(mu)。公開的(de)報告可通過他(ta)們(men)的(de)網站獲得。

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多功能機身(shen)演示器（MFFD）：這項為(wei)期 10 年(nian)的(de)清潔(jie)航(hang)空計劃涵蓋了12個(ge)歐洲組(zu)織，他們(men)合作制(zhi)造了8米(mi)×4米(mi)的(de)TPC機身(shen)段演示器，該組(zu)件(jian)榮獲了2025 年(nian) JEC 航(hang)空航(hang)天(tian)部(bu)(bu)件(jian)創新獎(jiang)，其中的(de)一些結構部(bu)(bu)件(jian)使(shi)用沖壓(ya)成型(xing)的(de)單向(xiang)（UD）帶制(zhi)成，這為(wei) TPC 主(zhu)結構部(bu)(bu)件(jian)的(de)生產(chan)奠定了基礎，并(bing)證明了TPC結構（包(bao)括(kuo)焊接(jie)）的(de)協同設計和(he)裝(zhuang)配優勢，如將梁集(ji)成到蒙皮(pi)上。

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空客不(bu)(bu)來梅壓機：空中客車公(gong)司不(bu)(bu)來梅工廠最(zui)近調(diao)試了一臺(tai)由Pinette Emidecau Industries制(zhi)造的(de)5米(mi)×2米(mi)的(de)高(gao)溫快速成型(xing)壓機。據稱，這是世界上最(zui)大的(de)TPC沖(chong)壓成型(xing)機，可以(yi)制(zhi)造大型(xing)結構(gou)件，能在不(bu)(bu)到(dao)(dao)5秒(miao)的(de)時(shi)間內將坯料(liao)(liao)從紅(hong)外(wai)加熱爐移送(song)到(dao)(dao)壓機中，并能夠同時(shi)將兩(liang)個(ge)坯料(liao)(liao)送(song)到(dao)(dao)沖(chong)壓成型(xing)模(mo)具中。

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NASA 高速復(fu)合材(cai)(cai)料制造（HiCAM）計劃：NASA HiCAM 計劃是一(yi)個(ge)由(you)20多個(ge)組織(zhi)組成的公(gong)私合作聯盟，旨在為下一(yi)代窄體(ti)商用(yong)飛機(ji)的大型復(fu)合材(cai)(cai)料結(jie)構做好生產準備。其中兩個(ge)主(zhu)要(yao)目(mu)標是，滿足每(mei)月80-100 架飛機(ji)的產率需求并降低復(fu)合材(cai)(cai)料結(jie)構的成本。方法包括(kuo)采用(yong)熱固性(xing)預浸料、樹脂(zhi)灌注(zhu)和TPC技術(shu)。沖壓成型被視為是用(yong)于諸多結(jie)構的關鍵技術(shu)。

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美國(guo)航(hang)空航(hang)天(tian)(tian)材料制造中心(xin)（AAMMC）：成立AAMMC 技術中心(xin)的目的，是為航(hang)空航(hang)天(tian)(tian)應用而提高大型TPC結構(gou)的制造成熟度（MRL）。該聯盟(meng)包括(kuo)行業合(he)作伙伴波音(yin)、柯林(lin)斯、Spirit AeroSystems、ATC Manufacturing、Syensqo 和東麗。

