碳纖維增強(qiáng)熱塑性塑料(CFRTP)具有優(yōu)異的強(qiáng)度重量比，這使得它們在許多行業(yè)的結(jié)構(gòu)應(yīng)用中具有吸引力。然而，纖維長度對于碳纖維的強(qiáng)度特性至關(guān)重要，并且隨著纖維長度的增加，制造的復(fù)雜性也會增加。

雖然連續(xù)纖維限制了零件的幾何復(fù)雜性，但它們提供了卓越的機(jī)械性能。此外，設(shè)計人員可以根據(jù)零件在使用中看到的負(fù)載條件和方向?qū)λ鼈冞M(jìn)行優(yōu)化。另一方面，不連續(xù)纖維提供了制造靈活性，但由于材料基本上是同質(zhì)的，因此在強(qiáng)度和負(fù)載優(yōu)化方面受到了影響。

像壓縮成型(CM)這樣的技術(shù)，以片狀或大塊成型化合物(BMC)的形式對長而不連續(xù)的纖維進(jìn)行成型，為制造相對復(fù)雜的形狀提供了介于連續(xù)和短纖維系統(tǒng)之間的中間解決方案。然而，纖維長度和性能的高差異意味著可重復(fù)性是有限的。

為了利用連續(xù)纖維和不連續(xù)纖維的優(yōu)勢，需要一種混合解決方案，將連續(xù)纖維放置在需要的地方，而將不連續(xù)纖維放置在較少依賴連續(xù)纖維強(qiáng)度特性的地方。9T實驗室(瑞士蘇黎世)是一家專門從事增材制造(AM)技術(shù)的公司，最近與普渡大學(xué)(美國西拉斐特，印第安納州)一起開發(fā)了一種使用增材融合技術(shù)(AFT)的混合制造技術(shù)。

9T實驗室業(yè)務(wù)開發(fā)總監(jiān)解釋說:“AFT是一種集成的復(fù)合材料制造軟件和硬件解決方案，允許大規(guī)模自動化制造復(fù)雜結(jié)構(gòu)復(fù)合材料部件。“AFT可以實現(xiàn)熱塑性復(fù)合材料部件的復(fù)雜制造，包括添加劑制造的連續(xù)纖維預(yù)成型件，以及使用不連續(xù)纖維增強(qiáng)熱塑性小板系統(tǒng)的壓縮過度成型。它的特點是具有成本競爭力的結(jié)構(gòu)特性和復(fù)合材料制造的可持續(xù)性，有助于推動零部件制造商成功實施的創(chuàng)新。”

最近，普渡大學(xué)和9T實驗室使用AFT制造了一個飛機(jī)頭頂行李箱的銷釘支架。連續(xù)纖維預(yù)制件由碳纖維增強(qiáng)的聚醚酮（PEKK）3D打印而成，纖維體積為60%，用于支架的高負(fù)荷區(qū)域，其他地方采用纖維板，纖維體積為60%的不連續(xù)碳纖維增強(qiáng)的PEKK。9T實驗室在設(shè)計連續(xù)纖維AM預(yù)制件時，考慮到了在壓縮成型過程中連續(xù)和不連續(xù)纖維的同時流動，以實現(xiàn)最終部件所需的中間結(jié)構(gòu)。

"我們開始這個項目的目標(biāo)是在如何使用材料和在哪里使用方面要有效率，"普渡大學(xué)增材制造復(fù)合材料制造和模擬中心的助理主任表示。"這種使用AM預(yù)制件的混合材料解決方案，并將其嵌入壓縮成型的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)中，是以前從未在這個項目中完成的顆粒狀規(guī)模上完成的。AM已經(jīng)解決了許多有趣的問題，但今天仍然存在局限性。將其與壓縮成型等更成熟、更有特色的制造技術(shù)相結(jié)合，具有將所產(chǎn)生的部件提升到新水平的巨大優(yōu)勢"。

