鎳鋼合金Invar過(guò)去一直是大批量復(fù)合材料部件首選的模具材料，因?yàn)槠淠途眯院蜔崤蛎浵禂?shù)（CTE）與部件成型用的增強(qiáng)塑料相近。但是，隨著復(fù)合材料部件越來(lái)越大，金屬模具的過(guò)重問(wèn)題給加工廠帶來(lái)了新的挑戰(zhàn)。因此，許多制造商轉(zhuǎn)而采用復(fù)合材料工具，以降低重量，避免較高的鎳鋼加工成本。

　　美國(guó)復(fù)合材料制造商協(xié)會(huì)（ACMA）前技術(shù)總監(jiān)Bob Lacovara說(shuō)，越來(lái)越多的模具開(kāi)始采用環(huán)氧樹(shù)脂和碳纖維來(lái)制造，特別是對(duì)尺寸和模具穩(wěn)定性要求比較高的場(chǎng)合。

　　“環(huán)氧樹(shù)脂比聚酯樹(shù)脂稍微耐用一點(diǎn)，它們具有較高的熱穩(wěn)定性，因此在需要高溫固化的應(yīng)用中，環(huán)氧樹(shù)脂是一個(gè)很好的選擇。”Lacovara說(shuō)。他最近入選了ACMA杰出人物。 　

　　摒棄模型

　　“我認(rèn)為最新最偉大的創(chuàng)新是直接模具的數(shù)控加工，它消除了模具生產(chǎn)過(guò)程中制造模型的步驟。”他說(shuō)，“因?yàn)槟Ｐ退貌牧媳旧矶加幸恍┫拗?，而且部件的表面質(zhì)量要求也是一個(gè)問(wèn)題。”

　　“下一步就是開(kāi)發(fā)出一種可以獲得A級(jí)表面的技術(shù)，從而大大降低加工的成本和時(shí)間。”Lacovara說(shuō)到。Lacovara領(lǐng)導(dǎo)著一家名為Convergent復(fù)合材料的咨詢公司。

　　美國(guó)佛羅里達(dá)州的一家模具制造廠Mollicam采用五軸CNC（計(jì)算機(jī)數(shù)控）加工中心為復(fù)合材料行業(yè)生產(chǎn)模型、原型和模具，可以為臨時(shí)的和產(chǎn)量有限的模具加工直接模具。該工廠有四臺(tái)CNC機(jī)床，用于生產(chǎn)模具、船體和其他復(fù)合材料部件。其中一個(gè)直接模具項(xiàng)目來(lái)自船艇制造商Wellcraft Marine公司。

　　“客戶想要測(cè)試一個(gè)新的船體設(shè)計(jì)，需要一個(gè)模具生產(chǎn)出一個(gè)部件，讓其在水中實(shí)際行駛。”Mollicam公司總裁Jeremy Mollica說(shuō)到，“如果該部件運(yùn)行良好，他們計(jì)劃用該模具再生產(chǎn)一個(gè)部件，并將其轉(zhuǎn)換為玻纖母模。然后他們將由此制造一個(gè)生產(chǎn)用模具。”

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在制備傳統(tǒng)模具過(guò)程中，Mollicam采用五軸CNC刨槽機(jī)對(duì)一個(gè)船體模型進(jìn)行加工。其模具就是根據(jù)該模型制造的

　　“直接模具以客戶的需求為基礎(chǔ)，我們經(jīng)常加工直接模具，特別是一次性的部件。我們參與了許多主題樂(lè)園和船艇行業(yè)的項(xiàng)目。藝術(shù)作品和雕塑通常也都是一次性的項(xiàng)目。”他說(shuō)。

　　模具材料根據(jù)客戶制造部件所用的材料來(lái)確定。

　　“如果是一次性項(xiàng)目，而且表面質(zhì)量要求不是很高。我們將直接加工成泡沫，然后在表面涂覆一層密封膠。”Mollica解釋說(shuō)，“如果只生產(chǎn)一個(gè)部件，但對(duì)表面質(zhì)量要求較高的話，我們會(huì)將泡沫尺寸加工的小一點(diǎn)，然后附上一層玻璃，再在玻璃層壓板上噴涂一層工程油灰。我們會(huì)將最后的表面制作的稍高一點(diǎn)，然后再進(jìn)行加工，使其變低。”