由于(yu)(yu)部(bu)(bu)件(jian)是(shi)由預(yu)固(gu)(gu)結(jie)(jie)的(de)(de)(de)(de)(de)坯(pi)(pi)料(liao)成型(xing)而來，因此(ci)，坯(pi)(pi)料(liao)的(de)(de)(de)(de)(de)質(zhi)(zhi)量對于(yu)(yu)成品(pin)部(bu)(bu)件(jian)的(de)(de)(de)(de)(de)性(xing)能起著至關重要(yao)的(de)(de)(de)(de)(de)作(zuo)用(yong)。為(wei)了(le)(le)快(kuai)速成型(xing)，必須(xu)(xu)在(zai)成型(xing)前使(shi)(shi)(shi)坯(pi)(pi)料(liao)得(de)到固(gu)(gu)結(jie)(jie)，以(yi)確保快(kuai)速加熱能夠傳遞到材(cai)料(liao)之(zhi)中(zhong)，使(shi)(shi)(shi)層(ceng)與(yu)層(ceng)之(zhi)間(jian)得(de)到高質(zhi)(zhi)量的(de)(de)(de)(de)(de)固(gu)(gu)結(jie)(jie)。部(bu)(bu)件(jian)制造商可以(yi)從織(zhi)物層(ceng)壓板（也稱為(wei)有(you)機片(pian)材(cai)）上切(qie)割出坯(pi)(pi)料(liao)，這些織(zhi)物層(ceng)壓板由多(duo)家材(cai)料(liao)制造商提供，尺寸可達3.7米×1.2米。針對更多(duo)的(de)(de)(de)(de)(de)結(jie)(jie)構應用(yong)，通常使(shi)(shi)(shi)用(yong)具有(you)訂制鋪層(ceng)取向的(de)(de)(de)(de)(de)單向（UD）帶(dai)。這種坯(pi)(pi)料(liao)通常是(shi)非(fei)矩形(xing)的(de)(de)(de)(de)(de)，可能具有(you)可變的(de)(de)(de)(de)(de)厚度。大多(duo)數TPC UD帶(dai)的(de)(de)(de)(de)(de)寬度不(bu)(bu)超過305毫米，并(bing)且(qie)邊緣必須(xu)(xu)在(zai)接(jie)縫處得(de)到連接(jie)而沒有(you)間(jian)隙或重疊。對于(yu)(yu)可變厚度的(de)(de)(de)(de)(de)部(bu)(bu)件(jian)，層(ceng)邊緣在(zai)坯(pi)(pi)料(liao)中(zhong)的(de)(de)(de)(de)(de)位(wei)置是(shi)滿(man)足設(she)計(ji)公差要(yao)求的(de)(de)(de)(de)(de)關鍵。最(zui)初人們認為(wei)，坯(pi)(pi)料(liao)必須(xu)(xu)滿(man)足與(yu)成品(pin)部(bu)(bu)件(jian)一樣的(de)(de)(de)(de)(de)質(zhi)(zhi)量要(yao)求，但近年來，具有(you)高度固(gu)(gu)結(jie)(jie)度（但不(bu)(bu)是(shi)100%的(de)(de)(de)(de)(de)固(gu)(gu)結(jie)(jie)）的(de)(de)(de)(de)(de)坯(pi)(pi)料(liao)已被證明是(shi)足夠的(de)(de)(de)(de)(de)，這開辟了(le)(le)坯(pi)(pi)料(liao)制備和固(gu)(gu)結(jie)(jie)的(de)(de)(de)(de)(de)其他方(fang)法。

圖(tu)2 坯料的組合和固結(jie)方法（圖(tu)片來(lai)源(yuan)：David Leach）

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可以(yi)使用(yong)多種方(fang)(fang)法來制備UD帶(dai)坯料（如圖2所示），包括人工(gong)的和自動(dong)化的鋪(pu)層組合(he)、自動(dong)鋪(pu)帶(dai)（ATL）和自動(dong)纖維鋪(pu)放（AFP）。對于在適當方(fang)(fang)向（如 0°、45°、90°）上鋪(pu)放具有(you)較(jiao)長長度的單獨的層，可以(yi)由人工(gong)或使用(yong)市售設備來制備。

