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     鎳鋼合金Invar過去一直是大批量復合材料部件首選的模具材料，因為其耐久性和熱膨脹系數（CTE）與部件成型用的增強塑料相近。但是，隨著復合材料部件越來越大，金屬模具的過重問題給加工廠帶來了新的挑戰。因此，許多制造商轉而采用復合材料工具，以降低重量，避免較高的鎳鋼加工成本。 
      美國復合材料制造商協會（ACMA）前技術總監Bob Lacovara說，越來越多的模具開始采用環氧樹脂和碳纖維來制造，特別是對尺寸和模具穩定性要求比較高的場合。
        “環氧樹脂比聚酯樹脂稍微耐用一點，它們具有較高的熱穩定性，因此在需要高溫固化的應用中，環氧樹脂是一個很好的選擇。”Lacovara說。他近入選了ACMA杰出人物。 
       摒棄模型 
      “我認為新偉大的創新是直接模具的數控加工，它消除了模具生產過程中制造模型的步驟。”他說，“因為模型所用材料本身都有一些限制，而且部件的表面質量要求也是一個問題。” 
      “下一步就是開發出一種可以獲得A級表面的技術，從而大大降低加工的成本和時間。”Lacovara說到。Lacovara領導著一家名為Convergent復合材料的咨詢公司。 
      美國佛羅里達州的一家模具制造廠Mollicam采用五軸CNC（計算機數控）加工中心為復合材料行業生產模型、原型和模具，可以為臨時的和產量有限的模具加工直接模具。該工廠有四臺CNC機床，用于生產模具、船體和其他復合材料部件。 [-page-] 
        

 其中一個直接模具項目來自船艇制造商Wellcraft Marine公司。 
      “客戶想要測試一個新的船體設計，需要一個模具生產出一個部件，讓其在水中實際行駛。”Mollicam公司總裁Jeremy Mollica說到，“如果該部件運行良好，他們計劃用該模具再生產一個部件，并將其轉換為玻纖母模。然后他們將由此制造一個生產用模具。” 
      “直接模具以客戶的需求為基礎，我們經常加工直接模具，特別是一次性的部件。我們參與了許多主題樂園和船艇行業的項目。藝術作品和雕塑通常也都是一次性的項目。”他說。 
      模具材料根據客戶制造部件所用的材料來確定。 
      “如果是一次性項目，而且表面質量要求不是很高。我們將直接加工成泡沫，然后在表面涂覆一層密封膠。”Mollica解釋說，“如果只生產一個部件，但對表面質量要求較高的話，我們會將泡沫尺寸加工的小一點，然后附上一層玻璃，再在玻璃層壓板上噴涂一層工程油灰。我們會將后的表面制作的稍高一點，然后再進行加工，使其變低。” 
      “在為20個或20個以上的大量部件制造模具時，好先生產一個模型。”Mollica說，“有了模型就可以生產出足夠堅固的模具。如果模具需要進入高壓釜，經常加熱，我們就要對模型進行機加工，從而使生產出的模具達到高溫要求。” 
      根據計算機數據進行的CNC加工是非常精確的。母模生產用的可加工復合材料模具板和板材來自不同的制造商。這些產品范圍從聚氨酯泡沫、合成環氧樹脂到碳泡沫。這些材料粘結在一起后，被加工成特定的模具形狀，然后將其密封防止層壓樹脂滲透，并用雙馬來酰亞胺或環氧層壓板包覆，后才進行機加工。 
      位于華盛頓州的美國領先的復合材料模具制造商Janicki工業公司開發了上大的CNC刨槽機之一。該機械的外殼尺寸大可達30.5×6×2.4米。 
      大型航空航天模具 
      Northrop Grumman航空航天系統制造開發工程師Bob Vale說，機身結構不斷增加復合材料的用量，也變得越來越大越來越復雜。去年，在加利福尼亞圣地亞哥舉辦的制造工程師學會（SME）復合材料模具大會上，他提到Northrop早已將雙馬來酰亞胺（BMI）作為模具加工的佳復合材料，并在飛機制造商的項目中不斷取得成功。 
