新的TFP技术是一种可扩展的、灵活的且低成本的技术,它为碳纤维复合材料带来了很多新的应用机遇。

通过使用一种创新的生产技术,Elemental Motor公司的设计师们扩大了碳纤维复合材料在其以轨道为核心的道路跑车RP1上的应用。订制化的纤维铺放创造了一种高强、坚韧的低成本解决方案,使得碳纤维能够被用在以前因其成本高和脆弱而不能被应用的地方。

新的TFP技术实现碳纤维预成型件的低成本高效率生产-复合材料网
Elemental Motor公司在其RP1跑车上增加了碳纤维复合材料的应用

现在,德国订制化的纤维铺放(简称“TFP”)机器制造商ZSK公司最新开发的技术,令TFP生产过程得以改善,这意味着碳纤维复合材料能够在许多领域得到应用。

“该TFP技术完全改变了我们对‘碳纤维复合材料如何有助于减重降本’的认知。” Elemental Motor公司的复合材料经理Peter Kent说,“我们发现,它很快就创造出了预成型件,成本低廉且非常耐用,这使得用在Elemental RP1汽车上的后车身结构足够坚韧,能够承受诸如各种石击带来的冲击,同时还拥有复杂的三维曲线形状。”

目前,Shape集团已采用ZSK公司的技术开发了其自己的TFP设备,ZSK公司开发的诸多创新允许实现大批量的生产。以用于纺织行业的技术为基础,Shape集团的TFP设备可以将碳纤维丝线或粗纱铺放到一个基体上,以制成一个“净形状”的二维预成型件。与依靠手工操作逐步构建碳纤维毡层的传统方法相比,该设备减少了浪费、操作步骤和复杂性。TFP设备的另一个优点是,在制作预成型件时,通过巧妙的纤维铺放和缝合,允许在模具中呈现出复杂的三维形状。

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RP1车身部件及其TFP预成型件

Shape集团专注于碳纤维复合材料的加工,并拥有一个专门设计和制造TFP部件的部门。该公司董事总经理Peter McCool介绍说,在他本人作为一级方程式赛车首席设计师的时代,该公司就有了使用TFP的动力。

“传统的方法可能非常有限,这不仅体现在设计和成本方面,还体现在材料性能上——它易碎,不能承受冲击和磨损。我确信,一定会有更好的方法。” McCool发现,ZSK公司的TFP解决方案是完全适合的方法:“这是一种可扩展的、灵活的且低成本的技术,它为碳纤维复合材料带来了很多新的应用机遇。ZSK力求使工艺高效,生产再现性好并实现内在的质量控制。”

传统的碳纤维复合材料生产方法涉及复杂的切割和手工铺层过程,这使得碳纤维在被使用前就浪费了1/3。由于碳纤维在纤维方向上最强,因此准确的定位对于获得强大的部件至关重要。

“手工铺层属于劳动密集型操作,且易于出错,因此,当考虑部件的强度时,结果是次优的,这导致了使用超多层的过度设计。”McCool解释说,“然而,TFP 允许我们准确地排列纤维以优化强度,从而能够承受作用在部件上的载荷,同时加速开发和制造过程。”

Peter Kent赞成说:“与Shape集团一起,我们已经能够利用TFP来设计一种车身部件,它可以是一种结构件、搬运车身和后置行李箱,而且提供了非常好的空气动力性能。”

该TFP技术包括使用一种热塑性树脂,它有助于克服传统上与碳纤维相关的脆性。当提及生命周期结束后的回收利用时,该树脂还提供了显著的优势,因为碳纤维可以在大约300℃下熔化而从受热的部件中分离出来并得到回收利用,而不是进入垃圾填埋场。

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由TFP制成的复合材料后车身承载了包括来自RP1后翼的下压力在内的许多载荷

正如Peter Kent所证明的,这项技术能够创造出比热固性材料更坚韧的材料。“我们从一款开发的汽车中取出一个部件进行检查,其上没有产生印痕。” 他总结说,“在Elemental公司,令我们印象非常深刻的是,利用TFP,可以制造许多碳纤维的零部件,这真是太激动人心了。”