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由于(yu)TPC材料沒有粘性(xing)，因此必須對(dui)(dui)各(ge)層(ceng)(ceng)進(jin)行(xing)局部(bu)加(jia)熱(re)，使(shi)(shi)它們能(neng)(neng)在適當的(de)方(fang)(fang)向(xiang)上相(xiang)(xiang)(xiang)互(hu)粘接(jie)。這(zhe)(zhe)可(ke)以(yi)通(tong)(tong)過(guo)人(ren)工或(huo)自動化的(de)熱(re)焊或(huo)超聲波焊接(jie)方(fang)(fang)法來(lai)實現，沿接(jie)縫將相(xiang)(xiang)(xiang)同方(fang)(fang)向(xiang)的(de)層(ceng)(ceng)相(xiang)(xiang)(xiang)互(hu)連(lian)(lian)接(jie)，并通(tong)(tong)過(guo)厚度將相(xiang)(xiang)(xiang)鄰的(de)層(ceng)(ceng)相(xiang)(xiang)(xiang)互(hu)連(lian)(lian)接(jie)。就(jiu)熱(re)固性(xing)預(yu)(yu)浸(jin)料而言，ATL使(shi)(shi)用(yong)寬帶(dai)來(lai)制備(bei)(bei)平的(de)或(huo)略微彎曲(qu)的(de)疊(die)(die)層(ceng)(ceng)，而AFP則使(shi)(shi)用(yong)窄(zhai)帶(dai)制備(bei)(bei)具有外形(xing)輪廓的(de)疊(die)(die)層(ceng)(ceng)。相(xiang)(xiang)(xiang)比(bi)之(zhi)下，TPC坯(pi)料通(tong)(tong)常是平的(de)。可(ke)以(yi)使(shi)(shi)用(yong)低能(neng)(neng)量(liang)(liang)來(lai)制備(bei)(bei)松散粘接(jie)的(de)疊(die)(die)層(ceng)(ceng)，然后必須在進(jin)一(yi)步的(de)操作(zuo)中(zhong)使(shi)(shi)之(zhi)得到固結(jie)(jie)，或(huo)者，可(ke)以(yi)使(shi)(shi)用(yong)高能(neng)(neng)量(liang)(liang)來(lai)充分固結(jie)(jie)坯(pi)料，這(zhe)(zhe)種坯(pi)料能(neng)(neng)直接(jie)用(yong)于(yu)沖壓(ya)成型。出于(yu)這(zhe)(zhe)一(yi)原因，無論預(yu)(yu)浸(jin)料的(de)寬度如何，都使(shi)(shi)用(yong)術語(yu)“高能(neng)(neng)量(liang)(liang)或(huo)低能(neng)(neng)量(liang)(liang)的(de)自動鋪帶(dai)（ATP）”來(lai)區(qu)分這(zhe)(zhe)些方(fang)(fang)法。連(lian)(lian)續模壓(ya)成型（CCM）也(ye)能(neng)(neng)創建坯(pi)料：按要求的(de)方(fang)(fang)向(xiang)鋪放帶(dai)材，以(yi)創建出一(yi)個(ge)疊(die)(die)層(ceng)(ceng)，然后在同一(yi)過(guo)程中(zhong)立(li)即對(dui)(dui)其進(jin)行(xing)固結(jie)(jie)。

有許多方法(fa)可(ke)以將疊層(ceng)固結成(cheng)層(ceng)壓板，然后將其用作沖壓成(cheng)型的坯料。這些方法(fa)包括(kuo)：單(dan)壓、雙(shuang)壓（熱(re)壓/冷壓機）、CCM、熱(re)壓罐、在加熱(re)爐(lu)中僅使用真空袋（VBO）、高能鋪帶(dai)（ATP）。

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在沖(chong)壓成型過程中，將坯料(liao)重新加熱到(dao)熔體溫度，這(zhe)使得坯料(liao)中聚合物(wu)的微觀結(jie)構不會影(ying)響到(dao)最(zui)終(zhong)部(bu)件(jian)，即使是(shi)半結(jie)晶聚合物(wu)也(ye)同樣如此。