      Northrop已經設計制造了600多個BMI模具。Vale說，通常，這些重量只占鎳鋼模具40%的模具要在150 ℃的溫度和100 psi的壓力下經過700多個高壓加熱循環。采用復合材料制造航空航天模具和鋪設芯軸的難題之一是要滿足嚴格的材料需求。 
      這些特定的需求包括：能夠承受少500個循環；玻璃化轉變溫度在204℃以上，以滿足高生產速率條件下176℃的固化溫度要求。這些模具還必須具有高成本效率，能夠抵抗紫外線，耐磨損，能夠抵抗環境老化因素，同時保持較高的尺寸完整性和穩定性。 [-page-] 
        

馬 薩諸塞州Lynnwood 市的Carver復合材料模具公司總裁Larry Carver說，飛機制造商加大復合材料用量的趨勢推動了BMI和其他先進材料的發展，為復合材料模具開辟了新的道路。在SME復合材料模具大會上，Carver發言說，Northrop嘗試采用環氧基復合材料模具的初衷是為了滿足F/A 18 A/B 大黃蜂（Hornet）戰斗機中碳纖維部件的熱膨脹系數要求。 
      Carver說，今天，Northrup在其Super Hornet中使用大約59%的碳纖維材料。他提出了一種以碳泡沫為芯材，BMI/碳纖維為表皮的材料概念，為大型復合材料部件制造復合材料模具。他認為，BMI、碳纖維和碳泡沫非常適合制造大型鋪設芯軸，在復合材料表皮的制造中可以進行纖維的自動化鋪設和手工鋪放。 
      BMI基材料 
      Hexcel的HexTOOL M61是由HexPly ® M61 BMI樹脂生產的，非常適合進行高溫高壓加工。它含有不規則的單向碳纖維預浸料層。HexTOOL可以作為多層準各向同性手糊材料，并用CNC機床加工至緊公差。這種材料非常適合于176-190℃的高壓固化工藝，可以修補，尺寸穩定，能保持完全的真空，即使經過500個以上的固化循環也無影響。 
      HexTOOL模具比鋼質或鎳鋼制成的模具更輕，也更節能，比標準復合材料公差更緊，因此成本效益也更高。該公司還提供一種環氧樹脂基的模具HexTOOL M81，由準各向同性的預浸料氈組成，比標準復合材料模具厚。該模具預浸料首先在120℃下固化6小時，然后在204℃后固化兩小時，專門用于生產120℃固化的部件。 
      Cytec工程材料公司的DURATOOL 450 BMI/碳纖維模具預浸料是一種高性能的模具系統，可在190℃下連續工作，在204℃下進行短周期循環。經過初始的高壓固化過程后，該模具層壓板脫模后單獨進行后固化。實踐證明，該預浸料在190℃下經過100多個高壓循環都不會出現老化現象。Cytec提供的其他模具預浸料還包括CYFORM 7620，一種中溫固化環氧系統，可以為大型的難鋪設的模具帶來大的附著力和長的使用壽命。 
      先進復合材料集團（ACG）近又推出了兩種BMI基材系統HTM 556和 HTM 515-1模具預浸料，為結構模具和部件市場提供優異的加工性能和耐高溫性。據說這兩種材料強度更高，不會出現微裂紋，可以提高真空完整性，延長模具壽命。HTM 556可以在200℃下連續使用，而HTM 515-1可以承受250℃的熱循環。
        

    該公司還擁有LTM®系列低溫固化環氧基預浸料，可以進行后固化，使用低成本低溫母模生產耐高溫的輕質復合材料模具。ACG的另一種產品DForm™可變形復合材料模具預浸料據說是一種省工省錢的預浸料技術，既有短纖維模塑料的一致性，也有高性能長纖維復合材料的定向特性。 [-page-] 
      Amber 復合材料公司提供HX系列低溫環氧模具預浸料。例如HX42，它有5天的出倉壽命，終端使用溫度達200℃。該系列的另一種產品HX90N使用了納米改性的環氧樹脂，具有更好的表面平滑度和模具表面質量。據說該預浸料不僅具有極小的熱膨脹（比其他材料低60-70%），還具有優異的表面質量和較高的終端使用溫度。 
      機加工板材 
