制造復(fù)合材料用預(yù)制體發(fā)展概況

英文 preform 的譯名較多，現(xiàn)在用得較多的是“預(yù)制體”或“預(yù)成形體”，用作動詞時意為“預(yù)成形”。

預(yù)制體是一種預(yù)成形的纖維組合體，是用以制造復(fù)合材料制品的近似精確仿形或精確仿形的增強材料形式。其纖維以一、二或三個維度排列，其形狀、輪廓和厚度與復(fù)合材料最終制品大致相同。傳統(tǒng)上，預(yù)制體是用單獨的模具和成形工藝制成，而非采用最終制品的模具。通過選擇和結(jié)合任意數(shù)量的不同形狀和取向的增強纖維層，預(yù)制體可以做得極其接近復(fù)雜制件的形狀。由于預(yù)制體可實現(xiàn)很高的生產(chǎn)效率及其他優(yōu)點，迄今已經(jīng)開發(fā)了多種預(yù)制體技術(shù)，并逐步實現(xiàn)自動化生產(chǎn)。

美國 AGFM 公司研發(fā)部經(jīng)理 Dan Buckley 表示：“預(yù)制體的制造速度比金屬沖壓的速度快，只需幾秒鐘。”“與許多業(yè)內(nèi)人士的想法相反，預(yù)制體可以節(jié)省制造器件的成本。”

相關(guān)專家認為：過去，預(yù)制體受到的重視嚴重不足。事實上，它比模塑工藝更重要，但它常常被忽視。鑒于目前汽車輕量化的推動，新的預(yù)制體技術(shù)正在走向成熟。

短切纖維預(yù)制體

預(yù)制體的應(yīng)用已有近80年的歷史。然而，在其發(fā)展歷程中，絕大多數(shù)預(yù)制體是用短切玻璃纖維制成的。利用真空把這些短切玻璃纖維收集在旋轉(zhuǎn)的多孔金屬模具上，形成近似最終制品的形狀。在預(yù)制體上噴射樹脂粘結(jié)劑，把纖維保持在一起，然后加熱固化，使得預(yù)制體在后面的模塑作業(yè)中便于搬運。

美國福特汽車公司、法國 Sotira 復(fù)合材料公司和英國 Aston Martin 公司合作開發(fā)了一種預(yù)制體技術(shù)，與樹脂傳遞模塑（RTM）配合，每年為 Aston Martin幾種汽車生產(chǎn)近5萬個復(fù)合材料零部件。這種工藝技術(shù)現(xiàn)在被稱為福特可編程預(yù)成形工藝或F3P。

福特公司長期倡導(dǎo)復(fù)合材料，20多年前就開始研究預(yù)制體技術(shù)。它對短切纖維預(yù)制體的研究始于20世紀90年代初，當時由美國能源部與福特、通用汽車和克萊斯勒共同贊助的“下一代汽車伙伴關(guān)系”致力于展示皮卡車廂用結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的自動化生產(chǎn)。確定的工藝是“P4”法（P4意為Programmable Powdered Preforming Process，即“可編程粉末預(yù)成形工藝”）。此工藝最初由位于比利時巴蒂斯的歐文斯科寧復(fù)合材料解決方案公司與瑞典Aplicator System 公司共同開發(fā)，后者制造了自動化的玻璃纖維無捻粗紗組合噴槍。

在P4工藝中，玻璃纖維被切短，與粉末粘結(jié)劑（通常質(zhì)量分數(shù)為3%~5%）一起由機械臂噴射到一個被抽成部分真空的、形狀類似制件的網(wǎng)模上。隨后，對預(yù)制體加壓，同時使熱空氣通過網(wǎng)模，以熔化粘結(jié)劑。當預(yù)制體完全壓實時，向網(wǎng)模通入冷空氣以冷卻和固化粘結(jié)劑，然后從網(wǎng)模中取出預(yù)制體，放入樹脂灌注模具中。

