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碳纤维几种常见加工方式的特点及成本控制方案

放大字体  缩小字体 发布日期:2020-06-22  来源:碳纤维及其复合材料技术  浏览次数:201
核心提示:与大多数金属材料相比,碳纤维复合材料的比强度(单位重量的强度)更高,虽然碳纤维复合材料单位重量的前期成本高于大多数金属,
 与大多数金属材料相比,碳纤维复合材料的比强度(单位重量的强度)更高,虽然碳纤维复合材料单位重量的前期成本高于大多数金属,但碳纤维复合材料的总生命周期成本较低。碳纤维常见应用方式及成本控制如下:
碳纤维预浸料
    碳纤维预浸料是一种典型的航空复合材料结构。预浸料是用环氧树脂或其他树脂预浸的单向碳纤维板。这些预浸料在室温下是柔韧的,并且随着温度的升高变得更加柔韧。
    在高温下,环氧树脂固化并硬化成刚性,形成结构的最终形状。由于预浸料在固化温度以下的柔韧性,可以将这些层片堆叠并彼此叠置,然后将层压板固化。热塑性基体材料也可用,这些也可以形成预浸料。
    使用热塑性树脂也可以加工预浸料,但不同的是热塑性材料不会固化,在高温冷却时会结晶,使其变得坚硬。如果再加热热塑性复合材料,可以重新形成或修复材料,而环氧树脂基体系一旦固化,它们仍然是刚性的。
    还需要注意的是,环氧树脂基预浸料在使用前需要保存在冷冻室中,因为在室温下固化也会缓慢进行。环氧树脂预浸料在冰箱中有保质期,超过保质期就不能使用。
    热塑性材料则不受此限制,因为它们在使用前可以在室温下储存。热塑性塑料通常比环氧树脂更贵,但环氧基复合材料需要额外的运输和储存成本。根据使用情况和制造方法,与环氧树脂基系统相比,热塑性复合材料的总生产成本可能更高或更低。
 
层合板加工工艺
    为了制造复合材料层压结构,需要一个工具表面,在该工具上面放置各个预浸料层,而且工具加工成本很高。钢制模具也可能导致问题,因为钢的膨胀速度远远高于复合材料,因此,在加热到固化温度时,这种热膨胀失配可能导致复合材料的翘曲问题。
    为此,复合材料行业开发出了易于加工、具有与复合材料相似的热膨胀性、在反复的加热和冷却循环下能很好支撑的复合模具材料。与机械加工的钢制模具相比,复合材料模具具有更高的投资回报率,因此这对于较小的批量生产而言更具吸引力。
    层压板通常采用手工铺层工艺制造。切割预浸料层后,将其放置并堆放在工具表面上。手工叠放提供了很大的灵活性,在原型设计阶段非常有用,但对生产操作来说效率非常低。
 
自动化铺层
    在过去的二十年中,自动化叠层设备已经被开发并广泛应用于航空航天生产。一些设备制造商已经开发出了自动胶带铺放(ATL)和自动纤维铺放(AFP)设备。这些基本上是机器人系统,将胶带或纤维拖放到工具表面。这些机器比手糊系统快得多,需要的人力更少,而且更具可重复性。
    计算机软件可用于将层压板配置的计算机辅助设计(CAD)文件转换为机器编程,以运行AFP/ATL机器,其方式与计算机辅助加工(CAM)软件目前用于加工零件的方式相同。
    其他自动化系统可用于拉挤复合材料梁、纤维缠绕、热成型、帘布层切割和纤维贴片放置等。所有这些系统都通过以可靠且可重复的方式显着降低了劳动力成本并提高了生产量,从而降低了复合结构制造的总体成本。
 
直接加工工艺
    直接加工方法是另一种利用复合材料的材料特性,同时降低零件生产成本的方法。其中一种方法是将树脂注入干燥的层压板或织物上。在这里,不是用树脂预浸渍纤维板,而是将纤维结构放置在工具中,然后将树脂注入结构中。
    可以使用上面带有少量塑料的纤维带和织物,这样它们就可以在树脂注入之前粘在相邻的层上以将结构固定在一起。然后将模具封闭在纤维预制件上,树脂在树脂传递模塑(RTM)过程中在压力下注入工具,或使用真空辅助树脂传递模塑(VARTM)过程拉入工具。RTM和VARTM均在高温下进行,以帮助树脂流入预制件。一旦树脂完全浸透了预成型物,它就被固化以硬化结构。
    该工艺也可用于热塑性基体材料,其中热塑性材料在冷却时变硬,但如果需要,可重新加热进行改造。直接加工处理方法可以通过消除整个过程中的一些步骤来显著降低成本。干纤维预制件通常比铺设预浸料层压板的成本更低。预制件还可以结合编织、织物或缝合,在结构中创建更多的三维纤维结构。灌注和固化过程可以一步完成,节省时间和成本。
 
短切碳纤维注塑成型
    短切纤维也可以包含在用于注塑成型的热塑性材料中。传统的注塑塑料和设备可用于大批量、低成本的生产。在热塑性塑料中加入短切纤维,可以为注塑件提供附加的刚度和强度,从而降低注塑件的整体重量,满足结构要求。注塑模具的成本可能很高,并且纤维会增加模具的磨损,因此仅适用于大批量应用。
 
增材制造(3D打印)技术
    增材制造是另一种可以降低总体结构成本的技术。增材制造涉及一层一层建立结构的制造过程,可以说复合材料是原始的增材制造工艺,在该工艺中,通过手工铺层来形成结构。这些年来,已经开发了多种增材制造技术和方法,并且企业正在积极探索和实施该技术。
    AFP/ATL工艺显然是复合层压板结构的增材制造方法。这些过程将继续使用更复杂的机器人系统进行完善,以创建具有连续纤维的复杂三维几何形状。另外,将短切纤维掺入现有的增材制造方法中以产生复合材料结构。
    熔融沉积建模(FDM)和选择性激光烧结(SLS)都具有掺入短切碳纤维的能力,从而使部件比仅使用塑料的部件更硬、更坚固、重量更轻。这些方法特别适用于托架、风道和手柄,在这种情况下无需工具即可创建复杂形状的功能具有明显的成本优势。
 
 
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