杨超凡的材料世界【6】：捕获工具的新选项、霍索恩复材等

　　卡住的工具拆卸可能很困难，但将工具留在原位可能会影响零件重量和功能。在这里，HPC报告了几种解决这一种拆迁困境的新方法。

　　用于在空心零件内壁上提供支撑的陷阱工具，通常会给零件设计师带来后固定工具移除的问题。工具拆卸可能很困难，但将工具留在原位可能会影响零件重量和功能。在这里，HPC报告了几种解决这一种拆迁困境的新方法。

　　Smart Tooling是Spintech Ventures LLC（俄亥俄州Xenia）的商标产品，使用纤维增强形状记忆聚合物（SMPs）作为航空航天应用和别的市场的受困工具解决方案。该公司的可重复使用的Smart Mandrel和SMP Bladder是硅胶气囊和冲洗材料以及必须拆卸才能拆卸的多件式工具的廉价替代品。此外，首席技术官Ernie Havens声称，它们用起来更快、更容易。他补充道：“它们还能轻松实现自动化和更快的上篮工艺，以降造成本。”。

　　将Smart Mandrels坯件（形成中空管的纤维增强SMP）放入由两部分所组成的心轴模具中并加热以软化坯件；当软化时，心轴在空气压力下被推向模具轮廓。冷却后，SMP变硬并保持成型形状。然后用脱模剂涂覆刚性心轴，并用于复合材料零件的叠层；Havens说，在固化过程中，零件被加热到250°F/121°C，这低于心轴的转变温度。然后，将心轴重新加热至软化温度以上（超过250°F）。它恢复了原来的管状，可以从固化的零件中提取出来。该公司声称，与其他需要时间制造或冲洗的受困工具方法相比，搁置时间显著缩短。此外，冲洗残留物的处理也不是问题。

　　该公司的SMP膀胱功能类似，但在高达350°F/176°C的固化温度下具有兼容性。不同之处在于，在固化过程中，叠层被放置在与外模线匹配的阴模中。将空气压力施加到SMP囊状物上，用于固结目的。当零件在固化过程中加热时，SMP囊状物从刚性工具转变为软弹性工具，使压机操作员能够在固化前使用空气压力进一步巩固叠层。当固化循环完成时，空气压力被释放，SMP囊状物收缩到其原始的软管状形状，并能像任何其他可充气囊状物一样从固化部件中拉出，同时复合材料在最终脱模之前保持在阴模腔中冷却。

　　冲洗心轴一直是一种传统的选择，但Advanced Ceramics Mfg.（亚利桑那州图森市）表示，通过RapidCore心轴制造工艺，它已经将心轴提升到了一个新的水平，消除了心轴工具。心轴是直接从客户的CAD文件中“打印”出来的，使用增材制造工艺（见右上角“编辑精选”下的“快速制造的兴起”）和基于公司水溶性材料的材料系统。完成后，芯轴涂上一层含氟聚合物胶带，以保护其免受水的影响，然后用于零件叠层。芯棒可以在石膏或低共熔盐所需要的时间的一小部分内制成，抗压强度大于100磅/平方英寸/6.89巴，热降解温度约为350°F/177°C，合乎行业标准高压釜参数。部分固化后，RapidCore材料只需用水冲洗即可。

　　内华达复合材料公司（内华达州代顿）使用一种价格适中的快速工具材料，商标为Green Aero，基于混合了水溶性无机粘合剂的陶瓷微球，为受困工具和传统单面工具提供温水冲洗心轴。轻型工具通过真空成型工艺在几天内产出，这一工艺利用增材制造工艺（熔融沉积建模）制造心轴模具和单面工具母模来加快。该公司首席执行官Linda Clements表示，心轴和工具具有低CTE和低热质量。“例如，通过改变颗粒类型和数量或粘合剂数量和添加剂来定制模具材料，我们大家可以调整冲刷性能，提高机械加工性能和机械性能，并定制热性能。”据报道，Green Aero对环境无害。

　　霍索恩展示了其共固化机翼结构，该结构使用干碳纤维应用、过度喷涂、液体注入和智能工具制成。

　　Spintech Holdings股份有限公司旗下的Hawthorn Composites（Xenia，OH，U.S.）正在展示一种共同固化的机翼结构，该结构是使用干碳纤维应用、过度喷涂、液体注入和智能工具制成的。该公司表示，与传统的预浸料和高压釜固化组件相比，这种组合明显降低了劳动力和材料成本，同时保持了结构完整性和重量中性。

