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新型碳纤维复合材料工艺带来一流表面质量

时间: 2011-06-28 20:38 来源: 作者: Martyn Roberts  点击:
碳纤维部件的油漆脱落问题现在有了解决方法,汽车技术和制造专家Prodrive公司开发的新工艺完全摒弃了油漆的使用。新工艺不仅能够提高表面的耐久性,降低成本,还可以带来一流的表面质量,据说至少可以达到最好的油漆表面质量。Martyn Roberts对此进行了介绍。

时至今日,为了获得光滑高光泽度的复合材料部件表面,大多数情况下必须在已抛光的表面再喷涂一层油漆。遗憾的是,表面的任何问题(例如微弱的冲击和磨蚀)都会导致油漆从碳纤维基材上脱落,导致难看的白斑,同时长时间暴露于紫外线下,会导致表面泛黄。

“如果某个大型板材部件本身还很完美,但仅仅由于表面油漆脱落就要替换掉是非常可惜的,例如赛车的扰流板。”Prodrive公司的复合材料工程经理Gary White说,“我们现在能够获得非常好的表面质量,可以完全摒弃油漆,因而获得多重好处:单个部件成本降低、更高的耐久性和外观的一致性。”

复合材料部件表面的长期质量对于各种应用来说都是非常重要的,包括汽车、船艇和家具,这些领域对强度和重量或者高科技的优质外观都有要求,但实现起来并不容易。

“在复合材料领域20年的工作中,我从未看到过没用油漆的均一光泽的表面。” White说,“但现在我们在不借助油漆的情况下,甚至可以得到AA级表面质量。”(AA级表面质量是最重要的视觉要求,例如汽车内饰。)

为得到优质的表面,Prodrive分析了生产碳纤维复合材料部件的基本工艺过程,并找出了影响表面质量的参数。关键因素之一是要非常严格的控制部件和模具之间的接触面。由于复合材料层是逐层铺放到模具内的,那么就有可能滞留气泡,从而影响层间的粘结和与模具相接触的最外层材料的铺放。Prodrive的工艺通过控制这一制造过程的压力、温度和耐久性数值,可以取得非常好的结果。

“我们设定了一套工艺条件,以尽可能强化与模具表面接触的外层材料。我们也特别关注模具的表面质量,并与供应商制订了一个预浸料性能规范。”White说。


阿斯顿马丁V8 Vantage的后扰流板由Prodrive的复合材料
工厂制造。

现代手工艺者

该工艺采用的是在零下18℃冷藏的粒状材料,以防止树脂的脱落。该材料在冷冻条件下可以保存12个月,而在室温条件下,30天之后就无法使用了。Prodrive不使用标准材料,而是对不同的应用有其自身的规范要求

成卷的预浸片材在室温下稳定24小时之后展开,采用计算机程序在平面绘图仪上划出部件的形状,然后通过合理排列使浪费减至最少,材料的利用率通常可达90%。


轻质芯材(例如轻木或铝蜂窝)和承重的复合材料面层相结合,
可以获得较高的比强度。

作为Prodrive质量保证的一部分,每个部件从此时起都采用独一无二的标签做出标记,以便在整个制造过程和使用过程中进行跟踪。这些标签不会对这些过程造成干扰,也无法蓄意破坏。

四组人同时将预浸料部件手工铺放到模具内;根据所需部件的数量,模具可以采用碳纤维复合材料或铝合金制造。复合材料模具可以生产大约250个部件,但铝模具可以一直使用。

无漆工艺的成功应用需要操作人员具有较高的技术水平和专注程度,他们必须亲手将预浸料熟练地铺放到模具的每个角落,不能破坏纤维。Prodrive依照最高标准培训他们自己的技术人员,以进行此项操作,整个培训要持续2-3年。完成培训的复合材料技师就是现代的手工艺者,只是他们处理的不是金属、木材或者皮革,而是树脂和纤维。

预浸料部件放到模具中后,在进入高压釜之前,要用抽空的真空袋包裹起来。真空操作有助于消除树脂中的气泡,从而避免形成孔隙,造成分层。高压釜在一定压力下加热组件,时间通常为一个小时左右。

高温加热后,该部件从模具中取出后,根据精度要求、操作难度和加工厂的复杂度,进行手工或采用CNC机床修整。此处采用的是气动工具,因为电机会吸收灰尘。在进行最后的检查之前,还要进行手工抛光。


Kef的Blade HiFi音响高6英尺(约1.8米)左右,不仅需要高质量的表面,
也对结构和声学性能提出了苛刻的要求。

质量标准

Prodrive工艺的第一个生产应用是为欧洲的一家超级汽车生产商供应各种板材和组件。Prodrive的贡献不仅在于供应部件,而且还为客户撰写适用于新工艺的生产质量标准。当该公司的工程师找到Prodrive时,他们认定最后的油漆过程一定是非常关键的。