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Mollicam工廠正使用五軸CNC刨槽機(jī)為船體加工直接模具

　　“在為20個(gè)或20個(gè)以上的大量部件制造模具時(shí)，最好先生產(chǎn)一個(gè)模型。”Mollica說(shuō)，“有了模型就可以生產(chǎn)出足夠堅(jiān)固的模具。如果模具需要進(jìn)入高壓釜，經(jīng)常加熱，我們就要對(duì)模型進(jìn)行機(jī)加工，從而使生產(chǎn)出的模具達(dá)到高溫要求。”

　　根據(jù)計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)進(jìn)行的CNC加工是非常精確的。母模生產(chǎn)用的可加工復(fù)合材料模具板和板材來(lái)自不同的制造商。這些產(chǎn)品范圍從聚氨酯泡沫、合成環(huán)氧樹(shù)脂到碳泡沫。這些材料粘結(jié)在一起后，被加工成特定的模具形狀，然后將其密封防止層壓樹(shù)脂滲透，并用雙馬來(lái)酰亞胺或環(huán)氧層壓板包覆，最后才進(jìn)行機(jī)加工。

　　位于華盛頓州的美國(guó)領(lǐng)先的復(fù)合材料模具制造商Janicki工業(yè)公司開(kāi)發(fā)了世界上最大的CNC刨槽機(jī)之一。該機(jī)械的外殼尺寸最大可達(dá)30.5×6×2.4米。

內(nèi)容來(lái)自123456

　　大型航空航天模具

　　Northrop Grumman航空航天系統(tǒng)制造開(kāi)發(fā)工程師Bob Vale說(shuō)，機(jī)身結(jié)構(gòu)不斷增加復(fù)合材料的用量，也變得越來(lái)越大越來(lái)越復(fù)雜。去年，在加利福尼亞圣地亞哥舉辦的制造工程師學(xué)會(huì)（SME）復(fù)合材料模具大會(huì)上，他提到Northrop早已將雙馬來(lái)酰亞胺（BMI）作為模具加工的最佳復(fù)合材料，并在飛機(jī)制造商的項(xiàng)目中不斷取得成功。


Janicki工業(yè)公司開(kāi)發(fā)并使用的這臺(tái)先進(jìn)的超大CNC刨槽機(jī)最大外殼尺寸為30.5×6×2.4米

　　Northrop已經(jīng)設(shè)計(jì)制造了600多個(gè)BMI模具。Vale說(shuō)，通常，這些重量只占鎳鋼模具40%的模具要在150 ℃的溫度和100 psi的壓力下經(jīng)過(guò)700多個(gè)高壓加熱循環(huán)。采用復(fù)合材料制造航空航天模具和鋪設(shè)芯軸的難題之一是要滿足嚴(yán)格的材料需求。 123,123

　　這些特定的需求包括：能夠承受最少500個(gè)循環(huán)；玻璃化轉(zhuǎn)變溫度在204℃以上，以滿足高生產(chǎn)速率條件下176℃的固化溫度要求。這些模具還必須具有高成本效率，能夠抵抗紫外線，耐磨損，能夠抵抗環(huán)境老化因素，同時(shí)保持較高的尺寸完整性和穩(wěn)定性。

　　馬薩諸塞州Lynnwood 市的Carver復(fù)合材料模具公司總裁Larry Carver說(shuō)，飛機(jī)制造商加大復(fù)合材料用量的趨勢(shì)推動(dòng)了BMI和其他先進(jìn)材料的發(fā)展，為復(fù)合材料模具開(kāi)辟了新的道路。在SME復(fù)合材料模具大會(huì)上，Carver發(fā)言說(shuō)，Northrop嘗試采用環(huán)氧基復(fù)合材料模具的初衷是為了滿足F/A 18 A/B 大黃蜂（Hornet）戰(zhàn)斗機(jī)中碳纖維部件的熱膨脹系數(shù)要求。

　　Carver說(shuō)，今天，Northrup在其Super Hornet中使用大約59%的碳纖維材料。他提出了一種以碳泡沫為芯材，BMI/碳纖維為表皮的材料概念，為大型復(fù)合材料部件制造復(fù)合材料模具。他認(rèn)為，BMI、碳纖維和碳泡沫非常適合制造大型鋪設(shè)芯軸，在復(fù)合材料表皮的制造中可以進(jìn)行纖維的自動(dòng)化鋪設(shè)和手工鋪放?！?

