有许多制造复合材料部件的方法。一些方法已经被借鉴(例如塑料行业的注塑成型),但许多方法是为了应对纤维增强聚合物面临的特定设计或制造挑战而开发的。因此,为特定零件选择方法将取决于材料、零件设计和最终用途或应用。(参见“零件设计标准”)。
复合材料制造工艺通常涉及某种形式的成型,以塑造树脂和增强材料。需要模具工具在固化之前和固化过程中赋予未成型树脂/纤维组合的形状。单击“工具”以了解模具类型以及用于制造模具工具的材料和方法的概述。
热固性复合材料最基本的制造方法是手工铺层,它通常包括将层(称为干织物层或预浸料层(预浸渍树脂的织物))手动放置在工具上以形成层压板堆叠。在铺层完成后(例如,通过树脂灌注)将树脂施加到干层上。在称为湿铺层的变体中,每层都涂有树脂,并在放置后进行压实(压实)。尽管可以使用滚筒手工进行减重,但当今大多数制造商都使用真空袋装袋该技术包括将塑料片材放置在铺层上,将其密封在工具的边缘,为空气软管添加一个或多个端口,然后使用真空泵从片材和铺层之间的空间中抽空空气)。减厚不仅可以巩固铺层,还可以去除树脂基体中的空气,否则会在层压板中产生不希望的空隙(气穴),从而削弱复合材料。
有几种固化方法可用。最基本的方法是让固化(由预混到树脂中的催化剂或硬化剂添加剂引发)在室温下进行。然而,可以通过加热(通常使用烘箱)和压力(借助真空)来加速固化。对于后者,带有通气组件的真空袋被放置在铺层上并连接到工具上(以与减体积中使用的方式相似的方式),然后在开始固化之前抽真空。此处的真空袋装工艺进一步巩固了材料层,并显着减少了由于基质在其化学固化阶段进行时发生的排气而产生的空隙。
2014 年 11 月,Globe Machine Manufacturing Co. (Tacoma, WA, US) 试用了第二代 RapidClave 系统,这是一种非高压釜混合成型工艺,成功形成单向碳纤维/环氧树脂预浸料(6-8 层,0° /90° 叠层)零件在 6 分钟的周期内完成,这是热固性复合材料的首创,距离汽车行业的大规模生产期望又迈进了一大步。
压力。许多高性能热固性部件需要加热和高固结压力才能固化——这些条件需要使用高压釜。一般来说,高压灭菌器的购买和操作都很昂贵。配备高压灭菌器的制造商通常同时固化多个部件。计算机系统监测和控制高压釜的温度、压力、真空和惰性气氛,允许无人值守和/或远程监督固化过程,并最大限度地有效利用该技术。
热。当固化需要加热时,零件温度会以小幅度“升高”,在树脂系统定义的指定时间段内保持在固化水平,然后“降低”至室温,以避免零件变形或翘曲膨胀和收缩不均匀引起的。当这个固化周期完成并且零件脱模后,一些零件会经历二次独立后固化,在此期间它们会在特定的时间段内承受高于初始固化温度的温度,以提高化学交联密度。
替代固化方法。电子束 (E-beam) 固化已被探索为一种用于薄层压板的有效固化方法。在电子束固化中,复合叠层暴露于提供电离辐射的电子流中,导致辐射敏感树脂发生聚合和交联。X 射线和微波固化技术以类似的方式工作。第四种选择,紫外线 (UV) 固化,涉及使用紫外线辐射来激活添加到热固性树脂中的光引发剂,当其被激活时,会引发交联反应。UV 固化需要透光树脂和增强材料。
固化监测。一项新兴技术是对治疗本身的监测。介电固化监测仪通过测量离子的电导率来测量固化程度——离子的电导率是树脂中存在的小、极化、相对微不足道的杂质。离子倾向于向相反极性的电极迁移,但迁移速度受树脂粘度的限制——粘度越高,速度越慢。随着固化过程中交联的进行,树脂粘度增加。其他方法包括监测树脂内的偶极子、监测交联产生的微电压、监测固化过程中聚合物的放热反应,以及可能通过光纤技术使用红外监测(参见“监测固化”)本身。”)
高压釜外 (OOA)固化是一种值得注意的现象,在高性能复合材料组件的行业中获得了发展势头。高压釜系统的高成本和有限的尺寸促使许多加工商,特别是在航空航天领域,需要仅在烤箱中加热固化的 OOA 树脂(与高压釜相比,资本密集度更低,操作成本更低,尤其是在非常大部件),或在室温下。Cytec Aerospace Materials(现为Solvay Composite Materials)推出了第一种 OOA 树脂,这是一种专为航空航天应用而设计的环氧树脂。OOA 工具环氧树脂和粘合剂也即将上市(请参阅“高压灭菌器外的高压灭菌器质量?”)
