RAPM中的先进预浸料：面向快速压缩成型的CYCOM EP2750

碳纤维/环氧预浸料数十年来一直是航空航天复合材料基准材料，因其提供高力学性能、精确树脂/纤维含量，以及铺层和高压釜固化易操作性。但随着飞机和城市空中交通（UAM）制造商探索更高生产率和更低成本，压缩成型因缩短周期、提升效率而备受青睐。简单来说，压缩成型包括预热成型材料、置入敞开模腔、在温度下施加液压压力固结，液态热固性材料转化为固态。固化零件随后顶出进行必要修整精加工。

结合压机成型与预浸料不仅提供高效高节拍工艺，兼具预浸料性能和易操作性，还规避了树脂注射和树脂传递模塑（RTM）等工艺中液态树脂填充干增强材料的复杂工艺动力学。对小型航空结构尤其，预浸料压机成型有潜力实现<30分钟节拍时间，同时达成高质量复杂几何零件。

Solvay复合材料（美国佐治亚州阿法雷塔）是波音公司（美国伊利诺伊州芝加哥）牵头的“快速高性能制造”（RAPM）项目关键合作伙伴。RAPM是DARPA（美国弗吉尼亚州阿灵顿）2015年启动的“可定制原料与成型”（TFF）计划的“成型”部分。其目标是实现小型复杂复合材料零件快速、低成本、敏捷制造，提升复合材料在国防应用中与机加工铝材竞争能力。

作为波音国防应用长期供应商，Solvay在商业航空航天新颖解决方案方面也处于领先地位，如非高压釜（OOA）环氧预浸料CYCOM 5320-1，以及汽车领域如1分钟节拍、乙烯基混合SolvaLite 730预浸料。

RAPM为Solvay测试和完善其实验体系XEP-2750（现商业化为CYCOM EP2750）提供完美机会，该体系旨在连接航空航天与汽车复合材料生产。本博客——作为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——回顾该开发、所用压缩成型工艺及CYCOM EP2750为航空航天和汽车复合材料制造商提供的价值。

参考文献包括：

• “航空航天生产部件弹簧框压制制造” Timothy J. Luchini¹, Alejandro J. Rodriguez², Scott A. Rogers², Aurele Bras³, Adam Whysall³, Richard Russell³, Scott Lucas², Gail L. Hahn¹. SAMPE会议论文集. 夏洛特, NC, 2019年5月20-23日.
• “高节奏压缩成型中航空航天结构零件几何挑战” Aurele Bras¹, Alejandro J. Rodriguez², Richard Russell¹, Timothy J. Luchini³, Travis Adams³, Adam Whysall¹, Scott A. Rogers², Scott Lucas², Gail L. Hahn³. 北美材料与工艺工程促进会.SAMPE会议论文集. 西雅图, WA, 2020年5月4-7日.
• “结构用xEP-2750预浸料快速高性能压缩成型” Timothy J. Luchini¹, Alejandro J. Rodriguez², Scott A. Rogers², Aurele Bras², Adam Whysall², Richard Russell², Scott Lucas², Gail L. Hahn¹. SAMPE 2019.

¹波音公司，圣路易斯，MO 63134，²Solvay复合材料，阿纳海姆，加利福尼亚，美国和³Solvay复合材料，Heanor，英国。

• CompositesWorld网络研讨会：“面向高节套航空航天复合材料制造的汽车工艺” Alejandro Rodriguez，Solvay复合材料，阿纳海姆，加利福尼亚，美国。

材料与工艺目标

CYCOM EP2750旨在满足波音设定的航空航天增韧环氧树脂性能目标，展现高达350°F玻璃化转变温度（Tg）、良好缺口性能（如开孔压缩OHC和开孔拉伸OHT）及耐溶剂性平衡。这类新预浸料适用于一级和二级航空结构，兼容多种增强材料（如碳纤维和玻璃纤维）。

CYCOM EP2750还具备利用自动化搬运和压缩成型规模化生产能力。含330-370°F下15-30分钟工具上固化时间，350°F下1小时后固化。≤30分钟节拍时间支持单工装年产10,000件。

RAPM项目中Solvay采用两种压缩成型变体：弹簧框成型和双膜成型（DDF）。两者均采用将平板毛坯固定并通过红外（IR）预热阶段，再穿梭进配合金属模腔的原则。压机按自动程序合模钢模，对预浸料施加全压力直至工具上时间结束。