      GrafTech國際公司的GRAFOAM®碳泡沫可以作為芯材成功用于復合材料模具的制造。該泡沫由各項同性的碳制成，具有與碳纖維復合材料相近的CTE和非常高的耐高溫性。ACG與GrafTech合作開發的ACG GRAFOAM FPA-20碳泡沫模具系統具有耐壓強度高、重量輕、尺寸穩定的特性，可以不必使用母模。用于制造大型結構的板材有多種尺寸和密度可選。 
      ACG提供的CB1100陶瓷模具板材具有耐高溫性和低熱膨脹系數，據說可以生產出非常精確穩定的模具。這種陶瓷板可以與ACG的LTM®環氧模具預浸料和HTM ® BMI模具預浸料相兼容，粘結在一起后加工成模具的芯，再將碳纖維表皮層壓上去，無需使用母模。由于表皮是由陶瓷芯完全支撐的，也就不需要另外的支撐結構；而且陶瓷材料不會吸水，因此也就不需要干燥或通風過程。 
      Touchstone研究實驗室的CFOAM®是一種由煤炭制成的結構材料，采用的是其專有的低成本高壓工藝，可用于許多應用中，包括復合材料模具。該材料可制成多種結構形式，呈現多種表面，從薄的片材到近似網狀的三維部件，并可以根據元件尺寸和密度進行裁切。該泡沫已用于生產10個部件以下的低成本原型模具表面，也可用于生產500個以上的部件的表面。
        

     高強度CFOAM材料可使用傳統設備進行切割和加工，采用火焰噴射技術可以涂覆上金屬涂層。原型部件制好后，原型模具的表面可以去除，然后附加一層復合材料表面。Touchstone說，設計上的改變只需要很小的額外成本就可以實現。 
      除了為復合材料模具提供具有極高強度和穩定性的支撐板材，Amber復合材料還提供模具板、底漆和密封劑。Amber復合材料公司和RAMPF模具公司共同推出了一種環氧基板材，用于模具的生產；還為RAMPF的RAKU-TOOL®環氧和聚氨酯產品系列增加了一種環氧樹脂膠產品。WEB-0700環氧樹脂板具有非常精細的表面結構、優異的加工性能、良好的尺寸穩定性和耐熱性。 [-page-] 
      Amber的Cellite ®180系列模具支撐材料可以承受180℃的高溫，表皮材料可采用玻纖或碳纖，可帶有鋁蜂窩芯材，亦可不帶。Amber的實心板由玻纖或碳纖和耐高溫樹脂層壓而成。這些板材可以切割成所需形狀，用于在鋪放和固化過程中支撐大型的模具和部件。 
      Sika模具復合材料公司的SikaBlock®模具板材就尺寸和密度分，有13種不同的類型。SikaBlock M2010具有耐熱性、低熱膨脹系數和非常致密的表面，適合生產復合材料模具。該公司也生產Biresin ®系列高性能樹脂和樹脂膠，用于模具的制造和部件的生產。 
      BCC Products/Blehm Plastics公司生產的耐高溫環氧樹脂模具板材EB6200可以承受163℃的高溫，具有優異的切割性能，產生的灰塵很少。BCC還生產一系列閉孔聚氨酯硬質泡沫，可以滿足母模和原型模具的不同要求。MB5000高密度聚氨酯模具板可用于金屬成型和鍍鎳芯軸模具的制造；此外該公司還提供MB8250鋁制模具板。 
      Gurit公司既有室溫固化的模具產品，也有65℃固化的SPRINT®模具材料，終的耐受溫度為160℃。環氧膠衣系統SP T-Gel 130-1可用于玻纖或碳纖模具的制造，它與SP的130℃系列的模具層壓、灌注和修復材料相兼容。Gurit近宣布收購的一家風機葉片模具制造商蘇州紅楓，以擴大其在范圍內的模具供應，并以現有的分銷網絡和復合材料技術為堅實的基礎。 
      Cass聚合物公司生產的Tool Chemical Composites（TCC）系列模具板材包括一種鋁填充的聚氨酯板，可進行CNC加工，具有較長的使用壽命。該公司還提供耐高溫環氧樹脂和中溫聚氨酯板材，可用于模具和其他產品的制造。
        

       模具樹脂
        Nord復合材料公司生產的Zero Shrink™單組份模具樹脂系統可用于復合材料模具的快速生產。RM2000模具樹脂是一種不飽和聚酯產品，可用于手糊和噴射模具的制造。RM3000乙烯基酯模具樹脂是一種低放熱系統，可用于替代環氧模具，生產熱模具和熱成型模具。兩種系統都具有6個月的保質期，由Nida-Core公司負責在北美地區分銷。 [-page-] 