开模
单面模具中的开放式接触成型是制造玻璃纤维复合材料产品的低成本、常用工艺。通常用于船体和甲板、房车组件、卡车驾驶室和挡泥板、水疗中心、浴缸、淋浴间和其他相对较大、不复杂的形状,开放式成型涉及手动铺设或半自动替代方案,喷涂。
在开模喷涂应用中,首先用脱模剂处理模具。如果使用凝胶涂层,通常在使用脱模剂后将其喷涂到模具中。然后凝胶涂层被固化并且模具准备好开始制造。在喷涂过程中,催化树脂(粘度为 500-1,000 cps)和玻璃纤维使用切刀枪喷射到模具中,将连续纤维切成短长度,然后将短纤维直接吹入喷涂的树脂流中,使两者材料同时应用。为了减少 VOC,活塞泵激活的非雾化喷枪和流体冲击式喷头分配胶衣,在胶衣固化后,在低压下以较大液滴的形式分配树脂。另一种选择是滚筒浸渍机,它将树脂泵入类似于油漆滚筒的滚筒中。
在喷涂过程的最后步骤中,工人们用辊子用手压实层压板。然后可以添加木材、泡沫或其他芯材,并且第二喷涂层将芯嵌入层压表皮之间。然后将部件固化、冷却并从通常可重复使用的模具中取出。
手糊法和喷涂法经常结合使用以减少劳动力。例如,织物可能首先放置在承受高压力的区域;然后,可以使用喷枪喷涂碎玻璃和树脂以形成层压板的其余部分。在任一过程中,可以在层压层之间插入轻木或泡沫芯。典型的玻璃纤维体积在喷涂时为 15%,在手糊时为 25%。
喷涂加工曾经是一种非常流行的制造方法,现已开始失宠。美国的联邦法规和欧盟的类似法规规定了对工人接触和排放到 VOC 和有害空气污染物 (HAP) 环境中的限制。苯乙烯是在热固性树脂中用作稀释剂的最常见单体,它在这两个列表中。由于在喷涂过程中,工人接触和排放的苯乙烯难以控制且成本高昂,因此许多复合材料制造商已转向封闭模具、基于灌注的工艺,以更好地控制和管理苯乙烯。
尽管通过手糊的开模成型正在被更快、技术更精确的方法所取代(如下所述),但它仍然广泛用于修复损坏的零件,包括由其他常用材料制成的零件,例如钢和混凝土. 有关更多信息,请单击“用于修复的复合材料”。
树脂灌注工艺
对更快生产速度的不断增长的需求迫使该行业用替代制造工艺代替手工铺层,并鼓励制造商尽可能自动化这些工艺。
一种常见的替代方法是树脂传递模塑 (RTM),有时也称为液体模塑。RTM 是一个相当简单的过程:它从一个由金属或复合材料制成的两部分匹配的封闭模具开始。将干增强材料(通常是预制件)放入模具中并关闭模具。树脂和催化剂在分配设备中计量并混合,然后在低压至中等压力下通过注射口泵入模具,沿着预先设计的路径通过预成型件。RTM 应用中使用了极低粘度的树脂,特别是用于厚部件,以确保树脂在固化开始之前快速、彻底地渗透到预制件中。模具和树脂都可以根据需要针对特定应用进行预热。
RTM 无需高压灭菌器即可生产高质量零件。然而,当固化和脱模时,用于高温应用的部件通常会进行后固化。
大多数 RTM 应用使用两部分环氧树脂配方。这两部分在注入前混合。双马来酰亚胺和聚酰亚胺树脂也可用于 RTM 配方。
Light RTM 是 RTM 的一种变体,越来越受欢迎。在 Light RTM 中,低注射压力与真空相结合,允许使用成本较低、重量轻的两件式模具或非常轻巧、灵活的上模具。
RTM 的好处令人印象深刻。通常,RTM 中使用的干燥预制件和树脂比预浸材料便宜,并且可以在室温下储存。该工艺可以生产厚的、接近最终形状的零件,省去了大部分的后加工工作。它还可以生产具有良好表面细节的尺寸精确的复杂零件,并且与开模技术不同,开模技术通常会产生具有 A 和 B 侧(分别为成品和未完成的表面)的轮廓但平面的零件,RTM 可以在所有暴露表面上提供所需的装饰效果复杂的三维组件。还可以在模具闭合之前将嵌件放入预成型件中,从而使 RTM 工艺能够容纳芯材并将“模制”配件和其他硬件集成到零件结构中。而且,RTM 部件上的空隙率很低,测量值为 ≤2%。最后,RTM 显着缩短了周期时间,并且可以作为自动化、可重复制造过程中的一个阶段使用,从而获得更高的效率,将周期时间从典型的手糊状几天缩短到几小时甚至几分钟.
