混合大幅面增材工具：轻量、快速、高性价比大型模具新方案

三十余年来商业航空日益拥抱复合材料。如今多款主流商用飞机关键结构部件过半为复合材料。随着用量与尺寸增长，制造工具——特别是经济型工具——以更快原型与制造这些部件变得愈发困难。例如空客A350 XWB机翼长32米、宽6米，是迄今最大航空复合结构之一。

“市场上已有突破性制造技术，可望在工具制造上迈出大步，助我们应对复合航空部件开发挑战，”空客西班牙伊列斯卡斯厂复合制造工程师M. Pilar Muñoz Lopez表示，“调查这些技术、能力与局限至关重要，以便未雨绸缪。”

工具制造占航空结构件总项目成本显著比例，且部件尺寸增大，亟需低成本、短交期新工具选项。空客、诺斯罗普·格鲁曼航空系统——航空结构业务单元（美国犹他州Clearfield）、戴顿大学研究院（UDRI，俄亥俄州代顿）近期完成混合大幅面增材制造（LFAM）工具制造原型与小批量生产航空结构件研究，结果令人鼓舞。

驯服热膨胀难题

大多数CFRP航空结构由环氧基预浸料制成。模具须耐受烤箱/高压釜高达180°C/356°F固化温度。鉴于CFRP线性热膨胀系数（CLTE/CTE）极低，必须尽可能匹配工具与成型材料在室温及高温下的CLTE，确保模具尺寸稳定，成品满足尺寸要求。还须避免工具材料冷却快于零件材料导致变形或应力。因此，大型CFRP航空结构常用工具材料为CFRP本身或Invar（镍铁铁合金，以低CLTE著称）。两者成本高、交期长。Invar加工难、耗时、重、运输难。钢或铝工具虽降成本，但较高CLTE限制许多应用——尤其大型/长尺寸零件。

多公私部门研究评估热塑性材料增材制造工具，结论认为潜在优势含降低成本、缩短交期生产热固性层压复合材料。不幸的是，聚合物基LFAM工具存在气孔导致固化温压下真空损失严重，需额外填充返工与表面涂层。更大挑战是高度各向异性CLTE值，因挤出/打印时进料填料在平面内取向，导致Z轴膨胀/收缩比X、Y轴大5-10倍。这使大尺寸、高长宽比、复杂曲面零件难以重复再现地获得尺寸精度。

“所有对增材工具感兴趣的人都在气孔与不可控热膨胀上碰壁，鲜有有效对策，”UDRI先进制造工艺开发团队负责人Scott Huelskamp解释，“许多人想用AM工具，但都在等有人解决这些问题。”

鉴于AM降低工具成本交期潜力，业界大力探索新可打印材料、打印硬件改良、创新建模方法解决膨胀问题。例如有人开发AM工具设计“补偿值”应对CLTE差异。但Huelskamp指出，确定用哪个补偿值困难且易出错；此类方法对雌模、带锁模特征的工具失效，热循环中可损坏零件。“没有补偿因子能修好这类问题，”他补充，“至今无AM工具研究完全解决高温下低各向同性CTE需求。缺这特性，工具尺寸几何永受限，大工具固化温度下尺寸误差更大。”

为尝试新方法解决LFAM工具挑战，在先进复合材料制造创新研究所（IACMI，田纳西州诺克斯维尔）主持下，美国能源部与JobsOhio（俄亥俄州哥伦布）支持下，开展为期18个月项目。团队由UDRI牵头，含空客、诺斯罗普·格鲁曼。这些组织此前在IACMI内外有过合作，熟悉彼此能力。

“暴力”法

UDRI已有丰富AM工具研究经验，是America Makes（俄亥俄州杨斯敦，美国增材制造联盟）活跃成员。曾为美国空军研究带金属背衬AM结构，与Cincinnati Inc.（俄亥俄州Harrison，BAAM打印机生产商）合作纯AM工具。

“我们也与定制配料商研发3D打印机新原料，但似乎无进展，也不知他人有更多成功，”Huelskamp回忆，“那时我们想换个思路：若不能直接改变AM材料行为或预测行为，或许能间接强迫其按我们意愿表现。”采用Huelskamp所谓“暴力法”，UDRI提议混合LFAM研究：用常规CFRP面皮约束热塑性复合AM芯材生产航空结构工具。

项目目标简单：寻找制造大型航空结构工具更低成本、更快方法。团队寻求成本降50%、产出至少10件合格原型或小批量生产件供后续测试的方案。

团队决定用三明治结构生产单面工具，针对通用翼梁段，使用空客工具数据。除因UDRI设施空间限制仅制造全尺寸C型梁段工具段外，无重大设计变更。

设计雌模确保关键零件几何由硬质工具表面成型。该梁帽工具轻微内倾角产生负脱模坡度与锁模条件，为单件工具。研究者修改为分体工具，用垫圈/绳密封。为降风险，先做0.6米/2.0英尺亚尺度工具验证概念。工具开发流程与其生产的原型件测试通过后，构建3.3米/11英尺长工具成型更大梁段供原型测试。

