De afgelopen jaren zijn er, zowel nationaal als internationaal, nieuwe vormtechnologieën voor met koolstofvezel versterkte thermoplastische composietproducten ontstaan. Deze technologieën omvatten automatische vezelplaatsing, ultrasoon snel consolidatiegieten, laserconsolidatiegieten, uitharden met elektronenstralen, vacuümgieten en 3D-printen. Ondanks de hoge efficiëntie, lage kosten, het lage energieverbruik en de hoge mate van automatisering die deze nieuwe vormtechnologieën bieden, spelen traditionele methoden nog steeds een belangrijke rol vanwege de huidige technologische beperkingen in koolstofvezeltoepassingen.

Thermoplastische harsen zoals PEEK, PI en PPS vertonen een sterke corrosieweerstand, schadetolerantie, slagvastheid en breuktaaiheid. Ze worden ook zachter en smelten bij verhitting, waardoor ze herhaaldelijk kunnen worden gebruikt. In combinatie met koolstofvezels met hoge sterkte zijn deze met koolstofvezels versterkte thermoplastische composieten snel populair geworden in de lucht- en ruimtevaart, het leger en hoogwaardige civiele toepassingen. In de loop van de tijd zijn er verschillende vormprocessen ontwikkeld voor koolstofvezeltoepassingen. Saxobran Nieuw materiaalCo., Ltd is gespecialiseerd in de productie van koolstofvezelcomposietproducten en heeft de voor- en nadelen van verschillende veelgebruikte en volwassen vormmethoden vergeleken.

Autoclaafvormproces

Bij autoclaafgieten wordt gebruik gemaakt van samengeperst gas op hoge temperatuur in de autoclaaf om vooraf gelegde prepregs te verwarmen en onder druk te zetten, waardoor ze in vorm worden uitgehard. Deze methode wordt veelvuldig gebruikt voor het integraal vormen van composietmaterialen op harsbasis en is van groot belang in de industriële productie. Zo wordt 80% van de met koolstofvezel versterkte thermoplastische composietconstructieonderdelen die worden gebruikt in de romp, het roer, de liften, de vleugelhuiden en de staartvinnen van vliegtuigen vervaardigd met behulp van autoclaafgieten.

Tijdens het autoclaafvormproces wordt de prepreg in een vacuümzak in de mal verzegeld, waardoor een uniforme druk van de perslucht in alle richtingen wordt gegarandeerd. De snelle stroom perslucht in de autoclaaf zorgt voor een gelijkmatige verwarming tijdens zowel de verwarmings- als de koelfase. Bovendien resulteren de stabiele druk en temperatuur in de autoclaaf in een lage porositeit en een uniforme vezelverdeling in de composietproducten. Aldus vertonen autoclaafgegoten, met koolstofvezel versterkte thermoplastische producten een uniforme druk-/warmteverdeling en een stabiele kwaliteit, waardoor deze methode geschikt is voor het produceren van grote en complexe structurele onderdelen. De nadelen zijn echter de omvangrijke en complexe apparatuur, het hoge energieverbruik, de aanzienlijke investerings- en productiekosten en de lage efficiëntie.

Compressievormproces

Compressiegieten omvat verschillende stadia, zoals het weekmaken van het materiaal, het vloeien om de vormholte te vullen en het uitharden van de hars. Tijdens de stroom van het met koolstofvezels versterkte thermoplastische composietvormmateriaal in de vormholte moeten zowel de thermoplastische hars als de versterkende koolstofvezel met hoge sterkte stromen, wat resulteert in een hogere vormdruk vergeleken met andere methoden. Dit proces vereist een hydraulische pers die in staat is tot drukregeling en zeer sterke, hoge precisie en hittebestendige metalen mallen. Wuxi Zhishang New Material maakt over het algemeen gebruik van autoclaaf- en compressievormmethoden voor de productie van met koolstofvezel versterkte thermoplastische composietproducten.

Door compressie gevormde thermoplastische, met koolstofvezels versterkte producten vertonen lage interne spanning, minimale kromtrekking, gladde oppervlakken, hoge maatnauwkeurigheid, stabiele mechanische eigenschappen, lage krimp en goede herhaalbaarheid. Deze methode is geschikt voor het vormen van grote platte producten met een hoge productie-efficiëntie en de mogelijkheid om complexe structuren in één keer te vormen, waardoor massaproductie, specialisatie en automatisering worden vergemakkelijkt. De complexiteit en hoge kosten van de matrijsproductie, de lange matrijscycli en de uitdagingen bij het bereiken van een volledige matrijsvulling zijn echter opmerkelijke nadelen bij koolstofvezeltoepassingen.

Filamentwikkelproces

Het winden van filamenten omvat het voorverwarmen van met hars geïmpregneerde continue koolstofvezels met hoge sterkte en het winden ervan op een doorn. Continue verwarming en druktoepassing consolideren de prepreg tot een uniforme structuur, waardoor de gewenste component laag voor laag wordt gevormd. Factoren zoals verwarmingstemperatuur, wikkelmethode, extrusieopening, harstemperatuur en vezelwikkelspanning hebben een directe invloed op de productkwaliteit.

Vergeleken met het autoclaafproces is het wikkelen van filamenten gunstiger voor gemechaniseerde productie en zijn aanpassingen in de sterkte van de koolstofvezels mogelijk door de wikkelpatronen te veranderen. Vanwege het onvermogen van koolstofvezels om tijdens het wikkelen stevig aan het doornoppervlak te hechten, is deze methode echter niet geschikt voor het vervaardigen van onderdelen met concave of convexe oppervlakken.

Pultrusieproces

Bij pultrusie worden koolstofvezels met hoge sterkte in hars geïmpregneerd en door een matrijs getrokken, waar ze onder druk worden gevormd en uitgehard, waardoor continue lengtes van composietproducten worden gevormd. Dit proces is geschikt voor het vervaardigen van componenten met een constante doorsnede, wat betekent dat er alleen lineaire profielen en geen complex gevormde structurele onderdelen kunnen worden geproduceerd. Bovendien is, vanwege de anisotrope eigenschappen van de producten, hun dwarssterkte beperkt, wat toepassingsbeperkingen oplevert bij met koolstofvezels versterkte producten.

Voor grootschalige productie van lineaire, met koolstofvezel versterkte thermoplastische producten biedt dit proces een hoge automatisering, een laag energieverbruik, een hoog koolstofvezelgehalte, een stabiele productkwaliteit en een laag grondstoffenverbruik. Het is een favoriete methode voor het produceren van specifieke productsoorten.

Opkomende technologieën

De afgelopen jaren zijn er wereldwijd talloze nieuwe vormtechnologieën voor koolstofvezelversterkte thermoplastische composietproducten ontstaan. Deze omvatten automatische vezelplaatsing, ultrasone snelle consolidatie, laserconsolidatie, uitharding met elektronenstralen, vacuümgeassisteerd gieten en 3D-printen. Deze nieuwe technologieën bieden een hoge efficiëntie, lage kosten, een laag energieverbruik en een hoge mate van automatisering. Gezien het huidige technologische niveau in China blijft er echter een aanzienlijke kloof bestaan ​​op het gebied van onderzoek en praktische toepassing vergeleken met de ontwikkelde landen. Traditionele vormmethoden zullen nog geruime tijd essentieel blijven voor de productie van koolstofvezelversterkte thermoplastische composietconstructieonderdelen en andere producten in koolstofvezeltoepassingen.