　　该零件是通过在三个智能工具中的每一个上拉动双轴干碳纤维编织套管来制造的，以形成透明网和控制表面的部分结构。接下来，将两层准各向同性碳纤维织物放入模具中，形成控制表面的下表皮。将放置好的智能工具放置在下表皮顶部的模具中，并将一层上表皮织物拉到工具顶部。然后将多个定制成型的面条放入控制表面的后缘，并由下表皮密封。最后，将上部皮肤的第二层拉过第一层并固定到位。

　　蛤壳模具的上半部分放置在下半部分上，并用螺栓固定。真空袋穿过每个智能工具，并密封到中间密封板上。在固定真空袋之后，将压力板连接到模具上，这允许模具的内腔被加压到75psi的压力，并在模具内产生类似高压釜的反向效果。

　　然后将模具放入烘箱中，并使用轻质树脂转移模塑（LTRM）进行灌注。接下来，模具和树脂被预热，树脂被注入以完全润湿碳纤维预制件。一旦完成，出口管和入口管将关闭，使加压的智能工具能够产生静水压力，在固化过程中巩固预成型件和空隙。

　　固化完成后，将模具从烘箱中取出，并拆下端板。从每个空腔中取出真空袋，然后用低作用力从固化的复合材料零件中取出现在具有弹性的智能工具。

　　SpinTech Holdings股份有限公司旗下的霍索恩复合材料公司（Hawthorn Composites）回顾了其高价值复杂复合材料零件的案例研究，这些零件是利用树脂转移成型和新型制造方法的低成本材料开发的。

　　在这个数字演示中，SpinTech Holdings股份有限公司首席执行官Craig Jennings介绍了霍索恩复合材料和高价值复杂复合材料零件，这些零件是利用树脂转移成型和新型制造方法的低成本材料开发的。

　　SpinTech Holdings股份有限公司总裁Tom Margraf回顾了霍索恩复合材料公司的案例研究。一个案例研究讨论了一个小型弹药机身，该机身最初由三个独立的部分组装而成：机头、主体和尾部，使用预浸和热压罐固化。霍索恩公司的方法使用智能工具覆盖RTM来制造作为一个结构元件的部件。其他案例研究包括制造无人机进气道和共同固化战术无人机尺寸机翼的预浸高压釜固化与编织套管和树脂注入工艺的比较。

　　一体式气囊工具有助于实现美国国家航空航天局/波音公司为下一代低温燃料箱裙板设计的革命性凹槽芯。

　　低温槽槽型芯裙的生产心轴。继CCTD项目的5.5米低温槽裙槽核心设计活动（CW杂志2月号报道）之后，美国国家航空航天局资助的SBIR项目制作了一个2米乘2.5米的弧形截面面板，以证明Spintech LLC的智能工具方法在高载荷运载火箭结构中的技术可行性。

　　图1：共固化的内外表皮和凹槽芯。SBIR计划建议将预浸料包好的长笛工具-Spintech的Smart Bladders-放置在NASA提供的弧形外模线（OML-outer mold line）固化工具上的底层表皮上。在将顶部表皮施加到凹槽上之后，弧形部分将被高压釜固化以形成单元化结构。

　　步骤1：智能Bladder必须首先形成其基本的中空配置。这是在一个特殊的模具中完成的，如图所示。专有增强件铺设在阳芯轴上，阳芯轴放置在阴蛤壳模具中。将形状记忆聚合物（SMP- shape memory polymer）树脂注射到闭合模具中并固化以铸造每个智能囊状芯模。

　　步骤2：然而，基本的智能囊状毛坯必须形成最终零件公差。这是在这个第二金属模具组中完成的，该模具组被加工成槽内模具线（IML- inside mold line）公差。在那里，坯件的SMP材料通过加压空气和加热使其符合模具的尺寸——一旦再次冷却到室温，它就会保持这种形状。（这种两步成型工艺允许使用单芯轴和两部分阴模来形成中空内胆，然后可以适用于各种不一样的形状的零件。）在SMP材料的IML形状“松弛”后，第二个模具也将用于在零件固化周期之间重置Smart bladders的IML形状，以便于从凹槽中移除。

