探讨纤维增强树脂基复合材料制造技术的研究进展

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  关键词:纤维增强;树脂;复合材料;制造技术
  纤维增强树脂基复合材料主要采用短切或者连续式的纤维和织物增强热固性的树脂作为集体,之后再采用成型工艺复合完成,不仅在航空航天领域中广泛使用,而且在汽车制造领域中的应用效果也非常显著,具有抗疲劳、耐腐蚀、设计性强等特点,所以应用范围非常广泛。树脂复合材料种类繁多,通过基体和纤维间之间界面的应力传递,可以为形成一个整体提供良好硬度性和强度性、稳定性。纤维增强复合材料技术的应用航空领域中不仅可以减轻结构的整体重量,还可以实现一体化的设计,推动我国航空航天、军工等多个领域的发展。
  一、模压成型
  模压成型也被称之为压缩模塑,主要是将纤维增强复合材料的预浸料按照铺展叠放的样式放置在相应的模具中,之后再将其进行加热、熔融,按照规定值下的额压力完成压制,压制之后对模型进行冷却,冷却后将外面的模具全部脱去。通常情况下完成模压成型的工艺主要包括固态性的模压成型和动态性的模压成型,前者也称为干法成型,后者也被称之为湿法成型。
  通过对复合材料螺旋桨整体模压成型模具设计进行深入性的研究,在目前已有的模具设计进行更新和调整,可以设计出一种具有整体性复合材料螺旋桨模具,该技术能够有效避免传统技术中存在的不足,同时也可以将传统技术无法解决的问题全部解决掉,极大地提高了技术的应用效果。以某汽车衣帽架主体为例,可以严格按照结构的特性设置与内饰件模压成型模相关的具体操作流程和方法,通过对不同结构的状况和特性进行分析,按照分析结果和相关技术流程完成轻量化的设计,能够在很大程度上保障整个模具结构的强度和刚度。有研究学者,经过有限元分析软件,在这个压缩成型过程中,对长纤维增强预浸料进行数值模拟,通过深入分析流动分析中可能需要的填充时间和纤维的分布情况,并对其进行全面的评估,同时也可以对热残余应力、纤维去向所引起的变形程度进行分析,通过对比两种方式的结果,发现吻合度较高。经两种结果相对比,两者的吻合度非常吻合。还有研究学者通过采有限元模拟、分析技术对运动器械的碳纤维复合材料进行分析,为整个复合材料产品设计的完整性提供了有利的条件。
  二、拉挤成型
  拉挤成型主要是通过借助牵引设备来完成的一种工艺技术,将已经被浸渍好的树脂的纤维,采用模具完成加热,在加热条件下可以使树脂采用固化的方式从而生产出有关复合材料型的技术。拉挤成型工艺属于复合材料成型工艺方法的一种,具有系统化和连续性的特征,与金属挤出工艺非常相似,之所以在多个行业领域被广泛应用,主要原因在与该技术具有连续成型的特点,而且制品的长度也不受任何条件的限制和管理。
  对于拉挤成型工艺,固化阶段是最影响制品的一个环节,该工艺进行时,需要借助外热源加热模具完成高温加热,之后可以满足热固性树脂固化反应的温度,数值在固化反应过程中会有大量的热量被释放出来,恢复复合材料的内部的非稳态性的温度场造成严重的影。因此,为了更好地改善上述现象,优化工艺流程的规范化,需要将对固化阶段的研究作为一个热点和重点展开相应的讨论。随着信息技术的不断发展与进步,带动了分析软件技术的发展,使模拟仿真技术逐渐完善,并向拉挤成型研究领域靠拢。有研究学者经过研究对璃纤维增强塑料拉挤成型非稳态温度场、固化度两者之间的关系数值化模拟,借助相关具有成功性的理论和研究学方面的知识和内容,建立具有高科技含量的温度场和固化度动力学模型。有研究学者为了可以能够更好地提高零件尺寸的精度,满足这个技术应用的效果,需要采用有限差分法来完成仿真,并在整个过程中还可以提出高技术型的混合计算方法,该方法有由单形法与遗传算法相结合。还有研究人员根据技术发展的情况并借助国内外的研究提出了一种新型的模具结构,自带加热器设备。完成该技术的主要目标就是需要实际情况来增加数量,通过对其进行深入性的分析,并根据分析结构确定最具有合理性的排布结构,能够有效避免大量能源消耗,提高资源的利用率,同时还可以利用随机优化算法的方式来完成整个流程的设置,另外,还有人会采用计算流体动力学的方式进行操作。