RTM 的最新变体,称为高压 RTM (HP-RTM),因其在快速生产汽车零件方面的潜力而受到关注。HP-RTM 通常设计成一个包括模具穿梭机的全自动系统,它能够快速填充装有预成型件的模具,并带有非常快速固化的树脂,这显示了高产量的前景。HP-RTM 仍然包括一个纤维预成型件、一个闭合模具、一个压力机和一个树脂注射系统,但后者现在是一个冲击混合头,就像 1960 年代最初为聚氨酯 (PU) 泡沫应用开发的那样。事实上,PU 和反应注射成型(RIM,见下一项)工艺的计量/混合/注射供应商是 HP-RTM 的早期开发商,包括克劳斯玛菲技术有限公司(德国慕尼黑)、亨内克公司。(德国圣奥古斯丁)、Frimo Inc.(德国乐天)、Cannon USA Inc.和 Cannon SpA(美国宾夕法尼亚州 Cranberry Township 和意大利 Borromeo)。
大批量成型复杂零件:树脂传递模塑 (RTM) 的一种变体,即高压 RTM (HP-RTM),已用于大型集成 CFRP 汽车部件的批量生产,例如这辆 BMW(德国沃尔夫斯堡) i8 sportster 的侧框。阅读全文: https ://www.compositesworld.com/articles/the-rise-of-hp-rtm
与 RTM 相比,树脂和催化剂在压力下注射到模具中之前预先混合,反应注射成型 (RIM)将快速固化树脂和催化剂以两个单独的流注入模具中。混合和由此产生的化学反应发生在模具中而不是在分配头中。汽车行业供应商已将结构 RIM (SRIM) 与快速预成型方法相结合,以制造不需要 A 级表面处理的结构部件。可编程机器人已成为将切碎的玻璃纤维/粘合剂组合喷涂到配备真空的预成型屏幕或模具上的常用方法。机器人喷涂可用于控制纤维取向。一种相关的技术,干纤维放置,结合了缝合的预制件和 RTM。高达 68% 的纤维体积是可能的,并且自动控制可确保低空隙和一致的瓶坯复制,而无需修整。
真空辅助树脂传递模塑 (VARTM)是指各种相关工艺,它们代表了仍然发展最快的模塑技术。VARTM 型工艺和 RTM 之间的显着区别在于,在 VARTM 中,树脂仅通过使用真空被吸入预制件中,而不是在压力下泵入。VARTM 不需要高温或高压。出于这个原因,VARTM 使用低成本的工具进行操作,从而可以一次廉价地生产大型、复杂的零件。
真空灌注在造船业中得到了重要应用,因为它允许制造商在一个步骤中灌注整个船体、甲板结构和平面轮廓部件。但是,另一组通常较大的部件航空航天结构也正在使用真空灌注工艺进行开发。阅读全文: https ://www.compositesworld.com/articles/dark-knights-sleek-trimarans-surveil-the-seas
在 VARTM 工艺中,纤维增强材料被放置在单面模具中,并在顶部放置一个盖子(通常是塑料袋薄膜)以形成真空密封。树脂通常通过战略性放置的端口和进料管线进入结构,称为“歧管”。它通过一系列有助于纤维浸湿的设计通道通过真空抽吸通过增强材料。成品部件中的纤维含量可高达 70%。目前的应用包括海洋、地面运输和基础设施部件。
树脂灌注在造船业中得到了重要应用,因为它允许制造商在一个步骤中灌注整个船体、甲板结构和平面轮廓部件。但是,另一组通常较大的部件航空航天结构也正在使用 VARTM 进行开发。