本文來(lái)自123

　　BMI基材料

　　Hexcel的HexTOOL M61是由HexPly M61 BMI樹(shù)脂生產(chǎn)的，非常適合進(jìn)行高溫高壓加工。它含有不規(guī)則的單向碳纖維預(yù)浸料層。HexTOOL可以作為多層準(zhǔn)各向同性手糊材料，并用CNC機(jī)床加工至緊公差。這種材料非常適合于176-190℃的高壓固化工藝，可以修補(bǔ)，尺寸穩(wěn)定，能保持完全的真空，即使經(jīng)過(guò)500個(gè)以上的固化循環(huán)也無(wú)影響。


FormaShape是北美最大的復(fù)合材料和部件供應(yīng)商之一，專門為輕質(zhì)RTM工藝制造了這一模具

　　HexTOOL模具比鋼質(zhì)或鎳鋼制成的模具更輕，也更節(jié)能，比標(biāo)準(zhǔn)復(fù)合材料公差更緊，因此成本效益也更高。該公司還提供一種環(huán)氧樹(shù)脂基的模具HexTOOL M81，由準(zhǔn)各向同性的預(yù)浸料氈組成，比標(biāo)準(zhǔn)復(fù)合材料模具厚。該模具預(yù)浸料首先在120℃下固化6小時(shí)，然后在204℃后固化兩小時(shí)，專門用于生產(chǎn)120℃固化的部件。

　　Cytec工程材料公司的DURATOOL 450 BMI/碳纖維模具預(yù)浸料是一種高性能的模具系統(tǒng)，可在190℃下連續(xù)工作，在204℃下進(jìn)行短周期循環(huán)。經(jīng)過(guò)初始的高壓固化過(guò)程后，該模具層壓板脫模后單獨(dú)進(jìn)行后固化。實(shí)踐證明，該預(yù)浸料在190℃下經(jīng)過(guò)100多個(gè)高壓循環(huán)都不會(huì)出現(xiàn)老化現(xiàn)象。Cytec提供的其他模具預(yù)浸料還包括CYFORM 7620，一種中溫固化環(huán)氧系統(tǒng)，可以為大型的難鋪設(shè)的模具帶來(lái)最大的附著力和長(zhǎng)的使用壽命。

　　先進(jìn)復(fù)合材料集團(tuán)（ACG）最近又推出了兩種BMI基材系統(tǒng)HTM 556和 HTM 515-1模具預(yù)浸料，為結(jié)構(gòu)模具和部件市場(chǎng)提供優(yōu)異的加工性能和耐高溫性。據(jù)說(shuō)這兩種材料強(qiáng)度更高，不會(huì)出現(xiàn)微裂紋，可以提高真空完整性，延長(zhǎng)模具壽命。HTM 556可以在200℃下連續(xù)使用，而HTM 515-1可以承受250℃的熱循環(huán)。

　　該公司還擁有LTM系列低溫固化環(huán)氧基預(yù)浸料，可以進(jìn)行后固化，使用低成本低溫母模生產(chǎn)耐高溫的輕質(zhì)復(fù)合材料模具。ACG的另一種產(chǎn)品DForm可變形復(fù)合材料模具預(yù)浸料據(jù)說(shuō)是一種省工省錢的預(yù)浸料技術(shù)，既有短纖維模塑料的一致性，也有高性能長(zhǎng)纖維復(fù)合材料的定向特性。

　　Amber 復(fù)合材料公司提供HX系列低溫環(huán)氧模具預(yù)浸料。例如HX42，它有5天的出倉(cāng)壽命，終端使用溫度達(dá)200℃。該系列的另一種產(chǎn)品HX90N使用了納米改性的環(huán)氧樹(shù)脂，具有更好的表面平滑度和模具表面質(zhì)量。據(jù)說(shuō)該預(yù)浸料不僅具有極小的熱膨脹（比其他材料低60-70%），還具有優(yōu)異的表面質(zhì)量和較高的終端使用溫度。

