碳纤维增强塑料的加工困境与新方法

1研究结论前瞻碳纤维增强塑料（CFRP）是一种复合材料，具有很高的比强度，被广泛应用于交通和航空设备。然而，传统的加工方法需要大规模的生产设备，或者需要凭借丰富的经验才能达到较高灵活度，因此很难实现高效率的加工。本研究的目的是开发一种新型热塑碳纤维复材（CFRTP）预型件成型方法，使用3D打印机进行压制成型。采用这种方法的优点是可以在自由形态表面上形成连续的碳纤维，还能缩短制造时间，降低对操作员技能的要求。日本上智大学研究人员利用3D打印二维预型件进行压制成型实验，通过独创的形状评估方法和表面特性观察，优化了成型条件。在预成型制造过程中，根据L9正交阵列实验估计，通过将碳纤维铺放角度设置为90°可以减少翘曲。此外，L9正交表实验结果和成型品表面观察结果，压制成型的最佳条件为加热温度为240°C–270°C，施加压力1.0–1.5MPa。该研究在优化成型条件方面取得了部分成功，但是在形状评估方法的再现性仍然存在问题。2研究出发点CFRP构材的量，善料。继扩用范围，研究人员引入了成型周期较短的方法，如长纤维热塑性塑料直接成型(LFT-D)和树脂传递模塑(RTM)。压制成型使用塑性树脂作为基材，中基材称为预浸料，纤维束在预浸料中预先浸渍树脂并半固化。RTM是一种用三维预型件在模具中渍树脂并固化干织物的方法。然而，这些方法会因外力（如压制成型）引起的变而导致纤维局部弯曲或拉直，因为纺织结构或树脂限制了纤的运动。RTM利用纤维织物制成三维预型件来解决这一题；然而，三维预型件的制作需要大量的手工操作，这在很大程度上依赖于经验和技能。CFRP的各向异种材料中的树维增强构，其大部拉伸强度由纤维承担。因此，要使CFRP具有复合材料的物理特性，就必须在设计模塑材料时考虑其纤维取向。大多数CFRP产品都具有外壳结构，每层纤维织物通过切割和变形形成所需的形状。实现这类似于展开图的雕刻织物结构，在将壳体结构压平成平面形时可能有挑战，因这需要入破坏纤维连续性的分割线。特别是对于自由形状的表面，很难生产出能确保足够比强度的预成型材料。本研究的目标是建立一种由连续纤维组成的自由形态表面的成型方法，方法是采用3D打印预型件，其设计与自由形态表面展开的多边形图相匹配。之前的研究基于计算机辅助设计和制造（CAD/CAM）系统，将三维形状转换为平面的展开方法，从而能够生成保持纤维束连续性的展开图。此外，通过使用热固性CPRP（CFRTS）预浸料再现展开图中的三维形状，证实了展开图的有效性。在这项研究中，使用3D打印制造的CFRTP预成型件验证了所建议的成型工艺的可行性，并对成型件的可成形性进行了评估。在本研究中，研究人员重点关注成型和3D打印条件的优化，并将3D打印的片状材料称为二维预型件。（图1.

所提出的CFRP成型方法概述）3研究创新点研究人员所提方法有几个优点。它可以在自由曲面上排列纤维，并将缺陷降至最低。它还可以根据需要设计用于自由曲面的预型件中纤维的排列。此外，在RTM中使用的三维预型件和自动铺带（ATL）中，需要大型设备或经验丰富的操作员来排列纤维。然而，在本研究提出的方法中，3D打印机可自动制造预型件，因此很容易生产预型件。此外，当应用于冲压成型时，可在比ATL更短的时间内制具有自由形零件，且不会出现纤维弯曲或断裂。在本文中，作者报告了二维预型件的制作、使用预型件的成型过程以及成型产品的评估结果。4研究方法4.1试验方法4.1.1

实验程序

图1显示了拟用方法的成型过程。目标形状的展开图是用商用CAD软件执行的，并用3D打印机制作成二维预型件。如图2所示，预型件在模具中成型，加热并预热，冷却并脱模。最后，使用三维扫描仪测量成型产品，并获得多边形网格数据。测得的三维数据由多边形顶点矩阵组成，可根据统计方法对形状进行评估。（图2.