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目前的(de)(de)(de)(de)(de)壓(ya)制方(fang)法已很成熟，可以實(shi)現高度(du)的(de)(de)(de)(de)(de)自(zi)動(dong)(dong)化。這些壓(ya)制技術可用于制造(zao)恒定厚度(du)的(de)(de)(de)(de)(de)層(ceng)(ceng)壓(ya)板(ban)，對(dui)方(fang)法的(de)(de)(de)(de)(de)選擇則(ze)取決于所需的(de)(de)(de)(de)(de)產量、資本(ben)支出(chu)和(he)(he)(he)經常性(xing)成本(ben)。單壓(ya)法的(de)(de)(de)(de)(de)循環時間(jian)較長，但可以在(zai)每(mei)個疊層(ceng)(ceng)之間(jian)使用填縫板(ban)（caul sheets）來同時固結多(duo)個層(ceng)(ceng)壓(ya)板(ban)。在(zai)雙壓(ya)法中，“熱”和(he)(he)(he)“冷(leng)”的(de)(de)(de)(de)(de)壓(ya)機分別保(bao)持(chi)在(zai)與(yu)工藝溫度(du)和(he)(he)(he)固結溫度(du)相對(dui)應的(de)(de)(de)(de)(de)恒溫，坯料在(zai)兩臺壓(ya)機之間(jian)自(zi)動(dong)(dong)穿(chuan)梭。CCM可以實(shi)現連續、自(zi)動(dong)(dong)化的(de)(de)(de)(de)(de)制造(zao)：適當方(fang)向的(de)(de)(de)(de)(de)層(ceng)(ceng)自(zi)動(dong)(dong)移動(dong)(dong)，通過具(ju)(ju)有熱區和(he)(he)(he)冷(leng)區的(de)(de)(de)(de)(de)模具(ju)(ju)，從而生產出(chu)非常長的(de)(de)(de)(de)(de)層(ceng)(ceng)壓(ya)板(ban)。

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將(jiang)熱(re)壓(ya)罐用(yong)(yong)于(yu)TPC似乎有悖常(chang)(chang)理，但(dan)卻(que)可(ke)(ke)以(yi)(yi)將(jiang)其用(yong)(yong)于(yu)同(tong)(tong)時固結(jie)多個(ge)層壓(ya)板，以(yi)(yi)及(ji)制造可(ke)(ke)變(bian)厚(hou)度的(de)(de)層壓(ya)板。VBO爐(lu)固結(jie)是(shi)(shi)(shi)一(yi)(yi)種類(lei)似的(de)(de)方法，但(dan)僅使用(yong)(yong)真空壓(ya)力(li)(li) （0.101 MPa）而(er)不是(shi)(shi)(shi)使用(yong)(yong)整個(ge)熱(re)壓(ya)罐的(de)(de)壓(ya)力(li)(li)（通常(chang)(chang)為0.7 MPa），其優點是(shi)(shi)(shi)不需(xu)要壓(ya)力(li)(li)容器。大(da)面積的(de)(de)高溫爐(lu)成(cheng)本低(di)廉，與熱(re)壓(ya)罐或(huo)壓(ya)機相比，可(ke)(ke)以(yi)(yi)大(da)大(da)降(jiang)低(di)投(tou)資(zi)成(cheng)本，同(tong)(tong)時能(neng)夠經濟地固結(jie)非(fei)常(chang)(chang)大(da)的(de)(de)層壓(ya)板。VBO已(yi)被證明(ming)可(ke)(ke)以(yi)(yi)提供高質量的(de)(de)坯料(liao)，盡管這(zhe)取決(jue)于(yu)UD帶。最后(hou)一(yi)(yi)種選(xuan)擇(ze)是(shi)(shi)(shi)高能(neng)ATP，可(ke)(ke)用(yong)(yong)于(yu)實現高度固結(jie)，固結(jie)度通常(chang)(chang)超過90%，對(dui)于(yu)大(da)型、非(fei)矩(ju)形、尤其是(shi)(shi)(shi)可(ke)(ke)變(bian)厚(hou)度的(de)(de)坯料(liao)而(er)言，這(zhe)是(shi)(shi)(shi)一(yi)(yi)個(ge)不錯的(de)(de)選(xuan)擇(ze)。