一种树脂灌注扭转是使用两个袋子,称为双袋灌注,它使用一个连接到内袋的真空泵来提取挥发物和截留的空气,并使用外袋上的第二个真空泵来压实层压板。波音公司(美国伊利诺伊州芝加哥)和美国宇航局以及小型制造公司已采用这种方法来生产无需高压灭菌器的航空航天质量层压板。为MS-21开发的非高压灭菌 (OOA) CFRP 机翼也实现了航空航天质量由俄罗斯 OEM Irkut 和制造商 Aerocomposit 生产的单通道喷气式客机,均位于莫斯科。一个关键步骤是 FACC AG(奥地利 Ried im Innkreis)使用其专有的膜辅助树脂灌注 (MARI) 工艺开发的一体式 CFRP 机翼盒屡获殊荣,该工艺使用半透膜来实现一致、稳健的工艺,提供 100%浸渍(无干点或空隙)。OOA 注入也已在美国宇航局太空发射系统 (SLS) 计划的大型工具和结构上得到证明,该计划使用环氧树脂和双马来酰亚胺 (BMI) 树脂,使用苯并恶嗪树脂的类似工作正在迅速发展。
树脂薄膜灌注 (RFI)是一种混合工艺,其中将干燥的预制件放入模具中,置于一层或多层高粘度树脂薄膜的顶部。在施加的热量、真空和压力下,树脂液化并被吸入预制件中,导致树脂分布均匀,即使是高粘度、增韧的树脂,因为流动距离短。
大批量成型方法
压缩成型是一种大批量热固性成型工艺,采用昂贵但非常耐用的金属模具。当生产数量超过 10,000 个零件时,这是一个合适的选择。使用片状模塑料 (SMC) 可以在一组锻钢模具上生产多达 200,000 个零件,SMC 是一种通过将短切玻璃纤维夹在两层厚树脂糊之间制成的复合片材。为了形成片材,树脂糊从计量装置转移到移动的薄膜载体上。切碎的玻璃纤维落到糊状物上,第二个薄膜载体在玻璃顶部放置另一层树脂。辊压紧片材以使玻璃充满树脂并挤出夹带的空气。树脂糊最初是糖蜜的稠度(20,000-40,000 cps);在接下来的三五天内,
当 SMC 准备好进行成型时,它会被切割成更小的片材,然后在加热的模具(121°C 至 262°C)上组装装料图案(层片表)。模具闭合并合模,压力为 24.5 至 172.4 bar。随着材料粘度下降,SMC 流动填充模腔。固化后,手动或通过一体式顶针将零件脱模。
用于 A 级饰面的典型薄型(收缩率小于 0.05%)SMC 配方按重量计由 25% 的聚酯树脂、25% 的碎玻璃、45% 的填料和 5% 的添加剂组成。玻璃纤维热固性 SMC 在 30-150 秒内固化,整个循环时间可低至 60 秒。其他等级的 SMC 包括低密度、柔性和着色配方。现在市场上的低压 SMC 配方为开放式模塑商提供了低资本投资进入闭模加工的机会,VOC 排放量接近于零,并且有可能获得非常高质量的表面光洁度。
汽车制造商正在探索碳纤维增强型 SMC,希望利用碳在外部车身面板和其他部件中的高强度和刚度重量比。较新的增韧 SMC 配方有助于防止微裂纹,这种现象以前会在涂装过程中导致油漆“爆裂”(脱气引起的表面陨石坑,在烘箱固化过程中释放出困在微裂纹中的气体)。
工业市场的复合材料制造商正在自行配制树脂并在内部混合 SMC,以满足特定应用的需求,这些应用需要抗紫外线、抗冲击和防潮,并具有推动定制材料开发需求的表面质量要求。
注塑成型 是一种快速、大容量、低压、封闭的工艺,最常见的是使用填充热塑性塑料,例如带有短切玻璃纤维的尼龙。然而,在过去的 20 年中,BMC 的自动注塑成型已经占领了一些以前由热塑性塑料和金属铸件制造商占据的市场。例如,首个基于 BMC 的电子节气门控制 (ETC) 阀(以前仅由压铸铝模制而成)在 BMWMini和标致207,利用了特殊配方提供的尺寸稳定性BMC 由 TetraDUR GmbH(德国汉堡)提供,该公司是 Bulk Molding Compounds Inc.(BMCI,West Chicago,IL,US)的子公司。
