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        科技資訊
        用于高速賽車的高速壓機固化工藝
        時間:2016年2月19日  來源:汽車輕量化CFRP
        相比采用熱壓罐固化的氣動翼片和翼面,一種新技術能夠通過一臺單一的設備,實現翼片和翼面的整體成型,并提供成型工藝進行適當壓實片層所需的模內壓力。除了用于賽車,Swift公司正在努力實現該技術在更多領域的創新。
         
         
        雖然用于一級方程式賽車的復合材料結構件具有高度工程化和超級氣動的特性,但是它們并非專為較長的產品生命周期而設計。它們建立在這樣一個假設下,即它們在將來不久的某一時刻會被損壞或破壞。這種設計和應用模式在復合材料制造業中是獨一無二的。這種較短的產品生命周期和同樣較短的開發周期模式,在復合材料的其他領域并不常見。
         

         
         
        這種豐富而積極的開發環境是Swift Engineering公司(位于加利福尼亞州的圣克萊門特地區,以下簡稱“Swift公司”)現狀的一部份,該公司是日本方程式(日本)系列賽車用底盤的獨家供應商。每個賽季,Swift公司向賽道上所有16輛賽車供應結構部件。每個賽車手在兩個賽季中使用相同的底盤,但其他零部件會在比賽中由于發生偶然的碰撞而受到損壞,尤其是那些控制空氣動力性能的碳纖維復合翼片、翼面和襟翼,更是如此。Swift公司在整個賽季中為賽車提供這些零部件的替換品,平均每個月要裝運多次。
         
         
        這種短期、快速周轉的環境同時也催生出了一種獨特的部件制造方法,Swift公司希望能夠將該技術用于方程式賽車之外的其他領域。
         “賽車運動是對交通工具的一項偉大探索。”Swift公司高級制造工程師和工廠經理Stuart Marshall說道。該公司的項目部總監Rick Heise說:“這種需求創造出了創新和嘗試新技術時所需要的東西。”
         
        需求和發明
         
         
        翼片和翼面——本質上就是小翅膀——提供車輛的升/降力,它取決于該部件在汽車上的位置。就像翅膀一樣,每個翼片和翼面有一個主梁結構,夾在兩個由氣動力學設計的碳纖維蒙皮之間。此前,這些經袋壓和熱壓罐固化的結構件分為3個部分進行生產——上、下蒙皮和主梁。熱壓罐固化后,將蒙皮與主梁進行粘接。“采用這種設計的問題是,”Marshall說道,“所有的載荷都將施加在膠粘劑上。” 因此,翼面和翼片的大多數破損都是從膠接線處開始的。顯而易見的解決方案是,在一個單一的模具以及模具周期中共固化蒙皮和主梁。
         

         
         
        在Swift公司評估了共固化概念和需要完成的工藝過程后,設計人員確定了如何對部件進行改善。其結果是一組復雜目標的達成:共固化零部件、縮短周期時間、消除由于零部件等待進行熱壓罐工藝而導致的生產瓶頸、減少接觸時間以及確保零部件質量的一致性等。
         
         
        Marshall介紹說,取消熱壓罐被證明是最容易達到的目標。由于之前已經與Advanced Composites Group Inc.(以下簡稱“ACG公司”,位于俄克拉荷馬州的塔爾薩市)建立了良好的關系,Swift公司能夠較早地應用該公司的非熱壓罐預浸料系列產品,包括VTM 260、VTM 240和MTM 49。
         
         
        更大的挑戰是如何整體成型翼片和翼面,以及如何產生成型工藝進行適當壓實片層所需的模內壓力。通過一臺單一的設備,Swift公司同時解決了這兩個問題。Marshall回憶道,這是一個經過檢驗非??煽慷值图夹g含量的技術,它使用有機硅模具嵌件,并且可以做更多,而不僅僅是為模具內的碳纖維預浸料提供結構支撐。“有機硅泡沫在高溫下膨脹,” Marshall解釋道,“我們利用這種膨脹來提供模內壓力,以壓實層板。”值得注意的是,有機硅膨脹具有非常好的效果,沒有必要再用模壓機的噸位來確保工藝過程的成功。“我們決定利用壓機進行簡單的關閉模具,而不是向部件提供壓力。”他說道。
         