對(dui)于固結的(de)層壓板(ban)，必須將其加(jia)工成(cheng)適合成(cheng)品部(bu)(bu)件(jian)的(de)尺寸和(he)形狀，并在加(jia)熱和(he)轉移(yi)過程中(zhong)確保(bao)坯(pi)料(liao)(liao)(liao)的(de)形狀和(he)尺寸保(bao)持不(bu)變(bian)，這(zhe)通常是利用夾持器或依據(ju)部(bu)(bu)件(jian)尺寸形成(cheng)的(de)固定架來(lai)實現(xian)的(de)（如圖(tu)3所示）。連接方法(fa)可以包括(kuo)用彈簧(huang)來(lai)控制模(mo)具(ju)中(zhong)的(de)坯(pi)料(liao)(liao)(liao)在成(cheng)型(xing)過程中(zhong)出(chu)現(xian)的(de)移(yi)動，也可以用不(bu)會阻礙加(jia)熱的(de)聚(ju)酰亞胺薄膜來(lai)提供支撐。在沖壓成(cheng)型(xing)前，通常要對(dui)坯(pi)料(liao)(liao)(liao)進行干(gan)燥(zao)，以防止在坯(pi)料(liao)(liao)(liao)快速預熱期間，高性能的(de)熱塑(su)性聚(ju)合物吸收水分，即使吸收的(de)水分很(hen)少，也會導致最終部(bu)(bu)件(jian)產(chan)生孔隙(xi)。

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圖(tu)3 坯料保(bao)持(chi)方法（圖(tu)片來源(yuan)：Valeria Antonelli的博士論(lun)文，代爾夫特(te)工業大學，2014 年）

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將(jiang)坯料(liao)加熱(re)(re)(re)到(dao)(dao)工(gong)藝(yi)溫(wen)度(du)，通常是(shi)在紅外線加熱(re)(re)(re)爐(lu)(lu)中進行，耗時(shi)幾分鐘。對(dui)于較大的(de)部件(jian)，需要使用多區加熱(re)(re)(re)爐(lu)(lu)來(lai)確保(bao)整(zheng)個坯料(liao)得到(dao)(dao)均(jun)勻加熱(re)(re)(re)。雖然快速(su)加熱(re)(re)(re)可以(yi)縮短循環時(shi)間，但最終的(de)坯料(liao)溫(wen)度(du)必(bi)須(xu)處于特定的(de)范圍內(nei)，溫(wen)度(du)要足(zu)夠高才能確保(bao)熔化和聚合(he)物(wu)的(de)流動，但不能達到(dao)(dao)讓聚合(he)物(wu)降解的(de)溫(wen)度(du)范圍。坯料(liao)的(de)整(zheng)個長度(du)、寬度(du)和厚度(du)必(bi)須(xu)滿(man)足(zu)這些條件(jian)。

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使用含有(you)嵌(qian)入式熱(re)電(dian)偶(ou)的坯料進行試(shi)驗以調(diao)整工藝(yi)條(tiao)件(jian)是正(zheng)常的。在(zai)5毫米厚的UD碳(tan)纖維/PEKK帶坯料中嵌(qian)入的熱(re)電(dian)偶(ou)的熱(re)跡線(xian)如圖4所示。這些熱(re)電(dian)偶(ou)位(wei)(wei)于(yu)整個部(bu)件(jian)的多(duo)個位(wei)(wei)置，包括靠(kao)近表面的和厚度(du)(du)中心的位(wei)(wei)置。在(zai)加(jia)(jia)熱(re)過程(cheng)中，來自不同位(wei)(wei)置的跡線(xian)分散非常小，在(zai)340-400℃的PEKK工藝(yi)溫度(du)(du)區，溫度(du)(du)趨于(yu)平穩。通常，要(yao)對坯料加(jia)(jia)熱(re)一(yi)段固定(ding)的時間，重要(yao)的是，每一(yi)次(ci)的加(jia)(jia)熱(re)循環是一(yi)致的，并(bing)且在(zai)加(jia)(jia)熱(re)循環結束時，坯料溫度(du)(du)的變化(hua)率(lv)很小，如圖4所示。

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圖(tu)4 單向（UD）碳纖維增(zeng)強帶部件沖壓成型(xing)的(de)熱(re)電(dian)偶跡線，厚(hou)度為5毫米（圖(tu)片來源：ATC Manufacturing）