        Cook復合材料聚合物公司（CCP）生產的OptiPLUSTM高性能低收縮樹脂可用于手糊和噴射工藝以及常溫真空灌注工藝中模具的制造。OptiPLUS 040-8091可取代間苯二甲酸、乙烯基酯和環氧樹脂用于模具的制造，加工工藝可采用常溫和高溫真空灌注。CCP說，這是一種預活化的樹脂，含有反應單體，具有一流的表面質量和耐熱性。 
      Airtech先進材料集團為灌注、手糊和高溫（395℃）高壓固化工藝生產真空袋和復合材料模具材料。Toolfusion®環氧基模具樹脂可采用灌注工藝制成符合材料模具。Airtech說這種工藝比傳統的手糊或噴射工藝更清潔也更簡便。該公司還生產Econo系列真空袋產品，包括一種可循環使用的硅橡膠袋系統Multi-Bag™。低粘度的液態硅膠涂覆在增強絲網材料上后，室溫下固化48-72小時而成。 
      北美地區大的復合材料供應商之一Composites One與三個合作伙伴共同成立了Closed Mold Alliance，提供交鑰匙的閉模成型解決方案及相關培訓。另外三家公司分別是設備制造商Magnum Venus Plastech以及模具制造商RTM North和FormaShape。位于加拿大British Columbia省的FormaShape是一家輕質樹脂傳遞成型（Light RTM）模具制造商，專注于五軸加工和模型制造。 
     混合模具的優勢 
      美國明尼蘇達州Remmele工程公司的模具部門經理Tom Sobcinski說，機身結構的鎳鋼合金重量可達136噸以上，這就限制了纖維的自動化鋪放速度，延長了高壓固化的熱循環時間。為減小傳統鎳鋼合金模具的重量和尺寸，Remmele開發了一種混合模具系統：Invalite™（正在申請專利）。 
      Invalite系統由一個復合材料支撐結構和薄的鎳鋼面層組成，從而減輕了重量。該系統將鎳鋼的長壽命和高質量與復合材料模具的輕質優勢結合在一起，可用于大型和中型部件的生產。該系統采用輕質材料制成，通過Remmele專有的ConnexSys®技術進行連接，比傳統鎳鋼合金減輕了50%的重量。 
      據說，Invalite模具比傳統鎳鋼模具有更大的耐壓能力和更好的使用性能。個生產出的Invalite模具去年被用于戰斗機的復合材料部件的生產，這一項目得到了Lockheed Martin Aeronautics和Remmele的支持。 
      “我們對三種模具進行了熱分析，即我們的混合模具、全鎳鋼模具和全復合材料石墨/環氧模具。”他說，“結果表明，就加熱速率而言，混合模具與全復合材料模具基本相同。實際上，在面層片材上熱量分布更均勻。但是全鎳鋼模具的加熱和冷卻速度慢得多。” 
      與全復合材料模具相比，Invalite的主要優勢是耐久性。“鎳鋼合金面層不會老化。”他補充說。 
      Sobcinski解釋說 ：“另外，Invalite模具的重量是全鎳鋼合金模具的50%。在大型模具的纖維鋪放設備上，如果模具重量減輕一半，其移動速度就會更快，因此生產速率也就會提高。” 
      硬質模具還可以采用金屬沉積技術制造。加拿大安大略省的Weber Manufacturing Technologies公司在其大先進的商業工廠內采用專有的鎳蒸汽沉積技術（NVD）生產鎳殼模具。這種兩級化學工藝將粒狀鎳粉末轉變成堅固的鎳殼，附著在熱的芯軸上，從而形成一個幾乎純鎳的結構。 
      位于美國佛羅里達州Port Saint Lucie的Keystone Synergistic Enterprises公司采用專有的金屬沉積技術生產低成本快速模具。Keystone說，電子束金屬沉積工藝生產出的近似網狀的三維幾何結構，可以滿足航空航天業為鈦、鎳和鋼合金制定的質量標準。

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