在 BMC 注塑成型过程中,柱塞式或螺杆式柱塞迫使计量的材料通过加热的机筒,并将其(在 34.47-82.74 MPa 下)注射到封闭的加热模具中。在模具中,液化的 BMC 很容易沿着流道通道流入闭合的模具。在固化和脱模后,零件只需要最少的精加工。注射速度通常为 1 到 5 秒,在某些多腔模具中每小时可生产多达 2,000 个小零件。
具有厚横截面的零件可以使用 BMC 进行压缩成型或传递成型。传递模塑是一种闭模工艺,其中将测量的 BMC 装料放入带有流道的罐中,这些流道通向模腔。柱塞将材料压入模腔,产品在热和压力下固化。
混合注塑/热成型是汽车行业通过混合塑料和复合材料工艺寻求短模具周期(<2 分钟)的一个例子。SpriForm——由HBW-Gubesch Thermoforming GmbH(德国威廉斯多夫)开发并用于江森自控牵头的 CAMISMA 汽车座椅靠背项目中的工艺 (JCI, Burscheid, Germany) — 预热由碳纤维 (CF) 增强的聚酰胺 12 (PA12) 有机板制成的定制坯料,在匹配的金属模具和工具中压缩成型,然后注塑成型 30% 的短玻璃纤维增强材料PA12 化合物填充模腔以创建完全包覆成型的边缘以及肋条和其他功能元件。该过程使用两个机器人很容易实现自动化,与钢制座椅靠背相比,重量减轻了 40-50%,并且为减轻重量增加了不到 5 美元/公斤的增量成本。尽管连续的 CF/PA12 胶带提供量身定制的刚度和强度,但成本较低的注塑材料占座椅靠背质量的一半。一次性过程大约需要 90 秒,无需二次操作即可生产出几何细节丰富的零件。有机片预制件的底层是由回收碳纤维 (RCF) 制成的浸渍 PA12 的垫子,这也是降低零件成本和碳足迹的一种手段。(点击阅读更多“CAMISMA 的汽车座椅靠背:高容量的混合复合材料。” )
灯丝缠绕是一种连续制造方法,可以高度自动化和可重复,材料成本相对较低。一个称为心轴的长圆柱形工具水平悬挂在端部支撑之间,而“头部”——光纤应用仪器——沿着旋转心轴的长度来回移动,将光纤以预定配置放置在工具上。可使用计算机控制的缠绕机,配备 2 至 12 个运动轴。
在大多数热固性应用中,长丝缠绕设备在材料接触芯轴之前将纤维材料通过树脂“浴”。这称为湿法缠绕。然而,一种变体使用托普浸料,即用树脂预浸渍的连续纤维。这消除了对现场树脂浴的需要。在一个稍微不同的过程中,纤维在没有树脂的情况下缠绕(干缠绕)。然后将干燥的形状用作另一个成型工艺(例如 RTM)中的预成型件。
在烘箱或高压釜固化之后,心轴要么保持在原位以成为缠绕部件的一部分,要么通常被移除。一件式圆柱形或锥形心轴,通常具有简单的形状,使用心轴提取设备从零件中拉出。一些心轴,特别是在更复杂的零件中,是由可溶性材料制成的,可能会溶解并从零件上洗掉。其他的则是可折叠的或由几个部分组成,允许其拆卸和拆卸成更小的部分。长丝缠绕制造商经常“调整”或稍微修改现成的树脂以满足特定的应用要求。一些复合材料零件制造商开发了自己的树脂配方。
在热塑性塑料缠绕中,所有材料都是预浸料形式,因此不需要树脂浴。材料在缠绕到心轴上时被加热——这一过程被称为“飞行中”固化或原位固结。预浸料在一个单一的连续操作中被加热、铺设、压实、固结和冷却。热塑性预浸料消除了高压釜固化(切割成本和尺寸限制)并降低了原材料成本,并且可以对所得零件进行再加工以纠正缺陷。
纤维缠绕产生的零件具有出色的圆周或“环”强度。纤维缠绕的最大单次应用是高尔夫球杆杆身。钓鱼竿、管道、压力容器和其他圆柱形零件构成了剩余业务的大部分。
