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造车也需绣花功:一针一针“缝”出来的车用碳纤维织物
来源:中国国际复材展组委会  2018-07-18 09:16:12
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原文:http://chinacompositesexpo.com/cn/news-detail-244-6806.html       虽然业界对碳纤维在汽车行业的大规模推广应用一直心怀憧憬,但理想和现实之间仍然存在一定的差距。成本的居高不下是碳纤维无法得到普及的主要原因,这种昂贵的材料似乎只有高端汽车才消费得起

       如何解决成本的问题一直困扰着业内同仁,而来自德国杜塞尔多夫的纺织设备制造商ZSK却另辟蹊径,提出了一种名叫“精准纤维编织”(Tailerd Fiber Placement,简称TFP)的新思路。

       这种工艺可不是用来生产坐垫、仪表盘或是车门内饰之类的装饰性部件的,而是用来生产齿轮箱铸件、踏板箱(pedal box)和发动机附件支架的。不仅可以减重、增强,而且不增加成本。

       ZSK公司首席执行官Julius Sobizack表示说:“TFP公司是一种可以快速、连续地将2D预制件加工成3D零部件的低成本工艺。它释放了传统工艺对设计空间的限制,极大地减少了废料的产生,有地效促进了不同材料和热塑性树脂在同一块部件上的使用。”

       对这项工艺的未来前景,他信心满满。


       一针一针”缝“出来的碳纤维织物

       传统工艺中,纤维只能从横向和纵向两个相互垂直的方向进行编织,然后再切割成所需的形状;而在TFP工艺中,却可以根据结构强度、应力的需要,将纤维“缝制”到织物或聚合物表面,从而让它们集中出现在最需要它们的地方。ZSK方面表示,若想扩大生产规模,只需要增加织机或是增加编织头的数量就可以了。

       ZSK公司技术经理Melanie Hoerr表示说:“TFP工艺能将纤维精准地按照承力的方向进行编织,传统工艺只是生硬地把预先生产好的织物进行切割(而无视实际产品的承力需要),前者的优势在生产带有孔洞的部件时体现得尤为突出。不仅如此,TFP工艺还能够将纤维按照孔洞的形状进行编织。


       在进行拉伸测试的时候,以TFP工艺生产出的织物,可以承受高出传统织物50%的载荷。

       Hoerr补充说ZSK可以完全按照客户需求对碳纤纱进行精确地编织:“我们都知道,碳纤维复合材料在其纤维方向上能承受最大的力。而即便是当下标准的无卷曲织物(Non Crimp Fabric),也只能做到90度、+45度或是-45度几个有限方向的纤维编织。”然而,使用TFP就没有这些限制了,这就是所谓的“精准纤维编织”技术。

       “我们的织机能够以5mm-8mm的间隔将碳纤维”缝制“在织物表面,从而造就了其极佳的柔韧性,易于弯折,可以方便地在加热的模具铺平来生产3D零部件。因此我们说,TFP工艺极大地释放了产品的设计空间。”

        性能更优,废料更少

       因为传统的工艺将大多数复合材料中的纤维限制在了0度和90度两个方向,在切割成为所需形状之后,很可能在某些方向上不能满足承力的需求。出现这种问题时,人们通常会采取增加织物层数的办法对其承力能力进行靶向增强。但是这么做的后果显而易见,一,因为层数的增加导致制品变得更重;二,同样因为层数的增加导致更多切割废料的产生。这些最终都导致了成本的飙升。

       对比之下,TFP的优势就显而易见了。因为是精准编织,指哪儿编哪儿,纤维在工艺过程中不会发生位移,而且2D预制件也可以在需要的时候进行弯曲和折叠。这意味着,使用TFP工艺可以经济、高效、连续地生产3D形状复杂的碳纤维复合材料部件。同时,该工艺可以在“缝”到不同位置时根据彼时的需要对“缝”的方式、角度进行灵活地调整,这意味着2D预制件可以进行拉伸、弯曲或折叠而不会产生任何的褶皱。更进一步说,TFP工艺仅会产生1-2%的废料,与传统工艺动辄20-30%的平均废料率相比,进步相当显著。

       ZSK方面表示,尽管织机主要是为碳纤维编织物的生产而研制的,但是也同样适用于生产玻纤甚至其他纤维织物,甚至可以在对强度有要求的部位以碳纤维进行编织,在其他无要求的 部位用更廉价的玻纤进行编织,充分发挥两种纤维各自的优势。


       织机受电脑自动控制,并且拥有多个编织头,能够同步作业,提高生产效率,而且经济实惠。一台大型织机的成本也不过与汽车工业中的一套钣金模具相当。Hoerr表示说:“一个ZSK编织头1个小时可以编织1-3千克的预制件。”

       据了解,其实,TFP工艺并不是新近的产物。它在汽车工业中一直被用于在座椅和射频识别部件的天线中布线,也在航空工业中被用来生产CFRP部件。

       目前,英国公司Shape Group(碳纤维复合材料部件及其模具生产商,服务交通运输业)已经利用ZSK的纺织设备研发出一种利用热塑性纤维生产预制件的自动化生产技术。公司首席执行官Peter McCool表示说,这种混有热塑性材料和碳纤维的预制件,很容易通过热压的手段加工成净成型零部件。“可以按强度和刚度要求对纤维进行定向精准编织、几乎没有废料产生,可以在编织过程中同时混用多种纤维材料,制品设计空间得到有效释放,有了这些显而易见的优势,TFP工艺一定会成为生产预制件的优选工艺。”

       “同时,以热塑性树脂作为基体材料,还赋予了制品更高的冲击韧性。”

       Shape公司利用TFP工艺为限量版Elemental RP1跑车生产了轮罩的内衬。“它很轻,但足以抵抗跑车行驶过程中飞石的冲击。包括复杂的曲线和边边角角在内,预制件的形状与最终产品的形状几乎一致,这很难得。”

       提高了生产的效率和连续性,TFP可以帮助复合材料企业更好地面对来自金属行业的竞争。“不需要很高的启动资金、生产规模易于扩大、也不需要掌握复杂的切割技术。对于复合材料行业而言,TFP真的是一种值得尝试的工艺。






文章来源:http://chinacompositesexpo.com/cn/news-detail-244-6806.html