不斷發(fā)展的加工碳纖維并將其轉(zhuǎn)化為零部件的新技術(shù)，正在將創(chuàng)意轉(zhuǎn)化為創(chuàng)新。
沒有一種單一的解決方案可以增加CFRP的使用。碳纖維價(jià)格太高、大量應(yīng)用的適用性不足、大批量/高速生產(chǎn)仍有難度、難以回收利用，以及改變OEM的思維模式以接受碳纖維增強(qiáng)塑料及其相關(guān)的生產(chǎn)要求等等，這些都是挑戰(zhàn)。然而，復(fù)合材料公司正在著手解決這些問(wèn)題，行業(yè)的進(jìn)步是快節(jié)奏的。以下是一些可能影響整個(gè)碳纖維增強(qiáng)塑料供應(yīng)鏈的新的解決方案。
碳纖維的氧化
碳纖維的生產(chǎn)可以簡(jiǎn)單概括為三個(gè)階段：氧化、碳化和表面處理。氧化，也稱為穩(wěn)定化，使聚合物鏈交聯(lián)，使得纖維的微觀結(jié)構(gòu)和形狀在碳化階段期間得以保留。這是一個(gè)關(guān)鍵步驟，因?yàn)樗枰疃嗟臅r(shí)間、精力和費(fèi)用。美國(guó)的4M碳纖維公司正在將世界上第一臺(tái)用于碳纖維絲束生產(chǎn)氧化階段的等離子氧化爐商業(yè)化。預(yù)期的結(jié)果是更高的產(chǎn)量、更短的生產(chǎn)計(jì)劃和更高的能源效率。
據(jù)該公司介紹，這種新氧化技術(shù)的時(shí)間不到傳統(tǒng)氧化方法的一半。4M正與全球工藝設(shè)備制造商C.A. Litzler合作開發(fā)其等離子氧化爐。根據(jù)4M的數(shù)據(jù)，這種熱爐將會(huì)更小，耗能更少，但是會(huì)比傳統(tǒng)的氧化爐產(chǎn)生更大的吞吐量。由4M的附屬RMX技術(shù)公司開發(fā)的等離子體化學(xué)，產(chǎn)生了一種利用電流體動(dòng)力學(xué)加速氧化穩(wěn)定過(guò)程的高反應(yīng)性過(guò)程。
4M的首席執(zhí)行官Rob Klawonn解釋了傳統(tǒng)氧化和等離子氧化的區(qū)別。“長(zhǎng)絲暴露在熱空氣中以化學(xué)方式改變纖維。但氧分子是相當(dāng)穩(wěn)定的，并且沒有機(jī)會(huì)與前體反應(yīng)。”他說(shuō)，“引入等離子體有助于激發(fā)烤箱內(nèi)部的氣氛，使其比傳統(tǒng)的暖空氣更有活性，從而在更短的時(shí)間內(nèi)發(fā)生更多的氧化。”不僅縮短了氧化時(shí)間，而且減少了再循環(huán)供氣的需要，進(jìn)一步節(jié)約了能源。
雖然4M不會(huì)透露太多關(guān)于其專有等離子體氧化工藝的細(xì)節(jié)，但Klawonn表示該工藝可以更快地轉(zhuǎn)換前體材料，從而顯著減少纖維的處理成本，并且能夠在與傳統(tǒng)碳纖維生產(chǎn)方法相同的操作范圍內(nèi)生產(chǎn)三倍的產(chǎn)品。他補(bǔ)充說(shuō)，可以使用等離子氧化技術(shù)加工各種前驅(qū)體。
此外，該工藝可以生產(chǎn)比傳統(tǒng)方法直徑加大50%的長(zhǎng)絲。Klawonn說(shuō)，“與玻璃纖維相比，壓縮強(qiáng)度往往是碳纖維的弱點(diǎn)。”他指出，“結(jié)果是碳纖維絲束具有高壓縮性能和抗彎曲性。通過(guò)瞄準(zhǔn)直徑加大的碳絲，這一弱點(diǎn)可以得到緩解，同時(shí)通過(guò)更高的產(chǎn)量降低固定成本。”
4M預(yù)計(jì)其第一個(gè)產(chǎn)品線將于2019年底上市，完全商業(yè)化生產(chǎn)定于2021年。“這一工藝主要針對(duì)大批量生產(chǎn)，我們正在解決滿足市場(chǎng)需求的重大障礙。”Klawonn指出。
