從多功能飛機(jī)內(nèi)飾到使用連續(xù)織物的化合物，再到回收碳纖維的日益使用，壓縮成型提供了新的機(jī)會。?

幾十年來，熱固性塑料(SMC)和熱塑性塑料(GMT和熱塑預(yù)浸料)都使用了壓縮成型，但一系列新的發(fā)展 擴(kuò)大了其覆蓋范圍，使復(fù)合材料零件能夠滿足日益增長的需求，即減少浪費(fèi)、縮短循環(huán)時間、提高多功能性和可持續(xù)性。

與之前的蜂窩/玻璃酚醛預(yù)浸料夾層相比，這種混合SMC A350門框內(nèi)襯(TRL 6)將零件成本和制造交付周期降低了50%以上。

混合SMC

正如本月的專題報道“CW 工廠之旅：復(fù)合材料技術(shù)中心”中所強(qiáng)調(diào)的那樣，SMC正在由空客和德國斯塔德的復(fù)合材料科技中心(CTC)進(jìn)行改造。目前的復(fù)合材料飛機(jī)內(nèi)部部件通常使用玻璃纖維/酚醛夾層結(jié)構(gòu)，其特點(diǎn)是飛行材料使用量低、循環(huán)時間長和大量返工/精加工。CTC希望解決這些問題，但也希望實(shí)現(xiàn)更復(fù)雜的功能，例如，集成線夾、連接接口、電路、緊固件、著色和不同表面。因此，CTC在單級壓縮成型工藝中將熱固性短纖維SMC與預(yù)浸漬、定制的連續(xù)纖維增強(qiáng)材料相結(jié)合。這與CAMISMA項目中用熱塑性材料演示的過程非常相似。

混合SMC將短纖維化合物與連續(xù)纖維預(yù)浸料和單級壓縮成型相結(jié)合，為機(jī)艙、貨物和二次結(jié)構(gòu)應(yīng)用生產(chǎn)輕質(zhì)、復(fù)雜和集成的零件

CTC研究員Marc Fette于2015年11月在加拿大阿爾伯塔省路易斯湖的一次復(fù)合材料演講和2016 年題為 “混合片材成型復(fù)合飛機(jī)部件的自動化和成本效益生產(chǎn)” 的論文中描述了混合SMC技術(shù)。（還有一篇關(guān)于新貨運(yùn)和客艙應(yīng)用的SAMPE 2016論文。）這項研究是與空中客車公司、德國漢堡拉斐特/赫爾穆特·施密特大學(xué)和德國Polynt Composites GmbH（德國米倫）合作完成的。該團(tuán)隊開發(fā)了一種用于航空航天應(yīng)用的新型阻燃SMC， Polynt在2015年6月21日至25日在德國柏林舉行的 第15屆歐洲材料阻燃和保護(hù)會議上發(fā)表了該產(chǎn)品。該材料通過了空中客車運(yùn)營有限公司（德國漢堡）的鑒定， 并作為CTC開發(fā)混合SMC的基礎(chǔ)。CTC討論了兩種SMC產(chǎn)品的測試結(jié)果：用短切玻 璃纖維增強(qiáng)的HUP 63/25GF和使用碳纖維的HUP 27/25CF。這兩種產(chǎn)品均采用不飽和聚酯樹脂制成，滿足飛機(jī)內(nèi)部的火焰、煙霧和毒性(FST- flame, smoke and toxicity)要求。在混合SMC部件中，通過沿高負(fù)載路徑放置預(yù)浸漬的連續(xù)編織或單向織物來增強(qiáng)短纖維性能?；蛘?，可以使用定制纖維放置(TFP- tailored fiber placement)貼片（請參閱“定制纖維放置：批量生產(chǎn)中的最佳金屬”）。這些吸 收了主要的力，而SMC實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜的幾何形狀，包括集成肋、接口和連接點(diǎn)（例如電纜支架）以及金屬緊固件和插入件。?

短纖維SMC可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的形狀和金屬插件， 而連續(xù)的纖維增強(qiáng)材料，如預(yù)浸帶或定制纖維 放置（TFP）貼片（右），可以提高承載能力和輕質(zhì)結(jié)構(gòu)性能

混合SMC零件可以在145-155°C的壓縮成型機(jī)中在120-180秒內(nèi)固化。由此產(chǎn)生的零件實(shí)現(xiàn)了高的設(shè)計自由度和90%的高材料使用率、用于飛機(jī)應(yīng)用的相對低的材料成本以及高水平的自動化(LoA)。回收碳纖維面紗可用于SMC，正如寶馬汽車生產(chǎn)和CTC飛機(jī)內(nèi)飾和貨運(yùn)應(yīng)用所證明的那樣（見“結(jié)構(gòu)應(yīng)用回收碳纖維”）。Polynt Composites Germany和CTC還開發(fā)了用于飛機(jī)應(yīng)用的再生碳纖維SMC，Polynt將其作為再生碳產(chǎn)品進(jìn)行營銷。?

回收CF模塑化合物?