圖1所示為一臺六軸機械臂把短切纖維和粘結(jié)劑噴射到網(wǎng)模上，以制造預(yù)制體。

P4工藝獲得了美國空軍的資助，以研究該工藝使用短切碳纖維來制造航空航天器件的可行性。

后來，福特公司把P4工藝升級為 F3P 工藝。

另據(jù)2020年初的一篇報道，位于德國的帝人碳纖維歐洲公司開發(fā)了一種稱為 part via preform（PvP）的工藝。該工藝的開發(fā)旨在用含粘結(jié)劑的碳纖維粗紗取代成本更高、勞動密集型的紡織技術(shù)。這些粗紗被切短并噴入預(yù)成形模具中，在那里粘結(jié)劑被固化而形成預(yù)制體。然后預(yù)制體被修剪成近似精確形狀。由于預(yù)制件是干燥的，它可以立即被送到 HP-RTM 壓機進行灌注和最終成型。使用 PvP消除了購買干織物、加入粘結(jié)劑、裁剪織物和固化粘結(jié)劑等步驟，或者消除了購買、切割、疊層和模塑預(yù)浸料的需要。

圖1 P4工藝（來源：CW, Sara Black）

織造預(yù)制體

含隨機取向纖維的短切纖維預(yù)制體具有各向同性的特性。雖然可以調(diào)整噴射模式，使纖維在某種程度上排列和定向，但這種預(yù)制體的承載性能通常受到短纖維長度的限制。為了獲得更好的制件性能，需要使用連續(xù)纖維，采用機織、編織或縫編等工藝來制造預(yù)制體。

用于樹脂傳遞模塑（RTM）的3D 機織物的成功一例是美國Albany Engineered Composites公司生產(chǎn)的預(yù)制體，它們用來制造碳纖維增強塑料飛機風(fēng)扇葉片和風(fēng)扇罩。預(yù)制體各層之間通過連鎖纖維連接，使結(jié)構(gòu)的貫層特性與其面內(nèi)特性更相似。這樣的三維機織預(yù)制體使得復(fù)合材料葉片沒有任何未增強的薄弱平面，并消除了傳統(tǒng)復(fù)合材料中離散織物層那樣的分層風(fēng)險。

這種預(yù)制體采用巨大的織機織造，織機中含有提花機構(gòu)。每臺織機可以接納多達8448根經(jīng)紗。

圖2 碳纖維預(yù)制體織機

碳纖維織物廠商 Sigmatex 公司利用3D 機織技術(shù)來生產(chǎn)近似精確仿形預(yù)制體。這些預(yù)制體可用樹脂傳遞模塑等成型工藝以極高的效率制造復(fù)合材料器件。該公司還可以混搭使用不同類型的纖維來提高制品性能。

在將3D機織物用于航空發(fā)動機風(fēng)扇罩之前，美國通用航空公司使用了由 A&P 技術(shù)公司制造的編織預(yù)制體來制造GEnx發(fā)動機，該發(fā)動機已于2012年投產(chǎn)。那時，編織預(yù)制體也被用于自行車車架和其他體育用品以及汽車和卡車器件的 RTM 成型。汽車器件的一個例子是寶馬7系列的車頂縱梁。

圖3 編織預(yù)制體（來源：A&P Technologies）

為降低復(fù)合材料的制造成本，使用低成本無屈曲織物（NCF）的樹脂傳遞模塑（RTM）是一個非常有前景的選擇。預(yù)制體對于獲得最佳和可重復(fù)的力學(xué)性能至關(guān)重要。

德國亞琛 RWTH 大學(xué)的紡織技術(shù)研究所（ITA）進行了多年的預(yù)制體研發(fā)。在一個示范項目中，ITA 使用了德國 Liba Maschinenfabrik 公司提供的多軸向襯緯機來制造多軸向無屈曲織物。機器進行了改裝，改變了織物的局部厚度，增加了 Z 向增強材料，并造成切口來加入額外的織物和氈。其結(jié)果，該機可以制成完全符合要求的近似精確仿形預(yù)制體 （被稱為“特制 NCF”）。

疊層織物預(yù)制體

在21世紀初，開始使用疊層織物作為 RTM 用的預(yù)制體，但這些預(yù)制體大多是手工鋪疊的，它們用于航空航天用途。例如德國 Compositence 公司介紹了如下方法：碳纖維粗紗首先被織成無屈曲織物（縫編織物），然后按所需形狀切割，疊放，注入樹脂粘結(jié)劑并使其預(yù)固化而形成預(yù)制體。