　　步骤3：从第二个模具中取出后的Smart Bladders如图所示，其形状精确到细长件的IML，并配有端盖。

　　步骤4：铺设四层CYCOM5320-1碳纤维/环氧树脂预浸料，每层偏移7.6mm，以在最终凹槽中形成交错接头。这些阶梯层被分解成一堆，称为载荷（charge）。

　　步骤5：将每个碳纤维预浸料坯装料（中心黑线）包裹在Smart Bracket（预浸料料坯旁边的灰白色线）周围，并通过自动机器夯实，以形成预压实的凹槽预成型件。

　　步骤6：为了填充凹槽与裙部顶部和底部表皮之间的囊状芯模支撑叠层的略微倒圆的顶部边缘之间的小间隙，通过将多个碳纤维丝束（狭缝带）拉过加热模具来生产拉挤半径填料（或“面条”），在那里将其压实并固化为所需形状。

　　步骤7：技术人员将叠好的智能囊状芯模（宽端入/宽端出交替）收集成八到九个一组，在真空袋下将其拆散，制成长笛包，然后开始铺设半径填充物，如图所示。（该包装从末端显示，清楚地显示了图2所示的垂直闭合）。

　　步骤8：这里显示了一个凹槽预制件包，所有的拉挤半径填料都在它们之间。然后将该凹槽和其他完全装备的凹槽分解到弧形部分底部/外皮上。

　　步骤9：在拆封后，放置并拆封顶部/内层皮肤，并准备整个组件（如图所示）进行热压罐固化，每个智能囊状芯模通过图2所示的端盖通过真空袋单独排气。

　　步骤10：然后将真空袋装槽纹弧形面板推入该热压罐中，在121°C下固化4小时。

　　步骤11：固化后，将弧形面板在标准对流炉中加热至62°C以上，从而能够手动提取软化的Smart Bladders。

　　图2：每个智能囊状芯模的一端都将铸造一个垂直的封闭件，在提取铸造心轴后，将金属端盖结合到另一端，以允许中空工具在热压罐中高温进入弹性体相时受压，以在真空袋从外部压实叠层的同时有助于从内部压实和固结凹槽叠层。

　　二月份，CW电视台的《聚焦设计》专题报道了复合材料低温舱技术与演示（CCTD）项目成功建造了一个5.5米直径的小型复合材料舱，并关切其碳纤维增强塑料（CFRP）槽纹芯裙结构的组成（在线阅读更多详细的信息）右上角的“编辑精选”）。尽管裙板的全新结构方案比以前的蜂窝芯夹层裙板结构有了不合格的改进，但CCTD团队知道，用于成型裙板原型核心的刚性梯形心轴不适用于在运载火箭上飞行的储罐的生产裙板。

　　模具技术创新公司Spintech LLC（美国俄亥俄州Xenia）的工程总监Tom Margraf解释道，在这种情况下，“最终的冷冻箱裙板部件必须组装成其他部件。”为了容纳它们，裙板的凹槽必须在结构的开口端逐渐变细。他解释道：“每个部分的凹槽都必须在横截面上变窄，才能容纳一个联轴器轴环。”。因此，在制作的完整过程中变窄，然后固化，槽的末端将阻止心轴的移除。下一步，CCTD的NASA和波音公司（美国伊利诺伊州芝加哥）工程师团队与Spintech合作
以展示后者的智能工具产品如何为该问题提供解决方案。

　　美国国家航空航天局资助了一个小企业创新研究（SBIR-Small Business Innovative Research）项目，该项目使用CCTD的5.5米裙板设计作为基线几何结构，有两个主要目标：在美国国家航空宇航局运载火箭部件上展示智能工装产品的技术可行性，并与部件的基线工装办法来进行比较，评估智能工装的性能。为实现这些目标，Spintech制造了27个3米长的芯轴，横截面呈梯形，称为Smart Bladders，波音公司随后用它来制造一个2米乘2.5米的槽式堆芯裙板/低温箱弧形截面面板。

　　CCTD项目中使用的槽纹芯结构是通过将四层预浸料叠层包裹在具有梯形横截面的细长心轴上，将这些叠层布置在面层上，用另一个面层覆盖，然后在热压罐中将其固化为一体的表皮/槽纹芯结构而形成的。缠绕的梯形工具交替使用-宽端朝外/宽端朝内-以实现嵌套，从而形成桁架状核心结构。