实验流程）4.1.2

预型件制造工艺

在预成型体制造过程中，使用了3D打印机和切片软件。Mark2是一种FDM3D打印机，可输出由热塑性尼龙6和连续碳纤维组成的碳纤维热塑性复材，而Eiger是一种切片软件，可将材料切成具有指定材料和纤维排列的层。如图3(a)所示，预型件由碳纤维层夹在尼龙6中间制成的三层结构，然后用成型机成型为半圆柱形表面。每层厚度为0.125mm、碳纤维和树脂铺放器的铺放角度分别从0°到90°和15°到45°调整。如图3（b）所示。（a）预型件层数（b）预成型尺寸和纤维/基质方向定义（图3.用3D打印机制作预型体）4.1.3

冲压成型工艺

将3D打印的二维预型件插入间隙为0.45mm的金属模具中。预型件设计厚度的平均值为0.375mm，但实际上，由于3D打印过程中的热膨胀，平均厚度约为0.4-0.5mm。然而，估算的间隙在加热和加压的情况下会减少，从而使最终成型产品的厚度约为0.3-0.4毫米。图4显示了模压机的示意图。（图4.成型压机）4.1.4

形状评估流程

评估成型产品形状的过程如图5所示。为评估成型件的成型效果，计算了从圆周到中心的距离变化（图6），并使用田口方法的信噪比（S/N比，单位dB）进行比较。在该方法中，使用三维扫描仪测量成型产品的三维数据并将其转换为多边形顶点矩阵。（图5.形状评估流程图）（图6.伪半径的计算）4.2

成型实验4.2.1

实验条件

表1列出了成型条件的四个因素的三个不同阶段。实验按照表2所示的L9正交阵列进行。材料放置的半圆柱面的圆周方向为0°，纵向方向为90°。

（表1.成型条件）（表2.

L9正交阵列）4.2.2因果关系图

由于标的形状为半圆柱形，因此实验采用前面所述的方法，根据成型产品的三维测量结果进行形状评估。图7显示了L9正交阵列实验的因子效应图。信噪比越高，则半圆柱体虚拟半径

Ri

的变化越大，即成型的精度越高。温度、压力和纤维角度对信噪比的影响是一致的。提高加热温度可降低尼龙6的粘度，促进树脂流动，从而改善成型性。增加压力也会促进树脂在模具内的流动；因此，结果似乎反映了一个真实的现象。树脂基体放置角度没有影响的原因是，尼龙6在加热到接近熔点时，无论角度如何，都会均匀液化。反而，纤维角度是最主要的因素。这可归因于半圆柱表面内外厚度的差异，这种差异导致树脂在碳纤维的支撑下向内热收缩。如果加热温度高于270℃，预热系统将自动关闭，形成树脂气化，导致浸渍失败。图8(a)显示的是加热至290℃的模塑产品。该树脂被烧焦并部分汽化，从而露出碳纤维。由于压机的规格问题，在压力高于1.5MPa时没有获得实验结果。图8(b)显示了具有以下特征的模塑产品适当的条件（加热温度：24℃，成型压力：1MPa）。产品表面光滑平整。（图7.因果关系图）（a）条件不充分（b）充分条件下（图8.

成型产品的外观）4.2.3验证实验

为了确认实验的可重复性，对理论估算值和验证实验结果进行了比较。图7中红色圆圈所示的值是各控制因子的最佳水平值，这些信噪比被用来建立估算方程，15.56是L9正交表实验中信噪比的平均值。最佳信噪比水平为矩阵角选择45°，而不是15°，因为3D打印机的规格允许稳定的制造精度。最佳条件下的估计信噪比（20.42dB）是测量值的1.5倍以上，表明实验的再现性很低。要解决这个问题，有两种方法：将所有实验各进行多次，并以平均值作为测量值，或者增加需要考虑的控制因素的数量。

4.3

表面观测4.3.1

表面特性

图9-11显示的是用激光显微镜拍摄的模塑产品表面图像，这些图像是与众不同的。成型条件见表3。图9显示了模塑产品表层的尖头（或扇贝外观：在使用球头研磨机进行三维切割时，加工表面上残留的尖锐凹槽），这些尖头与半圆柱形表面的垂直方向垂直，并转移到树脂中。测量到的尖角宽度为0.2mm，与金属模具制造的端面铣削工艺的横向进给量相等，表明在这种条件下成型是可靠的。相反，图10显示了3D打印机层压树脂时喷嘴留下的路径。可以看到一条宽度约为0.9mm的线，相当于尼龙挤出物的宽度，是喷嘴移动路径的方向。从图9和图10中可以看出，在成型条件下，温度比压力更重要。图11显示了称为造成这种成型缺陷的原因将在后面解释。比较上述三种表面处理方式，图9可以精确地模塑出目标形状，因此，在模塑条件下，可以转移模具的最佳温度。研究发现，240℃-270℃左右的加热温度是最佳温度，这与过去的研究结果一致。（图9.

金属模具表面的印刷尖角）（图10.3D打印的路径）（图11.

水槽痕迹）（表3.成型条件）4.3.2

去除痕迹

对造成沉痕的以下原因进行了研究：(1)尼龙6的吸水性；(2)有碳纤维层和无碳纤维层的不同影响；(3)预成型体厚度的变化；(4)模具热膨胀导致的间隙变化；(5)预成型体层之间的空气侵入。通过对比实验发现，造