另一個項目使用玻璃纖維/碳纖維混搭雙軸向織物來制造汽車前保險杠。織物被鋪放在一個位于梭臺上的預(yù)制體陰模中，隨后梭具將陰模移送到氣動的“成形模板”下面，模板從上面壓縮疊層。造形后，梭具把模具移送到第三個位置，直接位于三個高強度燈之下，進行大約17 s的光固化。據(jù)介紹，預(yù)制體中各部位的粘結(jié)劑用量可以變化，單個燈可以瞄準預(yù)制體的特定區(qū)域，以優(yōu)化局部剛度。還可以把熱成型的表層插入預(yù)制體模具中，形成定制的飾面。

除了干粘織物外，還可把預(yù)浸料疊層用作 RTM工藝的預(yù)制體。使用這種方法制造的器件，包括一架直升機的頂部和空客 A320飛機的7.4 m長襟翼（當時仍用手工鋪層）。

近年，航空航天制造商尋求實現(xiàn)這種預(yù)成形方法的自動化，美國 Composite Alliance 公司因其能夠從干粘織物或預(yù)浸料生產(chǎn)3D 預(yù)制體的自動化單元贏得了2016年美國復(fù)合材料/先進材料展覽會的創(chuàng)新獎。它具有智能自動化的疊層功能，使用帶有特殊夾具的機器人抓取、鋪放和折疊鋪層，形成三維形狀，然后通過集成的攝像頭控制系統(tǒng)進行進一步加工，以確保質(zhì)量、可重復(fù)性和準確性。

縫合織物預(yù)制體

縫合技術(shù)是使用縫線把多層織物結(jié)合成準三維或三維織物或使分離的數(shù)片織物連接成整體織物的預(yù)制體制備技術(shù)。

初創(chuàng)于2016年的美國 Seriforge 公司對縫合二維織物的技術(shù)進行了自動化更新，其基本轉(zhuǎn)變是把3D 織物預(yù)制體與傳統(tǒng)的織機制造理念相分離，而轉(zhuǎn)向3D 打印模式，在3D 打印模式中，多種不同的2D材料（如機織物或單向織物、薄氈、薄膜等）被切割，定向，堆疊，然后用碳纖維或其他紗線縫合和 Z向加固。可使用多種纖維來制作預(yù)制體，但目前使用碳纖維是最普遍的。Seriforge 采用現(xiàn)代數(shù)字化技術(shù)，在自動切割、定向和將二維材料縫合成三維預(yù)制體的過程中，可以加快速度并減少誤差。

圖4 縫合3D預(yù)制體（來源：Seriforge）

自動鋪纖/鋪帶/鋪片預(yù)制體

現(xiàn)在，以自動鋪帶（ATL）和自動鋪纖（AFP）技術(shù)為基礎(chǔ)的預(yù)成形工藝選項有很多，可使用干燥和/或浸漬的增強材料，在很短的時間內(nèi)制成預(yù)制體。

德國 Compositence 公司專門進行碳纖維、玻璃纖維和其他纖維類型的預(yù)制體制造。該公司獨特的自動鋪纖技術(shù)，主要針對航空航天、移動出行、風(fēng)能等大批量應(yīng)用市場。該公司稱，機械化的預(yù)制體制造方法，如自動鋪纖（AFP）或纖維纏繞，可以省去織物織造、切割和手工疊層的預(yù)成形步驟。這兩種預(yù)成形技術(shù)都依靠電腦控制的機器來鋪設(shè)碳纖維粗紗或預(yù)浸料，使其直接形成產(chǎn)品所需的形狀。

獲得專利的 Compositence 技術(shù)，包括硬件（如裝有專用纖維擠出頭的機器人伺服臂）以及軟件。軟件的設(shè)計允許用戶在預(yù)成形開始前輸入必要的參數(shù)。一旦參數(shù)到位，機器臂就會精確地遵循它們的指令。

圖5 自動鋪纖（來源：Compositence）

法國Coriolis復(fù)合材料公司利用低成本、高精度的六軸機器人開發(fā)了自動鋪纖機器人系統(tǒng)。該公司由3名工程師建立，在制造復(fù)合材料制品和預(yù)制體的機器、材料和工藝開發(fā)方面擁有20年的經(jīng)驗。

