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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(jī)會(huì)。

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(jià)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(yùn)輸，越來越多地尋求諸如高強(qiáng)度重量比的碳纖維復(fù)合材料特性。減少車輛，飛機(jī)或航天器的重量會(huì)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(jìn)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(dòng)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(dòng)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(fèi)。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(dāng)織物最初被切割時(shí)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(jìn)一步精制。

TFP的獨(dú)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(shí)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(jì)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(jī)織織物時(shí)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(gè)缺點(diǎn)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(dāng)對零件進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析時(shí)，可能會(huì)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(gè)部件是低效的，特別是當(dāng)在某些位置不需要這種剛度時(shí)。因此，為了進(jìn)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(jìn)行這些材料轉(zhuǎn)換。

設(shè)計(jì)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(jì)中的位置。這使設(shè)計(jì)人員能夠進(jìn)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(fù)載。通過使纖維與其主應(yīng)力對齊，提供額外的機(jī)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(jìn)一步優(yōu)化。在傳統(tǒng)的層壓設(shè)計(jì)中，由于所用機(jī)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(qiáng)這些具有曲線圖案的孔，從而減少有效的初始裂紋擴(kuò)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(qiáng)墊圈。

還有機(jī)會(huì)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(jì)中，碳纖維復(fù)合材料被認(rèn)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(jì)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(shí)現(xiàn)相同的（如果不是改進(jìn)的）塊狀材料特性。

循環(huán)時(shí)間如何 - 傳統(tǒng)復(fù)合層壓板制造的缺點(diǎn)之一可能是適當(dāng)固化熱固性樹脂所需的長循環(huán)時(shí)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(shí)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(jī)中快速熱循環(huán)，以快速縮短循環(huán)處理時(shí)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(shí)才能適當(dāng)?shù)毓袒凸袒瘑渭?/span>

混合材料的TFP允許將增強(qiáng)纖維和基質(zhì)材料放置在相同的預(yù)制件中。當(dāng)預(yù)成型坯被加熱時(shí)，液體基質(zhì)直接分配到碳纖維中，從而允許適當(dāng)?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?jǐn)?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?yàn)樗鼈兡軌蛟谄渖芷诮Y(jié)束時(shí)重新熔化成新的形式。

TFP不能讓生產(chǎn)設(shè)計(jì)迅速改變嗎？

TA：是的，機(jī)器可以在早班時(shí)從生產(chǎn)汽車零件到下午班的運(yùn)動(dòng)設(shè)備無縫轉(zhuǎn)移。

此外，TFP可以允許同一臺(tái)機(jī)器一次生成一個(gè)原型設(shè)計(jì)，以調(diào)查過程并對其進(jìn)行故障排除，而不會(huì)浪費(fèi)多余材料，同時(shí)創(chuàng)建完整的生產(chǎn)運(yùn)行。這種快速原型制作能力與機(jī)器快速連續(xù)運(yùn)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(tái)機(jī)器上運(yùn)行更多功能的項(xiàng)目。這樣，每次生成新設(shè)計(jì)時(shí)，都可以降低設(shè)置新機(jī)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(jìn)一步改善消費(fèi)者使用情況，如燃料效率。

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責(zé)任編輯：韓鑫

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