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如何制造碳纤维零件

在本指南中,了解制造碳纤维零件的基础知识,包括不同的碳纤维叠层、层压和成型方法,以及如何使用 3D 打印制造碳纤维模具以降低成本和节省时间。
如何制造碳纤维零件

碳纤维增强塑料等复合材料是一种用途广泛且高效的材料,推动了从航空航天到医疗保健等各个市场的创新。它们的性能优于钢、铝、木材或塑料等传统材料,并且能够制造高性能的轻质产品。

复合材料 101

复合材料是两种或多种成分的组合,其特性不同于那些单独的成分本身。工程性能通常会得到改善,例如增加的强度、效率或耐用性。复合材料由增强材料(纤维或颗粒)通过基体(聚合物、金属或陶瓷)结合在一起制成。纤维增强聚合物 (FRP) 主导市场,并推动了各行业新应用的增长。
 
其中,碳纤维是一种广泛使用的复合材料,尤其适用于飞机、赛车和自行车,因为它的强度和刚度是铝的三倍以上,但重量却轻了 40%。它由增强碳纤维与环氧树脂连接而成。纤维可以定向单织并策略性地对齐以产生相对于矢量的强度。交叉编织纤维可用于在多个向量中产生强度,它们还负责复合部件的标志性绗缝外观。将两者结合起来生产零件是很常见的。有多种类型的光纤可用,包括:
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玻璃纤维 碳纤维 芳纶纤维(凯夫拉)
最受欢迎的纤维 重量轻,抗拉和抗压强度适中 成本低,易于使用 业内最高的强度和刚度重量比(最终的拉伸、压缩和弯曲强度) 比其他纤维更昂贵 比碳纤维具有更高的抗冲击性和耐磨性 抗压强度低 难以切割或加工
树脂用于将这些纤维固定在一起并形成刚性复合材料。虽然可以使用数百种树脂,但以下是最受欢迎的树脂:
树脂 优点 缺点 养护
环氧树脂 最高的极限强度 最轻的重量 最长的保质期 最昂贵 对混合比和温度变化敏感 使用特定的硬化剂(两部分系统) 一些环氧树脂需要加热
聚酯纤维 易于使用(最受欢迎) 抗紫外线 成本最低 低强度和耐腐蚀性 用催化剂固化 (MEKP)
乙烯基酯 混合了环氧树脂的性能和聚酯的成本 最佳的耐腐蚀性、耐温性和伸长率 强度比环氧树脂低,成本比聚酯高 保质期有限 用催化剂固化 (ME

制造碳纤维零件的三种方法

制造纤维增强聚合物(例如碳纤维部件)是一种技术娴熟且劳动密集型的工艺,可用于一次性和批量生产。周期时间从 1 小时到 150 小时不等,具体取决于零件的尺寸和复杂程度。通常在 FRP 制造中,连续的直纤维在基体中连接形成单独的层,这些层逐层层压到最终部件上。复合材料的性能与层压工艺一样受到材料的影响:纤维的结合方式强烈影响部件的性能。热固性树脂与增强材料一起在工具或模具中成型,并固化形成坚固的产品。有多种层压技术可用,可分为三种主要类型:

1. 湿铺

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在湿法铺设中,纤维被切割并铺设到模具中,然后通过刷子、辊子或喷枪施加树脂。这种方法需要最多的技能来制造高质量的零件,但它也是最便宜的工作流程,对开始制作 DIY 碳纤维零件的要求最低。如果您不熟悉碳纤维零件制造并且尚未配备,我们建议您从湿法手工层压开始。

2. 预浸料层压

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通过预浸料层压,树脂被注入到前面的纤维中。预浸渍的片材冷藏保存以抑制固化。然后将层片在高压釜中在加热和压力下固化到模具中。这是一个更精确和可重复的过程,因为树脂的数量是可控的,但它也是通常用于高性能应用的最昂贵的技术。

3.树脂传递模塑(RTM)

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通过 RTM 成型,干纤维被插入一个两部分的模具中。在高压下将树脂压入型腔之前,将模具合上。它通常是自动化的,用于大批量生产。

使用 3D 打印为碳纤维零件制造创建模具

如何制造碳纤维零件
由于模具的质量直接影响最终零件的质量,因此工具制造是 FRP 制造的一个关键方面。大多数模具是由蜡、泡沫、木材、塑料或金属通过 CNC 加工或手工制作而成。虽然手动技术是高度劳动密集型的,但 CNC 加工仍然遵循复杂、耗时的工作流程——尤其是对于复杂的几何形状——而且外包通常成本高昂,交货时间长。这两种选择都需要熟练的工人,并且在设计迭代和模具调整方面几乎没有灵活性。
 
增材制造提供了一种以低成本快速生产用于制造碳纤维零件的模具和模型的解决方案。聚合物模具在制造过程中的使用不断增长。用内部打印的塑料部件代替金属工具是一种强大且具有成本效益的方法,可以缩短生产时间,同时扩大设计灵活性。工程师已经使用聚合物树脂 3D 打印部件来制造夹具和固定装置,以支持诸如细丝缠绕或自动纤维放置等方法。同样,在注塑成型、热成型或钣金成型中使用短期印刷模具来交付小批量产品。 内部桌面 3D 打印需要有限的设备并降低工作流程的复杂性。
如何制造碳纤维零件
用于制造碳纤维零件的 3D 打印模具可以降低成本并缩短交货时间。
 
对于小批量生产,工程师可以在几个小时内低成本直接打印模具,无需手工雕刻或处理CNC设备;CAM 软件、机器设置、工件夹持、工具和排屑。模具制造的劳动力和交货时间大大减少,允许快速设计迭代和零件定制。他们可以实现复杂的模具形状和精细的细节,这是传统方法难以制造的。
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虽然这种技术与强烈的固化条件无关,但其他层压工艺通常涉及更高的压力和温度

碳纤维3D打印

如何制造碳纤维零件
对将传统碳纤维部件的强度、耐用性和坚固性与 3D 打印的敏捷性、几何可能性和可重复性相结合的工作流程有着强烈的需求。因此,有许多 3D 打印公司提供碳纤维 3D 打印也就不足为奇了,目前可用的两种工艺是使用短切纤维或连续纤维进行打印。

开始使用碳纤维制造

纤维增强聚合物制造是一个令人兴奋但复杂且劳动密集型的过程。使用 3D 打印的模具和图案来制造碳纤维零件可以让企业降低工作流程的复杂性,扩大灵活性和设计机会,并降低成本和交货时间。 
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