近年來，隨著各國復(fù)合材料的技術(shù)發(fā)展，運(yùn)動產(chǎn)品的生產(chǎn)制造朝著輕量化與高性能化的方向不斷邁進(jìn)。復(fù)合材料被廣泛應(yīng)用于滑雪板、跑鞋、高爾夫球桿、網(wǎng)球拍、自行車設(shè)備等運(yùn)動器材與消費(fèi)品領(lǐng)域，制造商越來越多地利用材料的性能優(yōu)勢來創(chuàng)造更輕、更高性能的產(chǎn)品，這一趨勢將持續(xù)很久。預(yù)計(jì)到2028年，運(yùn)動器材市場將達(dá)到12億美元，2022年到2028年年復(fù)合增長率為5.9%。這表明，復(fù)合材料在運(yùn)動器材中的應(yīng)用呈增長趨勢，未來此領(lǐng)域?qū)嗤顿Y和創(chuàng)新。

9T Labs AG 是連續(xù)纖維組件批量生產(chǎn)領(lǐng)域的專家，公司專注于數(shù)字化、自動化和具有成本競爭力的組件開發(fā)，公司正在利用其Additive Fusion Technology (AFT)? 技術(shù)站在創(chuàng)新的前沿，他們的產(chǎn)品已在多個行業(yè)和應(yīng)用中證明了自身價值。例如，之前的自行車制造商通常采用熱固性復(fù)合材料來制造車架、把立、車把、座椅、曲柄、輪子等?，F(xiàn)在，AFT?能夠?qū)崿F(xiàn)熱塑性復(fù)合材料在新型自行車設(shè)計(jì)中的有效集成。該混合方法結(jié)合了增材制造和壓模成型，不僅可以提升材料性能，還能提供更好的抗沖擊性，相比熱固性材料更具有成本優(yōu)勢。這得益于高度自動化、連續(xù)纖維的優(yōu)化排列以及零廢料的生產(chǎn)模式。同時，在保證性能的前提下，使用增材制造的預(yù)成型件可以與最多含量80%的短纖維廢料（如預(yù)浸料的切割廢料）結(jié)合使用。AFT?制造方法推動了結(jié)構(gòu)件循環(huán)利用的重大進(jìn)步，這些結(jié)構(gòu)件可用于多個行業(yè)。例如，使用該工藝制造的自行車座墊由于自動化生產(chǎn)而具有了成本競爭力；同時，回收材料的使用使其更加環(huán)保；設(shè)計(jì)靈活性也得到提升，可提供更大的實(shí)用性、性能、美觀度和舒適度。

圖1. AFT 工作流程 - 包括再利用材料的支架混合制造方法

什么是AFT?？

9T Labs總部位于瑞士，他為我們展示了一種新興的連續(xù)纖維混合制造標(biāo)準(zhǔn)，這種標(biāo)準(zhǔn)在成本、重量、性能和可持續(xù)性方面可與傳統(tǒng)的減材制造和金屬加工部件競爭。AFT?是一種獨(dú)特的自動化工藝，結(jié)合了先進(jìn)的fibrify?設(shè)計(jì)套件（fDS）軟件、高精度增材制造工藝和先進(jìn)的后處理技術(shù)，提供無縫的三步解決方案，能夠高效生產(chǎn)具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)特性的高性能熱塑性復(fù)合材料零件，且具備大批量生產(chǎn)能力。

AFT?的獨(dú)特之處在于其解決了關(guān)鍵部位（如緊角度和孔周圍）的纖維變形問題。首先，fDS軟件導(dǎo)入計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）文件，優(yōu)化內(nèi)部纖維結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以確保每次都能精確地將適量的材料放置在所需之處，并提供完全的設(shè)計(jì)自由度。用戶可以根據(jù)需要決定使用連續(xù)纖維帶和短纖維材料的比例。