White接着说:“他们过去所有的质量检查过程都是以油漆表面为基础的。

无漆表面的质量控制问题是完全不同的。例如,喷涂的表面通常会造成渗色或鱼眼;非喷涂的表面则可能会出现针孔。考虑到这些,我们为他们撰写了新的质量标准,他们非常高兴;他们不仅得到了顶级质量的部件,而且制定了他们自己的供应商质量标准。”

Prodrive工艺制成的部件也受到了其他客户的欢迎。如果存在预加工过程,则必须进行一定程度的抛光,以达到必需的表面标准。目前Prodrive工艺的最大产量为400个部件/月。对于以手工操作为主的小型生产商,该工艺可以根据需要进行调整以满足产量要求。

Prodrive为还不习惯使用复合材料的客户提供全面的服务,在设计、制造、供应和服务的全过程提供质量保证。材料的替换是最简单的一个步骤,复合材料替代现有材料时不需要重新设计产品。这将带来重量、耐久性和维护方面的一些显著优势,但当客户对此充满信心并在设计阶段全面发掘其优异的性能时,他们获得的会更多。

Prodrive的文化就是开发有创意的、实用的、低成本解决方案,以满足技术上的挑战。Prodrive工艺就是这一宗旨的表现之一,但在其背后,还有更多。“另一家知名的赛车制造商也找到了我们,希望我们为其供应复合材料部件。” White继续到。


经过全面培训的复合材料技工是新一代的手工艺者,
只是他们处理的不再是木头或皮革,而是树脂和纤维。

“他们已经达到了结构和尺寸方面的要求,但是对外观并不满意。而我们通过控制每个部件中的编织方向,能够同时满足这三项要求。我们的质量和按时的交货给这家客户留下了很好的印象,因此尽管处于经济衰退时期,他们还是索取了报价单,希望引进我们的产品。”

其他应用

除了汽车行业的应用,Prodrive的客户群还包括航空航天、通讯、船艇,其中最特殊的当属高端HiFi行业。

音响制造商KEF与Prodrive进行了技术方面的合作,设计出一种被称作Blade的概念产品。该产品采用碳纤维复合材料外壳,具有非常高的表面质量和惊人的视觉吸引力。对于结构性能方面的要求(例如强度和固有频率),Prodrive和KEF的工程师对其进行了仔细的控制,从而生产出了不受外界声音影响的音响外壳。。

“这个行业以外的人可能认为碳纤维复合材料只适用于制造赛车的高强度板和结构部件。”Prodrive复合材料销售经理Matthew Bradney说,“其实对于该材料的性能来说,这只是很小的一部分应用;其密度、纤维的选择和编织的方向都是可变的;复合材料三明治中间的‘肉’可以是铝蜂窝、轻木或什么都没有(实心复合材料部件)。传统工程材料是没有如此多的性能的。”


Prodrive的碳纤维马镫仅重40克,但安全承重能力达600公斤。

复合材料具有耐化学腐蚀性,在海上应用中与金属材料相比,能够节约大量的维护成本。Prodrive为多种海上应用提供复合材料产品,例如近海平台和赛艇。海上平台在原油过滤器中采用非常耐磨蚀的轻质复合材料取代原来的钢材,以延长其使用寿命,降低维护成本。一艘参加美洲杯大赛的赛艇在高载荷绞盘外壳中采用了碳纤维复合材料,与金属材料相比,重量和耐久性都得到了改进。

大型的复合材料结构包括豪华游艇的驾驶桥楼和近海救生艇的船体和上部结构。大型厚壁部件采用树脂真空灌注等工艺制造,无需高压釜,因此该工艺对部件没有尺寸上的限制。

就小型部件来说,Prodrive还为顶级赛马师提供碳纤维复合材料马镫,对他们来说,每一克的重量都是非常重要的。一套复合材料马镫大约重40克,比铝制马镫轻100克。制造马镫过程中,要对碳纤维的铺放进行详细的有限元分析,因为碳纤维的破裂是无法用X射线检测出来的,因此其对马匹造成的伤害很难被发现。

Gary White 总结说:“你一定会吃惊许多人都认为碳纤维仅仅是碳纤维而已。我们针对每个新应用的解决方案都是站在全局的角度,满足所有的需求。终端产品无需增加任何成本,但却经常拥有更多的功能,从而帮助我们的客户提高竞争能力。”

更多信息:Prodrive; www.prodrive.com (end)

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