AFT™混合制造标准：用于连续纤维的创新趋势

近年来，随着各国复合材料的技术发展，运动产品的生产制造朝着轻量化与高性能化的方向不断迈进。复合材料被广泛应用于滑雪板、跑鞋、高尔夫球杆、网球拍、自行车设备等运动器材与消费品领域，制造商越来越多地利用材料的性能优势来创造更轻、更高性能的产品，这一趋势将持续很久。预计到2028年，运动器材市场将达到12亿美元，2022年到2028年年复合增长率为5.9%。这表明，复合材料在运动器材中的应用呈增长趋势，未来此领域将会吸引更多投资和创新。

9T Labs AG 是连续纤维组件批量生产领域的专家，公司专注于数字化、自动化和具有成本竞争力的组件开发，公司正在利用其Additive Fusion Technology (AFT)™ 技术站在创新的前沿，他们的产品已在多个行业和应用中证明了自身价值。例如，之前的自行车制造商通常采用热固性复合材料来制造车架、把立、车把、座椅、曲柄、轮子等。现在，AFT™能够实现热塑性复合材料在新型自行车设计中的有效集成。该混合方法结合了增材制造和压模成型，不仅可以提升材料性能，还能提供更好的抗冲击性，相比热固性材料更具有成本优势。这得益于高度自动化、连续纤维的优化排列以及零废料的生产模式。同时，在保证性能的前提下，使用增材制造的预成型件可以与最多含量80%的短纤维废料（如预浸料的切割废料）结合使用。AFT™制造方法推动了结构件循环利用的重大进步，这些结构件可用于多个行业。例如，使用该工艺制造的自行车座垫由于自动化生产而具有了成本竞争力；同时，回收材料的使用使其更加环保；设计灵活性也得到提升，可提供更大的实用性、性能、美观度和舒适度。

图1. AFT 工作流程 - 包括再利用材料的支架混合制造方法

什么是AFT™？

9T Labs总部位于瑞士，他为我们展示了一种新兴的连续纤维混合制造标准，这种标准在成本、重量、性能和可持续性方面可与传统的减材制造和金属加工部件竞争。AFT™是一种独特的自动化工艺，结合了先进的fibrify™设计套件（fDS）软件、高精度增材制造工艺和先进的后处理技术，提供无缝的三步解决方案，能够高效生产具有复杂结构特性的高性能热塑性复合材料零件，且具备大批量生产能力。

AFT™的独特之处在于其解决了关键部位（如紧角度和孔周围）的纤维变形问题。首先，fDS软件导入计算机辅助设计（CAD）文件，优化内部纤维结构设计，以确保每次都能精确地将适量的材料放置在所需之处，并提供完全的设计自由度。用户可以根据需要决定使用连续纤维带和短纤维材料的比例。

图2. 9T Labs 能够以更具竞争力的价格可持续地生产更轻的自行车零件

其次，铺层/预成型模块的机器接收来自软件的信息，启动增材制造过程。该平台使用两个材料沉积导轨，将热塑性材料（如PA11、PA12、PPS、PEKK或PEEK）与单向连续纤维增强带（如碳纤维、玻璃纤维、玄武岩纤维）并列放置在一个加热室中。铺层模块使用1毫米到2毫米宽的单向预浸热塑性带和全方向引导系统。

随后进入到融合模块，利用压模成型机将预成型件进行压缩和固化，根据需要重新塑造连续纤维。配对金属模具通过热和压力将预成型件熔合，并将其成型为最终零件，模具中的纤维体积比可高达60%。最终零件具有低空隙含量（<1%）、最大层间强度和重新塑形功能。

通过自动化复合材料的制造过程，AFT™能够生产几何形状复杂、高强度的部件，且这些部件更轻、成本更低，并提供了不含传统金属元素的零废料解决方案。AFT™特别适合每年1,000到100,000个部件的生产量，是金属和传统复合材料零件的可行替代方案，甚至适用于小型复杂几何形状的零件。此外，AFT™可根据美学偏好定制零件，大有发展前景。

