碳纖維復(fù)合材料新工藝制造出的一流表面質(zhì)量

復(fù)合材料部件表面的長(zhǎng)期質(zhì)量對(duì)于各種應(yīng)用來(lái)說(shuō)都是非常重要的，包括汽車、船艇和家具，這些領(lǐng)域?qū)?qiáng)度和重量或者高科技的優(yōu)質(zhì)外觀都有要求，但實(shí)現(xiàn)起來(lái)并不容易。

碳纖維復(fù)合材料部件的油漆脫落問(wèn)題現(xiàn)在有了解決方法，汽車技術(shù)和制造專家Prodrive公司開發(fā)的新工藝完全摒棄了油漆的使用。新工藝不僅能夠提高表面的耐久性，降低成本，還可以帶來(lái)一流的表面質(zhì)量，據(jù)說(shuō)至少可以達(dá)到最好的油漆表面質(zhì)量。

時(shí)至今日，為了獲得光滑高光澤度的復(fù)合材料部件表面，大多數(shù)情況下必須在已拋光的表面再噴涂一層油漆。遺憾的是，表面的任何問(wèn)題（例如微弱的沖擊和磨蝕）都會(huì)導(dǎo)致油漆從碳纖維基材上脫落，導(dǎo)致難看的白斑，同時(shí)長(zhǎng)時(shí)間暴露于紫外線下，會(huì)導(dǎo)致表面泛黃。

“如果某個(gè)大型板材部件本身還很完美，但僅僅由于表面油漆脫落就要替換掉是非?？上У模缳愜嚨臄_流板。”Prodrive公司的復(fù)合材料工程經(jīng)理Gary White說(shuō)，“我們現(xiàn)在能夠獲得非常好的表面質(zhì)量，可以完全摒棄油漆，因而獲得多重好處：?jiǎn)蝹€(gè)部件成本降低、更高的耐久性和外觀的一致性。”

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復(fù)合材料部件表面的長(zhǎng)期質(zhì)量對(duì)于各種應(yīng)用來(lái)說(shuō)都是非常重要的，包括汽車、船艇和家具，這些領(lǐng)域?qū)?qiáng)度和重量或者高科技的優(yōu)質(zhì)外觀都有要求，但實(shí)現(xiàn)起來(lái)并不容易。

“在復(fù)合材料領(lǐng)域20年的工作中，我從未看到過(guò)沒用油漆的均一光澤的表面。” White說(shuō)，“但現(xiàn)在我們?cè)诓唤柚推岬那闆r下，甚至可以得到AA級(jí)表面質(zhì)量。”（AA級(jí)表面質(zhì)量是最重要的視覺要求，例如汽車內(nèi)飾。）

為得到優(yōu)質(zhì)的表面，Prodrive分析了生產(chǎn)碳纖維復(fù)合材料部件的基本工藝過(guò)程，并找出了影響表面質(zhì)量的參數(shù)。關(guān)鍵因素之一是要非常嚴(yán)格的控制部件和模具之間的接觸面。由于復(fù)合材料層是逐層鋪放到模具內(nèi)的，那么就有可能滯留氣泡，從而影響層間的粘結(jié)和與模具相接觸的最外層材料的鋪放。Prodrive的工藝通過(guò)控制這一制造過(guò)程的壓力、溫度和耐久性數(shù)值，可以取得非常好的結(jié)果。 123456

“我們?cè)O(shè)定了一套工藝條件，以盡可能強(qiáng)化與模具表面接觸的外層材料。我們也特別關(guān)注模具的表面質(zhì)量，并與供應(yīng)商制訂了一個(gè)預(yù)浸料性能規(guī)范。”White說(shuō)。


阿斯頓馬丁V8 Vantage的后擾流板由Prodrive的復(fù)合材料工廠制造。

現(xiàn)代手工藝者

該工藝采用的是在零下18℃冷藏的粒狀材料，以防止樹脂的脫落。該材料在冷凍條件下可以保存12個(gè)月，而在室溫條件下，30天之后就無(wú)法使用了。Prodrive不使用標(biāo)準(zhǔn)材料，而是對(duì)不同的應(yīng)用有其自身的規(guī)范要求

成卷的預(yù)浸片材在室溫下穩(wěn)定24小時(shí)之后展開，采用計(jì)算機(jī)程序在平面繪圖儀上劃出部件的形狀，然后通過(guò)合理排列使浪費(fèi)減至最少，材料的利用率通?？蛇_(dá)90%。

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輕質(zhì)芯材（例如輕木或鋁蜂窩）和承重的復(fù)合材料面層相結(jié)合，
可以獲得較高的比強(qiáng)度。

