图1 不同压力的成型工艺（简称“DPM”）已在快速原形制造和中、低产量部件的生产中使用了10多年，如与毯式材料共成型的两片式漂亮盖板，已被用于限量版的2012 Mustang 302 Laguna Seca Boss车中

对于热塑性复合材料的成型而言，需要一种可靠的方法，以便能够在中、低产量的生产中，以较低的成本生产出高质量的产品。目前，一种具有成本效益的模具和压机实现了半自动化的原形制造和低产量的热塑性复合材料的生产。

热塑性复合材料成型生产中面临的两大挑战是金属模具的高成本以及为制造模具而导致的较长的交付时间。即使不考虑部件的复杂性，由于需要承受压机的高压，因而即使是形状简单的模具也是昂贵的，这尤其在大型部件的生产中表现得更加突出。除热成型/真空成型或用于层合玻璃纤维毡热塑性复合材料（简称“GMT”）的低压热冲压成型外，大多数的热塑性复合材料的成型都是在高速、高压工艺中完成的，也就是注塑成型或模压成型。

图2 用于福特Mustang 302 Laguna Seca Boss车上的漂亮盖板（图片来自Vantage Technologies）

尽管可以在Kirksite（锌合金）模具或环氧树脂模具中成型出原形部件，但实际生产中使用的模具几乎都是铝模（用于模压成型）或P20钢模（用于模压或注塑成型）。当产量处于中、高水平以及（或者）部件设计复杂时，这样的模具成本是合理的。复杂的部件意味着设计师们可以充分利用部件集成的可能性，从而通过取消二次组装和（或）精整步骤而补偿花费在模具上的成本。然而，当产量较低或者形状不够复杂时，对金属模具和强力压机的资本投资就不划算了。在此情况下，这类部件特别地被设计为采用热固性复合材料或金属。因此，对于复合材料市场中的热塑性复合材料而言，需要一种可靠的方法，以便能够在中、低产量的生产中，以较低的成本生产出高质量的产品。

图3 使DPM工艺具有速度和成本效益的关键是使用了薄壳复合材料模具，该模具能够在短期内被制造出来（图片来自Vantage Technologies）

一种完全得到证明的“新”工艺

尽管没有在底特律之外广为人们所知，但却存在一种工艺，该工艺的支持者们说，这种工艺能够满足上述要求。实际上，作为一种低成本的原形工艺，该技术已使用了10多年的时间，它可对高速模压成型的部件和模具设计进行试制和验证。该工艺还被用于低到中产量的生产中，以生产各种商业化的部件，以用于汽车、重卡、办公家具和建筑等领域。

图4 DPM压机并不复杂，类似于一个“合模-提升”装置。简单地依靠气压或水压提供的动力，该压机就能够以很低的能耗生产出大型部件（或一套小型部件），其成型周期与传统的注塑成型或高速模压成型大致相同（图片来自Vantage Technologies）

这种完全得到验证但少为人知的工艺被称作“不同的压力成型（differential pressure molding，简称“DPM”）。该工艺的发明者和专利持有者Jack Van Ert是Vantage Technologies公司（位于美国密歇根州）的总经理。作为李尔公司（位于美国密歇根州）的前任技术主管，Van Ert在13年前当他还在李尔公司供职时开发了这一工艺，以用于在发展中国家开办的工厂中生产汽车阻隔层（automotive headliners）。作为Peace Corps在非洲的志愿者，Van Ert在这段时间充分意识到了这种操作模式可能面临的各种挑战，因此，他从压机和模具两方面着手，充分考虑了复杂性、尺寸大小、重量以及能耗需求和成本等各方面的因素，并努力予以改善。结果，一种具有高度竞争力的工艺被开发出来，该工艺可同时满足发展中国家和发达国家成型热塑性复合材料部件的需求，而且适合每年生产几百件到上千件的项目。

图5 步骤1：一位技师将一个层合好的GMT复合材料胚料（背面带有聚酯平纹织物，正面粘接有薄膜）装进一个“画框”中夹持好，该夹持框可防止该基材在被放入加热炉中之前起皱（图片来自Vantage Technologies）