弹簧框成型和DDF均使用配合金属工具，提供热进热出法，消除工具升温冷却，实现高节拍生产。两者均成功成型多种带加厚区、垂直法兰、厚度3.8-8.9毫米变化的复杂几何零件。这些零件在Solvay英国Heanor应用中心制造。虽RAPM期间未具备，Heanor现已拥有从预浸料卷到成型零件的全自动压缩成型线，使用EP2750制造航空航天零件节拍15-60分钟，用汽车预浸料制造中小零件节拍≤3分钟。Solvay看到DDF工艺多重优势：

• 消除预成型步骤——2D毛坯直达3D零件
• 无需脱模剂或清洁模具
• 辅助材料（如透气毡、导流毡、真空袋、胶带）较高压釜减少
• 买飞比优于弹簧框成型，因固定弹簧夹具所需余料更少

全浸渍与部分浸渍对压力维持的影响

EP2750利于压缩成型的特性包括：低粘性利于自动拾取定位，及全浸渍特性——相较CYCOM 5320-1部分浸渍以利于边缘透气，实现OOA工艺无气孔层压板。然而压缩成型利用更高压力下极快强制树脂流动——如EP2750典型最高350 psi，对比高压釜常见35 psi及真空仅OOA的14.7 psi。

拥有更全浸渍预浸料，虽树脂含量仅略高——CYCOM EP2750为40%对比CYCOM 5320-1的36%——在配合金属模腔压实固化期间维持静水压力，降低干区、固结零件厚度（CPT）不一致、起皱及其他缺陷风险，同时保证良好表面质量。

值得注意的是，Solvay开发专利变压器薄膜，用于在压缩成型中使用低树脂含量CYCOM 5320-1预浸料时增加静水压力。应用于零件铺层前，变压器薄膜增加树脂含量，帮助RAPM零件成型试验中CPT达标。

RAPM零件成型试验

正如CW 2020年5月特稿所述，CYCOM EP2750是RAPM热固性预浸料赛道主要试验材料之一。初始制造开发阶段探路零件包括TS-RAPM-001和-009带珠检修面板、TS-RAPM-002肋条、TS-RAPM-003弧形C型槽。零件由波音（全球多地）设计，工装由C-Con GmbH（德国慕尼黑）制造，零件在Solvay英国Heanor应用中心制造，随后在Solvay阿纳海姆和波音圣路易斯测试。

表面质量用无损检测（NDI）评估，选定面板剖面检测孔隙率、短梁剪切、纤维体积分数、树脂含量、固化度、玻璃化转变温度。

得益于压缩成型高固结压力，孔隙率<0.5%易于实现。虽各零件工艺参数需单独优化，但一旦锁定，工艺显示可重复性。

TS-RAPM-009带珠面板

该600毫米长平板零件具有各种几何平行珠条。一角厚度从3增至6毫米（加厚区），对角恒定厚度搭接。对侧边缘为垂直法兰，斜角线性从0°变至20°。

加厚区滑移

初始试验将加厚区层叠在铺层表面。但因加厚层靠近零件边缘，可能被挤出零件，导致固化期间低压区和气孔。解决方案是将加厚层交织进层压板堆叠内。后续零件加厚区远离边缘、被周围材料有效锁定，未见滑移和气孔风险。

驻留时间与气孔

驻留时间过长也增加气孔。8分钟驻留带珠面板空隙含量低于10分钟驻留。在加厚区尤显著：10分钟驻留空隙5.5%，8分钟仅0.4%。较短驻留维持高树脂流动，有效润湿纤维并通过固化维持模腔压力。

较长驻留导致树脂流动和压力下降，特别是加厚区，因其靠近模腔边缘，无剪切边或截面减小。模腔边缘压力下降，特别是截面较大厚区。此处压力缺失也加剧加厚层滑移风险。“设计工装时，模腔周围截面减小有助于建立维持压力，特别是厚度变化零件，”波音研究员兼RAPM首席研究员Gail Hahn解释。“需要呈现某种夹紧或密封形式，鼓励模腔内静水压力状态。”

TS-RAPM-002肋条

TS-RAPM-009带珠面板工艺参数确立后，重复用于TS-RAPM-002肋条，最长边540毫米。肋条中心厚度从3.3增至5.2毫米，最终修剪零件拉深深度42毫米。四边均有垂直法兰。注意：弹簧回弹补偿角在带珠面板试验中确定，后应用于肋条工具几何。带珠面板试验也带来更高张力能力和弹簧框弹簧位置模块化。

