不斷發(fā)展的加工碳纖維并將其轉(zhuǎn)化為零部件的新技術售淡，正在將創(chuàng)意轉(zhuǎn)化為創(chuàng)新。
沒有一種單一的解決方案可以增加CFRP的使用。碳纖維價格太高揖闸、大量應用的適用性不足揍堕、大批量/高速生產(chǎn)仍有難度、難以回收利用汤纸，以及改變OEM的思維模式以接受碳纖維增強塑料及其相關的生產(chǎn)要求等等衩茸，這些都是挑戰(zhàn)。然而贮泞，復合材料公司正在著手解決這些問題楞慈，行業(yè)的進步是快節(jié)奏的。以下是一些可能影響整個碳纖維增強塑料供應鏈的新的解決方案啃擦。
碳纖維的氧化
碳纖維的生產(chǎn)可以簡單概括為三個階段：氧化囊蓝、碳化和表面處理。氧化令蛉，也稱為穩(wěn)定化聚霜，使聚合物鏈交聯(lián)妖谴，使得纖維的微觀結(jié)構(gòu)和形狀在碳化階段期間得以保留驮瞧。這是一個關鍵步驟徒像，因為它需要最多的時間饭弓、精力和費用遥巴。美國的4M碳纖維公司正在將世界上第一臺用于碳纖維絲束生產(chǎn)氧化階段的等離子氧化爐商業(yè)化疼阔。預期的結(jié)果是更高的產(chǎn)量据悔、更短的生產(chǎn)計劃和更高的能源效率岳守。
據(jù)該公司介紹汇鞭，這種新氧化技術的時間不到傳統(tǒng)氧化方法的一半撇眯。4M正與全球工藝設備制造商C.A. Litzler合作開發(fā)其等離子氧化爐。根據(jù)4M的數(shù)據(jù)虱咧，這種熱爐將會更小熊榛，耗能更少，但是會比傳統(tǒng)的氧化爐產(chǎn)生更大的吞吐量腕巡。由4M的附屬RMX技術公司開發(fā)的等離子體化學玄坦，產(chǎn)生了一種利用電流體動力學加速氧化穩(wěn)定過程的高反應性過程。
4M的首席執(zhí)行官Rob Klawonn解釋了傳統(tǒng)氧化和等離子氧化的區(qū)別绘沉。“長絲暴露在熱空氣中以化學方式改變纖維煎楣。但氧分子是相當穩(wěn)定的，并且沒有機會與前體反應车伞。”他說择懂，“引入等離子體有助于激發(fā)烤箱內(nèi)部的氣氛，使其比傳統(tǒng)的暖空氣更有活性另玖，從而在更短的時間內(nèi)發(fā)生更多的氧化困曙。”不僅縮短了氧化時間表伦，而且減少了再循環(huán)供氣的需要，進一步節(jié)約了能源慷丽。
雖然4M不會透露太多關于其專有等離子體氧化工藝的細節(jié)蹦哼，但Klawonn表示該工藝可以更快地轉(zhuǎn)換前體材料，從而顯著減少纖維的處理成本要糊，并且能夠在與傳統(tǒng)碳纖維生產(chǎn)方法相同的操作范圍內(nèi)生產(chǎn)三倍的產(chǎn)品纲熏。他補充說，可以使用等離子氧化技術加工各種前驅(qū)體锄俄。
此外局劲，該工藝可以生產(chǎn)比傳統(tǒng)方法直徑加大50%的長絲。Klawonn說奶赠，“與玻璃纖維相比容握，壓縮強度往往是碳纖維的弱點。”他指出车柠，“結(jié)果是碳纖維絲束具有高壓縮性能和抗彎曲性剔氏。通過瞄準直徑加大的碳絲，這一弱點可以得到緩解竹祷，同時通過更高的產(chǎn)量降低固定成本谈跛。”
