在注射成型中集成連續碳纖維增強材料

文/本刊編譯（原文來自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用，但僅限于短纖維材料。IMCoLoR項目通過使用由TP-AFPisc工藝制成的連續碳纖維增強材料嵌入物，使連續纖維用于注射成型成為可能，同時，最大程度地減少了復合材料部件的修邊工作并減少了廢料。

一個名為“連續纖維局部增強注射成型”（簡稱IMCoLoR）的項目，開發了一種新的生產工藝，該工藝將一種多次注射成型制程與連續碳纖維增強材料的集成組合在一起，并使用了一種可熔化的芯材，從而生產出輕質、生態友好的空氣循環機部件。

這種在注射成型與采用原位固結的熱塑性自動纖維鋪放（簡稱TP-AFPisc）之間形成的協同效應，將推動輕質且力學性能高的未來設計通過易于再現的自動化生產技術而得以實現。采用原位固結的熱塑性自動纖維鋪放（簡稱TP-AFPisc）不同于目前最先進的制程，在這些制程中，復合材料結構通常是在工藝鏈中構建出來的。

涵蓋注射成型的新工藝生產出復雜機器部件的環保結構

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用，但僅限于短纖維材料，傳統上，連續纖維尚未用于注射成型。IMCoLoR項目則成功地縮小了這一差距，實現了對這種材料的高效利用。通過使用由TPAFPisc工藝制成的嵌入物，這種纖維結構完全適合客戶的需求，帶來的額外好處是，最大程度地減少了復合材料部件的修邊工作，同時也減少了廢料。

重要的是，這項新工藝還具有環保優勢：生產過程中，無需處理六價鉻離子（Cr6+）。Cr6+是毒性最強的鉻，在許多工業生產中都會產生，對環境具有很大的負面影響。此外，采用這種新工藝制成的輕質結構，還提升了飛機的飛行速度，同時降低了油耗和排放。同樣重要的是，由于使用的是熱塑性塑料以及環保型工藝輔料，因此成型部件易于回收。

IMCoLoR項目面臨的挑戰包括：找到合適的型腔設計和注射參數，以便將碳纖維增強聚合物（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，以避免變形或錯位。

IMCoLoR 工藝過程

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，因為它既可熔化又環境友好。使用鹽芯的結果非常令人鼓舞，因為質量優良的鹽芯令橫截面能夠承受注射載荷。最終，該項目完成了概念驗證。

意想不到的是，在模型部件的23層嵌件（厚3 mm）上發現了面外起皺缺陷，這可能是因為模芯與嵌件之間的配合問題導致的。然而，在示范部件的70層嵌件（厚10 mm）上卻沒有出現這種現象。

下一步，該項目聯盟將進一步研究新的材料組合，并對這項新工藝進行內部評估。此外，還將研究鹽芯在復合材料生產和金屬鑄造工藝中應用的潛力。

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