作為Prodrive質(zhì)量保證的一部分，每個(gè)部件從此時(shí)起都采用獨(dú)一無(wú)二的標(biāo)簽做出標(biāo)記，以便在整個(gè)制造過(guò)程和使用過(guò)程中進(jìn)行跟蹤。這些標(biāo)簽不會(huì)對(duì)這些過(guò)程造成干擾，也無(wú)法蓄意破壞。

四組人同時(shí)將預(yù)浸料部件手工鋪放到模具內(nèi)；根據(jù)所需部件的數(shù)量，模具可以采用碳纖維復(fù)合材料或鋁合金制造。復(fù)合材料模具可以生產(chǎn)大約250個(gè)部件，但鋁模具可以一直使用。

無(wú)漆工藝的成功應(yīng)用需要操作人員具有較高的技術(shù)水平和專注程度，他們必須親手將預(yù)浸料熟練地鋪放到模具的每個(gè)角落，不能破壞纖維。Prodrive依照最高標(biāo)準(zhǔn)培訓(xùn)他們自己的技術(shù)人員，以進(jìn)行此項(xiàng)操作，整個(gè)培訓(xùn)要持續(xù)2-3年。完成培訓(xùn)的復(fù)合材料技師就是現(xiàn)代的手工藝者，只是他們處理的不是金屬、木材或者皮革，而是樹脂和纖維。 copyright 123456

預(yù)浸料部件放到模具中后，在進(jìn)入高壓釜之前，要用抽空的真空袋包裹起來(lái)。真空操作有助于消除樹脂中的氣泡，從而避免形成孔隙，造成分層。高壓釜在一定壓力下加熱組件，時(shí)間通常為一個(gè)小時(shí)左右。

高溫加熱后，該部件從模具中取出后，根據(jù)精度要求、操作難度和加工廠的復(fù)雜度，進(jìn)行手工或采用CNC機(jī)床修整。此處采用的是氣動(dòng)工具，因?yàn)殡姍C(jī)會(huì)吸收灰塵。在進(jìn)行最后的檢查之前，還要進(jìn)行手工拋光。


Kef的Blade HiFi音響高6英尺（約1.8米）左右，不僅需要高質(zhì)量的表面，
也對(duì)結(jié)構(gòu)和聲學(xué)性能提出了苛刻的要求。

質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)

Prodrive工藝的第一個(gè)生產(chǎn)應(yīng)用是為歐洲的一家超級(jí)汽車生產(chǎn)商供應(yīng)各種板材和組件。Prodrive的貢獻(xiàn)不僅在于供應(yīng)部件，而且還為客戶撰寫適用于新工藝的生產(chǎn)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)該公司的工程師找到Prodrive時(shí)，他們認(rèn)定最后的油漆過(guò)程一定是非常關(guān)鍵的。 123,123

White接著說(shuō)：“他們過(guò)去所有的質(zhì)量檢查過(guò)程都是以油漆表面為基礎(chǔ)的。

無(wú)漆表面的質(zhì)量控制問(wèn)題是完全不同的。例如，噴涂的表面通常會(huì)造成滲色或魚眼；非噴涂的表面則可能會(huì)出現(xiàn)針孔?？紤]到這些，我們?yōu)樗麄冏珜懥诵碌馁|(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，他們非常高興；他們不僅得到了頂級(jí)質(zhì)量的部件，而且制定了他們自己的供應(yīng)商質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。”

Prodrive工藝制成的部件也受到了其他客戶的歡迎。如果存在預(yù)加工過(guò)程，則必須進(jìn)行一定程度的拋光，以達(dá)到必需的表面標(biāo)準(zhǔn)。目前Prodrive工藝的最大產(chǎn)量為400個(gè)部件/月。對(duì)于以手工操作為主的小型生產(chǎn)商，該工藝可以根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)整以滿足產(chǎn)量要求。

Prodrive為還不習(xí)慣使用復(fù)合材料的客戶提供全面的服務(wù)，在設(shè)計(jì)、制造、供應(yīng)和服務(wù)的全過(guò)程提供質(zhì)量保證。材料的替換是最簡(jiǎn)單的一個(gè)步驟，復(fù)合材料替代現(xiàn)有材料時(shí)不需要重新設(shè)計(jì)產(chǎn)品。這將帶來(lái)重量、耐久性和維護(hù)方面的一些顯著優(yōu)勢(shì)，但當(dāng)客戶對(duì)此充滿信心并在設(shè)計(jì)階段全面發(fā)掘其優(yōu)異的性能時(shí)，他們獲得的會(huì)更多。