4M預計其第一個產(chǎn)品線將于2019年底上市，完全商業(yè)化生產(chǎn)定于2021年塑陵。“這一工藝主要針對大批量生產(chǎn)感憾，我們正在解決滿足市場需求的重大障礙。”Klawonn指出令花。
新型預成型工藝
Fibrtec與杜邦公司合作開發(fā)了一種用絲束更快地制造織物的方法阻桅，這將有助于實現(xiàn)大批量CFRP部件的生產(chǎn)。
美國先進復合材料制造創(chuàng)新研究所（IACMI）牽頭的一所機構(gòu)開發(fā)了一種新的碳纖維布制造工藝兼都，該工藝與傳統(tǒng)編織材料相比嫂沉，改善了織物的成形性。該項目的第一階段有望使碳纖維復合材料的生產(chǎn)更容易扮碧、更安全趟章。
該工藝由杜邦公司Fibrtec公司和普渡大學共同參與，目標是通過采用相對便宜的碳纖維/聚合物絲束預浸料和近凈成形工藝（如自動纖維鋪放）慎王，降低碳纖維增強聚合物基復合材料的制造成本蚓土。對于需要復雜形狀部件的行業(yè)來說，如汽車和其他大批量行業(yè)赖淤，這將是一個引人關注的項目蜀漆。
這種新工藝突破的關鍵是采用Fibrtec公司開發(fā)的一種柔性涂覆絲束——FibrflexTM，這種涂覆的絲束材料是部分浸漬樹脂的碳纖維/聚酰胺復合材料絲束咱旱，即碳纖維未被聚酰胺完全潤濕确丢，從而獲得比完全浸漬聚酰胺更加柔軟的絲束材料绷耍；同時采用杜邦公司的快速織物成型（RFF）技術和杜邦專有的聚酰胺樹脂，RFF工藝能夠?qū)崿F(xiàn)超快速生產(chǎn)不同方向絲束的織物蠕嫁，在加工過程中無需提拉絲束；所有這些都得到了普渡大學在建模和表征方面的支持毯盈，相關實驗剃毒、建模和仿真結(jié)果表明，這種新的成型工藝和材料技術的組合是生產(chǎn)較低成本連續(xù)纖維增強聚合物熱塑性材料的一種潛在方法搂赋。與傳統(tǒng)方法相比赘阀，該項目開發(fā)的新技術預計可減少30%的碳纖維材料浪費。
目前主流的連續(xù)纖維增強聚合物熱塑性材料成型工藝有兩種脑奠，但由于存在明顯的缺陷基公，限制了其在汽車和航空航天工業(yè)中的大批量使用。一種方法是采用干燥的碳纖維絲束編織成織物宋欺，用熱塑性樹脂薄膜將織物分層轰豆，然后加熱并壓制成復合材料。這種方法速度慢齿诞，并且碳纖維在編織過程中易斷裂產(chǎn)生導電短纖維束酸休，因此必須保證編織機和相關設備實現(xiàn)電隔離。第二種主流工藝是用熱塑性樹脂浸漬并壓平碳纖維絲束祷杈，以制造低空隙斑司、完全固化的復合帶，然后將其編織或放置并定位以形成織物但汞，再迅速固化成最終的復合材料零件宿刮。這種方法的主要問題是單向復合材料帶的處理，這種材料的剛性和脆性使其在室溫下彎曲到緊半徑時會出現(xiàn)斷裂私蕾，導致由帶材到織物的制造過程緩慢僵缺、成本高。
這種涂布的絲束材料是一種部分浸漬的碳纖維/聚酰胺復合材料絲束踩叭，由于碳纖維沒有完全被聚酰胺潤濕谤饭，因而獲得了一種比完全浸漬的材料更靈活的絲束材料。“Fibrflex預成型材料在高溫和高壓下迅速固結(jié)成無空隙的復合材料懊纳。”Fibrtec首席執(zhí)行官戴維斯說揉抵。“使用12K碳纖維，這種5毫米寬0.3毫米厚的帶很容易操作和覆蓋嗤疯，再可以通過RFF生產(chǎn)近凈形狀的部件冤今。”