　　機(jī)加工板材

　　GrafTech國(guó)際公司的GRAFOAM碳泡沫可以作為芯材成功用于復(fù)合材料模具的制造。該泡沫由各項(xiàng)同性的碳制成，具有與碳纖維復(fù)合材料相近的CTE和非常高的耐高溫性。ACG與GrafTech合作開(kāi)發(fā)的ACG GRAFOAM FPA-20碳泡沫模具系統(tǒng)具有耐壓強(qiáng)度高、重量輕、尺寸穩(wěn)定的特性，可以不必使用母模。用于制造大型結(jié)構(gòu)的板材有多種尺寸和密度可選。

　　ACG提供的CB1100陶瓷模具板材具有耐高溫性和低熱膨脹系數(shù)，據(jù)說(shuō)可以生產(chǎn)出非常精確穩(wěn)定的模具。這種陶瓷板可以與ACG的LTM環(huán)氧模具預(yù)浸料和HTM BMI模具預(yù)浸料相兼容，粘結(jié)在一起后加工成模具的芯，再將碳纖維表皮層壓上去，無(wú)需使用母模。由于表皮是由陶瓷芯完全支撐的，也就不需要另外的支撐結(jié)構(gòu)；而且陶瓷材料不會(huì)吸水，因此也就不需要干燥或通風(fēng)過(guò)程。 123,123


采用Touchstone研究室的CFOAM碳泡沫為輕質(zhì)復(fù)合材料賽艇座椅制造的復(fù)合材料模具

　　Touchstone研究實(shí)驗(yàn)室的CFOAM是一種由煤炭制成的結(jié)構(gòu)材料，采用的是其專有的低成本高壓工藝，可用于許多應(yīng)用中，包括復(fù)合材料模具。該材料可制成多種結(jié)構(gòu)形式，呈現(xiàn)多種表面，從薄的片材到近似網(wǎng)狀的三維部件，并可以根據(jù)元件尺寸和密度進(jìn)行裁切。該泡沫已用于生產(chǎn)10個(gè)部件以下的低成本原型模具表面，也可用于生產(chǎn)500個(gè)以上的部件的表面。

　　高強(qiáng)度CFOAM材料可使用傳統(tǒng)設(shè)備進(jìn)行切割和加工，采用火焰噴射技術(shù)可以涂覆上金屬涂層。原型部件制好后，原型模具的表面可以去除，然后附加一層復(fù)合材料表面。Touchstone說(shuō)，設(shè)計(jì)上的改變只需要很小的額外成本就可以實(shí)現(xiàn)。 本文來(lái)自123

　　除了為復(fù)合材料模具提供具有極高強(qiáng)度和穩(wěn)定性的支撐板材，Amber復(fù)合材料還提供模具板、底漆和密封劑。Amber復(fù)合材料公司和RAMPF模具公司共同推出了一種環(huán)氧基板材，用于模具的生產(chǎn)；還為RAMPF的RAKU-TOOL環(huán)氧和聚氨酯產(chǎn)品系列增加了一種環(huán)氧樹(shù)脂膠產(chǎn)品。WEB-0700環(huán)氧樹(shù)脂板具有非常精細(xì)的表面結(jié)構(gòu)、優(yōu)異的加工性能、良好的尺寸穩(wěn)定性和耐熱性。


RAMPF Tooling公司的RAKU-TOOL系列環(huán)氧和聚酯板可制成具有良好尺寸穩(wěn)定性和耐高溫性的模具

　　Amber的Cellite 180系列模具支撐材料可以承受180℃的高溫，表皮材料可采用玻纖或碳纖，可帶有鋁蜂窩芯材，亦可不帶。Amber的實(shí)心板由玻纖或碳纖和耐高溫樹(shù)脂層壓而成。這些板材可以切割成所需形狀，用于在鋪放和固化過(guò)程中支撐大型的模具和部件。 123456

　　Sika模具復(fù)合材料公司的SikaBlock模具板材就尺寸和密度分，有13種不同的類型。SikaBlock M2010具有耐熱性、低熱膨脹系數(shù)和非常致密的表面，適合生產(chǎn)復(fù)合材料模具。該公司也生產(chǎn)Biresin 系列高性能樹(shù)脂和樹(shù)脂膠，用于模具的制造和部件的生產(chǎn)。

