AM強化的CM

在AM之后，預制件被交付給融合模塊。融合模塊是一臺壓縮成型機，它將預制件進行整合，并根據需要對其進行重新塑形，以便在最終部件中進行整合。

"壓縮成型很復雜，涉及多種各向異性現象，包括流動特性、熱彈性和結晶收縮、粘彈性、熱傳導，以及聚合物結晶和熔化動力學，"9T實驗室解釋說。"增加連續纖維增強預制件為制造具有復雜幾何形狀的結構優化CM部件提供了機會。然而，實現所需的機械性能是一個挑戰，取決于材料、機器和工藝參數。預制件的初始方向、不連續的纖維板和制造過程中的各向異性流動促進了最終部件的結構"。

CM工具是由H13鋼制成的，其特點是用插入物來塑造銷釘的孔和支架底部的孔。一個熱電偶井在制造過程中記錄溫度。銷釘支架的制造始于將加強銷釘支架耳朵的預制件安裝到CM工具中。接下來，安裝三個工具塊，并將底座預制件放入工具腔內。

銷釘用于定位銷釘支架底部的安裝孔，并在制造過程中用于約束連續纖維預制件的運動。預制件在成型前圍繞銷釘進行重塑，以隔離它們在最終部件中的位置。預制件的這種重塑通過使連續纖維與銷釘傳送到支架上的應用負荷對齊，提高了承載能力。

"隨著壓縮成型過程的發展，法蘭中的銷釘起到了固定連續纖維的作用，從而在底座和耳朵之間產生一個連續的纖維路徑，用于傳遞載荷，"Barocio強調說。"盡管我們在單一平面上對連續纖維預制件進行了增材制造，但我們通過將其置于模具中的不同平面，并通過預制件材料流入模具所驅動的重塑，實現了銷釘支架內的三維承載能力。這意味著該零件在盡可能減少浪費的情況下最大限度地利用了預制件，因為它們被準確地放置在結構中所需要的位置。"

碳纖維增強的PEKK被用于血小板增強的聚合物元件，消除了對材料參數的要求，以適應完全固化的兼容性。在準備好壓縮成型裝料后，安裝工具的柱塞，工具組件在強制對流爐中加熱到390℃的加工溫度。

在達到加工溫度后，工具組件轉移到熱壓機上，使成型材料流向并鞏固到工具腔中。在工具冷卻到聚合物的玻璃轉化溫度以下時，施加124巴的壓力。熱壓板被預熱到220°C，以降低冷卻速度，并使聚合物的結晶性得到發展。脫模是在150°C下進行的。

連續碳纖維增強的PEKK銷托架是根據零件的結構性能設計的，但也是由壓縮成型過程中形成的流動條件決定的。當進入固結階段時，它將預制件的最終形狀和性能特性匯集在一起，因為它將在最終產品中表現出來。

銷釘支架的改進

最終的增材制造銷支架重31.5克，預制件占總重量的17%(5.4克)，其余83%(26.6克)的總體積是短的不連續CM纖維片。9T實驗室制造了6個碳纖維增強PEKK銷支架，使用連續纖維預制件和血小板，以及僅使用血小板制造的銷支架進行對比測試。配備100千牛頓稱重傳感器的MTS 810進行了準靜態測試。一個定制的夾具用4個扭矩為40.67納米的10-32螺釘張力加載銷支架。位移控制程序以2毫米/分鐘的速度進行，直到支架最終失效。采用數字圖像相關技術(DIC)記錄了加載過程中銷支架耳表面的應變場。

該公司觀察到，線彈性區域在用AM預制增強(混合)材料系統成型的支架中更為重要。混合材料在損傷開始時的載荷為15.67千牛頓，比純血小板材料的7.67千牛頓增加了99.6%。在承載能力單調下降之前，支架所承受的最大載荷也增加了25%，從純血小板材料的14.72千牛頓增加到混合材料支架的18.38千牛頓。

在混合材料的作用下，破壞開始時的荷載變異系數從18.19%降低到9.81%，降低了46%。在最終失效時，混合材料的載荷方差系數比純血小板材料高14.8%，比純血小板材料高7.05%。

很明顯，混合復合材料顯著增強了單由血小板材料制成的銷支架的機械性能。連續纖維預制體改善了耳和引腳支架底座之間的負載傳遞，纖維的流動和形狀/位置，將它們從平面結構轉變為3D纖維結構。

在壓縮成型過程中，連續和不連續纖維系統的同時流動驅動了連續纖維的重塑，從而達到了預期的效果，增強了銷支架的強度特性，同時也降低了它們的可變性。這些改進對這類材料的允許設計和實施產生了積極的影響。

9T實驗室和普渡大學在該項目中產生的混合材料和工藝技術為優化纖維增強熱塑性塑料在具有復雜幾何形狀的結構部件中的使用提供了巨大潛力。然而相關人士表示，有必要進行基于物理學的工藝模擬，包括連續和不連續纖維的同時流動等現象。同樣，進一步了解和優化連續和非連續纖維系統之間的接口將有利于這項技術。最后，一個預測性的模擬框架是最重要的，可以同時進行制造和性能設計，從而釋放出這項技術的全部潛力。

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