該工藝消除了機織織物的另一個潛在問題：編織干纖維絲束經(jīng)常導致纖維斷裂，將短的導電碳纖維束釋放到環(huán)境中茂缚。由于這個問題戏罢，織機和設備必須是電隔離的屋谭。Fibrflex產(chǎn)品使用熱塑性護套完全包裹纖維，防止了纖維斷裂龟糕。
杜邦公司的RFF生產(chǎn)工藝利用機器人牽引裝置快速生產(chǎn)不同方向的織物桐磁，消除了在加工過程中提起牽引的需要。普渡大學進行的實驗讲岁、建模和模擬表明我擂，這種材料和工藝的結(jié)合具有生產(chǎn)成本更低的連續(xù)FRP材料的潛力，這種材料的熱塑性基體在成型過程中非常符合要求缓艳。
自動轉(zhuǎn)換流程
Seriforge使用將單向碳纖維轉(zhuǎn)換為先進復合材料預制件的自動化工藝制造了這種熱塑性模塑行李箱校摩。
許多行業(yè)仍然手工切割、堆疊和組裝碳纖維層阶淘，使它們?nèi)菀壮霈F(xiàn)排列不齊衙吩、褶皺、缺失和纖維卷曲溪窒。初創(chuàng)公司Seriforge正在將單向碳纖維轉(zhuǎn)換為可批量生產(chǎn)的先進復合材料預制件的過程實現(xiàn)自動化坤塞，這是大批量汽車行業(yè)和其他行業(yè)的夢想。
Seriforge公司使用CAD技術根據(jù)客戶的要求設計出一種復合層壓材料澈蚌，然后使用專有軟件完全自動化干燥的碳纖維層的切割尺锚、堆疊、組裝和縫合惜浅，從而形成一個3D預成型材料瘫辩，可以插入到注射工具中。其結(jié)果是高產(chǎn)量的生產(chǎn)能力——根據(jù)零件的復雜程度坛悉，每月10,000到20,000個凈形狀預制件伐厌。
自動化這個過程可以簡化將來的部分修訂將設計更改輸入到零件的CAD文件后，下游流程也會隨之更新裸影。“我們的CAD系統(tǒng)和生產(chǎn)設備從頭到尾都是集成的挣轨。”Seriforge業(yè)務開發(fā)副總裁Marco Zvanik說，“在設計起點進行的更改會自動改變整個過程轩猩。”自動化生產(chǎn)還可以記錄制造過程卷扮，創(chuàng)建歷史分析記錄。
Seriforge為單向和編織連續(xù)碳纖維預制件提供了Z軸加強均践。對于要求高纖維與樹脂比并且設計用于最大性能的部件晤锹，Seriforge使用連續(xù)纖維絲束縫合堆疊，纖維束沒有張力彤委，沒有鏈條或鎖針鞭铆，這可能導致單向纖維的X和Y層的變形，從而降低了成品層壓板的性能焦影。
Z型縫合只在需要的地方使用车遂，例如有明顯的負載模式的區(qū)域或部分有分層風險的切口封断。Zvanik說:“我們同樣的設計軟件根據(jù)零件的加載要求和加載路徑，為其開發(fā)層壓板時間表舶担。”
Zvanik說坡疼，與手工鋪層或其他標準預制方法相比，最終形成的近凈形狀預制件成本中性或更低衣陶。Seriforge目前的客戶主要集中在石油柄瑰、天然氣和娛樂市場，但公司也有幾個汽車項目正在進行中祖搓。該公司在2017年搬進了新的生產(chǎn)廠狱意，第一條生產(chǎn)線于2018年6月投入生產(chǎn)湖苞。Seriforge公司目前正在建造第二條生產(chǎn)線拯欧，并計劃在今年年底增加第三條。（文章來源于網(wǎng)絡）
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