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在此過(guo)程(cheng)中，一(yi)個小的(de)但非常(chang)關(guan)鍵的(de)步(bu)驟是將(jiang)坯料(liao)(liao)從(cong)預熱爐轉移(yi)到沖壓(ya)壓(ya)機中，這(zhe)必須(xu)快速(su)完成，因為坯料(liao)(liao)一(yi)旦出爐，溫度就會迅(xun)速(su)下(xia)降（圖4），從(cong)加熱爐到壓(ya)機的(de)最長時(shi)間是5秒。當聚合物處(chu)于(yu)熔融狀態時(shi)，坯料(liao)(liao)的(de)完整性是靠(kao)纖維(wei)增強材料(liao)(liao)來保(bao)持的(de)，因此，坯料(liao)(liao)通(tong)常(chang)會下(xia)垂(chui)，甚至可(ke)能從(cong)夾(jia)具上滑落(luo)。在設計(ji)夾(jia)持機構以及在轉移(yi)坯料(liao)(liao)并將(jiang)其放到成型模具上時(shi)，都必須(xu)考(kao)慮到這(zhe)一(yi)點(dian)。

為了實(shi)現所需(xu)的短循環時(shi)間，壓機必須(xu)快速閉合以成型(xing)部件(jian)，同(tong)時(shi)，模(mo)具必須(xu)保持恒溫。這一組合要(yao)求帶來了挑(tiao)戰，因為連續纖(xian)維增強材料(liao)必須(xu)快速、一致地流動，同(tong)時(shi)冷卻(que)非常快，從(cong)而導致聚合物粘度的增加。

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在(zai)成(cheng)型(xing)方面，有多種流(liu)動過程(cheng)（如(ru)圖(tu)5所(suo)示）。對于織(zhi)物增強(qiang)部(bu)件，編織(zhi)限(xian)制(zhi)了纖(xian)(xian)維的(de)(de)變(bian)形量。但使用(yong)UD帶時，層可(ke)以(yi)橫向剪切流(liu)動，這可(ke)能(neng)導(dao)致層變(bian)薄、橋接(jie)和(he)起(qi)皺等特(te)征（如(ru)圖(tu)6所(suo)示）。纖(xian)(xian)維橫向于成(cheng)型(xing)方向的(de)(de)UD帶層會(hui)在(zai)拐角處擴散，導(dao)致變(bian)薄，而拐角外側的(de)(de)纖(xian)(xian)維可(ke)能(neng)會(hui)引(yin)起(qi)橋接(jie)。在(zai)成(cheng)型(xing)過程(cheng)中(zhong)被壓縮的(de)(de)層（如(ru)，在(zai)拐角的(de)(de)內側）會(hui)起(qi)皺，這對于結構(gou)件來說是不可(ke)接(jie)受(shou)的(de)(de)。為了在(zai)成(cheng)型(xing)過程(cheng)中(zhong)控制(zhi)層的(de)(de)變(bian)形，通常(chang)要張緊坯料(liao)，有時使用(yong)彈簧加載的(de)(de)張緊器（如(ru)圖(tu)3所(suo)示）。

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圖5 UD TPC帶(dai)中(zhong)(zhong)的流動過(guo)程（經許可轉(zhuan)載自“航(hang)空結構(gou)中(zhong)(zhong)具(ju)有(you)成(cheng)本效益的熱塑性復合材料”一文，Corbin Chamberlain 等人(ren)，SAMPE雜志2020年3月/4月刊(kan)）

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圖6 實際成型問題（圖片(pian)來源：David Leach）

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坯料被成型(xing)為成品部件時會快速(su)冷(leng)卻(que)（如圖4所示）。一旦與模具接觸，外層幾(ji)乎立(li)即冷(leng)卻(que)到(dao)模具溫(wen)度，甚至內層也會迅速(su)冷(leng)卻(que)到(dao)模具溫(wen)度。

