通过定制纤维铺放（TFP）优化碳纤维复合材料

Inside Composites与ZSK USA Inc.的技术刺绣经理Topher Anderson博士讨论了通过定制纤维铺放（TFP）优化碳纤维复合材料的机会

碳纤维复合材料制造商在努力降低成本和优化流程方面面临的主要问题是什么？

Topher Anderson：虽然碳纤维的价格近年来迅速下降，但它仍然是一种昂贵且备受追捧的材料。对于下一代节省燃料的运输，越来越多地寻求诸如高强度重量比的碳纤维复合材料特性。减少车辆，飞机或航天器的重量会在其预期寿命期间显着影响其燃料效率。碳纤维越来越多地被研究作为一些铝结构的替代品，特别是由于它的重量减轻。然而，碳纤维复合材料的高前期材料成本可以阻止潜在的用户适应。

此外，传统碳纤维复合材料的制造需要比铝更多的加工参与。

在诸如树脂传递模塑（RTM）的工艺中，例如，编织的碳纤维织物在CAD中进行描绘，按比例切割，用基质材料润湿并使其固化成形。然而，这些过程通常更加劳动密集，并且缺乏诸如金属铣削或金属板弯曲之类的竞争过程中所见的自动化。

您已经确定了TFP可以产生影响的一些特定领域，包括减少浪费。这有多少问题？

TA：许多传统碳纤维复合材料构造技术的主要材料成本之一是产生大量废料。在许多使用碳纤维编织材料的手糊工艺中，废料可以容易地占所用碳总重量的50％或更多。在用基质材料浸渍之前，当织物最初被切割时产生这种废物。在复合材料已经固化之后和在后处理步骤期间产生额外的废物，其中形状被进一步精制。

TFP的独特之处在于它能够减少废料，从而优化材料成本。通过在将丝束材料缝合成所需几何形状时控制丝束材料的路径，材料仅放置在最终预制件中所需的位置。在传统的层压板设计中必须切割的织物区域简单地保持不被缝合。由于能够符合复杂的几何形状，该过程减少了在切割机织织物时形成的初始废物以及后处理废物。

通过TFP途径创造混合碳纤维和玻璃纤维复合材料有哪些优势？

TA：传统层压工艺的另一个缺点是不能快速地改变材料的体积，从它们的组合优势中受益。TFP是一种快速有效地创建这些多材料复合材料的方法。

例如，当对零件进行结构分析时，可能会发现该零件仅需要局部刚度区域。在这种情况下，具有高刚度的碳纤维可以精确地放置在需要这种性能的部件的区域和几何形状中。用高刚性碳纤维填充整个部件是低效的，特别是当在某些位置不需要这种刚度时。因此，为了进一步降低成本，碳纤维硬化几何形状周围的区域可以用较低成本的材料填充，例如玻璃纤维。TFP允许无缝地进行这些材料转换。

设计优化怎么样？

TA：使用TFP的最大好处之一是能够精确控制每根碳纤维丝束放置在设计中的位置。这使设计人员能够进一步优化性能，减少对额外材料的需求。

例如，可以绣制复杂的碳纤维牵引路径以完全抵抗所施加的负载。通过使纤维与其主应力对齐，提供额外的机械支撑而不使用额外的材料。通过选择性地加固孔和圆形钻尖可以进一步优化。在传统的层压设计中，由于所用机织织物的正交性质，这些孔可用作裂缝传播区域。TFP可用于选择性地加强这些具有曲线图案的孔，从而减少有效的初始裂纹扩展位置。这可以允许在孔的位置处具有更薄的材料，甚至可以去除金属加强垫圈。

还有机会在本地调整厚度。有什么好处？

TA：在传统的层压板设计中，碳纤维复合材料被认为具有均匀的厚度。但是，TFP没有这样的高度限制。结合精心设计的模塑和夹具，碳纤维预制件可以在高度复杂和多变的几何形状中产生局部厚度。

可以使用TFP创建局部高度区域，以更好地抵抗特定位置的弯曲。与其他复合工艺相比，这种优化允许减少材料使用以实现相同的（如果不是改进的）块状材料特性。

循环时间如何 - 传统复合层压板制造的缺点之一可能是适当固化热固性树脂所需的长循环时间？

TA：混合纤维 - 碳纤维丝束具有直接添加到其纤维结构中的额外热塑性基质材料 - 已经被创建以减少加工时间。

这些混合材料可以与其他TFP复合材料相同的方式缝合。然而，这些预成型件也可以在加热的压机中快速热循环，以快速缩短循环处理时间。使用树脂传递模塑的传统热固性复合材料可能需要30分钟至40小时才能适当地固化和固化单件。

混合材料的TFP允许将增强纤维和基质材料放置在相同的预制件中。当预成型坯被加热时，液体基质直接分配到碳纤维中，从而允许适当的润湿。混合纤维的TFP消除了对额外树脂的需求，并且可以显着降低材料成本。另外，在混合步骤期间产生所需的纤维 - 体积分数，从而增加了批次之间复合材料的均匀性。

这些混合纤维复合材料代表了向更可持续的碳纤维复合材料迈出的一步，因为它们能够在其生命周期结束时重新熔化成新的形式。

TFP不能让生产设计迅速改变吗？

TA：是的，机器可以在早班时从生产汽车零件到下午班的运动设备无缝转移。

此外，TFP可以允许同一台机器一次生成一个原型设计，以调查过程并对其进行故障排除，而不会浪费多余材料，同时创建完整的生产运行。这种快速原型制作能力与机器快速连续运行多种不同类型和几何形状的能力相结合，可以在同一台机器上运行更多功能的项目。这样，每次生成新设计时，都可以降低设置新机器的成本。

总之，我们所讨论的六种碳纤维复合材料优化方法显示了TFP优于传统复合材料工艺的一些优势。希望这些优化方法的结合，以及降低碳纤维材料成本的趋势，将允许一类新的普遍存在且高度工程化的材料进一步改善消费者使用情况，如燃料效率。