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專題報告

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空客和CTC重新設計SMC!SMC與預浸連續纖維增強材料相結合

幾十年來,熱固性塑料(SMC)和熱塑性塑料(GMT和熱塑性預浸料)都使用了壓縮成型,但一系列新的發展擴大了其范圍,使復合材料部件能夠滿足對減少浪費、縮短周期時間以及增加多功能性和可持續性日益增長的需求。


與以前的蜂窩/玻璃酚醛預浸料三明治相比,這款混合型SMC A350門框襯里 (TRL6) 可將零件成本和制造交貨時間降低 50% 以上混合型SMC 正如之前所強調的那樣,空客公司和德國斯塔德的復合材料技術中心(CTC)正在重新設計SMC。


目前的復合材料飛機內部部件通常使用玻璃纖維/酚醛夾層結構,其特點是購買飛行材料使用量低,高周期時間和大量返工/精加工。CTC希望解決這些問題,但也要實現更多的復雜性和功能,例如:線夾、連接接口、電路、緊固件、著色和不同表面的集成。因此,CTC在單級壓縮成型工藝中將熱固性短纖維SMC與預浸漬的定制連續纖維增強材料相結合。這與CAMISMA項目中用熱塑性材料展示的工藝非常相似。


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混合型SMC將短纖維化合物與連續纖維預浸料和單級壓縮成型相結合,為飛機機艙,貨物和二級結構應用生產輕質,復雜和集成的零件


混合SMC技術是由CTC研究員MarcFette在2015年11月的路易斯湖復合材料(加拿大阿爾伯塔省)演示和2016年題為“混合薄板成型復合飛機部件的自動化和低成本生產”的論文中描述的。這項研究是與空客、LaFT/Helmut-Schmidt-University(漢堡, 德國)和Polynt Composites Germany GmbH (Miehlen, 德國)合作完成的。


該團隊開發了一種用于航空航天應用的新型阻燃SMC,并于2015年6月21日至25日在德國柏林舉行的第15屆歐洲材料阻燃與保護會議(FRPM15)上發布。該材料通過了空中客車運營有限公司(德國漢堡)的認證,并作為CTC開發混合動力SMC的基礎。


CTC討論了兩種SMC產品的測試結果:用短切玻璃纖維增強的HUP 63/25 GF和用碳纖維增強的HUP 27/25 CF。這兩種產品都采用不飽和聚酯樹脂制成,符合飛機內飾的火焰、煙霧和毒性(FST)要求。在混合SMC部件中,通過沿高負載路徑放置預浸漬的連續編織或單向織物來增強短纖維性能。另外,還可以使用定制纖維放置(TFP)補丁。這些可以吸收主要的力量,而SMC可以實現復雜的幾何結構,包括集成肋、接口和連接點(例如電纜支架)以及金屬緊固件和插入件。


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短纖維SMC可以實現復雜形狀和金屬插入,而連續纖維增強,如預浸帶或定制纖維放置(TFP)補丁(右),可以提高承重能力和輕質結構性能

混合SMC部件可以在壓縮模壓機中在145-155°C下在120-180秒內固化。由此產生的部件實現了高設計自由度和高達90%的材料使用率,相對較低的飛機應用材料成本和較高的自動化水平(LoA)。可回收的碳纖維面紗可用于SMC,寶馬已將其用于汽車生產,CTC已將其用于飛機內飾和貨物應用。德國波利特復合材料公司和CTC還開發了用于飛機應用的再生碳纖維SMC,波利特將其作為碳產品進行銷售。


再生CF模塑化合物

還有另一種在成型化合物中使用回收碳纖維的方法正在全球范圍內獲得發展勢頭。在這種方法中,廢預浸料被切成薄片并形成一種化合物,這種化合物也可以很容易地用壓縮模壓機成型。我相信這項技術有很大的前景,無論是作為回收復合材料制造廢料的替代方法,還是作為一種新的美學。從高爾夫球桿到摩托車,再到高端跑車,這種“新碳外觀”隨處可見。


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碳纖維復合材料制成的零件外觀越來越受歡迎

回收預浸料更令人印象深刻,主要是因為它提供了更多的深度,以及基于芯片切割方式的多樣性。CW在2016年的國際未來材料展覽中展示了這些回收的成型化合物;2016年CFK谷體育場會議(6月15日至16日,德國體育場)上看到了由van威士UD和Crossply Technology BV(荷蘭蒂爾堡)的Rien van den Aker所做的演講。他討論了UD芯片的使用,將定制的預浸料坯料切割成形狀的生產廢料,然后將其轉化為可塑材料。芯片為小于50mm×50mm的不規則形狀,具有良好的成形性。

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2016年IBEX的未來材料展覽展出了一個由USC的Strand Composite制成的手機殼和其他物體,以及由121c制成的滑板甲板(左)和由CTC Stade用Flake SMC制成的滑雪板坯料

南加州大學化學工程和材料科學MC Gill教授Steven Nutt博士也看到了這項技術的巨大潛力。納特說:“作為七國集團提高材料效率和可持續制造倡議的一部分,我們通過國家科學基金會的撥款開始研究這個問題。該項目的任務之一是研究如何重用預浸料廢料。我們開始試驗將廢料切成薄片,然后將其壓縮成類似預浸料的中間薄片。”


Nutt和Gaurav Nilakantan在2014年CAMX上發表了他們的工作,并在2015年發表了論文《航空航天預浸料廢料和廢物的再利用和升級循環》。這項技術也被南加州大學剝離出來的121c公司使用,該公司生產碳纖維滑板。


Nutt說:“在這個過程中,自動切割表生成的骨架很容易使用。問題是如何將廢料轉換為對市場有吸引力的價格點,而不是原始材料化合物。我們看到的最大需求之一是如何實現芯片切割過程的自動化。另一個方面是劑量,或者如何分配芯片,以避免結塊并保持一致的平整度。”Nutt在木材工業導向刨花板(OSB)中看到了可能的答案。“這非常像我們正在嘗試做的事情。有趣的是,該技術的世界領導者之一是Dieffenbacher公司,該公司也是復合材料加工的領導者。”

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Callaway的Big Bertha Fusion司機和球道伍茲(右)高爾夫球桿使用A. Schulman的新型Forged Preg連續碳纖維SMC

連續織物化合物 

A. Schulman推出了Quantum Forged 預浸料,這是一種使用連續碳纖維織物的準各向同性乙烯酯(VE)成型化合物。


與短切碳纖維/VE化合物相比,Quantum Forged Preg可作為三軸,雙軸或單向產品,提供2-3倍的抗拉強度和30-200%的柔性強度。這只是A. Schulman現在提供的一系列壓縮成型材料中的一種,涵蓋熱固性和熱塑性塑料。


今年夏天,該公司還將在密歇根州的貝城開設一個新的客戶開發中心。A. Schulman的工程復合材料市場開發總監Doug Gries解釋說:“我們的想法是通過讓我們所有專業領域的代表集中在一個地方來加快客戶的產品開發周期。因此,當材料專家建議進行修改時,制造資源就會在那里討論這將如何影響加工,以及可能需要更改哪些參數。”


根據Gries的說法,另一個好處是這種專業知識是物質不可知論的。“我們提供熱固性塑料和熱塑性塑料,SMC和散裝成型化合物,我們還在注塑和壓縮成型方面擁有專業知識。許多人認為,如果沒有注塑成型,就無法實現真正細致的肋骨和精細的結構,但我們一直在通過壓縮成型實現這一點。”


來源:玻纖復材

此文由中國復合材料工業協會搜集自網絡,文章不用于商業目的,僅供行業人士交流,引用請注明出處。

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