         
        強大的藍色有機硅
         
         
        如今,Swift公司制造一個翼片或翼面是從鋁模具的下半部分開始的。諸如2m的后翼片等大型部件,可以在一個模具中被生產出來。更小的部件則可以組成一組在一個模具中成型出來,一個模具一次可成型多達30件這種小部件。本文通過圖解(步驟照片)說明了一個長約1.2m的翼片組件的成型過程。它由帶有2個垂直梁的頂部蒙皮和底部蒙皮組成:一個主梁沿其中心順著翼片的長度方向移動,另一根主梁沿著翼片的寬度方向移動。因此,其內部被分割成4個象限,每個象限用一根結構主梁分開。
         
         
        關鍵是采用一種能保持蒙皮和主梁正確定位的方式來組裝具有這種結構的所有預浸料,使所有的預浸料實現共固化,并形成一種完全成套的結構。“這些部件被設計成能為一輛賽車提供特定的氣動性能。”Marshall說道,“它們的質量和強度一致性非常重要。”
         
         
        首先,在模具中內襯兩層ACG公司的VTM 260系列非熱壓罐碳纖維預浸料,作為底部蒙皮。這些片層的寬度是翼片的2倍,而多余的材料會流過模具邊緣,并最終被折疊,形成翼片的頂部蒙皮。取決于部件本身,Swift公司在底層蒙皮的頂部可能會戰略性地鋪放由Evonik Foams Inc.(位于阿肯色州的Magnolia地區)提供的ROHACELL泡沫芯材。Marshall說道,雖然在使用中不需要芯材——沒有它們翼片也能達到所需的剛度,但在成型過程中,芯材能夠為翼片或翼面內完全封閉的泡孔內的主梁部分提供支撐。
         
         
        接著被鋪放的是I形中心線梁。該預浸料結構被垂直于底部蒙皮放置,并沿寬度方向穿過蒙皮。然后,再準備將有機硅增壓器鋪放其上。這種低密度的泡沫由Silpak公司(位于加利福尼亞州的波莫納地區)提供,主要被Swift公司澆鑄在模具中,而模具是該公司用3-D打印機或模具板的形狀建造而成的。增壓器被設計用來承擔翼片/翼面內非復合材料空間的形狀,從而填補剛剛放好的主梁和蒙皮之間的間隙。增壓器的大小取決于部件的形狀和大小以及該應用所需的壓力激化度。較大的有機硅片能經受更大的膨脹,因此能施加更大的壓力。每個增壓器用一個藍色的隔離膜來包裝,以防止泡沫/預浸料與其粘結。
         在步驟照片中顯示的翼片使用了4個相對較大的增壓器,每個的底部長約455mm,寬25mm,其他邊逐漸縮小至約6.5mm。預浸料的長度和增壓器一樣長,但寬度增加至50mm,使其能夠圍繞每個增壓器較寬的邊包扎。然后,將2個這樣的增壓器的寬端緊靠在一起,這樣,與每個增壓器毗鄰的預浸料將形成I形主梁,通達翼片的長度。

         
         
        就像拼圖一樣,將配好對的增壓器嵌套在已放置好的中心線梁的一側,并將另一對放置在其另一側。每一個增壓器的窄邊緣面對著外模的邊緣,并提供翼片的輪廓形狀。另一種由預浸料包扎的有機硅帶沿著這條邊鋪放,形成前緣。
         
         
        當增壓器鋪放到位后,寬度方向的主梁襟翼向下折疊,形成主梁的I形。然后,在模具閉合和固化前,兩層蒙皮層在整個組件上被折疊壓實,形成頂部蒙皮。
         Marshall指出,這種模具系統的好處之一是其零部件的協同工作。沿模具邊緣的胎膜板提供在該位置上所要求的剛度,以保持預浸料的定位。在模具內,增壓器很容易被嵌套到位,并確保主梁的結構完整性。

         
         
