碳纖維增強(qiáng)塑料的加工困境與新方法

1研究結(jié)論前瞻碳纖維增強(qiáng)塑料（CFRP）是一種復(fù)合材料，具有很高的比強(qiáng)度，被廣泛應(yīng)用于交通和航空設(shè)備。然而，傳統(tǒng)的加工方法需要大規(guī)模的生產(chǎn)設(shè)備，或者需要憑借豐富的經(jīng)驗(yàn)才能達(dá)到較高靈活度，因此很難實(shí)現(xiàn)高效率的加工。本研究的目的是開發(fā)一種新型熱塑碳纖維復(fù)材（CFRTP）預(yù)型件成型方法，使用3D打印機(jī)進(jìn)行壓制成型。采用這種方法的優(yōu)點(diǎn)是可以在自由形態(tài)表面上形成連續(xù)的碳纖維，還能縮短制造時(shí)間，降低對(duì)操作員技能的要求。日本上智大學(xué)研究人員利用3D打印二維預(yù)型件進(jìn)行壓制成型實(shí)驗(yàn)，通過獨(dú)創(chuàng)的形狀評(píng)估方法和表面特性觀察，優(yōu)化了成型條件。在預(yù)成型制造過程中，根據(jù)L9正交陣列實(shí)驗(yàn)估計(jì)，通過將碳纖維鋪放角度設(shè)置為90°可以減少翹曲。此外，L9正交表實(shí)驗(yàn)結(jié)果和成型品表面觀察結(jié)果，壓制成型的最佳條件為加熱溫度為240°C–270°C，施加壓力1.0–1.5MPa。該研究在優(yōu)化成型條件方面取得了部分成功，但是在形狀評(píng)估方法的再現(xiàn)性仍然存在問題。2研究出發(fā)點(diǎn)CFRP構(gòu)材的量，善料。繼擴(kuò)用范圍，研究人員引入了成型周期較短的方法，如長纖維熱塑性塑料直接成型(LFT-D)和樹脂傳遞模塑(RTM)。壓制成型使用塑性樹脂作為基材，中基材稱為預(yù)浸料，纖維束在預(yù)浸料中預(yù)先浸漬樹脂并半固化。RTM是一種用三維預(yù)型件在模具中漬樹脂并固化干織物的方法。然而，這些方法會(huì)因外力（如壓制成型）引起的變而導(dǎo)致纖維局部彎曲或拉直，因?yàn)榧徔椊Y(jié)構(gòu)或樹脂限制了纖的運(yùn)動(dòng)。RTM利用纖維織物制成三維預(yù)型件來解決這一題；然而，三維預(yù)型件的制作需要大量的手工操作，這在很大程度上依賴于經(jīng)驗(yàn)和技能。CFRP的各向異種材料中的樹維增強(qiáng)構(gòu)，其大部拉伸強(qiáng)度由纖維承擔(dān)。因此，要使CFRP具有復(fù)合材料的物理特性，就必須在設(shè)計(jì)模塑材料時(shí)考慮其纖維取向。大多數(shù)CFRP產(chǎn)品都具有外殼結(jié)構(gòu)，每層纖維織物通過切割和變形形成所需的形狀。實(shí)現(xiàn)這類似于展開圖的雕刻織物結(jié)構(gòu)，在將殼體結(jié)構(gòu)壓平成平面形時(shí)可能有挑戰(zhàn)，因這需要入破壞纖維連續(xù)性的分割線。特別是對(duì)于自由形狀的表面，很難生產(chǎn)出能確保足夠比強(qiáng)度的預(yù)成型材料。本研究的目標(biāo)是建立一種由連續(xù)纖維組成的自由形態(tài)表面的成型方法，方法是采用3D打印預(yù)型件，其設(shè)計(jì)與自由形態(tài)表面展開的多邊形圖相匹配。之前的研究基于計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)和制造（CAD/CAM）系統(tǒng)，將三維形狀轉(zhuǎn)換為平面的展開方法，從而能夠生成保持纖維束連續(xù)性的展開圖。此外，通過使用熱固性CPRP（CFRTS）預(yù)浸料再現(xiàn)展開圖中的三維形狀，證實(shí)了展開圖的有效性。在這項(xiàng)研究中，使用3D打印制造的CFRTP預(yù)成型件驗(yàn)證了所建議的成型工藝的可行性，并對(duì)成型件的可成形性進(jìn)行了評(píng)估。在本研究中，研究人員重點(diǎn)關(guān)注成型和3D打印條件的優(yōu)化，并將3D打印的片狀材料稱為二維預(yù)型件。（圖1.

