“你可以用一个好的工具制造一个坏的复合材料零件。反之则不然。”（LaminateLife“复合真理”，2020 年）。

虽然从铺层到装袋再到固化，复合材料零件可能会出现很多问题，但如果您从不良的固化工具开始，事情就会出错。

用于整流罩叠层和固化的大型复合材料模具。碳纤维增强面板与碳蛋格支撑结构搭配，以实现最佳的热膨胀系数 (CTE) 和热性能。图片来源：Janicki Industries

本专栏重点介绍固化工具（即粘合夹具或叠层模具），主要原因是其他类型的工具（例如修整或组装夹具）通常不会出现高温或高压，因此在设计上大大简化。

在最基本的层面上，固化工具只是一种在一定温度下提供压力反应表面以在固化或固结后赋予复合材料最终形状的方法。到达那个表面是有趣的部分；工具设计可以通过多种方式变成梨形。让我们来看看一些常见的陷阱。

良好的复合材料工具（区别于复合材料工具或由复合材料制成的工具）涉及许多需要集成到整体设计中的因素。设计，就其本质而言，是一种妥协的活动，对于复合材料固化工具，需要考虑和平衡以下因素。

设计驱动因素

殷钢面板与殷钢子结构配对，以减少 CTE 效应，但保持耐用性。注意面板边缘 (EOP) 和蚀刻在面板中的修剪线以及边缘周围的工具球孔，以精确定位用于自动层叠工艺或激光层投影系统的工具。图片来源：Visioneering Composite Technologies

零件几何形状、材料系统、构建速度和工艺驱动着整体模具设计。固化温度和压力推动了工具材料和支撑结构布局的不同选择。一般来说，固化温度越低，固化工具就越便宜。零件越复杂，工具就越昂贵。用于一个或两个原型的工具的设计可能与用于预期的千件产品生产运行的工具的设计有很大不同。

此外，用于自动化工艺的工具，例如高级纤维铺放 (AFP) 或自动铺带 (ATL)，如果工具需要旋转，可能需要额外的支撑结构或更厚的面板来处理来自滚轮头的压力点负载和/或与头架/尾架配件集成的功能。

材质选择

有多种材料可用于复合材料固化工具，但它们通常分为三大类：低成本金属，如铝或普通碳钢；高端镍钢合金，如殷瓦合金；和复合材料。

这三个系列中的每一个都有其用途，需要根据此处列出的所有其他必需属性进行评估。同样崭露头角的是增材金属和聚合物制造工具，它们有自己的一系列优势（快速的设计变化、没有制造工具的工具、几乎无限的几何形状等）和挑战（高热膨胀、耐久性差 、真空完整性等）。

热性能

固化工具必须能够在固化温度甚至更高温度下保持其形状，以解决固化周期过冲的问题。热膨胀系数 (CTE) 是一个重要的考虑因素，尤其是对于较大的部件；工具在加热过程中膨胀（以及在冷却过程中收缩）的程度会显著影响零件的尺寸控制和/或质量。

殷钢“eggcrate”结构可实现良好的气流。面板加强筋也有半圆孔，以帮助实现热均匀性。图片来源：Visioneering Composite Technologies

例如，由于高 CTE 工具在固化后的冷却过程中收缩，捕获的细节可能会发生分层。工具的热均匀性对于避免热点/冷点很重要——这意味着开放式背衬结构可实现气体流动。在投入生产之前，工具需要进行彻底的热测量以确认均匀加热。

尺寸补偿

工具的设计必须使最终的固化零件符合尺寸要求。CTE 是一个重要因素，也是固化复合材料的内应力，它会导致诸如回弹之类的影响。在金属中，形状需要过度成型，因为它们会“回弹”——另一方面，复合材料需要成型不足，因为它们表现出相反的行为，在固化后“弹回”。根据经验，成型不足通常在 1.5 度左右，但它取决于材料和固化周期。近年来，零件和工具在固化过程中的热建模显著提高了首次工具设计的质量。

面板和备份结构

工具应设计为重量最小（便于运输、加热更快等）。面板（工具与复合材料部件实际接触的部分）需要很薄，以加快固化周期并降低成本，但又要足够厚，以在压力下保持轮廓。

耐用且价格低廉的低碳钢工具，具有口袋功能，可用于层积或蜂窝。请注意分配真空的集成功能。图片来源：Visioneering Composite Technologies

面板是固化工具的关键部分，需要能够抵抗切割和刮擦。其上的任何刻痕或划痕必须能够轻松修复或磨平。此外，面板必须经受多次热循环而不会退化或变形，同时与脱模剂兼容，并经受脱模剂的脱模和清洁/重新应用循环。

支撑结构（支撑面板），例如“eggcrate”，需要靠得很近，以实现刚性和尺寸控制，但又要离得足够远，以减轻重量（和成本）并改善气流。

真空完整性

工具的面板必须防止任何气体泄漏路径（可能导致孔隙）到达复合材料叠层。在金属工具中，这通常不是主要问题，尽管焊接接头处可能会发生泄漏。对于由复合材料制成的工具，面板中的孔隙率或表面孔隙率会使真空完整性更具挑战性。

表面轮廓/光滑度

根据加工方法，零件的加工表面可能是外模线 (OML) 或内模线 (IML)。IML 加工零件需要适当的表面轮廓以与子结构配合；OML 加工零件需要光滑度以减少阻力。

虽然严格的公差似乎是降低风险的简单方法，但它也会大大增加成本。对于平滑度，通常对工具施加比最终所需零件平滑度高两倍的公差，以解决过程中的变化和工具随时间的退化。

铺层表面的光滑度很重要。反应增材制造 (RAM) 制造了这种热固性叠层工具。固化工具的增材制造 (AM) 可以很好地用于原型和概念验证快速制造试验。图片来源：密西西比州立大学高级复合材料研究所

成本

该工具的成本将分摊到零件的整个生产过程中。因此，在工具上构建的零件越多，工具对零件成本的影响就越小，可以投资于更好（更低的 CTE）和更耐用的工具。

相反，对于原型制作和一两次零件运行，必须非常小心地控制工具成本，否则可能会导致零件成本显著增加。这可能会促使工具选择耐用性较低的材料和/或较高的 CTE，这需要更严格的设计以确保正确的零件几何形状。

最终，预先投入时间（和预算）来主动解决上述每个问题，将在生产过程中以稳健的加工和低废品率带来巨大的回报。

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原文始发于微信公众号（艾邦复合材料网）：设计复合材料固化工具时要考虑的九个因素