熱塑性復合材料成型工藝簡介
熱塑性復合材料是以熱塑性聚合物為基體，以玻璃纖維、碳纖維或芳綸纖維等為增強材料復合而成，具有密度低，比強度高，耐化學性能好，成型周期短、生產效率高，環保可回收等特性，廣泛應用于汽車工業、軌道交通、體育休閑、電子電器、醫療器械、航空航天等領域。
成型工藝是復合材料由原材料轉化為結構件的關鍵步驟。而熱塑性復合材料根據增強方式的不同，可分為短纖維（0.2-0.6mm）、長纖維（約20mm）及連續纖維增強熱塑性復合材料三類，不同材料所采用的成型工藝也不同。
圖 纖維增強熱塑性復合材料構成
短纖增強熱塑性粒料通常采用注塑成型工藝；長纖增強熱塑性材料的成型則分為直接法LFT-D、間接法LFT-G：
直接法LFT-D：是在雙螺桿擠出機內將纖維、熱塑性樹脂及添加劑進行混合浸漬，然后將混合料直接采用注塑或模壓的工藝制成各種產品。這種工藝減少了中間的半成品環節，降低了成本，且纖維長度保持較好，制品性能優異，適合大規模生產，廣泛應用于汽車零部件等領域；
圖 LFT-D工藝，圖源泰山玻纖
間接法LFT-G：是將熱塑性樹脂熔體和纖維在特制的模頭內進行包覆、浸漬，然后進行牽伸、切粒制成LFT-G顆粒，LFT-G顆粒可采用注塑或模壓的工藝制成各種產品。LFT-G工藝靈活，適合小批量生產，顆粒易于儲存和運輸，適合復雜形狀零部件的制造；
圖 LFT-G工藝，圖源泰山玻纖
圖 LFT-G粒料，
而連續纖維增強熱塑性復合材料（CFRTP）結構件成型工藝根據原材料的狀態可以分為液體成型工藝、熱塑性預浸料成型工藝和纖維混雜工藝。其中，液體成型工藝主要包括熱塑性基體樹脂傳遞模塑( T-RTM) 工藝、原位拉擠工藝等；而熱塑性預浸料成型工藝則包括熱壓罐工藝、模壓工藝、沖壓成型、纏繞工藝等；纖維混雜工藝是制備與增強纖維直徑相當的樹脂纖維，然后使兩種纖維混雜成一種復合紗，最終模壓制備成品。
1. 模壓成型
模壓成型工藝是將預浸料或纖維編織物與樹脂膜組成的層疊料等材料裁切為模具大小的片材層疊置于模具中，通過加熱、加壓后冷卻成型制備得到最終滿足要求的制品。
模壓成型操作簡單、成型周期短、易于實現自動化，可用于成型平板或者小變形制件，對于一些復雜的特征、安裝位及加強筋，使用模壓成型很難實現，因此市場上出現模壓注塑一體成型工藝，如ENGEL的Organomelt工藝、克勞斯瑪菲的FiberForm工藝等。
在克勞斯瑪菲的FiberForm工藝中，連續纖維經過熱塑性樹脂浸漬制成的片材（有機板材）在烘箱內進行加熱處理后被置入模具，合模熱壓成型后再進行二次包覆注塑，最終實現一體化成型。
圖 FiberForm工藝流程，圖源克勞斯瑪菲
克勞斯瑪菲創新的FiberForm技術自動化程度高，成型效率高，可以一步式生產結構復雜的制件，目前已在汽車領域成熟應用，并拓展到空中交通領域等領域。
圖 FiberForm技術應用于垂直起降飛行器（eVTOL）的肋狀結構部件，僅需2分鐘即可成型
2. 沖壓成型
沖壓成型過程中，需要將熱塑性預浸料預熱，預熱溫度通常比樹脂基體的熔化溫度或軟化點溫度高約10-40℃，然后將預熱后的預浸料快速放入有一定溫度的沖壓機上下模具之間，快速閉合模具，施加較大的成型壓力，并在壓力下冷卻固結為制品。
圖 沖壓成型工藝制備高性能熱塑性復合材料過程示意圖，圖源網絡
3. 熱壓罐工藝
熱塑性復合材料熱壓罐成型技術和熱固性復合材料熱壓罐工藝基本類似。熱塑性預浸料按鋪層要求鋪放于模具上，并密封在真空袋中后放入熱壓罐中，經過熱壓罐設備加溫、加壓，使預浸料坯件成為所需形狀和質量要求的構件。