該公司最初的業(yè)務(wù)面向工業(yè)和汽車用途，后來發(fā)展到航空航天領(lǐng)域。它為奧迪A8汽車的車身 B 柱制造了由干燥單向碳纖維制造的扁平預(yù)制體，還在DYNAFIB 項目中用玻璃纖維/聚酰胺熱塑性預(yù)浸帶制成預(yù)制體，然后經(jīng)包覆成型制成發(fā)動機座。

該公司在全世界安裝了50多臺機器，其系統(tǒng)能夠：

·鋪放連續(xù)和不連續(xù)纖維。

·以相同的速度鋪放干燥纖維、熱塑性材料和熱固性材料。

·鋪放單帶和多帶，最多可同時鋪放32條帶。

·制成2D、2.5D 和復(fù)雜3D 形狀。

圖6 AFP機在鋪放含粘結(jié)劑的碳纖維絲束，制造奧迪R8汽車B柱預(yù)制體（來源：Coriolis Composites）

德國迪芬巴赫公司的 Fiberforge Relay 系統(tǒng)使用改進的自動鋪帶形式，用單向增強的熱塑性帶制備預(yù)制體，然后模塑成制品。

這種可大量生產(chǎn)預(yù)制體的系統(tǒng)分兩步作業(yè)。在第一步中，系統(tǒng)把碳纖維和/或玻璃纖維單向預(yù)浸帶鋪成近似精確仿形的復(fù)合材料疊層。據(jù)稱這是世界上最快的鋪帶系統(tǒng)，鋪帶周期時間為1 s。預(yù)浸帶可按規(guī)定的圖型鋪放，可以在鋪層中混用不同材料的帶，甚至帶的寬度和厚度也可以改變。在第二步中，系統(tǒng)利用真空輔助技術(shù)將疊層固結(jié)成近似精確仿形的預(yù)制體。系統(tǒng)可以同時處理幾個疊層，周期時間極短。

迪芬巴赫的 Fiberforge Relay 系統(tǒng)已被一些復(fù)合材料制造商用來生產(chǎn)航空航天用的熱塑性復(fù)合材料器件。

由空客集團原創(chuàng)，德國 Cevotec 公司進一步研發(fā)的纖維片鋪放工藝（fibre patch placement，縮寫為FPP），通過修改 ATL/AFP 工藝，將附有粘結(jié)劑的單向碳纖維帶切割成特定長度的片段，并由機器人把這些片段沿著計算好的荷載路徑精確鋪放在3D 模具上，形成即可模塑的真正3D 精確仿形預(yù)制體。當時鋪放的單向碳纖維片段的一種尺寸是20 mm寬×60 mm長×0.1 mm 厚。使用的碳纖維原帶的寬度是15~40 mm ，單位面積重量為60~180 g/m2，碳纖維帶上加有熱塑性纖網(wǎng)作為粘結(jié)劑。預(yù)制體隨后采用標準的真空灌注或樹脂傳遞模塑工藝來模塑成型為最終制品。自動化過程能夠快速制成非常復(fù)雜的結(jié)構(gòu)。例如，Cevotec 公司與一家領(lǐng)先的醫(yī)療設(shè)備OEM 合作，使用FPP在30 min 內(nèi)制造出一個整體式碳纖維矯形器具預(yù)制體，而這之前需要40多塊分散的預(yù)浸料和1.5 h 的手鋪時間。

據(jù)介紹，F(xiàn)PP可生產(chǎn)高度優(yōu)化的預(yù)制體，與連續(xù)織物預(yù)制體相比，剛度提高150%，廢料減少50%。例如，Cevotec 生產(chǎn)了一種碳纖維滑雪板預(yù)制體，實現(xiàn)了彎曲和扭轉(zhuǎn)性能的優(yōu)化以及制造過程中的零廢料。

