混合工艺融合连续、不连续复合材料设计(下）

AM强化的CM

在AM之后，预制件被交付给融合模块。融合模块是一台压缩成型机，它将预制件进行整合，并根据需要对其进行重新塑形，以便在最终部件中进行整合。

"压缩成型很复杂，涉及多种各向异性现象，包括流动特性、热弹性和结晶收缩、粘弹性、热传导，以及聚合物结晶和熔化动力学，"9T实验室解释说。"增加连续纤维增强预制件为制造具有复杂几何形状的结构优化CM部件提供了机会。然而，实现所需的机械性能是一个挑战，取决于材料、机器和工艺参数。预制件的初始方向、不连续的纤维板和制造过程中的各向异性流动促进了最终部件的结构"。

CM工具是由H13钢制成的，其特点是用插入物来塑造销钉的孔和支架底部的孔。一个热电偶井在制造过程中记录温度。销钉支架的制造始于将加强销钉支架耳朵的预制件安装到CM工具中。接下来，安装三个工具块，并将底座预制件放入工具腔内。

销钉用于定位销钉支架底部的安装孔，并在制造过程中用于约束连续纤维预制件的运动。预制件在成型前围绕销钉进行重塑，以隔离它们在最终部件中的位置。预制件的这种重塑通过使连续纤维与销钉传送到支架上的应用负荷对齐，提高了承载能力。

"随着压缩成型过程的发展，法兰中的销钉起到了固定连续纤维的作用，从而在底座和耳朵之间产生一个连续的纤维路径，用于传递载荷，"Barocio强调说。"尽管我们在单一平面上对连续纤维预制件进行了增材制造，但我们通过将其置于模具中的不同平面，并通过预制件材料流入模具所驱动的重塑，实现了销钉支架内的三维承载能力。这意味着该零件在尽可能减少浪费的情况下最大限度地利用了预制件，因为它们被准确地放置在结构中所需要的位置。"

碳纤维增强的PEKK被用于血小板增强的聚合物元件，消除了对材料参数的要求，以适应完全固化的兼容性。在准备好压缩成型装料后，安装工具的柱塞，工具组件在强制对流炉中加热到390℃的加工温度。

在达到加工温度后，工具组件转移到热压机上，使成型材料流向并巩固到工具腔中。在工具冷却到聚合物的玻璃转化温度以下时，施加124巴的压力。热压板被预热到220°C，以降低冷却速度，并使聚合物的结晶性得到发展。脱模是在150°C下进行的。

连续碳纤维增强的PEKK销托架是根据零件的结构性能设计的，但也是由压缩成型过程中形成的流动条件决定的。当进入固结阶段时，它将预制件的最终形状和性能特性汇集在一起，因为它将在最终产品中表现出来。

销钉支架的改进

最终的增材制造销支架重31.5克，预制件占总重量的17%(5.4克)，其余83%(26.6克)的总体积是短的不连续CM纤维片。9T实验室制造了6个碳纤维增强PEKK销支架，使用连续纤维预制件和血小板，以及仅使用血小板制造的销支架进行对比测试。配备100千牛顿称重传感器的MTS 810进行了准静态测试。一个定制的夹具用4个扭矩为40.67纳米的10-32螺钉张力加载销支架。位移控制程序以2毫米/分钟的速度进行，直到支架最终失效。采用数字图像相关技术(DIC)记录了加载过程中销支架耳表面的应变场。

该公司观察到，线弹性区域在用AM预制增强(混合)材料系统成型的支架中更为重要。混合材料在损伤开始时的载荷为15.67千牛顿，比纯血小板材料的7.67千牛顿增加了99.6%。在承载能力单调下降之前，支架所承受的最大载荷也增加了25%，从纯血小板材料的14.72千牛顿增加到混合材料支架的18.38千牛顿。

在混合材料的作用下，破坏开始时的荷载变异系数从18.19%降低到9.81%，降低了46%。在最终失效时，混合材料的载荷方差系数比纯血小板材料高14.8%，比纯血小板材料高7.05%。

很明显，混合复合材料显著增强了单由血小板材料制成的销支架的机械性能。连续纤维预制体改善了耳和引脚支架底座之间的负载传递，纤维的流动和形状/位置，将它们从平面结构转变为3D纤维结构。

在压缩成型过程中，连续和不连续纤维系统的同时流动驱动了连续纤维的重塑，从而达到了预期的效果，增强了销支架的强度特性，同时也降低了它们的可变性。这些改进对这类材料的允许设计和实施产生了积极的影响。

9T实验室和普渡大学在该项目中产生的混合材料和工艺技术为优化纤维增强热塑性塑料在具有复杂几何形状的结构部件中的使用提供了巨大潜力。然而相关人士表示，有必要进行基于物理学的工艺模拟，包括连续和不连续纤维的同时流动等现象。同样，进一步了解和优化连续和非连续纤维系统之间的接口将有利于这项技术。最后，一个预测性的模拟框架是最重要的，可以同时进行制造和性能设计，从而释放出这项技术的全部潜力。

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。