关于混合热固性-热塑性拉挤件的新包覆工艺进展

为寻找低成本的工艺来为其半成品复合型材和管材添加功能化，并减少其产品中粘合剂的使用，Epsilon composite与其注塑合作伙伴Somocap共同开发了热塑性复合材料注射包覆工艺并申请了专利

Epsilon复合材料公司（法国）专注于碳纤维与环氧树脂复合材料的拉挤和拉绕工艺，与许多其他工艺相比，可以更快地制造中大型系列高性能碳纤维复合材料部件，且成本更低。

自上世纪80年代末成立以来，该公司已经为航空航天、工业和其他市场的应用领域制造了各种各样的半成品拉挤型材。对于许多由Epsilon复合材料公司型材和管材制成的最终用途部件比如像飞机支柱、工业零件、技术滚轮等，金属或塑料端部配件和插入件通常被粘合到这些终端用途部件上，以增加其功能或为其他部件提供连接点。

然而，粘接需要添加几个步骤，通常是手工步骤：表面准备，应用和粘结剂固化。这使得粘合剂粘接对于许多每年需要数千个零件的大型系列应用来说成本较高且劳动密集。在某些情况下可以使用机械紧固件代替，但这也带来了其他挑战，例如可能会增加重量和组装步骤，以及在拉挤部件上加工孔的必要性，这通常会降低其机械性能。

2012年，该公司开始试验其他方法，为通过拉挤或拉绕制造的部件添加终端件或其他功能。Epsilon 复合材料公司副首席执行官亚历山大·鲁尔解释道，我们的目标就是找到一种可以生产低成本、高质量产品的方法。

一种想法是使用复合材料注射成型作为一种手段，将金属端件连接到拉挤型材上。鲁尔说，之所以选择使用玻璃或碳纤维增强热塑性塑料的注射成型工艺，是因为它可以补充公司使用的拉挤或拉卷工艺带来的低周期和大容量生产能力。

然而，挑战在于Epsilon公司的拉挤型材是由环氧树脂或其他热固性树脂基体制成的，注塑过模引入了热塑性基体，在高热高压下注射，具有不同的热膨胀系数。

流程开发和第一个原型件实现

在接下来的几年里，Epsilon公司找出了实现其混合热固性复合材料拉挤组件与热塑性塑料的最佳方法。为此，Epsilon与其注塑合作伙伴Somocap（法国）密切合作。我方提供了工程和复合材料知识，对方带来了注塑机械和工艺知识，Epsilon研发人员解释道。

根据2021年其在美国专利的申请，该工艺包括几个步骤：首先，通过拉卷或拉挤生产空心管状热固性复合材料型材。然后加工型材的端部，以允许端部配件的形状被附加，这为型材附加提供了一个粗糙的表面区域。接下来，在注塑机中将工具/塞子放置在型材内，然后在指定的热量和压力下将热塑性塑料注入到型材和端件周围，将它们结合在一起。

碳纤维/环氧树脂拉挤和拉绕专家。这些图像显示Epsilon公司拉绕之前（上）和拉绕之后（下）通过加热模具固化的情形

最终，该方法可以用于将传统的金属端件连接到拉挤型材或管上，也可以完全替换金属，并通过包覆成型添加热塑性复合材料部件。

该技术的首次展示是在碳纤维/环氧树脂拉挤管顶部注入聚醚醚酮(PEEK)。Epsilon公司研发人员说道，PEEK是在大约300°C的高温下注入，所以我们必须确保热固性复合材料管的树脂基质能够在短时间内维持这个温度。通过反复试验，研发团队找到了快速注射过模工艺和所需的玻璃化转变温度(Tg)热固性基质的正确组合，以产生可重复的结果，尽管材料不同，但不会损坏拉挤管。

该专利指出，这种方法很简单。因为它可能只需要几个步骤，但它可以获得可以承受强牵引、压缩、温度梯度的组件，并使用不同膨胀系数的材料。

鲁尔指出，已经使用了一系列材料，从相对低成本的玻璃纤维填充聚酰胺6 (PA6)，到更高性能的材料，如PEEK，聚苯硫醚(PPS)或聚醚酰亚胺(PEI)，用玻璃或碳纤维增强。如果需要，也可以使用无增强体的树脂系统。