实质上，DPM是一种低压、低能耗的压缩成型工艺，具有出色的生产再现性。它是利用模具内、外之间不同的压力，快速、低成本地完成片状复合材料的成型。该工艺还为“粘接/共成型”提供了选择，即在单一工步中，将各种面材/表皮“粘接/共成型”到复合材料的一面或两面上。

图6 步骤2：预热好的加框基材随后被放入模具中，同时，毯式面料已经被预置到模具中（图片来自Vantage Technologies）

该工艺众多独特性中的一点是，施加在模具整个表面上的压力是完全相同的，而且成型力足够低（3.45~345kPa），简单的水压或气压就完全能够供给（Van Ert取消了位于远处的一个真空泵，采用一个Shop-Vac为其系统提供动力，据说该系统工作状态良好）。压力既可从模具内部（负压成型）也可从模具外部（正压成型）施加。

图7 步骤3：该压机中安装了两副模具。压机向上移动，开始闭合上层模具，以成型出一个小型的行李箱漂亮盖板（图片来自Vantage Technologies）

DPM模具其他有趣的一面是，与结实的钢模或铝模不同（它们的设计是根据一个特定的材料厚度而留出一个特定的间隙），DPM模具能够无中断地运行（中断是可以的，但没有必要），从而允许对更宽泛的材料（以及进料厚度）进行试验而无需更换模具——这对于原形制造是一种理想的方案。

图8 步骤4：随着上层模具的闭合，用于小型行李箱部件的、带有完整毯式表层的材料即得到成型（图片来自Vantage Technologies）

将片状材料放入模具中，随着模具的闭合，2个半模停止相向运动，此时压力达到平衡。接着，就像一台压机一样，模具能够垂直地打开和闭合。或者，基于较低的重量，DPM模具还能够被安装在一个枢轴（pivot）上。该工艺可用于成型增强的或非增强的大型片材（包括各种类型的GMT，它可含有短切或长切玻璃纤维、单向或编织玻璃纤维，甚至是天然纤维等）、采用各种芯材的夹层板复合材料以及可热成型的硬质聚氨酯（thermoformable rigid urethanes，TRUs）。尽管是为热塑性基体材料的应用而优化的工艺，但DPM也已被用于成型选择的热固性材料。当成型热塑性塑料时，模具温度低于胚料，胚料在被放入模具之前，需要先进行预热。当成型热固性塑料时，模具需要被加热到较高的温度，这对于切断交联和聚合反应是必要的。

图9 步骤5：随着上层模具成型出行李箱部件，一个用于较大型座椅部件的胚料（加热元件上方的黑色层料）移动穿过加热炉（图片来自Vantage Technologies）

因为成型压力低，因此模内的固体材料只有很少量的流动。然而，该工艺却能够产生足够的压力去加固层合的材料，而且只需要在指定区域通过简单地添加或多或少的材料，就可使部件具有多变的厚度，而不必更换模具。尽管低流动限制了在部件设计中可行的三维复杂程度，但该工艺却能够在模塑循环周期中，使表皮/层叠的多层材料得到“加固/粘接”，而不会过度拉伸或撕裂表层材料，由此，可优化部件的性能、美观性和成本。这种低压还极大地降低了残余应力，减少了成型后发生翘曲变形的可能性。

图10 步骤6：加热好的胚料从加热炉中被取出，准备置入下层模具中（图片来自Vantage Technologies）

虽然DPM更多地被用于成型一个单一的大型部件，但也可在一副多腔模具中同时成型出多个小型部件。DPM模塑工艺的另一个独有特性是，两副或多副模具可以安装在同一台压机上同时运行，以成型出2种或多种不同的部件，它们的大小、形状和材料可以完全不同，只要每个部件都是足够对称的，以平衡模具的成型压力即可。随着一副模具打开并使部件脱模，第二副模具即加料闭合，以成型下一部件。

