利用熱塑性復合材料在加熱樹脂熔融狀態下可二次加工成型的獨特熱變形特性，提出了適用于連續碳纖維增強熱塑性復合材料零件工業化批量生產的熱沖壓工藝技術，即采用商用復合材料板材通過加熱模具直接一次沖壓成型，獲得所需零件。建立了相關的工藝仿真方法，開發了成套的工藝線設備（包括熱外加熱爐、機器手轉運裝置、成套熱沖壓模具、超聲振動輔助彎曲成形裝置、紅外局部加熱輥彎設備、超聲振動焊接裝置及相關配套控制軟件）及成型質量檢測方法，并實現盒型件、球型件、U型梁及復雜覆蓋件等多種零件試制。
（一）項目背景
纖維增強熱塑性復合材料具有密度低、強度高、抗沖擊好、加工成型快、可回收等突出特點，屬于高性能、低成本、綠色環保的新型輕量化復合材料，已部分替代價格昂貴的工程塑料、熱固性復合材料以及輕質金屬材料（鋁鎂合金），在航天航空、軌道交通、醫療及體育等領域有廣闊應用前景。全球熱塑性復合材料市場規模預計將從2020年的222億美元增長到2025年的318億美元，復合年增長率為7.5％。就增強纖維形式而言，連續碳纖維增強熱塑性塑料有望實現熱塑性復合材料市場的最高復合年增長率。
航天航空（尤其是飛機）及汽車輕量化對連續碳纖維增強熱塑性復合材料制造的板材零件需求與日俱增，現有的手工鋪層、熱壓罐、樹脂傳遞模塑成形等傳統工藝方法繁瑣、耗時長、效率低、成本高，僅適用實驗室及小批量試制。
（二）項目簡介
利用熱塑性復合材料在樹脂熔融狀態下可二次加工成型的獨特熱變形特性，本項目提出了適用于連續碳纖維增強熱塑性復合材料零件工業化批量生產的熱沖壓工藝技術，將該復合材料板材在加熱模具作用下直接沖壓成型，建立了相關的工藝仿真方法，開發了成套的工藝線設備（包括熱外加熱爐、機器手轉運裝置、成套熱沖壓模具、超聲振動輔助彎曲成形裝置、紅外局部加熱輥彎設備、超聲振動焊接裝置及相關配套控制軟件）及成型質量檢測方法，并實現盒型件、球型件、U型梁及復雜覆蓋件等多種零件試制。
相較于傳統的鋪層模壓成型工藝，熱塑性復合材料熱沖壓成型工藝是一項經濟、快速、可靠的新型復雜件成型技術。具有成型效率高，模具加熱和樹脂固化的時間短（整個成型過程只需7分鐘），成型工件表面質量好、精度高，以及便于實現自動化生產等優點，此外，纖維定位容易、層間性能優異、孔隙率可控，人為影響因素較少、成本可控，因而在航空航天和汽車領域有較大應用前景。
本項目源自各領域重點龍頭單位、如商飛、昌飛、中國重汽、陜汽、比亞迪等企業的實際技術需求，企業方面認為本項目技術先進，具備產業化研究的必要，屬于行業共性技術。
（三）關鍵技術
本項目通過對連續纖維增強熱塑性復合板材熱沖壓成型工藝研究及相關裝備開發，已攻克以下關鍵技術，通過國內外調研，項目技術水平總體屬于國內領先，部分屬于國際領先。
1. 建立連續碳纖維熱塑性復合板材熱沖壓成型機理分析方法及熱沖壓成形工藝仿真技術。探究清楚碳纖維復合材料的熱沖壓成形原理和成形過程中復合材料板材的變形機制；建立連續編織復合材料熱沖壓工藝成型仿真模型，探究清楚熱沖壓成形過程中起皺產生機理及其工藝影響因素。
2. 提出連續碳纖維增強熱塑性復合板材的超聲振動輔助彎曲成形工藝技術。設計開發了超聲振動輔助彎曲成形裝置，通過研究不同頻率振幅超聲波對成形質量的影響，驗證了超聲振動技術可用于碳纖維復合材料彎曲成形，成形載荷減小，表面質量好，可在一定程度上提高材料的成形極限，降低成形力，并提高成形件質量。
3. 提出連續碳纖維增強熱塑性復合板材的熱拉深成形工藝技術及檢測方法。設計開發熱拉深模具、成形實驗裝置及檢測方法，通過不同纖維鋪向坯料進行成形實驗研究，探明了板料的起皺失效機理與拉深成形極限，確定成形件熱沖壓成形的合理纖維鋪向，實現碳纖維復合材料球型零件和盒型零件的成功制備，成形時間6分鐘/件，大大降低研發成本和周期。
4. 提出連續碳纖維熱塑性復合材料板熱輥彎成形工藝技術。設計研制了紅外局部加熱輥彎成形樣機。通過紅外線對復合材料板局部區域進行非接觸式加熱，然后利用板材局部區域樹脂受熱軟化、冷卻硬化的特點進行多道次輥彎成形。實現了多層碳纖維編織增強樹脂基復合材料U型梁的加熱-輥彎成形一體化連續完成，并進行彎角成形質量檢測，獲得合理的配套工藝參數。
5. 建立連續碳纖維熱塑性復合材料復雜覆蓋件熱沖壓工藝方案及配套工藝線。自主開發搭建涵蓋了加熱-轉運-溫控-沖壓整個過程的碳纖維復合材料復雜覆蓋件的熱沖壓成型線。實現了復合材料汽車發動機罩的小型試制，整個覆蓋件成型過程只需7分鐘，制造價格降低>60%。
6.開發了連續碳纖維熱塑性復合板材的熱鉚接和超聲焊連接工藝技術。針對不同零件及板材的裝配及連接需要，提出了復合材料/復合材料、復合材料/金屬之間熱鉚接和超聲焊復合連接新工藝，并開發相關實驗裝置，通過實驗驗證可實現連續碳纖維熱塑性復合板材的高效快速連接，可實現焊接過程工藝參數的在線實時監測，對纖維損傷小、連接強度高，焊接時間短（超聲焊<2s）,便于實現工業化應用。
（四）項目團隊
1. 技術負責人
本項目技術提供方為西安交通大學機械工程學院韓賓副教授、張琦教授團隊。韓賓副教授（博導），美國布朗大學博士后，長期從事輕量化復合材料/復雜結構先進制造技術及成形裝備開發研究。主持及承擔國家重點研發、軍科委資助項目、國家自然科學基金、省部級科研項目及校企合作項目等十多項。發表國內外學術期刊發表中英文期刊論文近80篇，被引1000余次；獲得授權發明專利22項。
2. 當前狀態/技術成熟度
目前技術成熟度 6 級，已成功開發出部分功能樣機演示測試合格、通過有限元和實驗相結合的方法驗證了相應工藝的可行性，需要進一步開發完整的智能裝備，完善柔性制造工藝，通過實驗驗證裝備及工藝的可靠性。
