Как можно поддерживать высокий уровень производительности при изготовлении деталей из углеродного волокна по индивидуальному заказу?

2025-09-09 09:50:30

Целью переработки композитов из углеродного волокна в различные промышленные детали является использование присущих материалу высоких механических свойств для различных отраслей и областей. Однако обработка изделий из углеродного волокна – непростая задача. Выбор подходящей технологии обработки и внимание к деталям на каждом этапе производства могут максимально сохранить присущие им высокие характеристики.

Обработка и производство высокопроизводительных деталей из углеродного волокна требует тщательного управления всем процессом: от выбора материала, проектирования процесса, контроля процесса до последующей обработки. Поговорка «детали определяют успех или неудачу» особенно верна при обработке деталей из углеродного волокна. Небольшая ошибка может значительно снизить общую производительность детали из углеродного волокна. Чтобы получить высокопроизводительные детали из углеродного волокна, рассмотрите следующие ключевые шаги и технические моменты.

1. Выбор первичного и вторичного материала.

Тип углеродного волокна: выберите высокомодульное (например, M40J), высокопрочное (например, T800) или волокно с высоким удлинением (например, T1000) в зависимости от требований к производительности. Высокомодульные и высокопрочные волокна обычно используются в аэрокосмической отрасли, тогда как в спортивном оборудовании приоритетом может быть экономическая эффективность.

Типы смоляных матриц: эпоксидная смола общего назначения, высокотемпературный бисмалеимид (BMI), термопластичный полиэфирэфиркетон (PEEK) и т. д. Кроме того, должны быть подобраны характеристики смачиваемости волокна и характеристики отверждения.

Контроль препрега: Обеспечьте содержание смолы (допуск ±2%) и содержание летучих веществ (<1%), чтобы предотвратить поглощение влаги во время хранения или истечения срока годности.

Разделительный состав: выберите устойчивый к высоким температурам (например, покрытие из политетрафторэтилена) или полуперманентный разделительный состав, чтобы избежать остаточного загрязнения.

Материал сердцевины и промежуточный слой: сотовая сердцевина (номекс) и пенопластовая сердцевина (ПЭТ) требуют предварительной сушки, чтобы предотвратить образование пузырей во время отверждения.

2. Сборка и проектирование пресс-форм

Проект укладки: для углов укладки используйте изотропную укладку, чтобы сбалансировать анизотропию с 0° (направление основной нагрузки), ±45° (сопротивление сдвигу) и 90° (поперечная арматура). Для толщины укладки используйте ступенчатую или градиентную укладку, чтобы избежать концентрации напряжений, вызванной неравномерной толщиной. Анализ методом конечных элементов (FEA) также можно использовать для моделирования распределения деформации под нагрузкой и оптимизации последовательности укладки (например, использование ± 45 ° для ударопрочности внешнего слоя).

Конструкция пресс-формы: полностью учитывайте коэффициент теплового расширения материала пресс-формы (сталь, алюминий, композитный материал), гарантируя, что он близок к коэффициенту теплового расширения компонента из углеродного волокна, чтобы избежать деформации во время извлечения из формы. Также следует учитывать конструкцию линии разъема, чтобы обеспечить плавное извлечение из формы. Для сложных криволинейных поверхностей следует использовать модульные формы или силиконовые мягкие формы.

3. Выбор и контроль процесса формования

а. Основные процессы формования

Автоклавное формование (авиационно-космический класс): отверждение под высоким давлением (0,5-0,7 МПа) и высокой температурой (120-180°C), что приводит к пористости <1% и объемному содержанию волокон 60-65%.

Трансферное формование смолы (RTM) (автомобильные детали): литье в закрытую форму с контролируемой скоростью впрыска (для предотвращения сухих пятен) и давлением (0,3-0,6 МПа), подходящее для сложных конструкций.

Намотка пленочной нити (сосуды под давлением, трубы): точно контролируйте натяжение волокна (20–50 Н) и угол намотки (спиральная намотка ±55°).

3D-печать (быстрое прототипирование): для печати термопластом, армированным углеродным волокном (например, PA-CF), прочность межслойного соединения имеет решающее значение.

б. Управление параметрами процесса

Кривая отверждения: используйте пошаговое изменение температуры (например, предварительное отверждение 80°C → основное отверждение 120°C → постотверждение 180°C), чтобы избежать полимеризации смолы и концентрации внутренних напряжений.

Вакуум: Поддерживайте минимум -0,095 МПа, чтобы обеспечить достаточную инфильтрацию смолы и удалить пузырьки воздуха.

Равномерность давления: Поддерживайте градиент давления <5% в автоклаве, чтобы избежать локального недостаточного уплотнения.

4. Постобработка и обработка поверхности.

а. Обработка

Резка: Для предотвращения расслоения волокон используйте гидроабразивную резку (давление 400 МПа) или инструменты с алмазным покрытием.

Сверление: используйте сверло из поликристаллического алмаза (PCD) со скоростью 2000–5000 об/мин и скоростью подачи 0,01–0,05 мм/об. Полировка: Используйте наждачную бумагу из карбида кремния (зернистость 180–400) для постепенной полировки, чтобы избежать чрезмерного износа волокна.

б. Обработка поверхности

Покрытие: Устойчивое к высоким температурам полиуретановое покрытие (автомобильные детали), устойчивое к УФ-излучению покрытие (наружное оборудование).

Металлизация: вакуумное покрытие (алюминий, никель) для повышения проводимости или электромагнитного экранирования.

5. Высокопроизводительные технологии оптимизации

а. Улучшение интерфейса

Обработка поверхности волокна: плазменная обработка или проклейка (эпоксидисилан) для улучшения сцепления волокна со смолой.

Наномодификация: добавьте углеродные нанотрубки (0,5–2% по массе) или графен для повышения межслоевой прочности и проводимости.

б. Структурные инновации

Гибридное ламинирование: смешайте углеродное волокно с кевларом или стекловолокном, чтобы сбалансировать стоимость и ударопрочность.

Интегрированное формование: совместное отверждение и заливка металлических соединений (закладных компонентов из титанового сплава) во избежание механического ослабления соединений.