拉擠成型的新亮點

拉擠制品卓越的可定制性和耐用性使其在形形色色的用途中獲得了越來越多的需求。市場研究公司Markets & Markets預測，從2019年到2024年，全球拉擠制品市場的復合年增長率將達4%，價值達到34億美元。

拉擠工藝起源于20世紀50年代初，用于制造具有恒定截面的FRP （纖維增強塑料）型材。70多年后，制造商和材料供應商正在探索變革這一工藝的方式。業(yè)界帶頭人于2021年4月13日至15日齊聚于美國復合材料制造者協(xié)會主辦的拉擠會議，分享拉擠行業(yè)的最新突破。在會議之前，《復合材料制造》雜志提供了在拉擠制品應用、制造和材料方面的一些發(fā)展亮點。

應用亮點：風力發(fā)電機

拉擠材料的主要優(yōu)點之一是它們在大跨度應用中的強度。這是拉擠材料成為知名風電機廠商Vestas集團專家Sascha Erbsl?h稱之為風電機結(jié)構件“首選材料”的原因之一，最顯著的應用是作為轉(zhuǎn)子葉片骨架的主梁帽。

Erbsl?h說，拉擠的碳纖維增強塑料主梁帽本質(zhì)上比那些利用更早的敞模濕鋪工藝制造的產(chǎn)品更有效。他說：“主要的優(yōu)點是，所有的纖維都位于正確的方向?！薄皬睦碚撋现v，使用敞模工藝，你也可以鋪放若干單向纖維層，但如果你浸漬所有這些纖維，總有可能產(chǎn)生皺紋。如果使用拉擠成型，幾乎可以完全避免這種現(xiàn)象?！?/p>

Erbsl?h預計，隨著風能市場的持續(xù)增長，對拉擠成型技術的需求將顯著增加。美國能源部預計，美國風電將從2020年的113.43 GW增加到2030年的224.07 GW和2050年的404.25 GW。

圖1 風力發(fā)電機葉片（來源：Composites Manufacturing）

這種增長需要另一個關鍵特征：快速制造的可重復性。這是拉擠成型的另一個明顯優(yōu)點。Erbsl?h說：“你可以用一種非?？煽氐姆绞接妙A先制造的零部件來組裝。對于最關鍵的部分，這是非常有 利的。”

能源部的報告補充說，轉(zhuǎn)子直徑的增加對提高渦輪效率發(fā)揮了重要作用。拉擠成型是制造下一代更大、更高效海上風電機轉(zhuǎn)子的關鍵技術。

此外，Erbsl?h說，制造商正在關注如何提高碳纖維增強塑料制件的防雷擊性能。雖然碳纖維增強塑料制件結(jié)構性能很好，但它們在防雷擊方面卻遇到挑戰(zhàn)?！白詈檬褂萌ＡЮw維和非導電材料?！彼f：“這無疑需要詳細的工程設計和高保真度、多物理學模擬，才能建立一個良好的防雷擊系統(tǒng)，而要確保這一點，還需要做大量的工作?！?/p>

制造亮點：輔以壓縮流動成型工藝

耐用性是拉擠制品的主要優(yōu)點，也是吸引風電制造商的原因之一。但說到耐用性，也許沒有什么用途比醫(yī)用植入物更重視耐用性了，因為植入物必須能維持終生。

瑞士連續(xù)纖維增強熱塑性塑料（CFRTP）材料供應商Suprem公司一直在推動制造技術的進步，以支持由CFRTP制成更耐用的醫(yī)療產(chǎn)品。拉擠工藝是制造抗斷裂棒材的第一步。

Suprem與其姊妹公司icotec公司密切合作，開發(fā)用于icotec壓縮流動成型（CFM）工藝的碳纖維增強聚醚醚酮（PEEK）棒。拉擠成型的碳纖維增強聚醚醚酮棒材被CFM重新成型為小于1.27 cm的醫(yī)療植入物、結(jié)構軸承和緊固件等。