圖2. 9T Labs 能夠以更具競爭力的價格可持續(xù)地生產(chǎn)更輕的自行車零件

其次，鋪層/預(yù)成型模塊的機(jī)器接收來自軟件的信息，啟動增材制造過程。該平臺使用兩個材料沉積導(dǎo)軌，將熱塑性材料（如PA11、PA12、PPS、PEKK或PEEK）與單向連續(xù)纖維增強(qiáng)帶（如碳纖維、玻璃纖維、玄武巖纖維）并列放置在一個加熱室中。鋪層模塊使用1毫米到2毫米寬的單向預(yù)浸熱塑性帶和全方向引導(dǎo)系統(tǒng)。

隨后進(jìn)入到融合模塊，利用壓模成型機(jī)將預(yù)成型件進(jìn)行壓縮和固化，根據(jù)需要重新塑造連續(xù)纖維。配對金屬模具通過熱和壓力將預(yù)成型件熔合，并將其成型為最終零件，模具中的纖維體積比可高達(dá)60%。最終零件具有低空隙含量（<1%）、最大層間強(qiáng)度和重新塑形功能。

通過自動化復(fù)合材料的制造過程，AFT?能夠生產(chǎn)幾何形狀復(fù)雜、高強(qiáng)度的部件，且這些部件更輕、成本更低，并提供了不含傳統(tǒng)金屬元素的零廢料解決方案。AFT?特別適合每年1,000到100,000個部件的生產(chǎn)量，是金屬和傳統(tǒng)復(fù)合材料零件的可行替代方案，甚至適用于小型復(fù)雜幾何形狀的零件。此外，AFT?可根據(jù)美學(xué)偏好定制零件，大有發(fā)展前景。

AFT?的實(shí)例

在最近的SAMPE會議上，9T Labs展示了“混合連續(xù)和不連續(xù)纖維增強(qiáng)熱塑性塑料的壓模成型以增強(qiáng)強(qiáng)度特性”，，隨后SAMPE發(fā)表了相關(guān)報告。報告指出，在壓模成型中，纖維的長度至關(guān)重要。較長的連續(xù)纖維具有優(yōu)異的機(jī)械性能，但缺乏在復(fù)雜幾何結(jié)構(gòu)中所需的靈活性。不連續(xù)纖維在處理復(fù)雜幾何結(jié)構(gòu)時非常有用，但強(qiáng)度不足。然而，在生產(chǎn)中將兩者結(jié)合可以同時獲得兩方面的優(yōu)勢：當(dāng)使用較長不連續(xù)纖維板材和連續(xù)纖維預(yù)成型件進(jìn)行壓模成型時，強(qiáng)度得到增強(qiáng)，強(qiáng)度的可變性也得以降低。

將這種混合方法應(yīng)用于航空行李箱艙頂銷支架的生產(chǎn)，測試表明:在損傷發(fā)生時的載荷增加了99.6%（銷支架的重量中17%由連續(xù)纖維預(yù)成型件增強(qiáng)），而失效發(fā)生時載荷的變異系數(shù)降低了46%。用連續(xù)纖維預(yù)成型件增強(qiáng)銷支架不僅使其強(qiáng)度更高，還減少了強(qiáng)度特性的可變性。

這些結(jié)果是如何實(shí)現(xiàn)的呢？連續(xù)纖維預(yù)成型件由60%體積的碳纖維增強(qiáng)聚醚酮酮（PEKK）通過AFT?工藝制成，同時使用了由60%體積碳纖維增強(qiáng)PEKK制成的纖維板材。設(shè)計(jì)考慮了連續(xù)纖維和不連續(xù)纖維的共同流動，以改進(jìn)行李艙銷支架的耳部和底座之間的載荷傳遞，同時使纖維從平面配置流動并重新塑造成三維纖維結(jié)構(gòu)。

在壓模成型過程中，連續(xù)和不連續(xù)纖維系統(tǒng)的共同流動促成了連續(xù)纖維的重新塑形。這種將連續(xù)纖維和長不連續(xù)纖維（以板材或塊狀模塑料形式）結(jié)合的混合壓模成型方法是一種有效的中間解決方案，既能發(fā)揮高端連續(xù)纖維復(fù)合材料的優(yōu)勢，又具備只有注塑工藝才能達(dá)到的可擴(kuò)展性和成本結(jié)構(gòu)。這種高強(qiáng)度、復(fù)雜幾何特征以及高產(chǎn)率的特點(diǎn)為金屬替代市場打開了全新的大門。