因CFRP工具CLTE极低、比Invar轻、且用于原型/小批量，团队决定用CFRP面皮约束AM芯。面皮用Hexcel（美国康涅狄格州Stamford）Hextool M81环氧工具预浸料制成。

材料形式为2000 g/m²/59 oz/yd²切碎碳纤维浸渍Hexcel 8552增韧环氧基体。此材料常用于复合工具，因近似各向同性性能，允许后模塑加工而无残余应力松弛导致工具移动。

芯材在Cincinnati BAAM 1000打印机上由Additive Engineering Solutions（俄亥俄州Akron）打印。UDRI与Cincinnati在高温热塑性聚醚酰亚胺（PEI）有丰富经验，选用SABIC（沙特阿拉伯利雅得）20%短碳纤维增强PEI（Thermocomp EX004EXAR1 Ultem）打印近净形芯。（碳纤维稳定打印时聚合物防塌陷；成品中纤维降低打印方向CLTE。）为降成本，芯材作为工具母模，面皮直接层压于芯表面无胶粘剂，但对覆盖面皮的芯表面做修改（项目期间形成知识产权保护）。该方法有效，多次热循环后无分层。

压缩制造流程

传统航空结构CFRP工具制造：先制造低成本母模，通常工具板块在烤箱/高压釜粘接成整体，再加工至所需零件几何；铺设工具材料、抽真空袋、高压固化；脱模清理后粘接背衬结构，再次加工工具表面确保几何公差与表面光洁度。

混合AM工具则开发压缩制造流程缩短交期降成本。首先3D打印近净形芯（工具母模，短碳纤维/PEI）。随后CFRP工具预浸料直接层压于芯材两面（按供应商建议在第1、4、7层热脱泡）。整体抽真空袋高压釜固化。

亚尺度C型梁工具压缩制造流程

步骤2：将BAAM打印件纵向剖半分左右两半。
步骤3：粘接BAAM打印件达所需长度并固化。
步骤4：按制造商说明在芯材两面层压工具预浸料并热脱泡。
步骤5：抽真空袋高压釜固化。
步骤6：加工固化工具达最终尺寸与表面光洁度。

PEI芯与环氧面皮在层压固化中实现良好粘接，无需胶粘剂。CFRP面皮无气孔、比AM芯更耐用，且因CLTE远低，物理约束芯材温度变化时的移动。仅需一次固化与一次加工——传统工具生产两大主要成本——即达最终尺寸与光洁度。因三明治结构与工具形状（模具顶部回转法兰提供侧向刚度、中心螺栓接头提供垂向刚度），无需背衬，省去粘接工序。

初期挑战

研究者面临若干可控挑战。

为便于BAAM制造，芯材首选打印方向为横截面垂直构建。0.6米工具无问题；但大工具3.3米超BAAM 1000垂直打印高度。受打印机Z轴空间限制，研究者将两亚尺度工具纵向对半再分左右段（解决梁帽倒扣与脱模）。

为提升打印效率，工具段背靠背打印再切割成左右件。为达3.3米长，用Henkel（美国康涅狄格州Rocky Hill）Loctite EA9394环氧胶粘接两右段、再粘接两左段。团队保留AM芯未加工，认为这对低成本、短交期及形成AM芯与两侧CFRP面皮机械咬合至关重要。每半工具背面层压5层预浸料，正面9层为后续加工留余量。

初步结果

除控制AM芯CLTE外，预浸料提供无气孔表面，无需密封/涂层即保持真空完整性。该方法极成功，允许使用垫圈密封的多件工具设计，研究者认为此前高温AM工具中未示范过。工具质量大幅降低；亚尺度工具重量仅相当Invar设计计算值三分之一。更轻CFRP工具更易搬运存放，且高压釜升降温周期更短。全尺寸C型梁工具上，重量优势可能决定是否超车间龙门/起重机限重。

重要的是，0.6米混合工具制造中按行业标准工时费率核算成本$24,136美元，机加工与打印/层压成本约五五开。同规格Invar工具报价$46,775美元——近50%节省。3.3米工具成本未完但预期单位长度成本节约约30%，因材料/打印成本线性增长，机加工享受规模经济降低占比。混合法生产工具满足空客与诺斯罗普·格鲁曼运行性能要求，被视为快速原型或低频次工具的Invar可行替代。工具寿命研究非本项目范围，但可能远超演示的12次循环。

项目从18个月延至30个月，仍有领域需深入研究，如最终打印芯材几何与CAE模型预测差异；团队也想提升预测精度，确保关键区域铺足层数防加工穿刺。仍视项目成功，未来LFAM工具机会巨大。

“诺斯罗普·格鲁曼期待用UDRI制造的3.3米混合工具结合自有自动化加劲成型（ASF）工艺制造3米梁演示件，评估工具耐久性与尺寸稳定性，”诺斯罗普·格鲁曼技术研究员Vern Benson补充。