混合工艺融合连续、不连续复合材料设计(上)

碳纤维增强热塑性塑料(CFRTP)具有优异的强度重量比，这使得它们在许多行业的结构应用中具有吸引力。然而，纤维长度对于碳纤维的强度特性至关重要，并且随着纤维长度的增加，制造的复杂性也会增加。

虽然连续纤维限制了零件的几何复杂性，但它们提供了卓越的机械性能。此外，设计人员可以根据零件在使用中看到的负载条件和方向对它们进行优化。另一方面，不连续纤维提供了制造灵活性，但由于材料基本上是同质的，因此在强度和负载优化方面受到了影响。

像压缩成型(CM)这样的技术，以片状或大块成型化合物(BMC)的形式对长而不连续的纤维进行成型，为制造相对复杂的形状提供了介于连续和短纤维系统之间的中间解决方案。然而，纤维长度和性能的高差异意味着可重复性是有限的。

为了利用连续纤维和不连续纤维的优势，需要一种混合解决方案，将连续纤维放置在需要的地方，而将不连续纤维放置在较少依赖连续纤维强度特性的地方。9T实验室(瑞士苏黎世)是一家专门从事增材制造(AM)技术的公司，最近与普渡大学(美国西拉斐特，印第安纳州)一起开发了一种使用增材融合技术(AFT)的混合制造技术。

9T实验室业务开发总监解释说:“AFT是一种集成的复合材料制造软件和硬件解决方案，允许大规模自动化制造复杂结构复合材料部件。“AFT可以实现热塑性复合材料部件的复杂制造，包括添加剂制造的连续纤维预成型件，以及使用不连续纤维增强热塑性小板系统的压缩过度成型。它的特点是具有成本竞争力的结构特性和复合材料制造的可持续性，有助于推动零部件制造商成功实施的创新。”

最近，普渡大学和9T实验室使用AFT制造了一个飞机头顶行李箱的销钉支架。连续纤维预制件由碳纤维增强的聚醚酮（PEKK）3D打印而成，纤维体积为60%，用于支架的高负荷区域，其他地方采用纤维板，纤维体积为60%的不连续碳纤维增强的PEKK。9T实验室在设计连续纤维AM预制件时，考虑到了在压缩成型过程中连续和不连续纤维的同时流动，以实现最终部件所需的中间结构。

"我们开始这个项目的目标是在如何使用材料和在哪里使用方面要有效率，"普渡大学增材制造复合材料制造和模拟中心的助理主任表示。"这种使用AM预制件的混合材料解决方案，并将其嵌入压缩成型的复合材料结构中，是以前从未在这个项目中完成的颗粒状规模上完成的。AM已经解决了许多有趣的问题，但今天仍然存在局限性。将其与压缩成型等更成熟、更有特色的制造技术相结合，具有将所产生的部件提升到新水平的巨大优势"。

混合系统设计

最初，9T实验室开发了一个支架的模拟模型，以指定其操作参数，包括支架的几何形状和功能要求，提供研究的设计包络。该负载案例为拓扑优化研究提供了信息，以确定AM连续纤维增强PEKK预制件的位置和规格。

预制件将使用单向（UD）磁带通过高架龙门式AM机送入构建板上进行添加制造。对预制件的铺设进行模拟，并根据成本模型进行了优化，确保该项目产生的产品在完成后有意义地推向市场，而不仅仅是一项昂贵的原型设计任务。

部件内的连续纤维由热塑性基质（预浸料）固定，以确保纤维保持在正确的方向和位置，从而形成一个强大而耐用的复合材料部件。由于PEKK在以前的研究中的表现，9T实验室将其确定为首选的热塑性塑料。该实验室之前已经用它的胶带形式生产了一个直升机支架，该支架利用了碳纤维增强的PEKK，它被预先切割成相当于1-2K的弓形。

9T实验室为销钉支架设计了两个加力制造的连续纤维预制件--一个用于加固底座，一个用于加固两个垂直法兰或 "耳朵"。该团队确定了纤维铺层并生成了预制件的代码。设计套件用相同的PEKK基体材料指定了所需的连续纤维分切带和短纤维长丝的数量，代码为构建模块创建了指令。

该模块是一种开放式材料的高温工业AM机器，它使用UD预浸料带制造零件，并使用加热室内的龙门式机头逐层放置材料。"使用1毫米宽的缝隙UD预浸料热塑带和全向转向是构建模块的独特之处，而加热的材料沉积确保了连续和一致的操作。在接下来的融合过程中，这些特性也得到了保证。沉积系统的无限旋转使连续的纤维股能够沿着所需的轨迹定位。底座的有意旋转确保了更好的纤维控制，并通过有意的摩擦提高了角落区域的印刷质量。"9T实验室解释说。

9T实验室设计了加强耳朵的预制件，以符合其轮廓，并利用连续纤维和非连续纤维之间的并发流动，支持耳朵和支架底座之间的交汇。底座预制件的设计使负载部分流向耳朵，提供了一个三维连续纤维路径，将底座的安装面与耳朵中的安装面连接起来。

每个预制件使用12层1毫米宽的分切UD碳纤维增强PEKK热塑带，并以0.2毫米的层数在单一平面构建方向上构建。这种每层单一的、连续的纤维螺旋圈最大限度地提高了强度，最大限度地减少了制造时间。

喷嘴温度为390°C，床层温度为180°C，构建时间快，在一个350×270毫米的可移动构建板上制造多个批次。每个预制件的纤维工具路径产生三个轮廓，最终壁厚为3毫米。底部预制件包含12米宽的1毫米胶带，不需要后期处理，可以直接放入模具。耳部预制件包含8米长的1毫米宽的胶带，在预定的位置进行后处理。连续纤维预制件占零件总体积的17%。

此文由中国复合材料工业协会编译，文章不用于商业目的，仅供行业人士交流，引用请注明出处。