為尋找低成本的工藝來為其半成品復(fù)合型材和管材添加功能化，并減少其產(chǎn)品中粘合劑的使用，Epsilon composite與其注塑合作伙伴Somocap共同開發(fā)了熱塑性復(fù)合材料注射包覆工藝并申請(qǐng)了專利

Epsilon復(fù)合材料公司（法國(guó)）專注于碳纖維與環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的拉擠和拉繞工藝，與許多其他工藝相比，可以更快地制造中大型系列高性能碳纖維復(fù)合材料部件，且成本更低。

自上世紀(jì)80年代末成立以來，該公司已經(jīng)為航空航天、工業(yè)和其他市場(chǎng)的應(yīng)用領(lǐng)域制造了各種各樣的半成品拉擠型材。對(duì)于許多由Epsilon復(fù)合材料公司型材和管材制成的最終用途部件比如像飛機(jī)支柱、工業(yè)零件、技術(shù)滾輪等，金屬或塑料端部配件和插入件通常被粘合到這些終端用途部件上，以增加其功能或?yàn)槠渌考峁┻B接點(diǎn)。

然而，粘接需要添加幾個(gè)步驟，通常是手工步驟：表面準(zhǔn)備，應(yīng)用和粘結(jié)劑固化。這使得粘合劑粘接對(duì)于許多每年需要數(shù)千個(gè)零件的大型系列應(yīng)用來說成本較高且勞動(dòng)密集。在某些情況下可以使用機(jī)械緊固件代替，但這也帶來了其他挑戰(zhàn)，例如可能會(huì)增加重量和組裝步驟，以及在拉擠部件上加工孔的必要性，這通常會(huì)降低其機(jī)械性能。

2012年，該公司開始試驗(yàn)其他方法，為通過拉擠或拉繞制造的部件添加終端件或其他功能。Epsilon 復(fù)合材料公司副首席執(zhí)行官亞歷山大·魯爾解釋道，我們的目標(biāo)就是找到一種可以生產(chǎn)低成本、高質(zhì)量產(chǎn)品的方法。

一種想法是使用復(fù)合材料注射成型作為一種手段，將金屬端件連接到拉擠型材上。魯爾說，之所以選擇使用玻璃或碳纖維增強(qiáng)熱塑性塑料的注射成型工藝，是因?yàn)樗梢匝a(bǔ)充公司使用的拉擠或拉卷工藝帶來的低周期和大容量生產(chǎn)能力。

然而，挑戰(zhàn)在于Epsilon公司的拉擠型材是由環(huán)氧樹脂或其他熱固性樹脂基體制成的，注塑過模引入了熱塑性基體，在高熱高壓下注射，具有不同的熱膨脹系數(shù)。

流程開發(fā)和第一個(gè)原型件實(shí)現(xiàn)

在接下來的幾年里，Epsilon公司找出了實(shí)現(xiàn)其混合熱固性復(fù)合材料拉擠組件與熱塑性塑料的最佳方法。為此，Epsilon與其注塑合作伙伴Somocap（法國(guó)）密切合作。我方提供了工程和復(fù)合材料知識(shí)，對(duì)方帶來了注塑機(jī)械和工藝知識(shí)，Epsilon研發(fā)人員解釋道。

根據(jù)2021年其在美國(guó)專利的申請(qǐng)，該工藝包括幾個(gè)步驟：首先，通過拉卷或拉擠生產(chǎn)空心管狀熱固性復(fù)合材料型材。然后加工型材的端部，以允許端部配件的形狀被附加，這為型材附加提供了一個(gè)粗糙的表面區(qū)域。接下來，在注塑機(jī)中將工具/塞子放置在型材內(nèi)，然后在指定的熱量和壓力下將熱塑性塑料注入到型材和端件周圍，將它們結(jié)合在一起。