圖 熱壓罐工藝高溫高壓成型高性能熱塑性復合材料示意圖，圖源網絡
與熱固性復合材料熱壓罐工藝不同的是，熱塑性預浸料比較硬、表面沒有黏性，鋪貼性差，且固化溫度更高、壓力更高，成型時需要選用高耐熱性的真空袋膜和密封材料，對熱壓罐設備要求也更高。
4. T-RTM工藝
傳統RTM（樹脂傳遞模塑）通常指熱固性復合材料成型工藝，其流程是將干纖維預成型體鋪放到閉合模具的模腔內，通過壓力將低黏度樹脂（如環氧樹脂、不飽和聚酯等）注入閉合模腔中，使其充分浸漬預成型體，最終固化成型。該工藝采用閉合模具，具備制品表面質量高、尺寸精度好、纖維含量可控等優點，是復合材料低成本制造的主流技術之一。
然而熱塑性聚合物熔體黏度普遍較高，難以直接采用傳統RTM工藝實現有效浸潤。為突破這一限制，克勞斯瑪菲開創性把浸有ε-己內酰胺活性混合物的半成型織物預成型，直接在模具中聚合熟化成尼龍-6，制成熱塑性復合材料制品。
該技術在2016K展上首次展出，應用于Roding Roadster R1跑車的車頂外殼框架，該部件同時使用了玻璃纖維( 白色) 和碳纖維作為增強材料，并在模具中一體裝配了金屬嵌件，展現出T-RTM在復雜結構集成方面的潛力。
圖 Roding Roadster R1跑車的車頂外殼框架 圖片來自KraussMaffei官網
5. 拉擠工藝
拉擠成型工藝是將浸漬樹脂膠液的連續纖維束、帶或布等，在牽引力的作用下，通過擠壓模具成型、固化，連續不斷地生產長度不限的型材。熱塑性復合材料拉擠工藝，根據預浸技術可分為非反應拉擠成型和反應拉擠成型兩大類。
圖 兩類熱塑性復合材料拉擠成型工藝示意圖
熱塑性復合材料原位拉擠成型技術指的是在牽引設備的牽引下，經過樹脂浸潤的連續纖維或其織物通過加熱成型模具，在模具內樹脂發生聚合反應成為高分子量聚合物，最后經冷卻獲得復合材料制品的成型技術。熱塑性復合材料原位拉擠成型技術具有生產效率高，可連續化大規模生產；設備簡單，成本低；產品質量穩定，可重復性高等優點。
圖 APA6 復合材料原位拉擠成型示意圖
圖 彼歐采用法國CQFD 公司開發的原位拉擠工藝制成的現代汽車前保險杠防撞梁
6. 纏繞成型
纏繞成型工藝是先將浸漬樹脂的連續纖維預熱，在張力的作用下纏繞在具有一定幾何形狀的芯模上，在纏繞的過程中持續加熱，再通過施加壓力使預浸料熔接為一體，逐層粘合，冷卻后得到相應構件制品。
熱塑性復合材料的纏繞成型可以采用預浸纖維或者預浸帶進行，具有生產效率高，產品質量穩定，容易實現機械化和自動化，便于大批量生產等特點，適用于生產大型的且表面曲率均為正的構件，尤其是在各種生產管道、壓力 容器、飛機結構件等制備領域具有廣泛的應用前景。
圖 預浸帶纏繞成型
7. 自動鋪放原位成型
熱塑性復合材料自動鋪放成型技術通常采用連續玻纖或碳纖維增強熱塑性預浸帶/絲，通過帶有特殊加熱裝置的自動鋪放設備鋪貼在模具表面，結合原位固化技術，自動鋪放后原位冷卻直接成型制備得到復合材料制件，可以實現復雜曲面熱塑性纖維預浸帶(絲)的鋪層與制造，是一種發展前景廣泛的工藝技術。
熱塑性復合材料自動鋪放原位成型技術大幅度減少了復合材料制造工序,不再需要進熱壓罐,同時由于該技術對模具要求降低,且熱塑性預浸料可室溫存放和使用,使得復合材料制造成本可降低50%以上。目前，熱塑性復合材料自動鋪放原位成型技術主要應用于飛機機身結構和深潛水器等。
8. 3D打印成型
除了上述工藝外，3D打印（增材制造）技術以其無模成型、設計自由度高、快速成型復雜結構等優勢，為實現高性能復雜結構復合材料構件的低成本一體化快速制造提供了新的解決方案。