混合系統(tǒng)設(shè)計

最初，9T實驗室開發(fā)了一個支架的模擬模型，以指定其操作參數(shù)，包括支架的幾何形狀和功能要求，提供研究的設(shè)計包絡(luò)。該負(fù)載案例為拓?fù)鋬?yōu)化研究提供了信息，以確定AM連續(xù)纖維增強(qiáng)PEKK預(yù)制件的位置和規(guī)格。

預(yù)制件將使用單向（UD）磁帶通過高架龍門式AM機(jī)送入構(gòu)建板上進(jìn)行添加制造。對預(yù)制件的鋪設(shè)進(jìn)行模擬，并根據(jù)成本模型進(jìn)行了優(yōu)化，確保該項目產(chǎn)生的產(chǎn)品在完成后有意義地推向市場，而不僅僅是一項昂貴的原型設(shè)計任務(wù)。

部件內(nèi)的連續(xù)纖維由熱塑性基質(zhì)（預(yù)浸料）固定，以確保纖維保持在正確的方向和位置，從而形成一個強(qiáng)大而耐用的復(fù)合材料部件。由于PEKK在以前的研究中的表現(xiàn)，9T實驗室將其確定為首選的熱塑性塑料。該實驗室之前已經(jīng)用它的膠帶形式生產(chǎn)了一個直升機(jī)支架，該支架利用了碳纖維增強(qiáng)的PEKK，它被預(yù)先切割成相當(dāng)于1-2K的弓形。

9T實驗室為銷釘支架設(shè)計了兩個加力制造的連續(xù)纖維預(yù)制件--一個用于加固底座，一個用于加固兩個垂直法蘭或 "耳朵"。該團(tuán)隊確定了纖維鋪層并生成了預(yù)制件的代碼。設(shè)計套件用相同的PEKK基體材料指定了所需的連續(xù)纖維分切帶和短纖維長絲的數(shù)量，代碼為構(gòu)建模塊創(chuàng)建了指令。

該模塊是一種開放式材料的高溫工業(yè)AM機(jī)器，它使用UD預(yù)浸料帶制造零件，并使用加熱室內(nèi)的龍門式機(jī)頭逐層放置材料。"使用1毫米寬的縫隙UD預(yù)浸料熱塑帶和全向轉(zhuǎn)向是構(gòu)建模塊的獨特之處，而加熱的材料沉積確保了連續(xù)和一致的操作。在接下來的融合過程中，這些特性也得到了保證。沉積系統(tǒng)的無限旋轉(zhuǎn)使連續(xù)的纖維股能夠沿著所需的軌跡定位。底座的有意旋轉(zhuǎn)確保了更好的纖維控制，并通過有意的摩擦提高了角落區(qū)域的印刷質(zhì)量。"9T實驗室解釋說。

9T實驗室設(shè)計了加強(qiáng)耳朵的預(yù)制件，以符合其輪廓，并利用連續(xù)纖維和非連續(xù)纖維之間的并發(fā)流動，支持耳朵和支架底座之間的交匯。底座預(yù)制件的設(shè)計使負(fù)載部分流向耳朵，提供了一個三維連續(xù)纖維路徑，將底座的安裝面與耳朵中的安裝面連接起來。

每個預(yù)制件使用12層1毫米寬的分切UD碳纖維增強(qiáng)PEKK熱塑帶，并以0.2毫米的層數(shù)在單一平面構(gòu)建方向上構(gòu)建。這種每層單一的、連續(xù)的纖維螺旋圈最大限度地提高了強(qiáng)度，最大限度地減少了制造時間。

噴嘴溫度為390°C，床層溫度為180°C，構(gòu)建時間快，在一個350×270毫米的可移動構(gòu)建板上制造多個批次。每個預(yù)制件的纖維工具路徑產(chǎn)生三個輪廓，最終壁厚為3毫米。底部預(yù)制件包含12米寬的1毫米膠帶，不需要后期處理，可以直接放入模具。耳部預(yù)制件包含8米長的1毫米寬的膠帶，在預(yù)定的位置進(jìn)行后處理。連續(xù)纖維預(yù)制件占零件總體積的17%。

此文由中國復(fù)合材料工業(yè)協(xié)會編譯，文章不用于商業(yè)目的，僅供行業(yè)人士交流，引用請注明出處。