碳纖維/環(huán)氧樹脂拉擠和拉繞專家。這些圖像顯示Epsilon公司拉繞之前（上）和拉繞之后（下）通過加熱模具固化的情形

最終，該方法可以用于將傳統(tǒng)的金屬端件連接到拉擠型材或管上，也可以完全替換金屬，并通過包覆成型添加熱塑性復(fù)合材料部件。

該技術(shù)的首次展示是在碳纖維/環(huán)氧樹脂拉擠管頂部注入聚醚醚酮(PEEK)。Epsilon公司研發(fā)人員說道，PEEK是在大約300°C的高溫下注入，所以我們必須確保熱固性復(fù)合材料管的樹脂基質(zhì)能夠在短時(shí)間內(nèi)維持這個(gè)溫度。通過反復(fù)試驗(yàn)，研發(fā)團(tuán)隊(duì)找到了快速注射過模工藝和所需的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度(Tg)熱固性基質(zhì)的正確組合，以產(chǎn)生可重復(fù)的結(jié)果，盡管材料不同，但不會(huì)損壞拉擠管。

該專利指出，這種方法很簡(jiǎn)單。因?yàn)樗赡苤恍枰獛讉€(gè)步驟，但它可以獲得可以承受強(qiáng)牽引、壓縮、溫度梯度的組件，并使用不同膨脹系數(shù)的材料。

魯爾指出，已經(jīng)使用了一系列材料，從相對(duì)低成本的玻璃纖維填充聚酰胺6 (PA6)，到更高性能的材料，如PEEK，聚苯硫醚(PPS)或聚醚酰亞胺(PEI)，用玻璃或碳纖維增強(qiáng)。如果需要，也可以使用無增強(qiáng)體的樹脂系統(tǒng)。

與其他方法相比，比如粘接，使用機(jī)械緊固件，甚至在端頭接頭頂部纏繞絲等，包覆成型的好處包括更低的成本，減輕重量和提高抗沖擊能力。如果用熱塑性塑料代替金屬，也可以消除腐蝕風(fēng)險(xiǎn)。

這種解決方案還可以增加可持續(xù)性的好處：化學(xué)溶劑和粘合劑從工藝中去除，再加上使用熱塑性塑料作為連接方法，可以在部件壽命結(jié)束(EOL)時(shí)將兩個(gè)組件分離，增加可回收性的潛力。此外，在注射過程中沒有廢料。任何產(chǎn)生的廢料都可以熔化并在注塑過程中重復(fù)使用。

商業(yè)應(yīng)用:工業(yè)、航空航天、農(nóng)業(yè)

在開發(fā)和驗(yàn)證了原型件之后，該技術(shù)的第一個(gè)商業(yè)應(yīng)用案例是在2015年與一家美國(guó)公司合作，制造用于工業(yè)機(jī)器人的拉桿。

魯爾繼續(xù)說道，我們與工業(yè)客戶的合作，第一個(gè)主要業(yè)務(wù)就是航空航天。2018年，該公司與空客公司（法國(guó)）開始了研發(fā)項(xiàng)目。這項(xiàng)工作源于之前的研發(fā)合作，在該合作中，Epsilon展示了其拉擠技術(shù)，用于制造帶有粘結(jié)金屬端件的高性能管狀結(jié)構(gòu)支柱。Epsilon成功地展示了零部件的性能和制造過程的可靠性，達(dá)到了TRL 6和空客的內(nèi)部標(biāo)準(zhǔn)。然而，該項(xiàng)目沒有進(jìn)行商業(yè)運(yùn)作，因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)粘合被認(rèn)為對(duì)關(guān)鍵的航空航天結(jié)構(gòu)風(fēng)險(xiǎn)太大。為了應(yīng)對(duì)這些風(fēng)險(xiǎn)，Epsilon開發(fā)了一種專門設(shè)計(jì)的工藝，并為其申請(qǐng)了專利，該工藝符合航空航天標(biāo)準(zhǔn)，但該工藝更昂貴，無法節(jié)省時(shí)間和成本。