還有一種在模塑化合物中使用回收碳纖維的方法， 這種方法在世界范圍內(nèi)越來越流行。在這種方法中，廢料預(yù)浸料被切割成芯片，并形成化合物，該化合物也可 以容易地用壓縮成型機(jī)成型。我相信這項技術(shù)有很大的前景，既是一種回收復(fù)合材料制造廢物的替代方法，也是一種新的美學(xué)。從高爾夫球桿到摩托車再到高端跑車， 這種“新碳外觀”在所有產(chǎn)品中都有體現(xiàn)。

由碳纖維模塑化合物制成的零件外觀越來越受歡迎， 蘭博基尼Huracan和阿斯頓馬丁 DB11（頂部）， 在Clear Carbon Composites（左下）和Callaway Golf的RAZR-Fit車手（右下）的幫助下，David Yurman鍛造了Walt Siegel摩托車公司的Carbon Moto。注：蘭博基尼Huracan 和Callaway RAZR使用A.Schulman 的Quantam AMC 8593短切纖維/乙烯基酯化合物。阿斯頓馬丁DB11采用Polynt SMCarbon 90 CF60-12K。

就我個人而言，我認(rèn)為回收的預(yù)浸材料的外觀更令人印象深刻，主要是因?yàn)樗峁┝烁嗟纳疃?，也根?jù)切屑的方式提供了多樣性。CW在2016年國際造船商展覽會（IBEX，美國佛羅里達(dá)州坦帕市）的未來材料展上展示了這些回收的模塑化合物。我還看到了 van Wees UD和Crossply Technology BV（荷蘭蒂爾堡）的Rien van den Aker在2016年CFK Valley Stade會議（6月15-16日， 德國Stade）上的演講。他討論了UD芯片的使用，UD 芯片是將定制的預(yù)浸料坯切割成形狀的生產(chǎn)廢料，然后將其轉(zhuǎn)化為可成型材料。切屑為小于50mm乘50mm的不規(guī)則形狀，具有良好的成形性。

2016年IBEX未來材料展展出了一個由南加州大學(xué)斯特蘭德復(fù)合材料制成的手機(jī)殼和其他物品，以及一個由 121c（左）制成的滑板甲板和一個由CTC Stade的片狀SMC制成的滑雪板坯料?

南加州大學(xué)（美國加利福尼亞州洛杉磯南加州大學(xué)） 化學(xué)工程和材料科學(xué)MC Gill教授Steven Nutt博士也認(rèn)為這項技術(shù)具有巨大潛力。納特說：“作為七國集團(tuán)（當(dāng)時是八國集團(tuán)）提高材料效率和可持續(xù)制造倡議的一部分，我們通過美國國家科學(xué)基金會的撥款開始了這方面的工作?！?“該項目的任務(wù)之一是研究如何重新利用預(yù)浸料廢料。我們開始試驗(yàn)將廢料切割成芯片，然后將 其壓縮成型為類似預(yù)浸料的中間片?！盢utt和Gaurav Nilakantan在2014年CAMX上介紹了他們的工作，并發(fā) 表了 2015年的論文《航空航天預(yù)浸料和廢料的再利用和升級循環(huán)》。南加州大學(xué)的衍生產(chǎn)品121c也使用了這項技術(shù)，該公司生產(chǎn)碳纖維滑板（我可以補(bǔ)充一下，非?？岬幕澹?。納特說：“自動切割臺生成的骨架在這個過程中很容易 使用?！薄皢栴}是如何以對市場有吸引力的價格將廢料 轉(zhuǎn)化為原料化合物。我們看到的最大需求之一是如何自動化切屑過程。另一個領(lǐng)域是配料，或如何分配切屑以避免結(jié)塊并保持一致的平整度?！盢utt在面向木材行業(yè)的刨花板(OSB- oriented strand board)中看到了可能的答案?！斑@很像我們正在努力做的事情。有趣的是，這項技術(shù)的世界領(lǐng)導(dǎo)者之一是Dieffenbacher，一家在復(fù)合材料加工方面也處于領(lǐng)先地位的公司。”

A．Schulman（現(xiàn)為LyondellBasell）推出了Quantum Forged Preg，這是一種使用連續(xù)碳纖維織物的準(zhǔn)各向同性乙烯基酯（VE）模塑化合物。Quantum Forged Preg可作為三軸、雙軸或單向產(chǎn)品提供，與短切碳纖維/VE化合物相比，其抗拉強(qiáng)度提高了2-3倍，彎曲強(qiáng)度提高了30-200%。正如我在2016年CAMX回顧中所解釋的，這只是a.Schulman現(xiàn)在提供的全系列壓縮成型材料之一， 涵蓋熱固性塑料和熱塑性塑料。該公司還將于今年夏天在密歇根州海灣市開設(shè)一個新的客戶開發(fā)中心。A.Schulman工程復(fù)合材料市場開發(fā)總監(jiān)Doug Gries解釋道：“我們的想法是通過讓來自我們所有專業(yè)領(lǐng)域的代表在一個地方任職來加快客戶的產(chǎn)品開發(fā)周期。”? “因此，當(dāng)材料專家建議進(jìn)行修改時，制造資源就在那里討論這對加工的影響以及可能需要什么參數(shù)的改變?！盙ries認(rèn)為，另一個好處是，這種專業(yè)知識與材料無關(guān)。“我們提供熱固性和熱塑性塑料、SMC和大塊成型化合物，我們在注塑和壓縮成型方面也有專業(yè)知識。許多人認(rèn)為，如果沒有注塑，你就無法實(shí)現(xiàn)真正詳細(xì)的肋和精細(xì)的結(jié)構(gòu)，但我們也一直通過壓縮成型實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)?！?

END

?注：原文見，《 Compression molding: New materials and markets 》2023.3.14.

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