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通過定制纖維鋪放（TFP）優(yōu)化碳纖維復(fù)合材料

2018-09-25 11:35:06 作者：本網(wǎng)整理來源：復(fù)材網(wǎng) 分享至：

Inside Composites與ZSK USA Inc.的技術(shù)刺繡經(jīng)理Topher Anderson博士討論了通過定制纖維鋪放（TFP）優(yōu)化碳纖維復(fù)合材料的機會。

碳纖維復(fù)合材料制造商在努力降低成本和優(yōu)化流程方面面臨的主要問題是什么？

Topher Anderson：雖然碳纖維的價格近年來迅速下降，但它仍然是一種昂貴且備受追捧的材料。對于下一代節(jié)省燃料的運輸，越來越多地尋求諸如高強度重量比的碳纖維復(fù)合材料特性。減少車輛，飛機或航天器的重量會在其預(yù)期壽命期間顯著影響其燃料效率。碳纖維越來越多地被研究作為一些鋁結(jié)構(gòu)的替代品，特別是由于它的重量減輕。然而，碳纖維復(fù)合材料的高前期材料成本可以阻止?jié)撛诘挠脩暨m應(yīng)。

此外，傳統(tǒng)碳纖維復(fù)合材料的制造需要比鋁更多的加工參與。

在諸如樹脂傳遞模塑（RTM）的工藝中，例如，編織的碳纖維織物在CAD中進行描繪，按比例切割，用基質(zhì)材料潤濕并使其固化成形。然而，這些過程通常更加勞動密集，并且缺乏諸如金屬銑削或金屬板彎曲之類的競爭過程中所見的自動化。

您已經(jīng)確定了TFP可以產(chǎn)生影響的一些特定領(lǐng)域，包括減少浪費。這有多少問題？

TA：許多傳統(tǒng)碳纖維復(fù)合材料構(gòu)造技術(shù)的主要材料成本之一是產(chǎn)生大量廢料。在許多使用碳纖維編織材料的手糊工藝中，廢料可以容易地占所用碳總重量的50％或更多。在用基質(zhì)材料浸漬之前，當織物最初被切割時產(chǎn)生這種廢物。在復(fù)合材料已經(jīng)固化之后和在后處理步驟期間產(chǎn)生額外的廢物，其中形狀被進一步精制。

TFP的獨特之處在于它能夠減少廢料，從而優(yōu)化材料成本。通過在將絲束材料縫合成所需幾何形狀時控制絲束材料的路徑，材料僅放置在最終預(yù)制件中所需的位置。在傳統(tǒng)的層壓板設(shè)計中必須切割的織物區(qū)域簡單地保持不被縫合。由于能夠符合復(fù)雜的幾何形狀，該過程減少了在切割機織織物時形成的初始廢物以及后處理廢物。

通過TFP途徑創(chuàng)造混合碳纖維和玻璃纖維復(fù)合材料有哪些優(yōu)勢？

TA：傳統(tǒng)層壓工藝的另一個缺點是不能快速地改變材料的體積，從它們的組合優(yōu)勢中受益。TFP是一種快速有效地創(chuàng)建這些多材料復(fù)合材料的方法。

例如，當對零件進行結(jié)構(gòu)分析時，可能會發(fā)現(xiàn)該零件僅需要局部剛度區(qū)域。在這種情況下，具有高剛度的碳纖維可以精確地放置在需要這種性能的部件的區(qū)域和幾何形狀中。用高剛性碳纖維填充整個部件是低效的，特別是當在某些位置不需要這種剛度時。因此，為了進一步降低成本，碳纖維硬化幾何形狀周圍的區(qū)域可以用較低成本的材料填充，例如玻璃纖維，甚至大麻。TFP允許無縫地進行這些材料轉(zhuǎn)換。

設(shè)計優(yōu)化怎么樣？

TA：使用TFP的最大好處之一是能夠精確控制每根碳纖維絲束放置在設(shè)計中的位置。這使設(shè)計人員能夠進一步優(yōu)化性能，減少對額外材料的需求。