　　BCC Products/Blehm Plastics公司生產(chǎn)的耐高溫環(huán)氧樹(shù)脂模具板材EB6200可以承受163℃的高溫，具有優(yōu)異的切割性能，產(chǎn)生的灰塵很少。BCC還生產(chǎn)一系列閉孔聚氨酯硬質(zhì)泡沫，可以滿足母模和原型模具的不同要求。MB5000高密度聚氨酯模具板可用于金屬成型和鍍鎳芯軸模具的制造；此外該公司還提供MB8250鋁制模具板。


RAMPF Eco模具板材采用回收的多羥基化合物制成，具有非常精細(xì)的表面結(jié)構(gòu)、優(yōu)異的加工性能和低熱膨脹系數(shù)
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　　Gurit公司既有室溫固化的模具產(chǎn)品，也有65℃固化的SPRINT模具材料，最終的耐受溫度為160℃。環(huán)氧膠衣系統(tǒng)SP T-Gel 130-1可用于玻纖或碳纖模具的制造，它與SP的130℃系列的模具層壓、灌注和修復(fù)材料相兼容。Gurit最近宣布收購(gòu)中國(guó)的一家風(fēng)機(jī)葉片模具制造商蘇州紅楓，以擴(kuò)大其在全球范圍內(nèi)的模具供應(yīng)，并以現(xiàn)有的全球分銷網(wǎng)絡(luò)和復(fù)合材料技術(shù)為堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

　　Cass聚合物公司生產(chǎn)的Tool Chemical Composites（TCC）系列模具板材包括一種鋁填充的聚氨酯板，可進(jìn)行CNC加工，具有較長(zhǎng)的使用壽命。該公司還提供耐高溫環(huán)氧樹(shù)脂和中溫聚氨酯板材，可用于模具和其他產(chǎn)品的制造。

　　Nord復(fù)合材料公司生產(chǎn)的Zero Shrink單組份模具樹(shù)脂系統(tǒng)可用于復(fù)合材料模具的快速生產(chǎn)。RM2000模具樹(shù)脂是一種不飽和聚酯產(chǎn)品，可用于手糊和噴射模具的制造。RM3000乙烯基酯模具樹(shù)脂是一種低放熱系統(tǒng)，可用于替代環(huán)氧模具，生產(chǎn)熱模具和熱成型模具。兩種系統(tǒng)都具有6個(gè)月的保質(zhì)期，由Nida-Core公司負(fù)責(zé)在北美地區(qū)分銷。 123,123

　　Cook復(fù)合材料聚合物公司（CCP）生產(chǎn)的OptiPLUSTM高性能低收縮樹(shù)脂可用于手糊和噴射工藝以及常溫真空灌注工藝中模具的制造。OptiPLUS 040-8091可取代間苯二甲酸、乙烯基酯和環(huán)氧樹(shù)脂用于模具的制造，加工工藝可采用常溫和高溫真空灌注。CCP說(shuō)，這是一種預(yù)活化的樹(shù)脂，含有反應(yīng)單體，具有一流的表面質(zhì)量和耐熱性。

　　Airtech先進(jìn)材料集團(tuán)為灌注、手糊和高溫（395℃）高壓固化工藝生產(chǎn)真空袋和復(fù)合材料模具材料。Toolfusion環(huán)氧基模具樹(shù)脂可采用灌注工藝制成符合材料模具。Airtech說(shuō)這種工藝比傳統(tǒng)的手糊或噴射工藝更清潔也更簡(jiǎn)便。該公司還生產(chǎn)Econo系列真空袋產(chǎn)品，包括一種可循環(huán)使用的硅橡膠袋系統(tǒng)Multi-Bag。低粘度的液態(tài)硅膠涂覆在增強(qiáng)絲網(wǎng)材料上后，室溫下固化48-72小時(shí)而成。

