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了解并及时掌握热塑性复合材料制造领域
激光辅助热塑性复合材料自动铺放(LATP-AFP)技术
在基体完全固结之前,构建复合材料预成型体主要有两种纺织工艺:编织和机织。在热固性复合材料领域,编织擅长制造封闭或开放管材,纤维沿着芯模、锥形段和分支路径分布,而机织则用于生产二维织物、多层机织叠层,以及带有厚度方向增强的三维机织块体或型材。
常见的热固性应用案例包括:编织工艺用于制造包覆编织的压力容器、钓鱼竿和高尔夫球杆坯料、曲棍球杆、自行车连接件、航空导管;机织工艺则用于制造灌注成型的机身蒙皮和机翼蒙皮、三维机织的发动机或风扇预成型体,以及工业用多轴织物。
喷气发动机风扇叶片和包容结构通常被认为是编织或三维机织碳纤复材应用中要求最为严苛的案例。在批产规模下,模式是相同的:先构建纺织结构,然后进行浸渍,最后固化。
对于热塑性复合材料而言,先纺织后液体浸渍的逻辑并不适用。热塑性熔体的粘度远高于液态热固性树脂,且加工温度高。无法像处理热固性材料那样,依靠真空灌注或RTM工艺将树脂注入干态编织物或干态机织叠层中。
因此,行业采用预混的纤维-基体原料,或在加工过程中将纤维和聚合物结合,无论纺织物是在编织机还是织机上制成,随后通过加热和固结形成整体化的热塑性复合材料部件。
1⃣️实际应用的原料方案
以下分类同时适用于编织和机织两种工艺,编织用于管材和型材,机织用于织物和三维机织预成型体。在编织和机织之间的选择主要取决于几何形状和设备的匹配性,而热塑性复合材料的基体问题则是共通的。
1) 分切预浸带
将单向热塑性预浸带分切成窄条,并送入编织机,或在有条件的情况下,送入带式织机或其他专用织机。预浸带比纱线更硬,因此对张力、导纱器和设备设计的要求高于传统纺织加工。纺织预成型体随后进行加热和固结,通常使用对模模具或压机完成。
德累斯顿的Herone GmbH公开描述了将预固结的热塑性预浸带编织成近净成形多层预成型体的工艺,该工艺可在线实现无屈曲轴向增强,并通过短周期固结制成管材、管道、储罐、轴和型材。这一自动化纺织结合一步成型的思路,原则上也可扩展到以机织叠层为优选架构的应用场景。
2) 混编纱
混编纱将结构纤维与热塑性长丝混合在一束中,两者的体积分数通常相近。混编纱质地柔软,可在编织机上缠绕复杂芯模,也可在标准或改装的织机上生产机织织物,用于冲压成型、压机固结或隔膜成型。固结过程是热成型,通过施加压力并加热使聚合物熔融并原位浸渍纤维。关于混编纱热塑性复合材料制造的综述文献涵盖了编织和机织两种预成型体中的孔隙率、渗透性和工艺窗口等问题。
3) 共编织/共机织
结构纤维丝束和聚合物丝束分开喂入,在纺织机械中交织在一起。在芯模上共编织或在织机上共机织,混合过程发生在预成型体构建阶段,而非预先制成混编纱。这种方法介于混编纱和干态纺织加单独树脂之间。通过调整丝束数量可以控制纤维体积分数,均匀性取决于设备设置和纱线质量。
4) 粉末浸渍丝束
粉末浸渍丝束保持足够的柔韧性,适用于编织机和织机,同时在固结前就将基体附着在纤维上。英国Composite Braiding公司强调使用此类丝束进行自动化热塑性编织;同样的半预浸料概念也支持机织热塑性织物,供应商可提供适用于编织和机织的原料。核心思路不变:采用适合纺织的原料,然后通过加热加压进行固结。
一旦零件成型,热塑性纺织复合材料与热固性纺织复合材料在成型和连接方面的差异就显现出来。热固性材料固化后即定型,二次成型能力有限,装配通常依赖胶粘剂或紧固件,而固化周期、胶层控制和工艺认证是关键路径上的制约因素。
热塑性材料则保持热成型能力:固结后的编织件或机织壳通常可以重新加热,通过冲压或压制成型来形成翻边、局部折弯或实现装配配合,也可以与其他热塑性冲压件、加强筋或注塑成型的热塑性细节件进行包覆模塑或焊接。
基于熔融的焊接技术,可以实现管与管、管与板、板与板或混合叠层结构之间的连接,仅需数秒至数分钟即可完成,从而实现整体化结构设计和在线装配,无需等待胶粘剂固化。韧性更好的基体以及可返修性在热塑性材料中也更容易实现。
在具备相应基础设施的条件下,报废后的材料可走向造粒或纤维回收,而不是成为交联后的废料。其代价是更高的峰值加工温度以及对纺织预成型体固结质量的严格要求;其回报是固结后的加工自由度,这是热固性编织层压板和机织层压板难以比拟的。