在注射成型中集成連續(xù)碳纖維增強(qiáng)材料

文/本刊編譯（原文來(lái)自JEC）

迄今為止，雖然注射成型已在熱塑性塑料的加工中得到廣泛應(yīng)用，但僅限于短纖維材料。IMCoLoR項(xiàng)目通過(guò)使用由TP-AFPisc工藝制成的連續(xù)碳纖維增強(qiáng)材料嵌入物，使連續(xù)纖維用于注射成型成為可能，同時(shí)，最大程度地減少了復(fù)合材料部件的修邊工作并減少了廢料。

一個(gè)名為“連續(xù)纖維局部增強(qiáng)注射成型”（簡(jiǎn)稱IMCoLoR）的項(xiàng)目，開發(fā)了一種新的生產(chǎn)工藝，該工藝將一種多次注射成型制程與連續(xù)碳纖維增強(qiáng)材料的集成組合在一起，并使用了一種可熔化的芯材，從而生產(chǎn)出輕質(zhì)、生態(tài)友好的空氣循環(huán)機(jī)部件。

這種在注射成型與采用原位固結(jié)的熱塑性自動(dòng)纖維鋪放（簡(jiǎn)稱TP-AFPisc）之間形成的協(xié)同效應(yīng)，將推動(dòng)輕質(zhì)且力學(xué)性能高的未來(lái)設(shè)計(jì)通過(guò)易于再現(xiàn)的自動(dòng)化生產(chǎn)技術(shù)而得以實(shí)現(xiàn)。采用原位固結(jié)的熱塑性自動(dòng)纖維鋪放（簡(jiǎn)稱TP-AFPisc）不同于目前最先進(jìn)的制程，在這些制程中，復(fù)合材料結(jié)構(gòu)通常是在工藝鏈中構(gòu)建出來(lái)的。

涵蓋注射成型的新工藝生產(chǎn)出復(fù)雜機(jī)器部件的環(huán)保結(jié)構(gòu)

迄今為止，雖然注射成型已在熱塑性塑料的加工中得到廣泛應(yīng)用，但僅限于短纖維材料，傳統(tǒng)上，連續(xù)纖維尚未用于注射成型。IMCoLoR項(xiàng)目則成功地縮小了這一差距，實(shí)現(xiàn)了對(duì)這種材料的高效利用。通過(guò)使用由TPAFPisc工藝制成的嵌入物，這種纖維結(jié)構(gòu)完全適合客戶的需求，帶來(lái)的額外好處是，最大程度地減少了復(fù)合材料部件的修邊工作，同時(shí)也減少了廢料。

重要的是，這項(xiàng)新工藝還具有環(huán)保優(yōu)勢(shì)：生產(chǎn)過(guò)程中，無(wú)需處理六價(jià)鉻離子（Cr6+）。Cr6+是毒性最強(qiáng)的鉻，在許多工業(yè)生產(chǎn)中都會(huì)產(chǎn)生，對(duì)環(huán)境具有很大的負(fù)面影響。此外，采用這種新工藝制成的輕質(zhì)結(jié)構(gòu)，還提升了飛機(jī)的飛行速度，同時(shí)降低了油耗和排放。同樣重要的是，由于使用的是熱塑性塑料以及環(huán)保型工藝輔料，因此成型部件易于回收。

IMCoLoR項(xiàng)目面臨的挑戰(zhàn)包括：找到合適的型腔設(shè)計(jì)和注射參數(shù)，以便將碳纖維增強(qiáng)聚合物（CFRP）的嵌件包覆到注射成型的聚合物中。此外，找到合適的材料組合以使CFRP嵌件與聚合物之間良好粘接也是一件困難的事情。CFRP嵌件還必須在高壓注射期間正確固定，以避免變形或錯(cuò)位。

IMCoLoR 工藝過(guò)程

在PEEK注射成型中還使用了鹽芯。PEEK是用途最為廣泛的注射成型材料之一，而鹽芯的使用則更加完美，因?yàn)樗瓤扇刍汁h(huán)境友好。使用鹽芯的結(jié)果非常令人鼓舞，因?yàn)橘|(zhì)量?jī)?yōu)良的鹽芯令橫截面能夠承受注射載荷。最終，該項(xiàng)目完成了概念驗(yàn)證。

意想不到的是，在模型部件的23層嵌件（厚3 mm）上發(fā)現(xiàn)了面外起皺缺陷，這可能是因?yàn)槟Ｐ九c嵌件之間的配合問(wèn)題導(dǎo)致的。然而，在示范部件的70層嵌件（厚10 mm）上卻沒(méi)有出現(xiàn)這種現(xiàn)象。

下一步，該項(xiàng)目聯(lián)盟將進(jìn)一步研究新的材料組合，并對(duì)這項(xiàng)新工藝進(jìn)行內(nèi)部評(píng)估。此外，還將研究鹽芯在復(fù)合材料生產(chǎn)和金屬鑄造工藝中應(yīng)用的潛力。

參與該項(xiàng)目的合作伙伴包括：Liebherr Aerospace Toulouse SAS、慕尼黑工業(yè)大學(xué)、ThermoPlastic復(fù)合材料研究中心、Apppex Gmbh和Fischer Advanced Composite Components。歐盟為此提供了254 775歐元的資助。