新型預(yù)成型工藝
Fibrtec與杜邦公司合作開發(fā)了一種用絲束更快地制造織物的方法，這將有助于實(shí)現(xiàn)大批量CFRP部件的生產(chǎn)。
美國(guó)先進(jìn)復(fù)合材料制造創(chuàng)新研究所（IACMI）牽頭的一所機(jī)構(gòu)開發(fā)了一種新的碳纖維布制造工藝，該工藝與傳統(tǒng)編織材料相比，改善了織物的成形性。該項(xiàng)目的第一階段有望使碳纖維復(fù)合材料的生產(chǎn)更容易、更安全。
該工藝由杜邦公司Fibrtec公司和普渡大學(xué)共同參與，目標(biāo)是通過(guò)采用相對(duì)便宜的碳纖維/聚合物絲束預(yù)浸料和近凈成形工藝（如自動(dòng)纖維鋪放），降低碳纖維增強(qiáng)聚合物基復(fù)合材料的制造成本。對(duì)于需要復(fù)雜形狀部件的行業(yè)來(lái)說(shuō)，如汽車和其他大批量行業(yè)，這將是一個(gè)引人關(guān)注的項(xiàng)目。
這種新工藝突破的關(guān)鍵是采用Fibrtec公司開發(fā)的一種柔性涂覆絲束——FibrflexTM，這種涂覆的絲束材料是部分浸漬樹脂的碳纖維/聚酰胺復(fù)合材料絲束，即碳纖維未被聚酰胺完全潤(rùn)濕，從而獲得比完全浸漬聚酰胺更加柔軟的絲束材料；同時(shí)采用杜邦公司的快速織物成型（RFF）技術(shù)和杜邦專有的聚酰胺樹脂，RFF工藝能夠?qū)崿F(xiàn)超快速生產(chǎn)不同方向絲束的織物，在加工過(guò)程中無(wú)需提拉絲束；所有這些都得到了普渡大學(xué)在建模和表征方面的支持，相關(guān)實(shí)驗(yàn)、建模和仿真結(jié)果表明，這種新的成型工藝和材料技術(shù)的組合是生產(chǎn)較低成本連續(xù)纖維增強(qiáng)聚合物熱塑性材料的一種潛在方法。與傳統(tǒng)方法相比，該項(xiàng)目開發(fā)的新技術(shù)預(yù)計(jì)可減少30%的碳纖維材料浪費(fèi)。
目前主流的連續(xù)纖維增強(qiáng)聚合物熱塑性材料成型工藝有兩種，但由于存在明顯的缺陷，限制了其在汽車和航空航天工業(yè)中的大批量使用。一種方法是采用干燥的碳纖維絲束編織成織物，用熱塑性樹脂薄膜將織物分層，然后加熱并壓制成復(fù)合材料。這種方法速度慢，并且碳纖維在編織過(guò)程中易斷裂產(chǎn)生導(dǎo)電短纖維束，因此必須保證編織機(jī)和相關(guān)設(shè)備實(shí)現(xiàn)電隔離。第二種主流工藝是用熱塑性樹脂浸漬并壓平碳纖維絲束，以制造低空隙、完全固化的復(fù)合帶，然后將其編織或放置并定位以形成織物，再迅速固化成最終的復(fù)合材料零件。這種方法的主要問(wèn)題是單向復(fù)合材料帶的處理，這種材料的剛性和脆性使其在室溫下彎曲到緊半徑時(shí)會(huì)出現(xiàn)斷裂，導(dǎo)致由帶材到織物的制造過(guò)程緩慢、成本高。
這種涂布的絲束材料是一種部分浸漬的碳纖維/聚酰胺復(fù)合材料絲束，由于碳纖維沒有完全被聚酰胺潤(rùn)濕，因而獲得了一種比完全浸漬的材料更靈活的絲束材料。“Fibrflex預(yù)成型材料在高溫和高壓下迅速固結(jié)成無(wú)空隙的復(fù)合材料。”Fibrtec首席執(zhí)行官戴維斯說(shuō)。“使用12K碳纖維，這種5毫米寬0.3毫米厚的帶很容易操作和覆蓋，再可以通過(guò)RFF生產(chǎn)近凈形狀的部件。”
該工藝消除了機(jī)織織物的另一個(gè)潛在問(wèn)題：編織干纖維絲束經(jīng)常導(dǎo)致纖維斷裂，將短的導(dǎo)電碳纖維束釋放到環(huán)境中。由于這個(gè)問(wèn)題，織機(jī)和設(shè)備必須是電隔離的。Fibrflex產(chǎn)品使用熱塑性護(hù)套完全包裹纖維，防止了纖維斷裂。