图11 步骤7：在成型座椅部件之前，工人们向位于压机下层的模具中铺放了一层带框胚料和毯式面料（图片来自Vantage Technologies）

这对于在“及时生产”的基础上生产出多种版本的部件（例如，部件可以拥有多种不同的面材）而言，是一种理想的方案。这种多副模具成型的选项既可被配置成一个层叠系统，也可被配置成一个枢轴系统。因此，与大多数具有竞争力的工艺相比，DPM以极低的成本和非常小的占地空间，实现了高效率的生产。

图12 步骤8：随着下层模具闭合以成型座椅部件，上层模具打开（见步骤9图）（图片来自Vantage Technologies）

薄壳复合材料模具是关键

低成型压力也允许使用薄壳复合材料模具。与传统的复合材料模具或金属模具相比，这些轻型模具能够更快地加热和冷却，从而避免了安装水管的需要，缩短了循环时间并极大地降低了模塑循环中所需要的能源，从而使该工艺具有很小的碳足迹。根据成型部件的大小和形状，循环时间在30~90s内，类似于传统的模压成型或注塑成型。同样地，低而均匀的压力还避免了使用钢模楔块，从而使安装模具的压机得到简化。

图13 步骤9：行李箱部件等待着脱模。随着部件被取走，框架将被脱掉。同时，下层模具成型出了另一个较大型部件（图片来自Vantage Technologies）

典型的DPM半模质量只有23kg（相比之下，用于竞争工艺中的半模通常重达几吨到几百吨），因此，可以在不借助吊车和铲车的情况下，仅由人工就能够方便地更换、移动和存放模具。模具的存放也同样得简单，不需要使用高强度的模架，当模具闲置时，可以被放置在加工单元旁边的地面上。

图14 步骤10：当下层模具打开时，可以看到脱模前的座椅部件。同时，上层模具正在成型另一个行李箱部件（图片来自Vantage Technologies）

这种复合材料模具可从现有的部件、泥模、木模或许多其他的结构中浇铸而出。虽然Van Ert说，模型需要被分切成一个“A级表面”的阳模，但就像所有的热塑性塑料成型模具一样，需要考虑收缩问题，以确保最终部件拥有正确的尺寸。

Van Ert制造了自有的模具和压机，他说，典型的DPM模具的制造周期是2~4周，相比之下，铝模的制造周期是6~12周，而钢模甚至更长。正如所期待的，他的模具成本也相当得低，平均在$15000~25000之间，相比之下，在竞争工艺中使用的模具成本则在$60000~250000之间。对于在200℃左右成型的材料而言，他的标准的模具树脂是非常适合的。当采用高温模具树脂时，他可将成型温度提高到232℃，从而使该工艺适合加工高温热塑性复合材料。对于非常有限的产量（50个部件或更少），Van Ert通过使用一种不同的模具树脂，甚至能够更多地降低模具成本，并将制造周期缩短到只有24h，这种模具可在30min内安装好。虽然这些模具不像Van Ert制造的传统DPM模具一样，能够长久耐热，但在“速度第一”的情况下，它们却是一种切实可行的选择方案。

图15 步骤11：一个脱模的座椅部件被放在一个固定装置中准备接受修边处理（图片来自Vantage Technologies）

与高速模压成型中使用的模具不同，DPM模具没有切边（shear edges），因此部件成型后需要接受一些修边处理。与传统的模压成型一样，DPM工艺不能直接成型出通孔，因此成型后进行铣切或冲切也是必须的。但令人吃惊的是，在DPM模具中可以实现“模具动作”。Van Ert为其最简单的原形模具制造了手工放置的插件/滑块，它们在模具闭合前被放置到模具中，然后当模具打开时，可“剥离”出成型好的部件。对于更高端的生产模具，他制造了可从模具侧围移入或移出的套筒，它被完整地包裹在模具内，由此，可成型出带有多个侧凸或侧凹的形状，且边缘质量良好。

根据部件的几何形状，还可以采用单面模具，以及采用一个橡胶气囊（在手糊成型热固性塑料时常用）取代第二个半模。尽管此类模具能够以较低的成本更快速地被制造出来，但却要求在设计上有所妥协，如：无陡峭细节、基材厚度没有变化以及拥有一个不可见的背面，因为基材不会在橡胶气囊的作用下得到良好的压平/加强。单面模具非常容易得到修改，因此该技术在早期的原形开发阶段是很有用的。采用DPM模具技术的另一制模选项且在金属模具中不能实现的是，在模具的局部区域使用灵活的气囊，它有助于处理好带有侧凸或侧凹的部件而无需投资制造一个硬滑块。