拉挤成型与 RTM 一样,几十年来一直用于玻璃纤维和聚酯树脂,但在过去 10 年中,该工艺也已在高级复合材料应用中得到应用。在这种相对简单、低成本、连续的工艺中,增强纤维(通常是粗纱、丝束或连续毡)通常被拉过加热的树脂浴,然后在穿过一个或多个成型导轨或衬套时形成特定形状。然后材料通过一个加热的模具,在那里它形成净形状并固化。再往下游,在冷却后,将所得型材切割成所需的长度。拉挤成型产生光滑的成品部件,通常不需要后处理。拉挤各种连续、一致、实心和空心型材,并且可以定制工艺以适应特定应用。
轧管是一种历史悠久的复合材料制造工艺,可以生产有限长度的管材和棒材。特别适用于长度达6.2m的小直径圆柱形或锥形管。可有效轧制直径达 152 mm 的管材。通常,根据零件的不同,使用粘性预浸织物或单向胶带。该材料预先切割成图案,旨在实现应用所需的层计划和纤维结构。将模型片放置在平坦的表面上,并在施加压力的情况下在每个模型上滚动心轴,从而压实和减薄材料。当滚动锥形心轴时——例如,对于钓鱼竿或高尔夫球杆——只有第一排纵向纤维落在真正的 0° 轴上。因此,为了赋予管子弯曲强度,
自动纤维铺放 (AFP). 纤维铺放过程自动将多个单独的预浸丝束高速自动放置到心轴上,使用数控铰接机器人铺放头同时分配、夹紧、切割和重新启动多达 32 根丝束。最小切割长度(机器可以铺设的最短丝束长度)是基本的帘布层形状决定因素。纤维铺放头可以连接到 5 轴龙门架,改装到长丝卷绕机或作为交钥匙定制系统交付。机器配备双心轴站,以提高生产力。纤维铺放的优势包括处理速度、减少材料废料和劳动力成本、零件整合和提高零件间的均匀性。通常,该工艺用于生产具有复杂形状的大型热固性零件。
自动铺带 (ATL)是一种更快的自动化过程,其中预浸带而不是单个丝束被连续铺设以形成零件。它通常用于具有高度复杂的轮廓或角度的零件。胶带铺层用途广泛,允许工艺中断和轻松改变方向,并且适用于热固性和热塑性材料。头部包括一个或多个胶带卷轴、卷绕器、卷绕器导轨、压紧靴、位置传感器和胶带切割器或分切器。在任何一种情况下,头部都可以位于多轴关节机器人的末端,该机器人围绕正在施加材料的工具或心轴移动,或者头部可以位于悬挂在工具上方的台架上。或者,可以移动或旋转工具或心轴以使头部接近工具的不同部分。在课程中将胶带或纤维应用到工具上,该工具由一排任意长度、任意角度的材料组成。多个课程通常在一个区域或模式上一起应用,并由机器控制软件定义和控制,该软件使用来自零件设计和分析的数字输入进行编程。计算机驱动的自动化设备的资本支出可能很大。
虽然 ATL 通常比 AFP 更快并且可以在更长的距离上放置更多材料,但 AFP 更适合较短的路线并且可以更有效地将材料放置在轮廓表面上。这些技术源于机床行业,并已广泛用于制造即将推出的波音 787梦幻客机和空客 A350 XWB 的机身、翼皮板、翼盒、尾翼和其他结构。ATL 和 AFP 还被广泛用于生产 F-35 Lightning II战斗机 V-22 Osprey的零件倾转旋翼部队运输机和其他各种飞机。最新的设备趋势支持 AFP 和 ATL,通过更换可对接头在几分钟内切换。另一个发展领域是通过高性能热塑性塑料追求非高压釜 (OOA) 主要 CFRP 飞机结构。空中客车公司(法国图卢兹)正在与由MTorres (西班牙纳瓦拉)支持的 FIDAMC(西班牙马德里)和由Coriolis Composites SAS支持的 Technocampus EMC2(法国南特)合作(法国 Queven)开发纵梁加强型机身蒙皮板,使用自动化机械通过激光原位固化。FIDAMC 和 MTorres 在 JEC 2014 上宣布了一种 CF/聚醚醚酮 (PEEK) 机身面板,该机身面板在基体中实现了 35-40% 的结晶度和足以不需要进一步加热、真空袋或高压灭菌处理的固结度 (DOC)。实时温度控制正在集成到设备中。材料由 Cytec Aerospace Materials HQ(美国新泽西州伍德兰帕克)和Toho Tenax Europe GmbH(德国伍珀塔尔)提供。
