PtFS技术助力RAPM：加速复合材料制造

本博客是2020年5月特稿“革新复合材料成本范式，第二部分：成型”的在线侧边栏，讨论由波音公司（美国伊利诺伊州芝加哥）牵头的“快速高性能制造”（RAPM，读音同“wrap-em”）项目，即DARPA“可定制原料与成型”（TFF）计划的“成型”部分，旨在实现小型复杂复合材料零件的快速、低成本、敏捷制造。

RAPM项目的三大材料与工艺赛道——树脂注射、热固性预浸料、热塑性成型——均包含使用Surface Generation供应的PtFS（面向功能规格的生产）像素化加热控制与工装系统的试验，该系统位于波音圣路易斯研发中心（见下表）。

注：PtFS已商业化多年。本博客关注RAPM利用PtFS系统的工艺开发。参考文献包括：

• 2019 SAMPE（5月20-23日，北卡罗来纳州夏洛特）技术论文及幻灯片演示，“面向柔性复合材料制造工作单元的可扩展动态控制架构开发”，作者：Steven M. Shewchuk¹, Ben Halford², Michael P. Matlack¹, Andrew Sharpe², Pete Massey²。¹波音公司，圣路易斯，密苏里州，美国。²Surface Generation Ltd.（英国拉特兰）。
• 2020 SAMPE技术论文，“复杂热固性层压板压缩成型”，作者：Travis R. Adams, Timothy J. Luchini, Jared B. Hughes, Steven M. Shewchuk, Adam Martinez, Gail Hahn，波音公司。

PtFS系统组件

PtFS系统模块化，可完全独立运行或利用现有基础设施部分。对于压实/固结压力，系统可使用现有液压机或液压驱动工装夹具。波音圣路易斯PtFS单元配备后者，即Surface Generation设计的150公吨夹具。该成型单元容纳零件体积750×750×100毫米。

波音圣路易斯PtFS单元包含位置和压力控制。“使用Surface Generation的Orchestrator软件控制CF-OaO-RAPM PtFS工作单元，”波音技术研究员兼RAPM项目经理Gail Hahn指出。“每个工具通过位移和压力调校在系统中标定。压力标定将液压系统调校至工具加工期间预期压力。工具分离和位移标定设定工具开/合位置及慢/快合模区域，保护工具型面在手动和自动控制下的安全。”波音复合材料工程师兼RAPM研究员Steven Shewchuk解释：“四个串联电位器完成位置测量，每个位于夹具导柱处，测量压板位置并提供安全方法识别运行中压板倾斜。压力控制通过单个在线压力传感器完成，为夹具液压泵提供反馈控制。”

夹具上方和下方是上下加热器基座单元。这些包含所有加热/冷却组件，响应控制柜输出运行（波音配置中每个加热器基座三个控制柜）。工具型面为每个加热器基座设计，通过导轨装载系统安装。

每个工具型面通过导向型面底面的压缩空气加热冷却，经扩散器分散。每套配合金属工具型面分为180个独立可控加热通道——上型面90个，下型面90个。加热通道以10.0厘米间距网格分布于各型面。每通道含加热器、两级压缩空气源和两个反馈热电偶，弹簧加载确保与型面背面紧密接触。RAPM工具型面加热用每通道每分钟1立方英尺压缩空气，冷却用3立方英尺/分钟。

工具型面

RAPM工具型面由工具钢加工而成，厚度约3毫米。上图左上显示TS-RAPM-001-201下工具型面。型面顶部像标准冲压工具，底部则显露加热通道。

几何形状可接受的工具型面可与为同一加热器基座设计的其他型面互换。工具需具备相同加热通道尺寸、大致热电偶位置和深度，需在弹簧加载热电偶行程范围内。

用于更换工具型面的导轨装载系统将所有180个弹簧加载反馈热电偶对准型面背面套筒。定位销对准型面，允许无需精确叉车控制即可装载。两名操作员含拆卸重组型面到相框中，2-4小时完成换模。

为减少热质量、提高加热冷却速率，尽可能加工掉材料。因此RAPM中每个工具型面需结构有限元分析（FEA），确定能否承受加工温度压力。工具型面经线性非线性FEA及稳态瞬态计算流体动力学（CFD）热分析优化。后者有助于确保工具加热均匀。工具厚度和各加热通道内空气扩散器均经修改以改善温度均匀性。FEA与CFD迭代循环使几何定制有助于维持所需工具型面温度，同时满足工具型面支撑所需安全系数。

加热区域与温度控制

加热通道通常按区域分组，每区通道数按零件指定。每区有关联加热曲线，可按需设定区内及区间公差。这使各区所有加热器按规定加热曲线，通过动态调节加热功率和压缩空气流量进行加热、冷却或保温。