　　值得生产的心轴在室温下、铺放期间和之后都需要足够坚硬，以便在不发生明显弯曲的情况下用手携带，这有几率会使皱纹。它们还一定要有足够的抗压强度，以抵抗自动凹槽缠绕技术，并最终抵抗自动纤维放置（AFP）头压力，但在固化过程中具有高度弹性，以将足够的内力从热压罐传递到缠绕的叠层半径、纤网和帽上。这将确保完全压实，空隙最小。此外，该工具必须生产具有一致腹板、蒙皮和半径尺寸的零件——凹槽壁和蒙皮不能凸起（表现出凹凸性）。

　　固化后，心轴必须从凹槽内壁释放，然后用最小的力将其拉出或推出空腔。此外，芯轴材料必须在有限的翻新情况下承受多次固化循环，与其他工具方法相比，工具成本必须合理。最后，芯轴必须可扩展，从SBIR裙部电弧试验段中使用的3米长度到下一代运载火箭低温舱裙部结构中设想的大约30米长度。

　　Spintech的智能工具专利产品基于一类称为形状记忆聚合物（SMP）的热固性材料。这些是对温度有响应的动态模量材料。例如，环氧基SMP在高达80°C时可以表现出与普通环氧树脂类似的性能，但随后在80-105°C范围内从刚性材料转变为弹性材料，并在105°C以上变得完全弹性，实现高达400%的应变（纯聚合物）。

　　Smart Tooling将金属心轴替换为Smart Bracket，这是一种在零件内部梯形模具线上预成型的中空SMP管。智能内胆在室温下是刚性的，但在固化过程中会变成气球状的弹性体，能够转换热压罐或单独压力系统（如压缩机或气瓶）的内腔压力，最高可承受191°C。因此，Smart Bladders在室温下起到刚性叠层心轴的作用，但在高温下也可以起到囊状物的作用，从内到外加固层压板并便于移除。

　　Margraf回忆道：“这项技术源于针对F-35复合材料进气道的SBIR，这需要对内模线进行非常严格的控制。”。他补充道：“Smart Tooling材料能够在上料过程中从刚性过渡到固化过程中的弹性体，并在外模线刚性工具表面上进行固结，这在传统的囊状成型部件（如叶片梁）中获得了很强的市场接受度。”。

　　Margraf解释说，这类问题的典型解决方案是将零件放置在多件式金属心轴上，并将其放置在两件式机加工凹模中。他补充道：“现在你必须进去拆卸金属叠层芯轴，并用真空袋代替，这样你就可以在内表面实现压实。”因为金属芯轴将充当散热器，可能会导致热不均匀性，从而降低零件内的残余应力。“这不仅是劳动密集型的，而且在拆除钢芯轴和插入真空袋的过程中，也有损坏叠层的风险。”

　　Margraf说：“智能膀胱是一种叠层工具，在热压罐固化之前不必移除，而是像真空袋一样在零件上施加压实压力。”。“因为我们放松了智能内胆，使其在固化后易于提取，所以我们使用价格合理的金属模具，在循环之间将其改造为零件的净内模线。”

　　Margraf指出，Smart Tooling擅长于存在提取视线问题的零件，这意味着它们是弯曲的，因此在不拆卸金属心轴的情况下无法将其拔出。“我们的材料是弹性体的，因此您基本上是在拔出一根与零件没有间隙问题的橡胶软管。”

　　波音公司为5.5米低温箱提供了凹槽设计，美国国家航空航天局马歇尔航天飞行中心（Huntsville，AL，US）为箱弧段提供了复合材料外模线（OML）固化模具（见图1）。Spintech随后开始制造Smart Bladders，一次一个，使用一套匹配的钢制蛤壳模具（见步骤1）。将专有增强件放置在阳芯轴上，然后将其放置在阴蛤壳模具中，该增强件提高了Smart Tool的韧性，但仍允许弹性体膨胀。关闭蛤壳模具，注入SMP树脂并固化，为每个智能气囊铸造一个简单的中空“坯料”。每个智能膀胱的最终形状将在稍后给出。

　　为了创建一个密封
空腔，每个智能膀胱
坯件被铸造成在一端具有垂直闭合件，
在提取用于铸造的金属心轴之后，将金属端盖结合到另一端中（见图2）。端盖将允许在固化循环期间对处于热致弹性体状态的智能气囊进行加压。

　　然后将每个智能气囊坯件放入第二个金属模具中，机械加工至凹槽的净内模线）。对于这个示范项目，第二个模具可能看起来没有必要，但波音公司希望坚持实际的生产流程。当用于生产具有从凸到凹横截面变化或其他视线问题的零件时，将形状简单的中空智能气囊放置在第二个模具内，并使用压缩空气进行成型。波音公司在SBIR项目中使用了这一工艺，将每个智能气囊加热成型为最终形状。在每个固化循环后，也使用相同的成型模具来重置Smart Bladders的IML凹槽公差，确保后续零件的正确叠层几何形状。