  三、增材制造技术
  增材制造技术也被称之为快速成型技术、3D打印技术,整个技术的操作原理为“离散——堆积”原理,该技术在操作在实施过程中通过数字模型为基础,高度集成CAD/CAE/CAM技术,这种操纵原理能够使材料采用逐点累积的方式形成一个平面,之后再将每个平面都组合成一个具体的框架,从而形成一个完成化的物体,利于能够以最简单的方式形成一个一体化的物品,属于目前应用最广泛也是效果显著的一种技术。可以在多个行业领域中广泛使用。增材制造技术集信息网络技术、先进材料技术、数字制造技术于一体,是目前制造技术中重要的组成部分,同时对领域行业的发展也起着至关重要的作用。增材制造技术多功能化,可以在汽车行业、航天行业和生物医学行业中广泛使用,并且取得了显著的成绩。增材制造技术目前称为“具有第三次工业革命重要标志意义”的制造技术,该技术早在西方国家就已经被广泛使用,并成为战略发展过程中最常使用的一种重要技术,随着科学技术的不断发展,增材制造技术也不断更新与发展,已经能够严格根据成型机理的情况对技术的种类进行划分,大致可以划分成四种:层实体制造、选择性激光烧结技术、立体光固化技术、熔融沉积成型技术,其中纤维增强复合材料、打印机及打印喷头设计、3D打印的连续性路径规划算法等都属于增材制造技术中最重要的组成部分,研究者需要在当前形势下增加对其的深入性研究和分析。
  将增材制造技术与纤维增强复合材料进行有效的结合,在实际使用的过程中为了能够更好地充分发挥自身的优势和特点,需要做好取长补短,可以更好地顺应时代发展的潮流,满足绿色环保和节能的需求,降低建设成本,提高使用效能,同时也可以有效达到绿色制作的标准。另外,两种技术的有效结合对于纤维增强复合材料产品也起着至关重要的作用,能够实现简洁化、轻量化、高强化的设计特点,可以全面提高材料的利用率,起到解决成本提高经济的作用,全面推动绿色环保的发展技术,可见该技术具有非常广阔的发展前景,属于未来制造技术发展的一种主要趋势。
  四、未来发展建议
  增材制造技术已经成为国内和国外研究的热点内容和重点内容,并且纤维增强树脂基复合材料增材制造也逐渐发展成目前首要关注的重点内容和研究学者的主要发展方向。尤其是随着多个领域对纤维增强树脂基复合材料需求量的逐渐增多,相关研究人员一定要结合国内外先进的技术和理念来创新技术方法,优化技术工艺流程,并完善新的施工设备。通过对该技术的运行原理和工艺进行不断的研究和分析,已经逐渐完成了对增材制造技术的研发和创新,可以有效提高增材制造成形件的力学性能。但是仍存在很多的不足,由于树脂机体的黏性度,低玻璃化转变温度以及低力学性能等弊端,對于实际的使用和推广还存在很多的不利影响,为了可以更好地应用在各个行业中,可以满足航天航空和汽车电子领域的需求和标准,仍然需要加大对该技术的研究和深入性的探讨,不断创新和优化,全面实现高技术性的增材制造技术。
  对于连续纤维增强复合材料增材制造技术具有高性能的特征,所以它的应用领域非常广泛,成为未来发展的主要方向和动力,需要根据技术发展对此展开深入性的研究和分析,根据分析结果制定完善的解决对策,能够更好地解决各种成形过程中所存在的各种问题,例如:孔隙多、界面结合性能差等,能够有效提高材料技术成形件的力学性能。通过大型、超大型复合材料构件的增材制造成形装备进行深入性的研究探讨,能够在研究中不断优化技术方案,显著提高复合材料构件的整体的稳定性和高效性,可以在航空航天、轨道交通等行业中充分发挥自身的作用和价值,为推动高端装备技术的创新和发展奠定了良好的基础。
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