所提出的CFRP成型方法概述）3研究創(chuàng)新點(diǎn)研究人員所提方法有幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)。它可以在自由曲面上排列纖維，并將缺陷降至最低。它還可以根據(jù)需要設(shè)計(jì)用于自由曲面的預(yù)型件中纖維的排列。此外，在RTM中使用的三維預(yù)型件和自動(dòng)鋪帶（ATL）中，需要大型設(shè)備或經(jīng)驗(yàn)豐富的操作員來排列纖維。然而，在本研究提出的方法中，3D打印機(jī)可自動(dòng)制造預(yù)型件，因此很容易生產(chǎn)預(yù)型件。此外，當(dāng)應(yīng)用于沖壓成型時(shí)，可在比ATL更短的時(shí)間內(nèi)制具有自由形零件，且不會(huì)出現(xiàn)纖維彎曲或斷裂。在本文中，作者報(bào)告了二維預(yù)型件的制作、使用預(yù)型件的成型過程以及成型產(chǎn)品的評(píng)估結(jié)果。4研究方法4.1試驗(yàn)方法4.1.1

實(shí)驗(yàn)程序

圖1顯示了擬用方法的成型過程。目標(biāo)形狀的展開圖是用商用CAD軟件執(zhí)行的，并用3D打印機(jī)制作成二維預(yù)型件。如圖2所示，預(yù)型件在模具中成型，加熱并預(yù)熱，冷卻并脫模。最后，使用三維掃描儀測量成型產(chǎn)品，并獲得多邊形網(wǎng)格數(shù)據(jù)。測得的三維數(shù)據(jù)由多邊形頂點(diǎn)矩陣組成，可根據(jù)統(tǒng)計(jì)方法對(duì)形狀進(jìn)行評(píng)估。（圖2.

實(shí)驗(yàn)流程）4.1.2

預(yù)型件制造工藝

在預(yù)成型體制造過程中，使用了3D打印機(jī)和切片軟件。Mark2是一種FDM3D打印機(jī)，可輸出由熱塑性尼龍6和連續(xù)碳纖維組成的碳纖維熱塑性復(fù)材，而Eiger是一種切片軟件，可將材料切成具有指定材料和纖維排列的層。如圖3(a)所示，預(yù)型件由碳纖維層夾在尼龍6中間制成的三層結(jié)構(gòu)，然后用成型機(jī)成型為半圓柱形表面。每層厚度為0.125mm、碳纖維和樹脂鋪放器的鋪放角度分別從0°到90°和15°到45°調(diào)整。如圖3（b）所示。（a）預(yù)型件層數(shù)（b）預(yù)成型尺寸和纖維/基質(zhì)方向定義（圖3.用3D打印機(jī)制作預(yù)型體）4.1.3

沖壓成型工藝

將3D打印的二維預(yù)型件插入間隙為0.45mm的金屬模具中。預(yù)型件設(shè)計(jì)厚度的平均值為0.375mm，但實(shí)際上，由于3D打印過程中的熱膨脹，平均厚度約為0.4-0.5mm。然而，估算的間隙在加熱和加壓的情況下會(huì)減少，從而使最終成型產(chǎn)品的厚度約為0.3-0.4毫米。圖4顯示了模壓機(jī)的示意圖。（圖4.成型壓機(jī)）4.1.4

形狀評(píng)估流程

評(píng)估成型產(chǎn)品形狀的過程如圖5所示。為評(píng)估成型件的成型效果，計(jì)算了從圓周到中心的距離變化（圖6），并使用田口方法的信噪比（S/N比，單位dB）進(jìn)行比較。在該方法中，使用三維掃描儀測量成型產(chǎn)品的三維數(shù)據(jù)并將其轉(zhuǎn)換為多邊形頂點(diǎn)矩陣。（圖5.形狀評(píng)估流程圖）（圖6.偽半徑的計(jì)算）4.2

成型實(shí)驗(yàn)4.2.1

實(shí)驗(yàn)條件

表1列出了成型條件的四個(gè)因素的三個(gè)不同階段。實(shí)驗(yàn)按照表2所示的L9正交陣列進(jìn)行。材料放置的半圓柱面的圓周方向?yàn)?°，縱向方向?yàn)?0°。

（表1.成型條件）（表2.