本文來(lái)自123

Prodrive的文化就是開發(fā)有創(chuàng)意的、實(shí)用的、低成本解決方案，以滿足技術(shù)上的挑戰(zhàn)。Prodrive工藝就是這一宗旨的表現(xiàn)之一，但在其背后，還有更多。“另一家知名的賽車制造商也找到了我們，希望我們?yōu)槠涔?yīng)復(fù)合材料部件。” White繼續(xù)到。


經(jīng)過(guò)全面培訓(xùn)的復(fù)合材料技工是新一代的手工藝者，
只是他們處理的不再是木頭或皮革，而是樹脂和纖維

“他們已經(jīng)達(dá)到了結(jié)構(gòu)和尺寸方面的要求，但是對(duì)外觀并不滿意。而我們通過(guò)控制每個(gè)部件中的編織方向，能夠同時(shí)滿足這三項(xiàng)要求。我們的質(zhì)量和按時(shí)的交貨給這家客戶留下了很好的印象，因此盡管處于經(jīng)濟(jì)衰退時(shí)期，他們還是索取了報(bào)價(jià)單，希望引進(jìn)我們的產(chǎn)品。”

其他應(yīng)用

除了汽車行業(yè)的應(yīng)用，Prodrive的客戶群還包括航空航天、通訊、船艇，其中最特殊的當(dāng)屬高端HiFi行業(yè)。 123,123

音響制造商KEF與Prodrive進(jìn)行了技術(shù)方面的合作，設(shè)計(jì)出一種被稱作Blade的概念產(chǎn)品。該產(chǎn)品采用碳纖維復(fù)合材料外殼，具有非常高的表面質(zhì)量和驚人的視覺吸引力。對(duì)于結(jié)構(gòu)性能方面的要求（例如強(qiáng)度和固有頻率），Prodrive和KEF的工程師對(duì)其進(jìn)行了仔細(xì)的控制，從而生產(chǎn)出了不受外界聲音影響的音響外殼。。

“這個(gè)行業(yè)以外的人可能認(rèn)為碳纖維復(fù)合材料只適用于制造賽車的高強(qiáng)度板和結(jié)構(gòu)部件。”Prodrive復(fù)合材料銷售經(jīng)理Matthew Bradney說(shuō)，“其實(shí)對(duì)于該材料的性能來(lái)說(shuō)，這只是很小的一部分應(yīng)用；其密度、纖維的選擇和編織的方向都是可變的；復(fù)合材料三明治中間的‘肉’可以是鋁蜂窩、輕木或什么都沒有（實(shí)心復(fù)合材料部件）。傳統(tǒng)工程材料是沒有如此多的性能的。”

內(nèi)容來(lái)自123456
Prodrive的碳纖維馬鐙僅重40克，但安全承重能力達(dá)600公斤

復(fù)合材料具有耐化學(xué)腐蝕性，在海上應(yīng)用中與金屬材料相比，能夠節(jié)約大量的維護(hù)成本。Prodrive為多種海上應(yīng)用提供復(fù)合材料產(chǎn)品，例如近海平臺(tái)和賽艇。海上平臺(tái)在原油過(guò)濾器中采用非常耐磨蝕的輕質(zhì)復(fù)合材料取代原來(lái)的鋼材，以延長(zhǎng)其使用壽命，降低維護(hù)成本。一艘參加美洲杯大賽的賽艇在高載荷絞盤外殼中采用了碳纖維復(fù)合材料，與金屬材料相比，重量和耐久性都得到了改進(jìn)。
大型的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)包括豪華游艇的駕駛橋樓和近海救生艇的船體和上部結(jié)構(gòu)。大型厚壁部件采用樹脂真空灌注等工藝制造，無(wú)需高壓釜，因此該工藝對(duì)部件沒有尺寸上的限制。

就小型部件來(lái)說(shuō)，Prodrive還為頂級(jí)賽馬師提供碳纖維復(fù)合材料馬鐙，對(duì)他們來(lái)說(shuō)，每一克的重量都是非常重要的。一套復(fù)合材料馬鐙大約重40克，比鋁制馬鐙輕100克。制造馬鐙過(guò)程中，要對(duì)碳纖維的鋪放進(jìn)行詳細(xì)的有限元分析，因?yàn)樘祭w維的破裂是無(wú)法用X射線檢測(cè)出來(lái)的，因此其對(duì)馬匹造成的傷害很難被發(fā)現(xiàn)。 copyright 123456

Gary White 總結(jié)說(shuō)：“你一定會(huì)吃驚許多人都認(rèn)為碳纖維僅僅是碳纖維而已。我們針對(duì)每個(gè)新應(yīng)用的解決方案都是站在全局的角度，滿足所有的需求。終端產(chǎn)品無(wú)需增加任何成本，但卻經(jīng)常擁有更多的功能，從而幫助我們的客戶提高競(jìng)爭(zhēng)能力。”