AFT™的实例

在最近的SAMPE会议上，9T Labs展示了“混合连续和不连续纤维增强热塑性塑料的压模成型以增强强度特性”，，随后SAMPE发表了相关报告。报告指出，在压模成型中，纤维的长度至关重要。较长的连续纤维具有优异的机械性能，但缺乏在复杂几何结构中所需的灵活性。不连续纤维在处理复杂几何结构时非常有用，但强度不足。然而，在生产中将两者结合可以同时获得两方面的优势：当使用较长不连续纤维板材和连续纤维预成型件进行压模成型时，强度得到增强，强度的可变性也得以降低。

将这种混合方法应用于航空行李箱舱顶销支架的生产，测试表明:在损伤发生时的载荷增加了99.6%（销支架的重量中17%由连续纤维预成型件增强），而失效发生时载荷的变异系数降低了46%。用连续纤维预成型件增强销支架不仅使其强度更高，还减少了强度特性的可变性。

这些结果是如何实现的呢？连续纤维预成型件由60%体积的碳纤维增强聚醚酮酮（PEKK）通过AFT™工艺制成，同时使用了由60%体积碳纤维增强PEKK制成的纤维板材。设计考虑了连续纤维和不连续纤维的共同流动，以改进行李舱销支架的耳部和底座之间的载荷传递，同时使纤维从平面配置流动并重新塑造成三维纤维结构。

在压模成型过程中，连续和不连续纤维系统的共同流动促成了连续纤维的重新塑形。这种将连续纤维和长不连续纤维（以板材或块状模塑料形式）结合的混合压模成型方法是一种有效的中间解决方案，既能发挥高端连续纤维复合材料的优势，又具备只有注塑工艺才能达到的可扩展性和成本结构。这种高强度、复杂几何特征以及高产率的特点为金属替代市场打开了全新的大门。

可持续性

虽然成本和性能是衡量产品成功的关键指标，但其环境影响和可持续性正迅速成为各行业必须考虑的重要因素，甚至有时是法律强制的要求。像AFT™这样的创新复合材料技术已经在成本和性能上证明了自己的竞争力，也显示出减少材料浪费和二氧化碳（CO2）排放的巨大潜力。在传统的纤维复合材料制造中，生产碳纤维和碳纤维增强塑料部件常常会因为切割、铣削和成型碳纤维片材而产生大量的材料浪费。相比之下，AFT™提供了逐层沉积碳纤维和基体材料的精确性，因而将浪费降至最低。AFT™还具有使用回收材料的额外优势，可以防止产生塑料废料，从而进一步支持循环经济。

9T Labs最近发布了其首份可持续发展报告，提出了具体的可衡量措施，以实现其雄心勃勃的零废物和减少碳排放的目标。对于AFT™来说，环保不仅对环境有利，也对商业有益；为了展示自己的可持续性，9T Labs与瑞士西北应用科技大学合作，对两个项目进行了生命周期分析（LCA）：一个是摩托车后悬架摇臂链接，另一个是航空行李舱销支架。

之前，后悬架摇臂链接是通过铝压铸生产的，二氧化碳当量为6.67公斤。使用AFT™和回收碳纤维（rCF），其当量可以降至6.51公斤，减少了CO2的排放。

对于行李舱销支架，CO2减排效果更为显著：铝制部件的二氧化碳当量为9.24公斤，而采用混合制造方法结合连续纤维预成型件和块状模塑料生产的部件，其CO2排放当量仅为0.515公斤。此外，当使用再生的连续纤维材料代替原生BMC材料时，排放当量可进一步降低至0.298公斤，相比最初的复合材料基准减少了40%以上。在这两个案例中，LCA显示了在不牺牲性能或耐久性的前提下，即使使用回收材料，仍能实现最小化CO2排放。

未来展望

AFT™在成本、可持续性、耐用性和美观性方面展现出巨大的潜力。这一创新技术可以应用于多个行业。在自行车领域，车座首当其冲。该技术提供的最佳材料布局、3D分段设计和先进成型技术能够生产轻量（约120克）、舒适、价格合理且外观出色的单体碳复合材料车座（附加衬垫）。同样地，当应用于摩托车等其他领域时，在不牺牲性能或经济性的情况下，此项技术可以减轻小型结构部件的重量，如上所述：应用此技术的摇臂比金属部件轻30%，且没有产生材料浪费，同时能够承受这些部件所需的高强度要求。最终，这些新进展将有助于引领一个更加轻便和高性能应用的未来。

参考资料：

[1]https://www.lucintel.com/composites-insporting-goods-market.aspx

[2] https://doi.org/10.33599/nasampe/s.23.0284