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對于(yu)半結晶(jing)(jing)(jing)材(cai)料(liao)，必(bi)須選擇模具(ju)溫(wen)(wen)(wen)(wen)度(du)(du)(du)以(yi)平衡材(cai)料(liao)流動(dong)和形成部件的(de)(de)能力，以(yi)及(ji)所(suo)需結晶(jing)(jing)(jing)度(du)(du)(du)水平的(de)(de)凝固和發(fa)展。聚(ju)合物(wu)(wu)的(de)(de)粘度(du)(du)(du)隨(sui)著材(cai)料(liao)的(de)(de)冷(leng)卻(que)(que)(que)(que)(que)而迅速增加，這限制(zhi)了材(cai)料(liao)的(de)(de)流動(dong)。冷(leng)卻(que)(que)(que)(que)(que)時(shi)(shi)，半結晶(jing)(jing)(jing)聚(ju)合物(wu)(wu)在(zai)結晶(jing)(jing)(jing)溫(wen)(wen)(wen)(wen)度(du)(du)(du)下(xia)(xia)凝固，但該(gai)溫(wen)(wen)(wen)(wen)度(du)(du)(du)取決于(yu)冷(leng)卻(que)(que)(que)(que)(que)速率，當部件溫(wen)(wen)(wen)(wen)度(du)(du)(du)在(zai)模具(ju)上達(da)到平衡時(shi)(shi)，結晶(jing)(jing)(jing)程度(du)(du)(du)取決于(yu)等溫(wen)(wen)(wen)(wen)條件下(xia)(xia)的(de)(de)時(shi)(shi)間(jian)和溫(wen)(wen)(wen)(wen)度(du)(du)(du)。典型的(de)(de)冷(leng)卻(que)(que)(que)(que)(que)循環(huan)包括初始(shi)冷(leng)卻(que)(que)(que)(que)(que)期間(jian)的(de)(de)非(fei)等溫(wen)(wen)(wen)(wen)結晶(jing)(jing)(jing)，然后(hou)是等溫(wen)(wen)(wen)(wen)結晶(jing)(jing)(jing)。聚(ju)合物(wu)(wu)的(de)(de)體積在(zai)結晶(jing)(jing)(jing)時(shi)(shi)發(fa)生顯著變化，聚(ju)合物(wu)(wu)模量隨(sui)之增加，并隨(sui)著材(cai)料(liao)冷(leng)卻(que)(que)(que)(que)(que)到玻璃(li)化轉變溫(wen)(wen)(wen)(wen)度(du)(du)(du)（Tg）和環(huan)境(jing)溫(wen)(wen)(wen)(wen)度(du)(du)(du)而進(jin)一(yi)步收縮。

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聚合(he)物和復合(he)材料的(de)(de)供(gong)(gong)應(ying)商們開發了關于(yu)結晶(jing)如(ru)何(he)受冷卻速率以(yi)及等(deng)溫時間(jian)和溫度影響的(de)(de)大量數據，應(ying)該能(neng)夠為達到(dao)最快結晶(jing)速率提(ti)供(gong)(gong)推薦的(de)(de)溫度以(yi)及為達到(dao)最大結晶(jing)度提(ti)供(gong)(gong)所需要的(de)(de)時間(jian)。

由于聚(ju)合(he)物的(de)(de)(de)體積在冷卻(que)和(he)凝固(gu)(gu)過程(cheng)中(zhong)(zhong)顯著減小(xiao)，因此(ci)成型部件的(de)(de)(de)尺(chi)寸在冷卻(que)過程(cheng)中(zhong)(zhong)會(hui)發生(sheng)變化。即使(shi)在凝固(gu)(gu)后，尺(chi)寸也會(hui)因聚(ju)合(he)物冷卻(que)到環境(jing)溫(wen)度(du)(du)而發生(sheng)變化。這會(hui)導致“彈入”效應，即成品部件中(zhong)(zhong)角(jiao)落(luo)的(de)(de)(de)拐角(jiao)要小(xiao)于模(mo)具的(de)(de)(de)。這可以進(jin)行(xing)建(jian)模(mo)，結(jie)合(he)模(mo)具和(he)TPC材料(liao)的(de)(de)(de)熱(re)膨脹系數（CTE）與溫(wen)度(du)(du)的(de)(de)(de)關系。當(dang)然，復合(he)材料(liao)的(de)(de)(de)CTE是高度(du)(du)各向異性(xing)的(de)(de)(de)，因此(ci)必須考慮(lv)每個(ge)疊(die)層的(de)(de)(de)特定層方向的(de)(de)(de) CTE。