2020年初，Cevotec 公司宣布了 FPP 在滿足航空航天工業(yè)對復(fù)雜和大型航空結(jié)構(gòu)的需求方面取得的進展。SAMBA Step L 是 Cevotec SAMBA 系列中最大的體系，它可以鋪放最大為200 mm×300 mm的纖維片，與最初的20 mm×60 mm 片相比，擴大了50倍。另外，該公司于2016年3月投產(chǎn)的一條 FPP生產(chǎn)線還使用了更寬和更厚的碳纖維帶。相關(guān)人士說：“厚度會影響生產(chǎn)速度，也影響預(yù)制體的力學(xué)性能。高性能制件將使用更薄的帶，而工業(yè)和娛樂產(chǎn)品預(yù)制體則需要平衡厚度與性能。”

大纖維片在彎曲表面上的順利沉積是通過一種特殊的輥鋪作業(yè)來實現(xiàn)。這種新的鋪片方法對提高大型制品的質(zhì)量和有效防止制品夾氣有重要作用。

纖維鋪縫預(yù)制體

纖維鋪縫技術(shù)（TFP）是1992年由德國萊布尼茨聚合物研究所（IPF）發(fā)明的。到2013年，TFP 也被用于復(fù)合材料預(yù)制體的自動化制造。TFP 須有一種底材（通常是薄氈或機織物，對熱塑性復(fù)合材料來說，則可用與基體相容的箔材）。連續(xù)的絲束或粗紗被精確地鋪放并縫合到底材上。該過程是自動化的，可實現(xiàn)高生產(chǎn)率和可重復(fù)性。起初，縫合是用工業(yè)繡花機完成的，但現(xiàn)在 TFP 使用特制的縫紉機，通過旋轉(zhuǎn)一個固定的縫紉裝置和使用計算機數(shù)控（CNC）移動底材，把連續(xù)的絲束或粗紗定位在任何方向。制得的干纖維預(yù)制體可以使用RTM或真空袋樹脂灌注法模塑成型。也可以使用熱塑性樹脂預(yù)浸絲束或與熱塑性長絲復(fù)合的絲束來制造預(yù)制體。熱塑性預(yù)制體可以通過壓縮成型制成制品，也可以作為注塑成型的嵌件。

TFP 的纖維被鋪成扁平形，但很容易做成3D精確仿形預(yù)制體。實現(xiàn)這一點的一種方法是采用選擇性縫合，也就是說，在特定長度段上鋪放的纖維不用縫合，使得在預(yù)制體中存在纖維不受縫合限制的區(qū)域，因此這部分纖維可以在任何方向上自由移動，以便形成在纖維排列中沒有褶皺或扭曲的最終3D 預(yù)制體。

TFP 預(yù)制體的精確仿形也避免了其他預(yù)成形過程中常見的材料浪費。在針織和機織過程中，由于紡織機械對纖維取向的限制，許多材料在形成最終結(jié)構(gòu)時浪費了。TFP 沒有這些限制，因此可以把纖維只鋪放在需要的地方。

TFP 的應(yīng)用一例是空客漢堡公司的 A350 XWB飛機碳纖維復(fù)合材料窗框。它們兼用選擇性縫合和結(jié)構(gòu)性縫合（直上直下縫合），內(nèi)部用玻璃纖維襯里，以防止鋁接口的電偶腐蝕。然后將扁平的 TFP預(yù)制體成形為截面為 L 形的無褶皺橢圓形。選擇性縫合使纖維能夠很容易重新塑形，同時保持直線排列。結(jié)構(gòu)性縫合有助于承受窗框周邊的負荷。據(jù)介紹，利用 TFP，可以通過巧妙地設(shè)計縫合線來改善鋪覆性。“可以避免纖維交叉處的開口，這種開口在傳統(tǒng)的機織和針織增強材料中很常見。”

另一個應(yīng)用例是德國萊布尼茨聚合物研究所研制的輕重量反曲弓，此產(chǎn)品在2017年“JEC世界”展會上贏得了創(chuàng)新獎。過去質(zhì)量為1000~1350 g的碳纖維增強塑料弓與鋁合金弓（950~1400 g）相比，質(zhì)量幾乎未減輕。然而，使用TFP碳纖維預(yù)制體并在設(shè)計中采用拓撲優(yōu)化，將弓的質(zhì)量減少了40%，輕至600 g。制造過程產(chǎn)生的廢物也大大減少。