在寻找低成本工艺为其半成品复合材料型材和管材添加功能，并减少其产品中粘合剂的使用时，Epsilon Composite 与其注塑成型合作伙伴 Somocap 共同开发了一种热塑性复合材料注塑包覆成型工艺并获得了专利。图片来源，所有图片（包括与标题一致的图片）：Epsilon CompositeEpsilon Composite（法国Gaillan Médoc）专注于碳纤维/环氧树脂拉挤和拉绕，与许多其他工艺相比，能够以更快的速度和更低的成本制造中到大型系列的高性能碳纤维复合材料部件。自 20 世纪 80 年代后期成立以来，该公司一直在为航空航天、工业和其他市场的各种应用制造半成品拉挤型材。对于许多由 Epsilon Composite 的型材和管材制成的最终用途部件——飞机支柱、工业部件、技术滚轮等——金属或塑料端部配件和嵌件通常与它们粘合，以增加功能或为其他部件提供连接点。然而，粘合需要增加几个通常是手动的步骤：表面准备、粘合剂的应用和固化。对于每年需要数千个零件的许多大系列应用来说，这使得粘合剂粘合成本和劳动强度太大。在某些情况下也可以使用机械紧固件，但这也会带来其他挑战，例如增加重量和组装步骤，以及需要在拉挤部件上加工孔，这通常会降低其机械性能。2012 年，该公司开始尝试使用替代方法为通过拉挤成型或拉绕成型制成的组件添加端部配件或其他功能。Epsilon Composite 副首席执行官 Alexandre Lull 解释说：“我们的目标是找到一种能够生产出低成本、高质量产品的方法，这是一种圣杯。”一个想法是使用复合注塑包覆成型作为将金属端配件连接到拉挤型材的方法。Lull 说，之所以选择主要使用玻璃纤维或碳纤维增强热塑性塑料的注塑包覆成型，是因为它有可能补充公司已经使用的拉挤成型或拉绕工艺的低循环时间和高容量能力。然而，挑战在于 Epsilon 的拉挤型材由环氧树脂或其他热固性树脂基体制成，注塑包覆成型引入了热塑性基体，在高温高压下注入，具有不同的热膨胀系数。在接下来的几年里，Epsilon一直在寻找最好的方法来实现其用热塑性塑料包覆成型的混合热固性复合材料拉挤部件的想法。为此，Epsilon 与其注塑合作伙伴 Somocap（法国 Jatxou）密切合作。“我们带来了工程和复合材料知识，他们带来了注塑机械和工艺知识，”Epsilon 研发主管 Ambroise Latron 解释道。
碳纤维/环氧树脂拉挤和拉绕专家。这些图像显示了 Epsilon 的拉绕过程（上图）和之后（下图）通过加热模具固化，型材被拉过。根据 2021 年提交的美国专利申请，该工艺包括几个步骤：首先，通过拉绕或拉挤成型生产中空管状热固性复合型材。然后加工型材的末端以允许连接端部配件的形状，这为型材连接提供了粗糙的表面区域。接下来，将工具/塞子放置在注射机的型材内，然后在指定的热量和压力下将热塑性塑料注射到型材和端部配件周围，将它们粘合在一起。最终，这种方法可以用作将传统金属端接头连接到拉挤型材或管材上的一种方式，或者可以完全替换金属，并且可以通过包覆成型添加热塑性复合材料尖端。该技术的首次演示涉及在碳纤维/环氧树脂拉挤管的顶部注入聚醚醚酮 (PEEK)。“PEEK 在非常高的温度下注入，大约 300°C，因此我们必须确保 [热固性] 复合管的树脂基体能够在短时间内维持该温度，”Latron 说，通过反复试验，研发团队找出了快速注塑包覆成型工艺和所需玻璃化转变温度 (Tg) 热固性基质的正确组合，以产生可重复的结果，而不会损坏拉挤管，尽管材料存在差异。该专利指出，“这种方法很简单，因为它可能需要很少的步骤，但它可以使用不同膨胀系数的材料获得能够承受强大牵引力、压缩力、温度梯度的组件。”Lull 说，原始演示部件不仅证明了该过程的可行性，而且超出了性能预期。这导致该公司为该技术申请了专利，并开始将其介绍给客户用于商业应用。Lull 指出，已经使用了一系列材料，从相对低成本的填充有玻璃纤维的聚酰胺 6 (PA6) 到更高性能的材料，例如 PEEK、聚苯硫醚 (PPS) 或用玻璃或碳纤维增强的聚醚酰亚胺 (PEI) . 