直径从 25 毫米到 356 毫米的管道的离心铸造是高性能、耐腐蚀服务的纤维缠绕的替代方案。在铸管中,0°/90° 编织玻璃纤维在整个管壁上提供纵向和环向强度,与多轴向玻璃纤维缠绕管相比,在相同壁厚的情况下具有更高的强度。在铸造过程中,环氧树脂或乙烯基酯树脂被注入到一个 150G 的离心旋转模具中,渗透到缠绕在模具内表面的编织织物中。离心力推动树脂通过织物层,在管道外部形成光滑的表面,泵入模具的多余树脂形成富含树脂、耐腐蚀和耐磨的内衬。
现在,纤维增强热塑性部件也可以通过挤压生产。采用长纤维玻璃增强热塑性塑料(ABS、PVC 或聚丙烯)复合材料开发了突破性材料和工艺技术,以提供坚固、低成本替代办公家具中使用的木材、金属和注塑成型塑料部件的型材、电器、半挂车和体育用品。在过去十年中,挤出热塑性塑料/木粉(或其他添加剂,如韧皮纤维或粉煤灰)复合材料出现了巨大的市场。这些木塑复合材料或 WPC 用于模拟木地板、壁板、窗框和门框以及围栏。
添加剂制造
也称为 3D 打印,这种较新的复合材料零件生产形式源于在产品开发的设计到原型阶段降低成本的努力,特别针对材料、劳动力和时间密集型领域的工具制造。增材制造是 20 多年前引入的快速原型设计概念发展的一步变革——一系列类似但单独开发的增材制造技术——即从一系列名义上二维 (2D) 的特殊材料横截面层。
所有增材制造技术都从 CAD 图纸开始。使用特殊软件将实体模型 CAD 数据转换为将 3D 表面表示为平面三角形组合的文件格式。然后使用附加的(通常是专有的)软件将这个虚拟图像“切片”成非常薄的 2D 横截面图案。该层数据用于指导增材制造机械,因为它通过“堆叠”2D 切片来构建 3D 物理模型。
今天,有五种增材制造方法正在使用中:
立体光刻(SLA) 于 1986 年获得专利,是第一个完全商业化的快速原型技术,并且仍然是使用最广泛的技术。在 SLA 工艺中,零件模型建立在一个平台上,该平台位于表面正下方的液体、光固化聚合物桶中,通常是环氧树脂或丙烯酸酯树脂。使用先前创建的 CAD 切片数据进行编程的低功率紫外线 (UV) 激光器以其高度聚焦的紫外线光束追踪零件的第一层,扫描并固化切片轮廓边界内的树脂,直到整个切片横截面内的区域被固化。然后升降机逐渐将平台降低到液体聚合物中,其深度等于切片厚度,并且清扫器用液体聚合物重新涂覆固化层。然后,激光在第一层之上描绘出第二层。重复该过程,直到零件完成。根据零件的几何形状,在构建过程中可能需要将机械支撑构建到零件中以容纳液体。从大桶中取出后,从零件上取下支撑物,然后将其放入 UV 烘箱中进行进一步固化。
熔融沉积建模(FDM) 是第二个最广泛使用的增材制造工艺。FDM 制造 ABS(丙烯腈丁二烯苯乙烯)、聚碳酸酯和其他以韧性着称的树脂的零件。通常,当零件的耐用性至关重要时会选择它。
FDM 一次构建一层 3-D 对象。塑料细丝从线圈中展开,向加热的挤压喷嘴提供材料,该喷嘴控制流动。喷嘴安装在机械台上,可以水平和/或垂直移动。喷嘴在载有支撑材料的载物台上方移动,沉积出薄薄的挤出塑料珠。对于 ABS,该层的厚度通常为 0.25 毫米/0.010 英寸,这大致定义了 FDM 零件可以预期的公差。连续挤压层与前一层粘合,然后立即硬化。整个系统包含在一个温度刚好低于塑料熔点的腔室中。从腔室中取出零件后无需进行后处理。