与其他方法相比，比如粘接，使用机械紧固件，甚至在端头接头顶部缠绕丝等，包覆成型的好处包括更低的成本，减轻重量和提高抗冲击能力。如果用热塑性塑料代替金属，也可以消除腐蚀风险。

这种解决方案还可以增加可持续性的好处：化学溶剂和粘合剂从工艺中去除，再加上使用热塑性塑料作为连接方法，可以在部件寿命结束(EOL)时将两个组件分离，增加可回收性的潜力。此外，在注射过程中没有废料。任何产生的废料都可以熔化并在注塑过程中重复使用。

商业应用:工业、航空航天、农业

在开发和验证了原型件之后，该技术的第一个商业应用案例是在2015年与一家美国公司合作，制造用于工业机器人的拉杆。

鲁尔继续说道，我们与工业客户的合作，第一个主要业务就是航空航天。2018年，该公司与空客公司（法国）开始了研发项目。这项工作源于之前的研发合作，在该合作中，Epsilon展示了其拉挤技术，用于制造带有粘结金属端件的高性能管状结构支柱。Epsilon成功地展示了零部件的性能和制造过程的可靠性，达到了TRL 6和空客的内部标准。然而，该项目没有进行商业运作，因为结构粘合被认为对关键的航空航天结构风险太大。为了应对这些风险，Epsilon开发了一种专门设计的工艺，并为其申请了专利，该工艺符合航空航天标准，但该工艺更昂贵，无法节省时间和成本。

第一个应用:工业。Epsilon的核心终端市场之一，如机械臂或机器人的工业应用，是其注塑包覆成型连接工艺的第一个应用

与此同时，Epsilon和Somocap开发了一种新的包覆工艺，并开始商业化生产工业零件。因此，在与空客公司合作的下一个支柱研发迭代中，Epsilon引入了末端配件的包覆成型解决方案，以满足其优化成本和在零件和工艺上的高可靠性需求。

随后双方公司进行了为期一年半的密集开发过程，旨在找到合适的参数和工具，以最佳地将末端配件包覆到热固性复合材料拉挤管上。最终，该支柱取得了成功，与传统的由纤维缠绕或预浸料制成的复合材料支柱相比，成本节省了50%。这些支柱最终获得了空客的商业使用资格，Epsilon继续向航空航天市场提供这些部件。

在工业和航空航天市场取得初步成功后，Epsilon表示，在其许多大规模订单中，注塑包覆成型是一种经济有效、可靠的替代粘合剂的方法

鲁尔说，这对航空航天来说是一个很大的优势。这项技术消除了粘合甚至机械紧固件失效的风险，我们已经证明了这一工艺能够持续生产数千个可靠的高质量零件，而且没有废料。他补充说，这种解决方案可以使用无损检测(NDI)方法对零件进行可靠有效的评估，而这种方法无法用于粘接部件。

除了航空航天，该公司还在农业机械上进行了商业演示，与客户合作，用50米宽的拉挤复合臂取代了工业拖拉机的钢喷油臂。Epsilon的销售总监罗曼•库莱特解释说，钢吊杆不能太宽，因为它们更重，也不那么坚硬。复合材料更坚固、更轻，并消除了潜在的腐蚀问题，因此有很多好处，但生产率是最大的优势。更大的吊杆可以在更短的时间内成型，提高效率。

市场上还有其他复合材料吊杆。Epsilon公司生产的是一种桁架形状的拉挤结构，库莱特说，这使得它在尽可能低的重量和最少的材料使用量下高度优化了高刚度，从而降低了总成本。

该技术已成为Epsilon在终端市场上用于大型系列零件的首选解决方案。该公司已经制造了成千上万个零故障的零件，且非常具有成本竞争力。未来很有可能在所有终端市场中取代中型和大型系列部件的粘接。

Epsilon的研发团队表示将继续优化其包覆工艺，使整体工艺和工作流程在拉挤和注射之间更快、更高效，并开发适合小批量应用的低成本或模块化模具。

此文由中国复合材料工业协会翻译，文章不用于商业目的，仅供行业人士交流，引用请注明出处。