　　来自Cytec Solvay Group（Woodland Park，NJ，US）的CYCOM 5320-1碳纤维/环氧树脂预浸料的切片用3轴自动切割机切割并装配。然后铺设四层，每层偏移7.6毫米，以在最终的凹槽中形成交错的接缝。这些阶梯层被分解成称为电荷的堆叠（步骤3）。每个电荷都被放入一台自动机器中，并在上面放置一个智能膀胱。然后，机器将智能膀胱和预浸料层向下推入凹腔。预浸料坯的翼片（尺寸大于模腔）然后直立，延伸到工具模腔之外。然后，机器放下将这些翅膀折叠回膀胱顶部的手臂，形成一个凹槽。然后，机器夯实完成的叠层，从而形成压实的凹槽预成型件（步骤4）。因此，装药被非常紧密地包裹在智能气囊周围，阶梯层形成了交错的接头，这比用于载荷传递的对接接头更可取。然后收集一组八或九个长笛，并在真空袋下进行分解，以形成长笛包（步骤5）。

　　然后，将被拆散的凹槽包放置在底部/外皮叠层上，该叠层已经应用于碳复合材料弧形截面模具工具并被拆散。碳纤维复合材料“面条”被要求
填充凹槽之间的间隙。倍数
s点燃的带状碳纤维丝束被拉过加热模具并压实成所需形状（步骤6）。一旦半径填充物被放置在所有凹槽之间（步骤7），将顶部/内层施加在现在光滑的表面的顶部上，并将其脱模以将其压实到凹槽半径填充物组件上。然后用热电偶和用于热压罐固化的线）。每个Smart膀胱的端盖分别通过真空袋排放到热压罐气氛中，这防止了它们在热压罐固化压力（6巴）下压碎，并允许对凹槽内部进行加压和压实（步骤9）。

　　电弧板在121°C下在全线） 。初始固化后，将面板在标准对流烘箱中加热至62°C以上，以使心轴有充足的灵活性进行提取。将面板从烘箱中取出，并用手提取膀胱（步骤11）。提取Smart Bladders后，在面板上进行177°C下的最终独立后固化。尽管这里使用了分步固化工艺，但根据美国国家航空航天局的材料和工艺规范，Smart Bladders不需要分步固化工艺并且可兼容高达191°C的固化。

　　波音公司于2015年4月完成了弧形面板的生产，并报告称Spintech已经完成了更复杂的裙槽几何形状，包括横截面发生重大变化的单元化蒙皮槽结构。他说：“我们正在……展示它与更复杂的凹槽设计的兼容性，这将为无需移除视线的受困工具提供解决方案。”。

　　Margraf指出，凹槽面板看起来很像Spintech目前也在大力支持的单元化控制表面部件（带有集成ω桁条的蒙皮）。他解释道：“我们可以在一个周期内共同固化所有这些铺放，因为我们能够在所有复合材料表面上施加固结压力，而基线过程只能在一个方向上施加压力。”。Margraf以Spirit AeroSystems（美国堪萨斯州威奇托市）的Inflexion技术为例，开发用来生产完全集成的复合材料机身模块（在线阅读更多关于Spirit AeroSystems的Inflexion技术的信息，请参阅右上角“编辑精选”下的“Inflexion technology enables complex composite structures without fasteners”）。

　　“这是我们产品的终极游戏之一，”他指出。“我们大家可以提供制造完全单元化结构的解决方案，无需任何二次粘合或紧固。”

　　Spintech正在与各种合作伙伴合作推广这项技术
已经在认证要求较低的市场上部署了单元化结构工具解决方案。Margraf说：“我们的一位客户告诉我们，他们的制作的完整过程，包括修剪、组装、粘合和紧固，过去每个零件需要一个月的时间。”但他声称，“他们现在可以在一周内完成单个固化零件。”

　　Smart Bladders通过之前的项目达到了10的制造准备水平（MRL）和9的技术准备水平（TRL），并在波音公司/美国国家航空航天局的槽式核心SBIR项目中成功演示，现在已被验证为批量生产的解决方案。像这样的创新技术为一个需要在不牺牲初级复合材料结构质量的情况下不断降造成本和时间的行业提供了一个受欢迎的解决方案。