夹具余料

肋条用弹簧框成型和DDF均制造。因肋条深拉，需余料固定弹簧框夹具，但DDF可减少。另一问题是工具设计限制弹簧夹具在模腔内近距离布置空间。

CPT变化

固结层厚度（CPT）肋条平坦区高于垂直边缘。推测零件几何将树脂保持在中央平坦区，垂直法兰充当树脂密封。这有助中央平坦区压实和表面光洁度。但垂直法兰合模时承受强烈剪切，导致表面粗糙但无气孔（见下文气孔数据）。CYCOM EP2750作为低体积因子材料缓解此效应——其较低厚度减轻剪切。

预浸料树脂含量导致腹板厚度变化

质量调查显示可重复肋条，气孔<0.1%，纤维起皱/波浪极少。但虽假设配模加工最小化零件厚度变化，复查材料加工参数和成品CPT显示：肋条垂直法兰工装间隙固定一致，但腹板厚度可随预浸料树脂含量（<±2%）和工艺变化——树脂允许在模腔内迁移导致法兰与腹板CPT差异。

TS-RAPM-003弧形C型槽

该零件长640毫米，最终修剪件40毫米深U型截面。内半径大于外半径，厚度从窄端6.6毫米增至宽端8.8毫米。因厚度显著，较前零件重得多。因此弹簧框需比前零件更多固定点。

双驻留维持厚件压力

预固结毛坯成型零件C扫描显示从内半径向外半径传播的皱纹。灰度指示皱纹也携带气孔。

采用CYCOM EP2750预浸料的“双驻留”工艺消除了这些皱纹和气孔。这包含在材料粘度建立后立即驻留期间施加一定压力。“这是利用压机和工具开发过程提供的数据确定的，”Hahn解释。“基本上在施加全压力前有两步渐进压力建立。压力-时间曲线形状类似树脂粘度曲线。初始体积厚度驻留推高树脂粘度防止料块[毛坯或预成型件]变薄。若料块厚度显著，用双驻留防止树脂收缩导致压力损失。第一驻留间隙X，第二驻留间隙Y，Y

图18展示双驻留对C型槽零件厚度影响。压力匹配树脂粘度使更多树脂保留零件内，润湿纤维实现低气孔并构建厚度达名义要求，同时保持低纤维变形。但RAPM团队强调双驻留工艺仅适用于厚件，因其可在厚度变化零件中诱导CPT不均。

RAPM经验教训与后续零件试验

讨论的RAPM零件试验为利用预浸料压缩成型高节拍制造航空航天结构零件贡献知识。经验教训包括：

• 低体积因子有利零件质量，特别是控制气孔水平和改善垂直边缘表面光洁度。高树脂含量预浸料如CYCOM EP2750拓宽制造窗口，提高工艺重复性
• 理想压机设备应含红外（IR）预热站、自动载具框穿梭预热毛坯/预成型件至模具、上下压板严格平行度公差、控制监控压板位置至严格公差、能低压高压成型能力
• 毛坯/预成型件预固结可减少垂直壁纤维扰动，降低成型零件总体气孔水平。注意这是脱模，非成型工具预成型

RAPM表明预浸料压缩成型可生产高质量航空航天级结构，同时缩短周期和工时。这使复合材料在航空航天应用权衡研究中更具竞争力，同时提供更大减重和部件性能（如耐腐蚀、开裂、疲劳等）。

Solvay与波音合作完善新颖EP2750预浸料体系，凭借材料化学、预浸料工艺知识与自动化结合，展示低至20分钟节拍。

除上述制造开发零件，RAPM还生产若干挑战与过渡零件，旨在挑战初始开发并过渡有潜力在国防应用中战胜机加工铝材的候选方案。包括：

• TS-RAPM-007 Solvay挑战零件
• TS-RAPM-008 蒙皮检修面板
• TS-RAPM-012 波音“波浪”
• TS-RAPM-014 电机臂
• TS-RAPM-015 翼片

这些零件试验及其他RAPM制造特性研究结果和经验教训将于2020/2021年发布。

Solvay汽车零件试验

Solvay也展示EP2750在汽车零件表现，如尺寸36×16×2英寸、厚0.0725英寸B柱，含5层Solvay THORNEL T650-35标准模量3K碳纤维376 g/m² 8哈萨丁织物。该零件在Solvay英国Heanor用DDF制造。与高压釜标准预浸料相比，CYCOM EP2750结合DDF提供60%循环时间减少和85%节拍时间减少（即生产线上启动一零件到下一零件的脉动时间）。