杜邦公司的RFF生產(chǎn)工藝?yán)脵C(jī)器人牽引裝置快速生產(chǎn)不同方向的織物，消除了在加工過(guò)程中提起牽引的需要。普渡大學(xué)進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)、建模和模擬表明，這種材料和工藝的結(jié)合具有生產(chǎn)成本更低的連續(xù)FRP材料的潛力，這種材料的熱塑性基體在成型過(guò)程中非常符合要求。
自動(dòng)轉(zhuǎn)換流程
Seriforge使用將單向碳纖維轉(zhuǎn)換為先進(jìn)復(fù)合材料預(yù)制件的自動(dòng)化工藝制造了這種熱塑性模塑行李箱。
許多行業(yè)仍然手工切割、堆疊和組裝碳纖維層，使它們?nèi)菀壮霈F(xiàn)排列不齊、褶皺、缺失和纖維卷曲。初創(chuàng)公司Seriforge正在將單向碳纖維轉(zhuǎn)換為可批量生產(chǎn)的先進(jìn)復(fù)合材料預(yù)制件的過(guò)程實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，這是大批量汽車行業(yè)和其他行業(yè)的夢(mèng)想。
Seriforge公司使用CAD技術(shù)根據(jù)客戶的要求設(shè)計(jì)出一種復(fù)合層壓材料，然后使用專有軟件完全自動(dòng)化干燥的碳纖維層的切割、堆疊、組裝和縫合，從而形成一個(gè)3D預(yù)成型材料，可以插入到注射工具中。其結(jié)果是高產(chǎn)量的生產(chǎn)能力——根據(jù)零件的復(fù)雜程度，每月10,000到20,000個(gè)凈形狀預(yù)制件。
自動(dòng)化這個(gè)過(guò)程可以簡(jiǎn)化將來(lái)的部分修訂將設(shè)計(jì)更改輸入到零件的CAD文件后，下游流程也會(huì)隨之更新。“我們的CAD系統(tǒng)和生產(chǎn)設(shè)備從頭到尾都是集成的。”Seriforge業(yè)務(wù)開發(fā)副總裁Marco Zvanik說(shuō)，“在設(shè)計(jì)起點(diǎn)進(jìn)行的更改會(huì)自動(dòng)改變整個(gè)過(guò)程。”自動(dòng)化生產(chǎn)還可以記錄制造過(guò)程，創(chuàng)建歷史分析記錄。
Seriforge為單向和編織連續(xù)碳纖維預(yù)制件提供了Z軸加強(qiáng)。對(duì)于要求高纖維與樹脂比并且設(shè)計(jì)用于最大性能的部件，Seriforge使用連續(xù)纖維絲束縫合堆疊，纖維束沒有張力，沒有鏈條或鎖針，這可能導(dǎo)致單向纖維的X和Y層的變形，從而降低了成品層壓板的性能。
Z型縫合只在需要的地方使用，例如有明顯的負(fù)載模式的區(qū)域或部分有分層風(fēng)險(xiǎn)的切口。Zvanik說(shuō):“我們同樣的設(shè)計(jì)軟件根據(jù)零件的加載要求和加載路徑，為其開發(fā)層壓板時(shí)間表。”
Zvanik說(shuō)，與手工鋪層或其他標(biāo)準(zhǔn)預(yù)制方法相比，最終形成的近凈形狀預(yù)制件成本中性或更低。Seriforge目前的客戶主要集中在石油、天然氣和娛樂(lè)市場(chǎng)，但公司也有幾個(gè)汽車項(xiàng)目正在進(jìn)行中。該公司在2017年搬進(jìn)了新的生產(chǎn)廠，第一條生產(chǎn)線于2018年6月投入生產(chǎn)。Seriforge公司目前正在建造第二條生產(chǎn)線，并計(jì)劃在今年年底增加第三條。（文章來(lái)源于網(wǎng)絡(luò)）
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