　　北美地區(qū)最大的復(fù)合材料供應(yīng)商之一Composites One與三個(gè)合作伙伴共同成立了Closed Mold Alliance，提供交鑰匙的閉模成型解決方案及相關(guān)培訓(xùn)。另外三家公司分別是設(shè)備制造商Magnum Venus Plastech以及模具制造商RTM North和FormaShape。位于加拿大British Columbia省的FormaShape是一家輕質(zhì)樹(shù)脂傳遞成型（Light RTM）模具制造商，專注于五軸加工和模型制造。 123,123

　　混合模具的優(yōu)勢(shì)

　　美國(guó)明尼蘇達(dá)州Remmele工程公司的模具部門經(jīng)理Tom Sobcinski說(shuō)，機(jī)身結(jié)構(gòu)的鎳鋼合金重量可達(dá)136噸以上，這就限制了纖維的自動(dòng)化鋪放速度，延長(zhǎng)了高壓固化的熱循環(huán)時(shí)間。為減小傳統(tǒng)鎳鋼合金模具的重量和尺寸，Remmele開(kāi)發(fā)了一種混合模具系統(tǒng)：Invalite（正在申請(qǐng)專利）。

　　Invalite系統(tǒng)由一個(gè)復(fù)合材料支撐結(jié)構(gòu)和薄的鎳鋼面層組成，從而減輕了重量。該系統(tǒng)將鎳鋼的長(zhǎng)壽命和高質(zhì)量與復(fù)合材料模具的輕質(zhì)優(yōu)勢(shì)結(jié)合在一起，可用于大型和中型部件的生產(chǎn)。該系統(tǒng)采用輕質(zhì)材料制成，通過(guò)Remmele專有的ConnexSys技術(shù)進(jìn)行連接，比傳統(tǒng)鎳鋼合金減輕了50%的重量。


Airtech 先進(jìn)材料公司的MultibagTM可循環(huán)使用硅橡膠真空袋系統(tǒng)可用于真空灌注模具的制造　 123456

　　據(jù)說(shuō)，Invalite模具比傳統(tǒng)鎳鋼模具有更大的耐壓能力和更好的使用性能。第一個(gè)生產(chǎn)出的Invalite模具去年被用于戰(zhàn)斗機(jī)的復(fù)合材料部件的生產(chǎn)，這一項(xiàng)目得到了Lockheed Martin Aeronautics和Remmele的支持。

　　“我們對(duì)三種模具進(jìn)行了熱分析，即我們的混合模具、全鎳鋼模具和全復(fù)合材料石墨/環(huán)氧模具。”他說(shuō)，“結(jié)果表明，就加熱速率而言，混合模具與全復(fù)合材料模具基本相同。實(shí)際上，在面層片材上熱量分布更均勻。但是全鎳鋼模具的加熱和冷卻速度慢得多。”

　　與全復(fù)合材料模具相比，Invalite的主要優(yōu)勢(shì)是耐久性。“鎳鋼合金面層不會(huì)老化。”他補(bǔ)充說(shuō)。

　　Sobcinski解釋說(shuō) ：“另外，Invalite模具的重量是全鎳鋼合金模具的50%。在大型模具的纖維鋪放設(shè)備上，如果模具重量減輕一半，其移動(dòng)速度就會(huì)更快，因此生產(chǎn)速率也就會(huì)提高。” 123,123

　　硬質(zhì)模具還可以采用金屬沉積技術(shù)制造。加拿大安大略省的Weber Manufacturing Technologies公司在其最大最先進(jìn)的商業(yè)工廠內(nèi)采用專有的鎳蒸汽沉積技術(shù)（NVD）生產(chǎn)鎳殼模具。這種兩級(jí)化學(xué)工藝將粒狀鎳粉末轉(zhuǎn)變成堅(jiān)固的鎳殼，附著在熱的芯軸上，從而形成一個(gè)幾乎純鎳的結(jié)構(gòu)。

　　位于美國(guó)佛羅里達(dá)州Port Saint Lucie的Keystone Synergistic Enterprises公司采用專有的金屬沉積技術(shù)生產(chǎn)低成本快速模具。Keystone說(shuō)，電子束金屬沉積工藝生產(chǎn)出的近似網(wǎng)狀的三維幾何結(jié)構(gòu)，可以滿足航空航天業(yè)為鈦、鎳和鋼合金制定的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。