可持續(xù)性

雖然成本和性能是衡量產(chǎn)品成功的關(guān)鍵指標(biāo)，但其環(huán)境影響和可持續(xù)性正迅速成為各行業(yè)必須考慮的重要因素，甚至有時是法律強(qiáng)制的要求。像AFT?這樣的創(chuàng)新復(fù)合材料技術(shù)已經(jīng)在成本和性能上證明了自己的競爭力，也顯示出減少材料浪費(fèi)和二氧化碳（CO2）排放的巨大潛力。在傳統(tǒng)的纖維復(fù)合材料制造中，生產(chǎn)碳纖維和碳纖維增強(qiáng)塑料部件常常會因?yàn)榍懈?、銑削和成型碳纖維片材而產(chǎn)生大量的材料浪費(fèi)。相比之下，AFT?提供了逐層沉積碳纖維和基體材料的精確性，因而將浪費(fèi)降至最低。AFT?還具有使用回收材料的額外優(yōu)勢，可以防止產(chǎn)生塑料廢料，從而進(jìn)一步支持循環(huán)經(jīng)濟(jì)。

9T Labs最近發(fā)布了其首份可持續(xù)發(fā)展報告，提出了具體的可衡量措施，以實(shí)現(xiàn)其雄心勃勃的零廢物和減少碳排放的目標(biāo)。對于AFT?來說，環(huán)保不僅對環(huán)境有利，也對商業(yè)有益；為了展示自己的可持續(xù)性，9T Labs與瑞士西北應(yīng)用科技大學(xué)合作，對兩個項(xiàng)目進(jìn)行了生命周期分析（LCA）：一個是摩托車后懸架搖臂鏈接，另一個是航空行李艙銷支架。

之前，后懸架搖臂鏈接是通過鋁壓鑄生產(chǎn)的，二氧化碳當(dāng)量為6.67公斤。使用AFT?和回收碳纖維（rCF），其當(dāng)量可以降至6.51公斤，減少了CO2的排放。

對于行李艙銷支架，CO2減排效果更為顯著：鋁制部件的二氧化碳當(dāng)量為9.24公斤，而采用混合制造方法結(jié)合連續(xù)纖維預(yù)成型件和塊狀模塑料生產(chǎn)的部件，其CO2排放當(dāng)量僅為0.515公斤。此外，當(dāng)使用再生的連續(xù)纖維材料代替原生BMC材料時，排放當(dāng)量可進(jìn)一步降低至0.298公斤，相比最初的復(fù)合材料基準(zhǔn)減少了40%以上。在這兩個案例中，LCA顯示了在不犧牲性能或耐久性的前提下，即使使用回收材料，仍能實(shí)現(xiàn)最小化CO2排放。

未來展望

AFT?在成本、可持續(xù)性、耐用性和美觀性方面展現(xiàn)出巨大的潛力。這一創(chuàng)新技術(shù)可以應(yīng)用于多個行業(yè)。在自行車領(lǐng)域，車座首當(dāng)其沖。該技術(shù)提供的最佳材料布局、3D分段設(shè)計(jì)和先進(jìn)成型技術(shù)能夠生產(chǎn)輕量（約120克）、舒適、價格合理且外觀出色的單體碳復(fù)合材料車座（附加襯墊）。同樣地，當(dāng)應(yīng)用于摩托車等其他領(lǐng)域時，在不犧牲性能或經(jīng)濟(jì)性的情況下，此項(xiàng)技術(shù)可以減輕小型結(jié)構(gòu)部件的重量，如上所述：應(yīng)用此技術(shù)的搖臂比金屬部件輕30%，且沒有產(chǎn)生材料浪費(fèi)，同時能夠承受這些部件所需的高強(qiáng)度要求。最終，這些新進(jìn)展將有助于引領(lǐng)一個更加輕便和高性能應(yīng)用的未來。

參考資料：

[1]https://www.lucintel.com/composites-insporting-goods-market.aspx

[2] https://doi.org/10.33599/nasampe/s.23.0284