有機片材應(yīng)用參考

根據(jù)美國《復(fù)合材料制造》雜志2021年4月29日一篇文章的解釋，有機片材或板材（organosheets）是主要含有碳纖維或玻璃纖維織物的連續(xù)纖維增強熱塑性片材或板材。最近，有機片材已開始涵蓋范圍更廣的半成品，使其具有來自熱塑性基體（從聚丙烯、聚酰胺6到聚乙烯亞胺）和增強纖維不同紡織結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵優(yōu)點。

聚酰胺6有機片材（來源：佳斯邁威）

復(fù)合材料行業(yè)的資深人員經(jīng)常把有機片材稱為熱塑性預(yù)浸料，因為這是與用于結(jié)構(gòu)用途的連續(xù)纖維增強熱固性復(fù)合材料類比的叫法。有機片材具有強大的內(nèi)在優(yōu)點：它們含有完全聚合的熱塑性聚合物（有機材料）。與預(yù)浸料不同的是，預(yù)浸料的儲存期有限，需要冷藏和特定的庫存控制，而有機片材可以在由其所含熱塑性聚合物決定的典型溫度和相對濕度條件下長時間儲存。有機片材可以在類似于金屬板材加工的自動化過程中被切割成所需形狀、堆疊并形成整體。這種與金屬板材（通常被金屬沖壓廠商稱為坯料）的相似性在與汽車行業(yè)人員討論應(yīng)用時特別有用。

體育用品和消費品等行業(yè)很早就使用有機片材，因為這些行業(yè)的生產(chǎn)量大，要求制造周期短。這些要求也普遍存在于汽車工業(yè)中。在汽車工業(yè)中，已發(fā)現(xiàn)有機片材可用來制造形狀更加復(fù)雜的產(chǎn)品。領(lǐng)先的設(shè)備制造商已經(jīng)證明了有機片材的技術(shù)成熟度，并正在交付每年可在一條生產(chǎn)線上生產(chǎn)20多萬個制件的制造單元。

有機片材可用于熱成型、壓縮成型或混搭成型。對計劃采用有機片材進行模塑的新手來說，投運這種多功能復(fù)合材料可能比想象的更容易。以下是一些入門小貼士。

從現(xiàn)有設(shè)備開始

使用現(xiàn)有設(shè)備和模具，并聯(lián)系材料制造商，以獲得有關(guān)成型步驟和條件的指導(dǎo)（針對特別的表面質(zhì)量，還包括制模指導(dǎo)）。在成型之前，有機片材必須加熱到聚合物的熔點以上。如果沒有熱成型用的熱源，請考慮添加一個低成本的紅外線加熱器，在把有機片材置入模具之前用來預(yù)熱片材。在試驗新的熱塑性復(fù)合材料時，都要配置適當(dāng)?shù)耐L(fēng)設(shè)施。

選擇適合用途的有機片材

并非所有的有機片材都是相同的，選擇適當(dāng)?shù)呐渲脤Τ尚筒僮?、制品性能以及最終成本非常重要。有機片材的表現(xiàn)由熱塑性聚合物、增強纖維類型、紡織結(jié)構(gòu)（單向織物、機織物、無屈曲織物等）和片材的厚度所決定。一塊片材可以包含一層或多層。

一種制件所需的作業(yè)溫度和環(huán)境條件將決定對聚合物的選擇。制件的復(fù)雜性、覆模性要求和荷載要求將左右對增強材料和纖維紡織結(jié)構(gòu)的選擇。用機織物制成的有機片材具有良好的覆模性。用無屈曲織物（縫編織物）制成的有機片材允許根據(jù)荷載路徑進行更靈活的設(shè)計，并可能減輕重量，但會增加成本。

注意荷載要求

了解荷載要求對于控制材料成本和重量非常重要。如果可以使用由復(fù)雜縫編織物制成的2 mm厚有機板材或用機織物制成的較厚有機板材來應(yīng)對臨界荷載路徑，則更貴的縫編織物有機板材可能造成總體上更具成本效益和更輕重量的效果。局部使用單向帶增強的有機板材也是不錯的解決方案，并有助于平衡成本/重量關(guān)系。

進行模擬并檢驗所有假設(shè)

盡早使用模擬來優(yōu)化設(shè)計。今天，軟件供應(yīng)商可以通過專門為有機片材設(shè)計的功能來進行指導(dǎo)，使篩選變得非常易行。為了得到準(zhǔn)確的結(jié)果，了解和利用這些材料的正交各向異性（在x、y和z方向上的獨特行為）是很重要的。例如，雖然用2/2斜紋或平紋織物制成的有機片材在兩個方向（經(jīng)向和緯向）上表現(xiàn)出相似的性能，但各向同性的假設(shè)是不正確的。

Forward 工程公司的設(shè)計工程師Jiuheng Chen非常簡單地證明了這一點。如果有機片材是各向同性的，則可以使用彈性模量和泊松比按下式來計算剪切模量：E/2（1+n）=24 000/2（1+0.15）=10 435 MPa。而實際上，材料是正交各向異性的，剪切模量約為3 200 MPa，應(yīng)據(jù)此進行建模。

加入合作伙伴網(wǎng)絡(luò)

應(yīng)使用復(fù)合材料行業(yè)價值鏈中的協(xié)作環(huán)境。獲得解決方案需要對材料、工藝、設(shè)計和制造成本有一個全面的了解。一個良好的合作伙伴網(wǎng)絡(luò)有助于盡早獲得問題的答案，并集中精力尋找最可能成功的解決方案。

雖然有機片材的基本特性（重量輕、可回收、成型快和適于大批量應(yīng)用）被強調(diào)得更多，但它們被加速推廣的核心是能使大批量應(yīng)用行業(yè)更快地推出新產(chǎn)品、個性化模型并結(jié)合多種設(shè)計特點的重要性能。

有機片材能夠?qū)崿F(xiàn)大量的功能集成，從托架、金屬嵌件到傳感器和電磁干擾屏蔽解決方案。以有機片材為中心的熱塑性解決方案易于打造原型，可顯著減少零件數(shù)量，降低模具成本，并可擴展到大批量生產(chǎn)。有機片材的核心優(yōu)勢將為應(yīng)用帶來最大價值。