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碳纤维复合材料的成型工艺及批量化生产成本分析
文章来源 : 中国玻璃纤维复合材料信息网 发布时间 : 2018-08-07 浏览量 :

  随着汽车油耗和排放法规加严,新能源汽车的崛起,汽车轻量化发展已成趋势。复合材料的替代使用是汽车实现轻量化的一个有效手段。本文介绍了几种复合材料的生产方法,并探究了其批量化生产的发展前景。
  碳纤维复合材料在工业领域的应用  
  材料的更新替代往往是为了满足更高的应用要求。碳纤维具有较高的杨氏模量和低热膨胀系数,其增强的复合材料具有更好地机械性能和热性能。因此,碳纤维复合材料在体育用品、航空航天、汽车交通等领域都有着广泛的应用。目前碳纤维复合材料在汽车制造中的应用主要受成本因素影响。一方面,碳纤维复合材料的应用增加了材料成本和生产的时间成本;另一方面,其可实现零部件的集成化,减少零部件数量,同时也降低重量。从另一个角度来说,碳纤维复合材料的应用也带来了汽车应用成本的降低。  
  碳纤维复合材料部件的设计与制造  
  设计方面,碳纤维复合材料部件的设计和生产需要综合考虑部件的实际应用要求,通过受力、载荷路径等分析,结合实际应用情况进行设计。  
  材料方面,选用的基材一般为热塑性树脂材料。碳纤维的拉伸强度达到5800MPa,比重为1.8g/cm3。其比强度明显高于钢或铝合金等金属材料,高能量密集的制造工艺也造成了较高的应用成本。 
  制造方面,一般需要先制作预浸料,再进行模具成型。预浸料即是由织物或非织造布浸渍树脂而没有进行固化反应形成的,可放入模具中进行高温固化成型。预浸料主要是为了保证碳纤维增强体与树脂基体充分浸渍结合。此外,模具成本也是构件成本构成的一大因素。部件的形状需要依靠模具来实现,一般有阴模和阳模两种形式。阴模是依据零部件的尺寸、形状等要求制造而成的模具,可成型各种复杂结构的部件。但阴模生产过程复杂,成本也相对较高。阳模是纤维缠绕在模具上成型,固化后可以保留或移除。  
  手糊成型  
  手糊成型是构建单一复合材料和少量产品最具成本效益的方法之一。通过手工在模具中铺设纤维,再使用压辊等工具手工浸渍树脂。但这种劳动密集型生产方法在产品稳定性和纤维体积含量方面存在限制,且不适合批量生产。  
  真空灌注 
  将纤维层铺设在模具中,并在纤维层上设置真空密封装置,将装置内抽成真空,树脂则通过产生的压力差注入到模具中。这种方面可实现纤维体积含量大于50%时,仍能获得较好的力学性能。该方法适合批量生产,但劳动密集度仍较高,且产品稳定性稍差。 
  树脂传递模塑成型(RTM) 
  将纤维材料铺设在模具中,形成一定的形状;合模后通过压力注射树脂,浸渍纤维,再进行固化脱模。根据压力水平分为低压(LP-RTM)和高压(HP-RTM)两种类型。其中,压力大小对产品质量、应用成本、生产周期等均有影响。
  由此可看出,压力越大,对模具的要求越高,模具的成本也越高。但另一方面,较高的压力使得树脂可以快速填充浸渍,进行固化,缩短了生产周期,也降低了成本。 
  模压成型 
  将纤维与树脂基体在模具中加压成型的方法,自动化程度高。一般采用织造或非织造布,通过加压浸渍树脂,再固化成型。其中,加压方式有热压(即使用加热金属工具压制)和冷压(即使用未加热的压制工具)两种类型。生产时将纤维半成品放入模具中,再注入树脂进行加压。温度一般控制在90-140℃,压力在5-25bar。  
  拉挤成型连续制造技术  
  相对于其他成型方式,挤拉成型可实现连续化生产,具有更高的生产效率。纤维束被拉过两侧敞开的模具,注入树脂,使纤维渗入模具内,然后固化成型。成型材料可根据需要切割成适当的长度。  
  挤压成型可实现较高的纤维含量和良好的表面,且纤维与树脂的浸润性比织物或非织造布与树脂的浸润性要好,浸渍成本低。此外,连续化生产更是有效缩短了生产周期,节约了成本,适合大规模生产。但该方法仅能生产二维截面部件,如管状、柱状、T型或I型部件,无法成型结构复杂的部件。因此,只要结构复合材料部件的几何形状允许使用拉挤成型,就可实现连续生产并显着节省经济成本。  
  缠绕成型 
  该方法是将纤维缠绕在旋转芯上,再涂覆树脂进行固化。该方法的特点是可成型大体积零部件,可使用纤维粗纱和树脂材料复合,具有较高的成本效益。但是,对于部件的形状和设计限制较多,只能包裹能够旋转的结构,例如管或旋转对称轮廓。同时,部件的表面光洁度较差,需要后续再加工。 
  质量控制  
  复合材料部件由于需要承受不同的载荷,对其质量要求较高,因此需要在生产的各步骤中进行连续的质量控制。同时,在部件的使用过程也需要定期进行质量监测,包括一些材料破坏性和非破坏性的测试。  
  应用实例  
  目前,汽车轻量化是汽车行业发展的重点。且随着新能源汽车产业的崛起,汽车轻量化需求更加迫切。SPIRI开发了一款城市共享轻型电动车,采用了碳纤维复合材料车身设计,续航里程400公里。该车车身重100kg,车身集成化设计使得零部件数量进一步减少。  
  基于该碳纤维车身,对其生产成本进行计算,结果表明:缠绕成型碳纤维复合材料的应用成本最低,其次是钢材、模压成型碳纤维复合材料、RTM成型碳纤维复合材料。同时,预浸料的生产成本较高,因此,使用预浸料也会造成成本的大幅增加。  
  对于碳纤维车身件来说,缠绕成型无法满足要求,模压成型是较具成本效益的碳纤维复合材制造方法。综合来看,碳纤维复合材料车身的生产成本约是同类钢制车身的1.35倍。  
  小结  
  综上,与铝和钢合金等金属材料相比,碳复合材料的使用能够显著减轻车身结构的重量。且通过成本分析来看,碳纤维复合材料车体及结构件的大规模生产是具有可行性的。同时,选择合理的成型方法也有利于兼顾减重和成本。

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