如果需要，也可以使用未增强的树脂系统。与其他方法（如粘合、使用机械紧固件或什至在端部配件顶部缠绕细丝）相比，包覆成型的好处据说包括降低成本、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。该解决方案还可以增加可持续性优势：从工艺中去除化学溶剂和粘合剂，加上使用热塑性塑料作为连接方法，可以在零件寿命结束 (EOL) 时通过增加热量将两个组件分开，增加可回收性的潜力。“此外，注射过程中没有废料。产生的任何废料都可以熔化并在注塑成型过程中重复使用，”Lull 补充道。在开发和验证原型后，该技术的第一个商业用例是在 2015 年与一家美国公司合作，该公司制造用于工业机器人的拉挤棒材。
第一个应用：工业。Epsilon 的核心终端市场之一，工业应用，如机械臂或机器人技术，是其注塑包覆成型连接工艺的第一个应用。“我们最初与工业客户合作，但我们的第一个主要业务是航空航天”，纳尔说。2018年，公司开始与空中客车公司（法国图卢兹）开展研发项目。这项工作源于之前的研发合作，其中 Epsilon 展示了其拉挤成型技术，用于制造具有粘合金属端部配件的高性能管状结构支柱。Epsilon 成功地展示了零件的性能和制造过程的可靠性，达到TRL 6和空中客车的内部标准——但是，该项目没有在商业上进行，因为结构粘合被认为对关键的航空航天结构来说风险太大。为了应对这些风险，Epsilon 开发了一种专门设计用于根据航空航天标准确保粘合的工艺并获得了专利，但该工艺更加昂贵，与此同时，Epsilon 和 Somocap 开发了一种新的包覆成型工艺，并开始商业化生产工业零件。因此，对于与空中客车公司的这些支柱的下一次研发迭代，Epsilon 引入了端部配件的包覆成型作为解决方案，以满足零件和工艺的优化成本和高可靠性的需求。Lull 解释说，随后进行了长达一年半的密集开发过程，旨在找到合适的参数和工具集，以将端部配件最佳地包覆成型到热固性复合拉挤管上。最终，支柱被证明是成功的，并且比由纤维缠绕或预浸料制成的传统复合材料支柱节省了 50% 的成本。支柱最终获得空中客车公司的商用资格，Epsilon 继续向航空航天市场提供这些部件。
飞机支柱及其他。在工业和航空航天市场取得初步成功后，Epsilon 表示，在其许多大订单中，它使用注塑包覆成型作为一种经济高效、可靠的粘合剂粘合替代方法。“这对航空航天来说尤其有利，”Lull 说。“这项技术消除了粘合甚至机械紧固件失败的风险，我们已经证明该过程能够始终如一地生产出数以千计可靠的高质量零件，没有废料。” 他补充说，该解决方案能够使用无法用于粘合部件的无损检测 (NDI) 方法对部件进行可靠且有效的评估。除了航空航天外，该公司还展示了该技术在农业机械方面的商业应用，与客户合作，用 50 米宽的拉挤复合材料喷杆取代工业拖拉机的钢喷杆臂。Epsilon 的销售总监 Romain Coullette 解释说：“钢制吊杆不能那么宽，因为它们更重而且不那么僵硬。” “复合材料更硬、更轻，并消除了潜在的腐蚀问题，因此有很多好处，但生产力是最大的优势。” 更大的喷杆可以在更短的时间内喷洒农田，从而提高效率。市场上还有其他复合材料吊杆；Epsilon 的是一种桁架形拉挤结构，Coullette 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以实现高刚度，从而降低总体成本。该技术已成为 Epsilon 面向终端市场大批量零件的首选解决方案。“我们已经制造了数以万计的零故障零件，”Coullette 说。“这是非常具有成本竞争力的。最终，我们计划在我们所有的终端市场中更换中型和大型系列零件的粘合。”Epsilon 的研发团队不断优化其包覆成型工艺，使拉挤成型和注射之间的整体工艺和工作流程更快、更高效，并开发适用于小批量应用的低成本或模块化工具。