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模(mo)具溫度(du)通常超過204℃，以允(yun)許(xu)TPC的成(cheng)型(xing)和結(jie)晶。坯料在(zai)(zai)與模(mo)具接(jie)觸時(shi)處于較(jiao)高(gao)的溫度(du)，因此通常需要金(jin)屬模(mo)具。在(zai)(zai)成(cheng)型(xing)復雜部(bu)件(jian)時(shi)，在(zai)(zai)一(yi)個模(mo)具上使用(yong)彈(dan)性體模(mo)具或彈(dan)性體表面的金(jin)屬模(mo)具是有優勢的，可以提供(gong)一(yi)定的合規性，以確保成(cheng)品(pin)部(bu)件(jian)的高(gao)質量(liang)成(cheng)型(xing)和固結(jie)。

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圖7 多部分模具被(bei)用于使用 UD TPC帶成型可變厚度(du)的(de)機身框架（圖片來源(yuan)：Spirit AeroSystems，Ron Jones在(zai)2022年ACMA熱塑性復合材料(liao)會議上的(de)演講(jiang)）

最常見(jian)的模具(ju)設計是一(yi)種匹配的兩部分(fen)模具(ju)組，但對于更復雜的部件，多部分(fen)模具(ju)的使用正在增加。比(bi)如，可以(yi)使用兩個主模成(cheng)(cheng)型腹板，然后一(yi)個可移(yi)動的部分(fen)可以(yi)折(zhe)疊(die)法蘭。Spirit AeroSystems在成(cheng)(cheng)型彎曲和可變厚(hou)度(du)的機身框(kuang)架(jia)時展示(shi)了(le)這種方法，如圖7所示(shi)。

自2021年以來，仿真(zhen)已取(qu)得了(le)巨大進(jin)展(zhan)。現在(zai)，使用(yong)AniForm（針對(dui)成(cheng)型(xing)）和(he)(he)Convergent Manufacturing（針對(dui)熱性能(neng)）等公司提供的軟(ruan)件，可(ke)以非常(chang)精(jing)確地模擬(ni)成(cheng)型(xing)和(he)(he)熱效(xiao)應。這樣，可(ke)以提前識別(bie)潛在(zai)的問題區域，并對(dui)坯料(liao)設計(ji)、層取(qu)向、坯料(liao)張緊和(he)(he)模具(ju)(ju)設計(ji)進(jin)行(xing)虛擬(ni)調(diao)整。現在(zai)的仿真(zhen)可(ke)以適應材(cai)料(liao)-模具(ju)(ju)摩(mo)擦、可(ke)變厚(hou)度部件和(he)(he)合(he)規模具(ju)(ju)等方面的要求。

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在使用UD TPC帶成(cheng)型復雜部件(jian)的(de)(de)過程中(zhong)，對(dui)變(bian)形應(ying)變(bian)的(de)(de)建模如圖(tu)8所示。熱(re)建模可以預測熔化和(he)結晶過程中(zhong)的(de)(de)熱(re)滯后、熱(re)梯(ti)度，以及冷(leng)卻過程中(zhong)的(de)(de)熱(re)粘彈性行為，這樣(yang)可以計(ji)算殘余應(ying)力并預測彈入(ru)和(he)翹曲，以對(dui)熱(re)補償模具進(jin)行設(she)計(ji)。

圖(tu)8 用AniForm軟(ruan)件預測的使用 UD TPC帶成型窗框部件時的材(cai)料應(ying)變偏差(cha)（圖(tu)片來源：ATC Manufacturing）

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現在，我們已對TPC 沖壓成型的(de)基礎(chu)科學有(you)了充(chong)分的(de)了解，從而(er)可以在航空和其他行業的(de)廣(guang)(guang)泛應用中(zhong)充(chong)分利用其優勢。該技術的(de)持續發展(zhan)，將使得TPC在未(wei)來得到(dao)更加廣(guang)(guang)泛的(de)應用。