AM強(qiáng)化的CM

在AM之后，預(yù)制件被交付給融合模塊。融合模塊是一臺壓縮成型機(jī)，它將預(yù)制件進(jìn)行整合，并根據(jù)需要對其進(jìn)行重新塑形，以便在最終部件中進(jìn)行整合。

"壓縮成型很復(fù)雜，涉及多種各向異性現(xiàn)象，包括流動特性、熱彈性和結(jié)晶收縮、粘彈性、熱傳導(dǎo)，以及聚合物結(jié)晶和熔化動力學(xué)，"9T實驗室解釋說。"增加連續(xù)纖維增強(qiáng)預(yù)制件為制造具有復(fù)雜幾何形狀的結(jié)構(gòu)優(yōu)化CM部件提供了機(jī)會。然而，實現(xiàn)所需的機(jī)械性能是一個挑戰(zhàn)，取決于材料、機(jī)器和工藝參數(shù)。預(yù)制件的初始方向、不連續(xù)的纖維板和制造過程中的各向異性流動促進(jìn)了最終部件的結(jié)構(gòu)"。

CM工具是由H13鋼制成的，其特點是用插入物來塑造銷釘?shù)目缀椭Ъ艿撞康目住Ｒ粋€熱電偶井在制造過程中記錄溫度。銷釘支架的制造始于將加強(qiáng)銷釘支架耳朵的預(yù)制件安裝到CM工具中。接下來，安裝三個工具塊，并將底座預(yù)制件放入工具腔內(nèi)。

銷釘用于定位銷釘支架底部的安裝孔，并在制造過程中用于約束連續(xù)纖維預(yù)制件的運(yùn)動。預(yù)制件在成型前圍繞銷釘進(jìn)行重塑，以隔離它們在最終部件中的位置。預(yù)制件的這種重塑通過使連續(xù)纖維與銷釘傳送到支架上的應(yīng)用負(fù)荷對齊，提高了承載能力。

"隨著壓縮成型過程的發(fā)展，法蘭中的銷釘起到了固定連續(xù)纖維的作用，從而在底座和耳朵之間產(chǎn)生一個連續(xù)的纖維路徑，用于傳遞載荷，"Barocio強(qiáng)調(diào)說。"盡管我們在單一平面上對連續(xù)纖維預(yù)制件進(jìn)行了增材制造，但我們通過將其置于模具中的不同平面，并通過預(yù)制件材料流入模具所驅(qū)動的重塑，實現(xiàn)了銷釘支架內(nèi)的三維承載能力。這意味著該零件在盡可能減少浪費(fèi)的情況下最大限度地利用了預(yù)制件，因為它們被準(zhǔn)確地放置在結(jié)構(gòu)中所需要的位置。"

碳纖維增強(qiáng)的PEKK被用于血小板增強(qiáng)的聚合物元件，消除了對材料參數(shù)的要求，以適應(yīng)完全固化的兼容性。在準(zhǔn)備好壓縮成型裝料后，安裝工具的柱塞，工具組件在強(qiáng)制對流爐中加熱到390℃的加工溫度。

在達(dá)到加工溫度后，工具組件轉(zhuǎn)移到熱壓機(jī)上，使成型材料流向并鞏固到工具腔中。在工具冷卻到聚合物的玻璃轉(zhuǎn)化溫度以下時，施加124巴的壓力。熱壓板被預(yù)熱到220°C，以降低冷卻速度，并使聚合物的結(jié)晶性得到發(fā)展。脫模是在150°C下進(jìn)行的。

連續(xù)碳纖維增強(qiáng)的PEKK銷托架是根據(jù)零件的結(jié)構(gòu)性能設(shè)計的，但也是由壓縮成型過程中形成的流動條件決定的。當(dāng)進(jìn)入固結(jié)階段時，它將預(yù)制件的最終形狀和性能特性匯集在一起，因為它將在最終產(chǎn)品中表現(xiàn)出來。

銷釘支架的改進(jìn)

最終的增材制造銷支架重31.5克，預(yù)制件占總重量的17%(5.4克)，其余83%(26.6克)的總體積是短的不連續(xù)CM纖維片。9T實驗室制造了6個碳纖維增強(qiáng)PEKK銷支架，使用連續(xù)纖維預(yù)制件和血小板，以及僅使用血小板制造的銷支架進(jìn)行對比測試。配備100千牛頓稱重傳感器的MTS 810進(jìn)行了準(zhǔn)靜態(tài)測試。一個定制的夾具用4個扭矩為40.67納米的10-32螺釘張力加載銷支架。位移控制程序以2毫米/分鐘的速度進(jìn)行，直到支架最終失效。采用數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)(DIC)記錄了加載過程中銷支架耳表面的應(yīng)變場。

該公司觀察到，線彈性區(qū)域在用AM預(yù)制增強(qiáng)(混合)材料系統(tǒng)成型的支架中更為重要。混合材料在損傷開始時的載荷為15.67千牛頓，比純血小板材料的7.67千牛頓增加了99.6%。在承載能力單調(diào)下降之前，支架所承受的最大載荷也增加了25%，從純血小板材料的14.72千牛頓增加到混合材料支架的18.38千牛頓。

在混合材料的作用下，破壞開始時的荷載變異系數(shù)從18.19%降低到9.81%，降低了46%。在最終失效時，混合材料的載荷方差系數(shù)比純血小板材料高14.8%，比純血小板材料高7.05%。

很明顯，混合復(fù)合材料顯著增強(qiáng)了單由血小板材料制成的銷支架的機(jī)械性能。連續(xù)纖維預(yù)制體改善了耳和引腳支架底座之間的負(fù)載傳遞，纖維的流動和形狀/位置，將它們從平面結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)?/span>3D纖維結(jié)構(gòu)。

在壓縮成型過程中，連續(xù)和不連續(xù)纖維系統(tǒng)的同時流動驅(qū)動了連續(xù)纖維的重塑，從而達(dá)到了預(yù)期的效果，增強(qiáng)了銷支架的強(qiáng)度特性，同時也降低了它們的可變性。這些改進(jìn)對這類材料的允許設(shè)計和實施產(chǎn)生了積極的影響。

9T實驗室和普渡大學(xué)在該項目中產(chǎn)生的混合材料和工藝技術(shù)為優(yōu)化纖維增強(qiáng)熱塑性塑料在具有復(fù)雜幾何形狀的結(jié)構(gòu)部件中的使用提供了巨大潛力。然而相關(guān)人士表示，有必要進(jìn)行基于物理學(xué)的工藝模擬，包括連續(xù)和不連續(xù)纖維的同時流動等現(xiàn)象。同樣，進(jìn)一步了解和優(yōu)化連續(xù)和非連續(xù)纖維系統(tǒng)之間的接口將有利于這項技術(shù)。最后，一個預(yù)測性的模擬框架是最重要的，可以同時進(jìn)行制造和性能設(shè)計，從而釋放出這項技術(shù)的全部潛力。

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