第一個(gè)應(yīng)用:工業(yè)。Epsilon的核心終端市場(chǎng)之一，如機(jī)械臂或機(jī)器人的工業(yè)應(yīng)用，是其注塑包覆成型連接工藝的第一個(gè)應(yīng)用

與此同時(shí)，Epsilon和Somocap開發(fā)了一種新的包覆工藝，并開始商業(yè)化生產(chǎn)工業(yè)零件。因此，在與空客公司合作的下一個(gè)支柱研發(fā)迭代中，Epsilon引入了末端配件的包覆成型解決方案，以滿足其優(yōu)化成本和在零件和工藝上的高可靠性需求。

隨后雙方公司進(jìn)行了為期一年半的密集開發(fā)過程，旨在找到合適的參數(shù)和工具，以最佳地將末端配件包覆到熱固性復(fù)合材料拉擠管上。最終，該支柱取得了成功，與傳統(tǒng)的由纖維纏繞或預(yù)浸料制成的復(fù)合材料支柱相比，成本節(jié)省了50%。這些支柱最終獲得了空客的商業(yè)使用資格，Epsilon繼續(xù)向航空航天市場(chǎng)提供這些部件。

在工業(yè)和航空航天市場(chǎng)取得初步成功后，Epsilon表示，在其許多大規(guī)模訂單中，注塑包覆成型是一種經(jīng)濟(jì)有效、可靠的替代粘合劑的方法

魯爾說，這對(duì)航空航天來說是一個(gè)很大的優(yōu)勢(shì)。這項(xiàng)技術(shù)消除了粘合甚至機(jī)械緊固件失效的風(fēng)險(xiǎn)，我們已經(jīng)證明了這一工藝能夠持續(xù)生產(chǎn)數(shù)千個(gè)可靠的高質(zhì)量零件，而且沒有廢料。他補(bǔ)充說，這種解決方案可以使用無損檢測(cè)(NDI)方法對(duì)零件進(jìn)行可靠有效的評(píng)估，而這種方法無法用于粘接部件。

除了航空航天，該公司還在農(nóng)業(yè)機(jī)械上進(jìn)行了商業(yè)演示，與客戶合作，用50米寬的拉擠復(fù)合臂取代了工業(yè)拖拉機(jī)的鋼噴油臂。Epsilon的銷售總監(jiān)羅曼?庫(kù)萊特解釋說，鋼吊桿不能太寬，因?yàn)樗鼈兏兀膊荒敲磮?jiān)硬。復(fù)合材料更堅(jiān)固、更輕，并消除了潛在的腐蝕問題，因此有很多好處，但生產(chǎn)率是最大的優(yōu)勢(shì)。更大的吊桿可以在更短的時(shí)間內(nèi)成型，提高效率。

市場(chǎng)上還有其他復(fù)合材料吊桿。Epsilon公司生產(chǎn)的是一種桁架形狀的拉擠結(jié)構(gòu)，庫(kù)萊特說，這使得它在盡可能低的重量和最少的材料使用量下高度優(yōu)化了高剛度，從而降低了總成本。

該技術(shù)已成為Epsilon在終端市場(chǎng)上用于大型系列零件的首選解決方案。該公司已經(jīng)制造了成千上萬個(gè)零故障的零件，且非常具有成本競(jìng)爭(zhēng)力。未來很有可能在所有終端市場(chǎng)中取代中型和大型系列部件的粘接。

Epsilon的研發(fā)團(tuán)隊(duì)表示將繼續(xù)優(yōu)化其包覆工藝，使整體工藝和工作流程在拉擠和注射之間更快、更高效，并開發(fā)適合小批量應(yīng)用的低成本或模塊化模具。

此文由中國(guó)復(fù)合材料工業(yè)協(xié)會(huì)翻譯，文章不用于商業(yè)目的，僅供行業(yè)人士交流，引用請(qǐng)注明出處。