低成本的注塑/模压包覆成型

    基于多种原因，单向纤维和预成型件的注塑包覆成型是一项具有吸引力的工艺，它快速、一致性和可重复性好，使用一台编程和控制方便且相对容易获得的机器，即可完成这项工艺操作。

    然而，注塑成型的缺点是，所用模具通常非常昂贵，比模压成型的模具更贵。

    此外，包覆成型要求将复合材料包封在模具中，而且如果部件较大，则意味着需要更大型的模具。所有这些加起来，使得复合材料包覆成型的成本可能会超过它的效益。

    为解决这一特殊的包覆成型难题，美国Fibrtec公司CEO Robert Davies开发了一种有趣的解决方案，其系统采用了他自己设计的混合的注塑/模压包覆成型工艺，这样，就可以将注塑成型的较小部件或嵌件与模压成型的较大部件结合在一起。

    Davies的解决方案涉及围绕一个注塑成型的部件进行模压成型，而不是围绕一个复合材料的预成型件进行注塑成型。

    Fibrtec决定要做的是，注塑成型凸台、特征、肋骨和其他一些东西，然后将它们定位摆放到模压成型的模具中，同样是在此模压模具中，层压材料将得到固结。

    利用Fibrtec的工艺技术，可以采用热塑性树脂、较低成本的模具和传统的注塑机，离线注塑成型出肋、凸台和类似的特征，然后与预成型件一起，由机器人将它们自动放入模压模具中。

    “你可以以相当低的成本快速地制造出用于模压部件的嵌件。”Davies说，“但是，将预成型件与嵌入的注塑成型特征一起放入模压模具中，这才是重点。”

    Fibrtec典型的热塑性模压成型工艺采用的预成型件由其Fibrflex热塑性丝束预浸带制成，同时还采用了一副加热的模压模具。

    Fibrflex由涂覆了树脂的单个编织丝束构成，先将其切成模具的一般形状，然后成形出预成型件。

    在此注塑/模压包覆成型工艺中，将注塑成型的特征放入模压模具的孔或槽中，以作为精确标引，然后将由Fibrflex织物制成的预成型件放入模具中，加热到工艺温度并施压。稍等片刻（根据应用的不同，通常是几秒到几分钟），部件即冷却然后被顶出。

    由于制造嵌件的树脂与复合材料中的基体树脂相同，所以，当它们熔融并压制在一起时，就会非常均匀。

    至于树脂系统，Fibrtec为该工艺而使用过PEEK、PC/ABS和PA6。

    对于包覆成型的注塑件，通常需要更大更专用的注塑机，以便将整个复合材料的套件包封起来。但Davies的方法，却允许在小而便宜的机器上注塑成型嵌件，所用机器的成本只占大型专用注塑机的一小部分。

    此外，可以在注塑模具中对凸台、肋等特征进行分组，允许在每一注塑循环中创造出多个部件，既可以是多个同样的部件，也可以是一组部件。

    Davies介绍说，对于较小的嵌件，每分钟可以注塑多次，而要在大型专用机器上注塑成型整个部件，仅一个部件可能就要花费几分钟的时间。

    因此，对于较大的部件而言，这项工艺很有意义。该方法允许使用注塑成型来达到最佳效果，即在小型廉价的机器上制造出小的、高度精细的和离散的特征，而实际的包覆成型是在模压过程中以某种方式实现的，它充分利用了模压的优势——固结。

    Davies说，他于2008年最初开发这项工艺时采用的是碳纤维和PA6，制造了笔记本电脑外壳。当时客户的最初设计是完全采用注塑成型的部件，但技术服务的现场工作，却需要一个更耐用的电脑外壳，这使得Fibrtec的模压包覆成型解决方案应运而生。

    然而，对于该项目，一个值得关注的问题是，由于该部件中集成有电子组件，导致不能重新配置外壳，使得复合材料必须适应原来的外壳设计并包含有注塑成型的特征。

该笔记本电脑外壳拥有注塑成型的周边（上），它在模压成型中与采用Fibrtec的Fibrflex热塑性碳纤维丝束预浸带制成的预成型件固结在一起，形成一个完整的外壳（下）。该笔记本电脑另一部分的附加小特征在模具的中央成型出来，以充分利用模具（图片来自Fibrtec）
 

    针对笔记本电脑项目，Fibrtec采用了两副模具来注塑成型一些特征，比如螺钉凸台和其他较小的功能。这些部件在被切除流道后，与之后模压成型的复合材料叠层进行配套。

 

    另一副模具用于成型LCD背面的周边部分。周边部分被成型为一个整体，拥有在模具中央成型的附加小特征，以充分利用模具。

    切除这些附加特征的流道，并在模压成型前将其配套好。然后，注塑成型的嵌件与层压材料一起在模压模具中固结为一体。据说，该笔记本电脑成功地经受了长达6英尺的6轴跌落试验。

    与传统的注塑包覆成型相比，Fibrtec的注塑/模压复合材料包覆成型工艺提供了显著的优势，包括：缩短了循环时间，降低了模具成本，增强了可订制性，减少了废品以及改善了性能。Fibrtec还表示，两种材料之间的焊接质量与注塑包覆成型的一样好或者更好。

    其他优势包括：能够有选择性地将增强材料放到所需要的地方，最大程度地减少对成本的影响以及废品率。在注塑成型步骤完成后，注塑成型的流道可以保留在嵌件组成上，并作为模压包覆成型步骤的附加材料，来创造一个“功能表面”，或者说，流道可以成型出肋。

    Fibrtec还将此工艺用于军事领域，比如，用来制造美军使用的25mm榴弹发射器——XM25反遮蔽目标交战（CDTE）系统的侧盖，在此应用中，复合材料的基体以及部件中的嵌件都采用的是PEEK树脂。

    该公司还利用该工艺制造一种简易的爆炸装置（IED）探测器，采用PA6作为树脂系统。

    一种金属制成的手持探地雷达系统重约16磅，而采用Fibrtec的注塑/模压包覆成型工艺，则生产出了6～7磅重的复合材料替代品。