激光烧结 (LS) 是 1980 年代后期由位于美国德克萨斯州奥斯汀的 DTM 公司开发的。该技术于 2001 年被 3D Systems 收购。采用与立体光刻技术类似的方法,3D 的选择性激光烧结 (SLS) 工艺使用 CO 2激光的热量来加工各种粉末状而非液体状材料,包括尼龙、玻璃纤维或碳纤维填充尼龙。在一个与打印店影印机大小相当的封闭单元中,CO 2激光和镜面反射器系统安装在支撑部件的构建台或基座上。一个辊子将一层薄薄的粉末材料分布在基座表面,然后反射镜系统将激光束引导到粉末层上。当光束在材料上来回扫描时,激光打开和关闭,选择性地烧结粉末(将粉末颗粒加热至熔化或熔化温度),其尺寸和形状与从转换后的 CAD 文件。然后将基座降低层厚的距离,将另一层粉末滚压在冷却并现在固化的第一层上,重复烧结过程,将第二层粘合到第一层。该过程以 0.08 毫米至 0.15 毫米(0.003 英寸至 0.006 英寸)厚度的层重复,
数字光处理(DLP) 由位于美国德克萨斯州奥斯汀的德州仪器公司开发,支持由 EnvisionTEC (Ferndale, MI, US) 开发的一系列计算机辅助建模设备 (CAMOD)。与立体光刻平台一样,这项技术使用光固化树脂,但据报道使用涉及 Mask Projection 的连续工艺(而不是增量分层)更快地处理它们(约 25 毫米/1 英寸/小时),即投影整个图像到液体光聚合物浴上,而不是用点能源扫描连续施加的粉末或液体树脂层或沉积材料层并施加热量。此外,连续构建技术消除了可见且可触知的阶梯状零件表面,这是基于层的增材制造的特征。EnvisionTEC 的 Perfactory Xede 机器使用单个或多个基于 DLP 的投影仪在相对较小的 457 x 304 x 508 毫米(18 x 12 x 20 英寸)构建外壳内生产多个零件。据报道,成品部件具有与工程塑料相同的特性,例如 ABS、高密度聚乙烯或聚丙烯。
3-D 打印是最近进入该市场的产品,2007 年底首次亮相,当时 Objet Geometries(以色列雷霍沃特)推出了 Connex500 3D 系统,该系统通过喷射连续的材料层来构建 3-D 零件。该系统旨在同时打印一种或两种构建材料,基于 Objet 的 PolyJet Matrix 打印技术,这是大多数人熟悉的喷墨技术的高级版本。Objet Studio for Connex 软件管理流程,使用转换后的 CAD 数据创建打印文件。
在操作中,该系统将一种或两种材料集中到与 PolyJet Matrix 模块相连的专用液体系统中,该系统包含八个打印头,每个打印头包含 96 个喷嘴。每种材料都指定了两个完美同步的打印头,包括易于去除的水溶性凝胶状支撑材料。
这些过程最初是为了让零件设计师和工程师能够绕过对原型工具的需求,使他们能够在几个小时内制作原型,以评估形状和配合特性,在某些情况下,还可以用作测试物品,例如用于零件空气动力学的风洞评估。然而,设计师已经意识到使用增材制造系统也有可能制造生产零件。
安全环保
制造商和原始设备制造商在生产和处理复合材料时必须解决健康、安全和环境问题。他们维护安全工作场所的方法包括定期培训、遵守详细的处理程序、维护当前的毒性信息、使用防护设备(手套、围裙、粉尘控制系统和呼吸器)以及制定公司范围的监控政策。供应商和原始设备制造商都在努力通过重新配制树脂和预浸料并改用水分散性清洁剂来减少高挥发性有机化合物 (VOC) 的排放。
美国环境保护署继续加强其要求,以满足 1990 年国会通过的《清洁空气法修正案》的要求。具体而言,该机构的目标是减少有害空气污染物 (HAP) 的排放,其中包括大约180 种被认为对健康构成危害的挥发性化学物质。树脂中使用并在固化过程中释放的一些化合物含有 HAP。2003 年初,EPA 制定了专门针对复合材料行业的法规,要求使用最大可实现控制技术(MACT)进行排放控制。该条例于 2006 年初生效。