图16 步骤12：一个水刀正在从成型好的座椅部件上除去碎屑（图片来自Vantage Technologies）

可移动的压机

因为需要使用轻型模具并提供低成型压力，因此一台DPM压机是一种简单的“框架-合模系统/提升”装置。该设备利用气压或水压运行，避免了使用高成本、多维护的液压系统。合模可在电能或气能的作用下自动完成，或者也可采用手动操作。因为被安装在轮子上，因此这种“轻型框架”易于移动，从而使技师能够在压机使用的过程中将其定位在加热炉附近。

同样地，对DPM压机的操作和维护也不复杂。该压机由一个110V/20A的电路提供动力，该电路可同时驱动控制系统和一个水动的或气动的真空泵。一般，一个413.4kPa的压力就足以打开和闭合该压机，从而比传统的液压机可节省80%的耗能量。压机在运行中只需一人管理，他负责上料并取下成型好的部件。或者，该压机也可在一个加工单元中半自动化地运行。在大多数情况下，无需留出特殊的空间来安装一台DPM系统。相比之下，一台大型模压机可能需要一个6m高的安装空间，以及一个良好的地基条件以支撑压机和模具重量。而在对动力的要求上，只有高达480V/30A的电路系统才能运行一台100t的压机，从而比DPM系统花费的成本和能源都高很多。

与传统的模压成型相比，一台典型的DPM压机不仅占用很少的地面和顶部空间，而且其成本只有一台小型液压压机的一半，且比一台新的模压机的成本低80%。然而，每平方英尺的产出却是这些设备的两倍，而这还没有加上双枢轴/层叠配置所带来的多重产量，在此类配置中，两副或多副模具在一台压机中同时运行。此外，DPM模具的成本比在其他低产量生产中（如热冲压/低压模压或热成型等）使用的模具成本低50%，且比在高速模压和注塑成型中使用的模具成本低75%，而且DPM模具还能够得到快速修改。

较低的投资成本和易操作性，使DPM工艺成为年产量低于100000个部件的生产的理想方案，同时也适用于在远处或新兴市场中启动新的生产，这些地方可能不具备专业的设施、工装和训练有素的员工。实际上，DPM压机通常可以在当地订制，从而几乎可以在世界上任何一个紧邻客户或供应商工厂的地方，方便而低成本地设立成型业务。

漂亮的盖板

由于能够以低成本快速地开发出模具，因此DPM工艺能够为其他的压缩成型工艺进行概念验证并生产原形部件。同时它能够为限量生产的汽车生产部件，如用于福特汽车公司限量版的2012 Mustang Boss 302 Laguna Seca车上的两片式漂亮盖板。这一为赛车应用而制造的汽车无后座，当以街道模式行驶时，这种漂亮的盖板提供了一种美观的愉悦感，它掩盖了位于前座和行李箱之间的裸露底盘。该盖板部件由福特汽车公司与一级汽车座椅供应商伍德布里奇（Woodbridge）集团联合开发而出，并由Van Ert的公司负责成型。该盖板部件采用了Azdel 公司提供的1400g/m2的Superlite层合GMT材料制造而成。

在其外表面上完整地粘接了一层毯式材料，而其背面则使用了聚酯平纹织物。生产出的大型部件的尺寸是102cm×81cm，质量为3.2kg，它拥有双层的厚度（可达到2800g/m2），从而赋予了该部件足够的刚性，跪在其上不会导致变形。较小部件的尺寸是81cm×58cm，重0.9kg，这些部件是通过快速释放销（quick release pin）在底部形成纵横交错的闩而连接在一起，这有助于提高比赛中汽车后部的稳定性。Van Ert为此制造了模具，他希望在下一个两年期间，每年能够生产出750套的部件。对于这样的一个产量，如果采用其他大多数的生产工艺，在成本上是不允许的。