熱塑性塑料似乎是這一獨特挑戰(zhàn)的理想答案，因為它們能夠提供關鍵的斷裂韌性、剛性和必須適于體內(nèi)使用的耐熱、耐濕和耐腐蝕性。這很有可能結(jié)束金屬植入物長期以來容易受到腐蝕的現(xiàn)象。例如，人工髖關節(jié)的腐蝕與金屬中毒有關，金屬中毒會導致骨組織死亡和植入物失效。

然而，拉擠熱塑性塑料面臨著一些技術挑戰(zhàn)，因為這些聚合物的粘度往往比熱固性樹脂高。例如，環(huán)氧樹脂或乙烯基酯等材料的粘度較低，它們在不干擾纖維排列和不形成空隙的情況下更容易浸漬連續(xù)纖維。

Suprem公司開發(fā)了一種工藝，可拉擠高含量的均勻分布在高粘度熱塑性塑料中的高性能纖維。Icotec公司的壓縮流動成型工藝隨后將拉擠出來的碳纖維/聚醚醚酮棒送入一個封閉的預熱腔。然后，材料被軸向傳送到模具中，并在壓力下成型。

借助這兩個工藝過程，脊柱螺釘和其他醫(yī)療緊固件可達到60%之高的纖維體積含量。相比之下，注塑件一般只含30%～40%的纖維。

圖2 用于醫(yī)學的連續(xù)纖維增強熱塑性塑料拉擠棒材

材料亮點：先進玻璃纖維

雖然碳纖維已成為許多追求強度和剛度的復合材料制造商首選的增強材料，但制造商發(fā)現(xiàn)，先進的玻璃纖維也可以滿足拉擠結(jié)構材料更高的強度要求。

歐文斯科寧公司的產(chǎn)品總監(jiān)Patrick Haller指出，提高增強材料的性能會對制件的拉伸和彎曲模量和強度產(chǎn)生重大影響。雖然許多制造商專注于調(diào)整樹脂以獲得特定的性能，但關于玻璃纖維的制造方法、進入玻璃纖維的化學物質(zhì)及其涂層的創(chuàng)新也有助于制造商獲得更強的增強材料。

Haller稱歐文斯科寧的高性能玻璃（HP玻璃）是繼E玻璃和ECR玻璃之后，在玻璃纖維增強材料方面的第三步改進。他解釋說：“真正的改進是力學性能，拉伸和彎曲方向的強度和模量比ECR玻璃高10%。耐腐蝕性也有所提高，特別是在耐堿性介質(zhì)方面?！?/p>

更高性能的玻璃纖維在確保結(jié)構部件在更長跨度（如風力渦輪機葉片）上保持其剛度和強度方面作用明顯?！霸S多拉擠制件本質(zhì)上是結(jié)構性的。它們可以是類似工字鋼、腳手架表面或者欄桿的物件。通過提高8%～12%的彈性模量，你既可以把制件做得更薄，也可以使制件的應用跨度更長，這可以減輕系統(tǒng)的重量，降低系統(tǒng)的成本，拓寬設計的靈活性，等等?！?/p>

除了提高產(chǎn)品強度外，纖維增強材料的變換也可以提高加工性能。Haller說：“我們的標準產(chǎn)品提供快速、均勻的原絲浸透效果，以減少樹脂用量和提高成型速度。在更高性能的產(chǎn)品上使用同樣的化學處理可提供同樣的成型效果。此外，通過使用新產(chǎn)品和重新設計，可減少玻璃纖維的用量，加工商將花費更少的時間為新制品設定工藝過程或更換材料?！?/p>

提高性能只是拉擠產(chǎn)品的諸多優(yōu)點之一。這里介紹的創(chuàng)新以及在2021年拉擠會議上展示的創(chuàng)新成果凸顯了拉擠技術創(chuàng)造優(yōu)質(zhì)、復雜的FRP型材的能力，這些型材具有一致、可重復的力學性能。在這個不斷增長的復合材料細分市場中的種種創(chuàng)新令人興奮。