虽然PtFS设备控制软件有模拟和数字加热策略可针对不同加热场景定制，但RAPM单元使用模拟控制。这需要系统自动调谐以确定目标温度下加热器功率水平。为防止加热/冷却斜率超调或欠调并维持温度设定点，设定各加热器功率水平。自动调谐自动确定修正比例积分微分控制法在每指定温度下每加热通道的常数值。自动调谐完成后，可为各区编写加热曲线。所有热曲线经验证确保复合材料零件暴露温度在期望设定点±5.5°C（±10°F）以内。

波音PtFS单元最高温度440°C。最初波音一天处理多个高温循环时，担心组件因循环间缺乏冷却受损。但2019年9-10月冷却系统升级，含额外风扇增强热量抽取。改进冷却后，单元可在440°C连续加工。

使用大量常温压缩空气冷却，工具型面在高温端冷却快，但到60°C（140°F）显著减缓。加热至热塑性温度（>350°C）时，工具型面平均升温率41°C/分钟（74°F/分钟）。同一运行冷却峰值平均降温率36°C/分钟（65°F/分钟）。压缩空气冷却提供更连续冷却斜率，结合主动热管理（需时加热），冷却过程中温度保持相当线性。

等温热固性预浸料冲压

PtFS工作单元首批零件试验是TS-RAPM-001带珠检修盖板，采用热固性预浸料压缩成型（冲压）。该零件工具占用RAPM PtFS工作单元180通道中的112个，含上型面56通道、下型面56通道。实际零件并未覆盖全部工具——仅覆盖上下型面各56通道中的30个。下图显示RAPM-001零件用78个热电偶（TC）布局——上型面39个、下型面39个，布局相同。热电偶数含每单元（加热通道）一个，加上CFD热分析识别的冷热区额外热电偶。

空工具型面测试温度均匀性，随后在16层碳纤维织物/环氧层压板中点嵌入热电偶重复测试。加入复合材料后，工具型面温度分布收紧，因复合材料充当传热路径。复合材料层压板内温度均匀性比工具型面读数更紧。Run 1中单个振荡超出期望温度范围的热电偶（见下图右图表顶部）靠近零件边缘，疑因修剪线外相邻单元温度波动所致。

零件加工等温压缩成型将工具保持在176.7°C（350°F），公差±5.5°C（±10°F）。TS-RAPM-001遵循以下序列：

• 系统约8分钟升温至187.7°C
• 复合材料毛坯装入热工具
• 工具合模（例12:09）
• 工具上30分钟使复合材料凝胶化
• 第一压力阶段：毛坯初始快速加热同时最小化树脂挤出
• 第二压力阶段：升压至300 psi确保良好固结防止气孔增长
• 从热工具取出“青态”复合材料进行后固化

该工艺实现高质量零件，展示比现有复合材料工艺更低循环时间。更高工艺温度可更快凝胶化复合材料，但也可能导致材料降解和放热风险。这是个担忧，因为PtFS工装不使用传统大热质量吸收放热，而是依靠主动冷却低热质量工具背面散发放热。

PtFS单元也用于制造TS-RAPM-012“波浪”挑战零件。利用前期开发试验，确定用30分钟177°C等温循环固化，随后同温度后固化2小时。与前期试验不同之处包括更激进几何形状、准各向同性铺层使用CYCOM 5320-1环氧树脂——航空航天OOA零件标准——结合8哈萨丁和单向碳纤维层，一面外层为108型编织玻璃织物。RAPM PtFS控制器编程为在达到适当粘度前仅施加最小压力。此初始步骤后施加最终压力完成固化。一批次在烘箱后固化，其余在PtFS夹具后固化以缩短试验间隔。生产出多个高质量零件。

树脂注射动态温度循环

PtFS工作单元树脂注射零件试验始于RI-RAPM-003弧形C型槽零件。初始试验三种环氧树脂体系：

• Solvay CYCOM 823，80°C注射后升温驻留125°C
• Huntsman FAF2（快速固化体系）100°C注射，150°C驻留
• Applied Poleramic（现被Kaneka收购）API DD3-84（快速固化体系）60°C注射，160°C驻留

无捻布预成型件注射后以2°C/分钟升温至指定驻留温度，保温60分钟再冷却。快速固化树脂放热反应进行时，PtFS自动对特定工具区域主动冷却以维持指定零件温度。

PtFS设备还能提供位置控制支持RI-RAPM-003零件间隙注射法。此法中工具合模至真空密封垫初始高度，注射期间工具保持开启1.3毫米。注射完成后，工具再合模剩余距离驱动树脂沿Z向渗入预成型件。成功采用此工艺制造零件。

