为其 2016年3月

纺织世界一览:从科研到系统化思维

基础开发

纤维复合材料至今已有约50年的工业生产史,这些材料主要用于轻量化用途,同时还被称作未来新型材料。凭借多种特殊性能,尤其是用于航空、汽车和建筑业的碳纤维加固复合材料拥有巨大的发展前景。

生产成本是这些复合材料在推广应用中面临的一个重要挑战:此类材料的生产成本一般高于金属材料,大体积部件尤为如此。在研发领域,产品成本有着众多的优化空间。对各种工序的生产流程进行优化及尽可能降低原料成本至关重要。

除了碳纤维是这方面的典例外,玻纤无捻粗纱也是如此。常规来说,纤维材料的成本会随纤度的增加而降低,也就是说,纤维越粗,材料的价格就越低。因此,最近几年粗束碳纤维纱开始越来越多的进入市场。对于这种纤维纱,举例来说,50k 就表示每根纤维纱内有50000根纤丝。这些粗束纤维纱的价格要低于3k至24k的低纤度碳纤维细纱。

而前者的力学性能与低纤度纱大体相同。但是,长丝纱较粗会导致生产性能降低,对于后期成品部件,主要表现包括长丝受损以及纱线和纤丝负荷分布效果降低等。

阿尔布施塔特纺织技术研究协会复合材料开发部门的目标就是根据纺织结构优化复合材料部件的生产,进而提高经济效率。该协会与格罗茨-贝克特合作,对粗加固纱的生产工艺进行了研究,以改善纺织结构。

作为基础研究项目的组成部分,格罗茨-贝克特开发的用于生产纱罗织物的PosiLeno®系统被成功用于剑杆织机上,同能够生产单向和双向织物(NCF=无皱布)。

这些新型织物具有多种优点:FTA与外部机构合作开展的试验室测试表明,与基于传统多轴技术的单向织物相比,这些克重为400-1300 gsm的单向织物具有更佳的悬垂性,注入时间更短且力学特性更佳。格罗茨-贝克特已为这些新织物申请了专利。

为评估该技术的工业应用潜力以及能为客户带来的好处,我们为该织物确定了多种用途,并找到多家零部件生产商对这种新面料的表面进行测试。其中,拥有实力和创新能力的Schmuhl Faserverbundtechnik 成为了我们的合作伙伴。

产品开发

Schmuhl Faserverbundtechnik (FVT)公司在各种复杂塑料产品尤其是高强度复合材料领域已有20余年的经验,并拥有复合产品开发、样品制造和批量生产的实力。该公司的产品在公差、轻巧性、强度和刚性方面可满足最高要求。自1986年以来,该公司就开始持续不断地开发各种复杂零部件和系统的批量生产专业技术,以确保经济高效地生产,尤其是在树脂转移成型(RTM)生产加工领域。Schmuhl FVT在成套系统及纤维复合零部件生产方面,堪称是一家理想的合作伙伴。

Schmuhl 开发和生产用于计算机断层造影(CT)诊断的患者检查床。这些检查床要在保证足够的X射线透过的同时,能承受一定的机械荷载。碳纤维加工塑料(CFPR)凭借特有的性能成为了该产品的最佳生产材料。Schmuhl的产品需要达到这些严苛的要求。

当前,这些检查床采用了三明治结构,其中芯部为泡沫材质,外部为碳纤维织物层。

CFC表层由0°/90°的织物生产而成,中间则为多层单向织物。检查床被设计为中间部位和床头板处稍微弯曲。这种设计就使得到目前为止,必须要使用每单位面积最大克量为300 gsm的单向织物层,以保证织物层与检查床的几何形状相贴合,而不会在插入过程中出现位置移动,或是织物在模具闭合时出现任何褶皱。而这相应地就会增加生产成本。

目标

为了在保持质量和降低织物重量相关成本的同时缩短铺放时间,科研人员把目标设定为提高克重三倍及其悬垂性。此外,还要避免损害织物的可处理性和可生产性及物理和力学特性能。

成果

针对此要求,格罗茨-贝克特专门调整了PosiLeno®系统,让科研人员成功开发出了一种由粗束碳纤维纱生产而成的克重为900 gsm的NCF纱罗织物。

这种织物可轻松地贴合部件的几何形状,这样,Schmuhl 成功地达到在更短的时间内完成模具衬里铺层处理的目标。这种织物结构可以防止铺层在加固材料插入或是模具闭合过程中发生不良移位。此外,在Schmuhl公司所采用的生产流程中,还发现织物的可处理性有所改善,具体的表现就是注入时间缩短。此外,织物的表面质量也有所提高。

该技术在Schmuhl公司的试验结果极为成功,最终这种NCF纱罗碳纤维织物被选中用于制造检查床,并已实现批量生产。不仅如此,这种材料还被用于生产另一种医疗产品。选择该材料的原因在于其在样品生产中表现出了极佳的性能:与当前市场上的经编单向织物材料相比,使用这种材料可实现更佳的表面质量。

NCF纱罗织物最早是在格罗茨-贝克特的技术研发中心(TEZ)生产,直至被外包给一家行业合作伙伴。在此过程中,我们不仅获得了用于评估生产加工稳定性的专业技术,还彰显了技术研发中心与合作伙伴携手,共同探索产品的进一步优化的潜力。

Schmuhl 公司声明:

“FTA通过与格罗茨-贝克特的技术研发中心合作,成功地提高了检查床生产的经济性,显著地降低了检查床的衬里生产成本。通过提高织物的悬垂性,不仅让织物更容易处理,还改善了模具的闭合性能。同时,可处理性也有所提高,缩短了生产时间。不仅如此,我们还提高了模塑部件的表面质量。

我们认为,这些新开发的纱罗织造无皱布具有巨大的潜力,尤其是在更高克重方面。对于我们而言,此次合作取得了全面的成功。我们期待下一次的合作。

目前,我们已有两种医疗产品在生产中采用了这种织物。”

技术研发中心(TEZ)

在技术研发中心(TEZ),格罗茨-贝克特与机器制造商、应用企业、纺织品生产企业和研究机构共同构建纺织业的未来。

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格罗茨-贝克特学院学院

格罗茨-贝克特学院提供从基础培训、高级培训、特殊培训到单独培训的范围广泛的培训课程。

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