例如，可以繡制復(fù)雜的碳纖維牽引路徑以完全抵抗所施加的負載。通過使纖維與其主應(yīng)力對齊，提供額外的機械支撐而不使用額外的材料。通過選擇性地加固孔和圓形鉆尖可以進一步優(yōu)化。在傳統(tǒng)的層壓設(shè)計中，由于所用機織織物的正交性質(zhì)，這些孔可用作裂縫傳播區(qū)域。TFP可用于選擇性地加強這些具有曲線圖案的孔，從而減少有效的初始裂紋擴展位置。這可以允許在孔的位置處具有更薄的材料，甚至可以去除金屬加強墊圈。

還有機會在本地調(diào)整厚度。有什么好處？

TA：在傳統(tǒng)的層壓板設(shè)計中，碳纖維復(fù)合材料被認為具有均勻的厚度。但是，TFP沒有這樣的高度限制。結(jié)合精心設(shè)計的模塑和夾具，碳纖維預(yù)制件可以在高度復(fù)雜和多變的幾何形狀中產(chǎn)生局部厚度。

可以使用TFP創(chuàng)建局部高度區(qū)域，以更好地抵抗特定位置的彎曲。與其他復(fù)合工藝相比，這種優(yōu)化允許減少材料使用以實現(xiàn)相同的（如果不是改進的）塊狀材料特性。

循環(huán)時間如何 - 傳統(tǒng)復(fù)合層壓板制造的缺點之一可能是適當固化熱固性樹脂所需的長循環(huán)時間？

TA：混合纖維 - 碳纖維絲束具有直接添加到其纖維結(jié)構(gòu)中的額外熱塑性基質(zhì)材料 - 已經(jīng)被創(chuàng)建以減少加工時間。

這些混合材料可以與其他TFP復(fù)合材料相同的方式縫合。然而，這些預(yù)成型件也可以在加熱的壓機中快速熱循環(huán)，以快速縮短循環(huán)處理時間。使用樹脂傳遞模塑的傳統(tǒng)熱固性復(fù)合材料可能需要30分鐘至40小時才能適當?shù)毓袒凸袒瘑渭?/span>

混合材料的TFP允許將增強纖維和基質(zhì)材料放置在相同的預(yù)制件中。當預(yù)成型坯被加熱時，液體基質(zhì)直接分配到碳纖維中，從而允許適當?shù)臐櫇瘛；旌侠w維的TFP消除了對額外樹脂的需求，并且可以顯著降低材料成本。另外，在混合步驟期間產(chǎn)生所需的纖維 - 體積分數(shù)，從而增加了批次之間復(fù)合材料的均勻性。

這些混合纖維復(fù)合材料代表了向更可持續(xù)的碳纖維復(fù)合材料邁出的一步，因為它們能夠在其生命周期結(jié)束時重新熔化成新的形式。

TFP不能讓生產(chǎn)設(shè)計迅速改變嗎？

TA：是的，機器可以在早班時從生產(chǎn)汽車零件到下午班的運動設(shè)備無縫轉(zhuǎn)移。

此外，TFP可以允許同一臺機器一次生成一個原型設(shè)計，以調(diào)查過程并對其進行故障排除，而不會浪費多余材料，同時創(chuàng)建完整的生產(chǎn)運行。這種快速原型制作能力與機器快速連續(xù)運行多種不同類型和幾何形狀的能力相結(jié)合，可以在同一臺機器上運行更多功能的項目。這樣，每次生成新設(shè)計時，都可以降低設(shè)置新機器的成本。

總之，我們所討論的六種碳纖維復(fù)合材料優(yōu)化方法顯示了TFP優(yōu)于傳統(tǒng)復(fù)合材料工藝的一些優(yōu)勢。希望這些優(yōu)化方法的結(jié)合，以及降低碳纖維材料成本的趨勢，將允許一類新的普遍存在且高度工程化的材料進一步改善消費者使用情況，如燃料效率。

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責任編輯：韓鑫

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