碳纤维增强塑料的加工困境与新方法.docxVIP

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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。

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研究出发点

碳纤维增强塑料（CFRP）已被用于减轻运输结构材料的重量，改善燃料消耗。为继续扩大使用范围，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)。压制成型使用热塑性树脂作为基材，中间基材称为预浸料，纤维束在预浸料中预先浸渍树脂并半固化。RTM是一种使用三维预型件在模具中浸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）引起的变形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维的运动。RTM利用干纤维织物制成的三维预型件来解决这一问题；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的各向异性源于这种材料中的树脂有纤维增强结构，其大部分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。要实现这种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式时可能具有挑战性，因为这需要引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）

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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更短的时间内制造出具有自由形状表面的零件，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。

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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