热塑性冲压动态温度控制

PtFS设备也用于制造RAPM-003弧形C型槽热塑性复合材料。具体用于固结复杂预成型件（沿零件长度从32层减至24层）成截面锥形平板毛坯。固结毛坯送ATC Manufacturing（美国爱达荷州波斯特福尔斯）冲压成垂直法兰最终零件。

TP-RAPM-003弧形C型槽固结材料为碳纤维2×2斜纹织物粉末涂覆聚醚醚酮（PEEK）。PtFS工作单元用于超塑成型AZ31镁气囊覆盖热塑性料块，约55分钟将气囊和料块加热至PEEK工艺温度400°C。

达到成型温度后，向气囊通入氩气，对热塑性复合材料施加固结压力。单元随后在30分钟内将气囊和料块冷却至PEEK结晶温度以下，总循环时间3小时。

上方幻灯片11显示超塑成型气囊和热塑性固结过程施加压力进程——气囊达超塑成型温度后从20 psi增至140 psi，贯穿冷却阶段维持。预成型件成功固结并送ATC Manufacturing冲压成型此极具挑战性的几何形状。

PtFS单元也用于TP-RAPM-017面板单步毛坯到零件冲压，材料为平衡对称铺层单向（UD）碳纤维/聚醚酮酮（PEKK）带，研究各种选项和零件特征如何影响气囊成型。TP-RAPM-017面板尺寸40.6×40.6厘米，缓和轮廓高达1.3厘米。评估三种不同零件几何——平板（无减层）、单向减层、画框式——厚区32层、薄区16层，过渡区20:1减层比。所有几何零件循环时间1.5小时。

工具型面用Invar 42加工，最佳匹配UD热塑性复合材料带热膨胀。UD带套件裁剪拼合，超声焊接后置入固结工具，加热至385±15°C。测试多种压力循环，随后冷却至220°C以下，释放压力脱模。

几何1的一个压力循环例：室温20 psi，滞后热电偶达熔点310°C后升至140 psi，随后在压力下以10°C/分钟冷却至零件热电偶测得220°C以下。试验初始压力20、30、50、70 psi。压力斜率也从10 psi/分钟变化至10 psi/15秒，至最高140 psi。

一个显著结果：所有面板在超声点焊处C扫描结果差。因此为最佳效果，此类点焊应位于零件净修剪线外。虽生产出合格零件，但部分零件显示层边缘固结不良。将初始压实压力增至30 psi预热前可改善。但压力增加导致气囊侧零件表面粗糙/哑光。此外，用50和70 psi初始压实压力制造的部分几何2面板显示零件中心有皱纹。据信较高压力可能阻止层间加工时滑动，从而将皱纹锁在零件中。

另一尝试用更便宜氮气替代氩气加压气囊，但也降低零件质量，含表面粗糙/哑光导致C扫描衰减水平升高，虽横截面未发现气孔。

RAPM中PtFS优缺点

PtFS工作单元展示快速加热（环氧固化~180°C时<10分钟）。结合自动换模，可实现快速零件切换，降低短跑生产复合材料零件成本。PtFS也适合高温动态运行（相对等温零件循环）。

波音圣路易斯PtFS单元能力在RAPM项目中显著提升，得益于软件升级改善热均匀性和夹具控制、改进冷却能力和热电偶控制、以及自动化pressclave压力控制系统。利用系统每秒生成记录的海量数据（含各加热通道设定点、加热功率、压缩空气水平等）应用机器学习，可能产生零件质量和工艺改进。进一步软件增强可让该数据识别加工异常，如特定工具位置能耗过大、响应迟钝等。

“PtFS正如其名‘面向功能规格的生产’提供高度定制化，”Hahn说，“但这种定制化可能需要投入时间为新工具/零件配置建立和‘调校’系统。”大多数RAPM机加工金属工具型面设计由Surface Generation英国完成。但波音和Surface Generation确实“培训”了美国工具设计师和制造商，证明模具型面设计可由美国非Surface Generation来源完成。该工具型面CMD-TP-RAPM-008-503成功用于制造TP-RAPM-008-203短纤维检修面板。

“虽然某种形式的工具/零件温度控制在所有复合材料零件成型中都有帮助，”Hahn解释，“但实际需要的是在关键区域和时刻控制温度，这因零件和工艺而异。因此理解成型特定零件实际所需温度控制是关键。PtFS的180个区域有帮助，但也昂贵，因为每个都要求工具加工通道。如果零件只需内外区域或触发点几何特定区域，则不同方案可能更经济。这确实引出开发何种最佳方案建立跨多种工艺和零件灵活复合材料零件制造单元的辩论。”

波音和DARPA将在2020年完成RAPM项目并发布更多结果后，继续丰富这一辩论。