L9正交陣列）4.2.2因果關(guān)系圖

由于標(biāo)的形狀為半圓柱形，因此實(shí)驗(yàn)采用前面所述的方法，根據(jù)成型產(chǎn)品的三維測量結(jié)果進(jìn)行形狀評(píng)估。圖7顯示了L9正交陣列實(shí)驗(yàn)的因子效應(yīng)圖。信噪比越高，則半圓柱體虛擬半徑

Ri

的變化越大，即成型的精度越高。溫度、壓力和纖維角度對(duì)信噪比的影響是一致的。提高加熱溫度可降低尼龍6的粘度，促進(jìn)樹脂流動(dòng)，從而改善成型性。增加壓力也會(huì)促進(jìn)樹脂在模具內(nèi)的流動(dòng)；因此，結(jié)果似乎反映了一個(gè)真實(shí)的現(xiàn)象。樹脂基體放置角度沒有影響的原因是，尼龍6在加熱到接近熔點(diǎn)時(shí)，無論角度如何，都會(huì)均勻液化。反而，纖維角度是最主要的因素。這可歸因于半圓柱表面內(nèi)外厚度的差異，這種差異導(dǎo)致樹脂在碳纖維的支撐下向內(nèi)熱收縮。如果加熱溫度高于270℃，預(yù)熱系統(tǒng)將自動(dòng)關(guān)閉，形成樹脂氣化，導(dǎo)致浸漬失敗。圖8(a)顯示的是加熱至290℃的模塑產(chǎn)品。該樹脂被燒焦并部分汽化，從而露出碳纖維。由于壓機(jī)的規(guī)格問題，在壓力高于1.5MPa時(shí)沒有獲得實(shí)驗(yàn)結(jié)果。圖8(b)顯示了具有以下特征的模塑產(chǎn)品適當(dāng)?shù)臈l件（加熱溫度：24℃，成型壓力：1MPa）。產(chǎn)品表面光滑平整。（圖7.因果關(guān)系圖）（a）條件不充分（b）充分條件下（圖8.

成型產(chǎn)品的外觀）4.2.3驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)

為了確認(rèn)實(shí)驗(yàn)的可重復(fù)性，對(duì)理論估算值和驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了比較。圖7中紅色圓圈所示的值是各控制因子的最佳水平值，這些信噪比被用來建立估算方程，15.56是L9正交表實(shí)驗(yàn)中信噪比的平均值。最佳信噪比水平為矩陣角選擇45°，而不是15°，因?yàn)?D打印機(jī)的規(guī)格允許穩(wěn)定的制造精度。最佳條件下的估計(jì)信噪比（20.42dB）是測量值的1.5倍以上，表明實(shí)驗(yàn)的再現(xiàn)性很低。要解決這個(gè)問題，有兩種方法：將所有實(shí)驗(yàn)各進(jìn)行多次，并以平均值作為測量值，或者增加需要考慮的控制因素的數(shù)量。

4.3

表面觀測4.3.1

表面特性

圖9-11顯示的是用激光顯微鏡拍攝的模塑產(chǎn)品表面圖像，這些圖像是與眾不同的。成型條件見表3。圖9顯示了模塑產(chǎn)品表層的尖頭（或扇貝外觀：在使用球頭研磨機(jī)進(jìn)行三維切割時(shí)，加工表面上殘留的尖銳凹槽），這些尖頭與半圓柱形表面的垂直方向垂直，并轉(zhuǎn)移到樹脂中。測量到的尖角寬度為0.2mm，與金屬模具制造的端面銑削工藝的橫向進(jìn)給量相等，表明在這種條件下成型是可靠的。相反，圖10顯示了3D打印機(jī)層壓樹脂時(shí)噴嘴留下的路徑?？梢钥吹揭粭l寬度約為0.9mm的線，相當(dāng)于尼龍擠出物的寬度，是噴嘴移動(dòng)路徑的方向。從圖9和圖10中可以看出，在成型條件下，溫度比壓力更重要。圖11顯示了稱為造成這種成型缺陷的原因?qū)⒃诤竺娼忉尅１容^上述三種表面處理方式，圖9可以精確地模塑出目標(biāo)形狀，因此，在模塑條件下，可以轉(zhuǎn)移模具的最佳溫度。研究發(fā)現(xiàn)，240℃-270℃左右的加熱溫度是最佳溫度，這與過去的研究結(jié)果一致。（圖9.

金屬模具表面的印刷尖角）（圖10.3D打印的路徑）（圖11.

水槽痕跡）（表3.成型條件）4.3.2

去除痕跡

對(duì)造成沉痕的以下原因進(jìn)行了研究：(1)尼龍6的吸水性；(2)有碳纖維層和無碳纖維層的不同影響；(3)預(yù)成型體厚度的變化；(4)模具熱膨脹導(dǎo)致的間隙變化；(5)預(yù)成型體層之間的空氣侵入。通過對(duì)比實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，造