        他還表示,從使用有機硅的重復試驗工作中所獲得的數據已向該公司提供了有關增壓器在成型過程中膨脹的重要知識。
         
         
        Marshall說,因此,有必要“計算基于有機硅已知膨脹的增壓器之間所抵消的間隙。”他說,早期的測試顯示其膨脹率約為0.5mm。然而,由于通過對更多形狀和大小的有機硅進行試驗,Swift公司對膨脹率進行了微調,使其能夠被更精確地確定,從而有助于更好地控制壓力。
         
         
        短周期的壓機固化
         
        當該結構件準備用于模壓和固化時,將上半模與下半模相連接,并將組件放在由Accudyne Engineering &amp; Equipment公司(位于加利福尼亞州的Bell Gardens地區)提供的一臺帶有加熱模板的模壓機中。因為壓實的壓力是由增壓器提供的,因此壓機的主要工作只是使模具保持閉合、抽真空,并提供固化加熱。Swift公司將后者的功能看作是可以用于縮短周期時間的另一個機會,并開發了一種加熱模板系統,該系統能夠使整個模具的溫度升高至149℃,并在短短的60min內使其回落至取出溫度(約71℃)。
         
        Marshall說,陡峭的溫度曲線可以向翼片的碳纖維施加壓力,而這會犧牲部件的整體性,特別是冷卻過快的時候。通過在一個相對高的溫度條件下將模具從壓機中拉出來,能夠縮短翼片的冷卻周期,同時避免模塑內應力的產生。
         
        拉出模具后,剩下的步驟很簡單:手工將增壓器從每個翼片的末端拉出。用圓鋸將翼片末端切割至最終的尺寸并封頂后,準備裝運翼片。
         
        Marshall介紹說,采用這種模壓工藝制成的翼片和翼面具有A級表面,并且可以立即安裝在賽車上。“相比熱壓罐型號,這些翼子板和翼片能夠承受更多的下壓力。”Marshall說道,“它們通常不太可能被破壞,除非是在碰撞的情況下,而這也有助于減少備件。”
         
        Marshall表示,這種制造技術也正在被繼續創新。Swift公司正在對該技術用于更大、更復雜的零部件生產進行評估。該公司同時還嘗試使用更多的ROHACELL芯材。面臨的挑戰是,其壓力分布與有機硅不同,因此,在用于壓機固化過程中時,芯材的尺寸必須是超大的。另外,該公司還準備在模內成型緊固件孔,以消除部件在打孔過程中被損壞的風險。
         
        優化壓力,用于更多市場
         
        這種老技術的新應用幫助Swift公司能夠很好地實現所有日本方程式翼片和翼面的生產目標。此外,該技術將消耗品的使用量降至最?。ㄋ{色隔離膜是唯一的廢品),并避免了在熱壓罐過程中使用袋壓時所面臨的挑戰。相應地,該公司目前正在認真考慮如何將這種成型技術用于其他地方,比如航空航天領域。Swift公司開發了Killer Bee無人機(UAV)。雖然它在2009年被賣給了Northrop Grumman公司,并改名為“Bat”,但是Swift公司仍然具有為軍方承包商制造和開發產品的責任。
         
        “問題是你如何驗證這個壓力過程,確保它將提供給你所期望的壓力。”Marshall說,因為將這個工藝應用到航空航天將需要更為強大的驗證以及一定的壓力控制水平,而后者通常并不被賽車運動所要求。“我們知道,我們目前制備的結構件能夠滿足載荷要求。” Marshall說道,“但是我們還不能明確地說,一個具有一定厚度的有機硅增壓器能夠在特定的溫度下產生特定的壓力。”
         
        為了實現這一目標,Swift公司正試驗使用芯軸,并使厚度固定的有機硅增壓器圍繞著心軸進行包扎。假設升高至特定溫度時,泡沫的連續層將產生一致的壓力。“在航空航天領域中,控制IML (內模線)和OML(外模線)對形成一個可預見的部件厚度是至關重要的。” Marshall指出,“我們正試圖滿足ASTM和Nadcap標準。”
         
        Marshall說,迄今為止,Swift公司已成功使用壓機固化工藝成型了一種用于無人機的翼梢小翼和螺旋槳,該螺旋槳的每個葉片都采用了ROHACELL泡沫芯材。其他更多的應用也正在開發中。
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