探討纖維增強樹脂基復合材料制造技術的研究進展

陳秋云

關鍵詞：纖維增強;樹脂;復合材料;制造技術

纖維增強樹脂基復合材料主要采用短切或者連續(xù)式的纖維和織物增強熱固性的樹脂作為集體，之后再采用成型工藝復合完成，不僅在航空航天領域中廣泛使用，而且在汽車制造領域中的應用效果也非常顯著，具有抗疲勞、耐腐蝕、設計性強等特點，所以應用范圍非常廣泛。樹脂復合材料種類繁多，通過基體和纖維間之間界面的應力傳遞，可以為形成一個整體提供良好硬度性和強度性、穩(wěn)定性。纖維增強復合材料技術的應用航空領域中不僅可以減輕結(jié)構(gòu)的整體重量，還可以實現(xiàn)一體化的設計，推動我國航空航天、軍工等多個領域的發(fā)展。

一、模壓成型

模壓成型也被稱之為壓縮模塑，主要是將纖維增強復合材料的預浸料按照鋪展疊放的樣式放置在相應的模具中，之后再將其進行加熱、熔融，按照規(guī)定值下的額壓力完成壓制，壓制之后對模型進行冷卻，冷卻后將外面的模具全部脫去。通常情況下完成模壓成型的工藝主要包括固態(tài)性的模壓成型和動態(tài)性的模壓成型，前者也稱為干法成型，后者也被稱之為濕法成型。

通過對復合材料螺旋槳整體模壓成型模具設計進行深入性的研究，在目前已有的模具設計進行更新和調(diào)整，可以設計出一種具有整體性復合材料螺旋槳模具，該技術能夠有效避免傳統(tǒng)技術中存在的不足，同時也可以將傳統(tǒng)技術無法解決的問題全部解決掉，極大地提高了技術的應用效果。以某汽車衣帽架主體為例，可以嚴格按照結(jié)構(gòu)的特性設置與內(nèi)飾件模壓成型模相關的具體操作流程和方法，通過對不同結(jié)構(gòu)的狀況和特性進行分析，按照分析結(jié)果和相關技術流程完成輕量化的設計，能夠在很大程度上保障整個模具結(jié)構(gòu)的強度和剛度。有研究學者，經(jīng)過有限元分析軟件，在這個壓縮成型過程中，對長纖維增強預浸料進行數(shù)值模擬，通過深入分析流動分析中可能需要的填充時間和纖維的分布情況，并對其進行全面的評估，同時也可以對熱殘余應力、纖維去向所引起的變形程度進行分析，通過對比兩種方式的結(jié)果，發(fā)現(xiàn)吻合度較高。經(jīng)兩種結(jié)果相對比，兩者的吻合度非常吻合。還有研究學者通過采有限元模擬、分析技術對運動器械的碳纖維復合材料進行分析，為整個復合材料產(chǎn)品設計的完整性提供了有利的條件。

二、拉擠成型

拉擠成型主要是通過借助牽引設備來完成的一種工藝技術，將已經(jīng)被浸漬好的樹脂的纖維，采用模具完成加熱，在加熱條件下可以使樹脂采用固化的方式從而生產(chǎn)出有關復合材料型的技術。拉擠成型工藝屬于復合材料成型工藝方法的一種，具有系統(tǒng)化和連續(xù)性的特征，與金屬擠出工藝非常相似，之所以在多個行業(yè)領域被廣泛應用，主要原因在與該技術具有連續(xù)成型的特點，而且制品的長度也不受任何條件的限制和管理。

對于拉擠成型工藝，固化階段是最影響制品的一個環(huán)節(jié)，該工藝進行時，需要借助外熱源加熱模具完成高溫加熱，之后可以滿足熱固性樹脂固化反應的溫度，數(shù)值在固化反應過程中會有大量的熱量被釋放出來，恢復復合材料的內(nèi)部的非穩(wěn)態(tài)性的溫度場造成嚴重的影。因此，為了更好地改善上述現(xiàn)象，優(yōu)化工藝流程的規(guī)范化，需要將對固化階段的研究作為一個熱點和重點展開相應的討論。隨著信息技術的不斷發(fā)展與進步，帶動了分析軟件技術的發(fā)展，使模擬仿真技術逐漸完善，并向拉擠成型研究領域靠攏。有研究學者經(jīng)過研究對璃纖維增強塑料拉擠成型非穩(wěn)態(tài)溫度場、固化度兩者之間的關系數(shù)值化模擬，借助相關具有成功性的理論和研究學方面的知識和內(nèi)容，建立具有高科技含量的溫度場和固化度動力學模型。有研究學者為了可以能夠更好地提高零件尺寸的精度，滿足這個技術應用的效果，需要采用有限差分法來完成仿真，并在整個過程中還可以提出高技術型的混合計算方法，該方法有由單形法與遺傳算法相結(jié)合。還有研究人員根據(jù)技術發(fā)展的情況并借助國內(nèi)外的研究提出了一種新型的模具結(jié)構(gòu)，自帶加熱器設備。完成該技術的主要目標就是需要實際情況來增加數(shù)量，通過對其進行深入性的分析，并根據(jù)分析結(jié)構(gòu)確定最具有合理性的排布結(jié)構(gòu)，能夠有效避免大量能源消耗，提高資源的利用率，同時還可以利用隨機優(yōu)化算法的方式來完成整個流程的設置，另外，還有人會采用計算流體動力學的方式進行操作。

三、增材制造技術

增材制造技術也被稱之為快速成型技術、3D打印技術，整個技術的操作原理為“離散——堆積”原理，該技術在操作在實施過程中通過數(shù)字模型為基礎，高度集成CAD/CAE/CAM技術，這種操縱原理能夠使材料采用逐點累積的方式形成一個平面，之后再將每個平面都組合成一個具體的框架，從而形成一個完成化的物體，利于能夠以最簡單的方式形成一個一體化的物品，屬于目前應用最廣泛也是效果顯著的一種技術。可以在多個行業(yè)領域中廣泛使用。增材制造技術集信息網(wǎng)絡技術、先進材料技術、數(shù)字制造技術于一體，是目前制造技術中重要的組成部分，同時對領域行業(yè)的發(fā)展也起著至關重要的作用。增材制造技術多功能化，可以在汽車行業(yè)、航天行業(yè)和生物醫(yī)學行業(yè)中廣泛使用，并且取得了顯著的成績。增材制造技術目前稱為“具有第三次工業(yè)革命重要標志意義”的制造技術，該技術早在西方國家就已經(jīng)被廣泛使用，并成為戰(zhàn)略發(fā)展過程中最常使用的一種重要技術，隨著科學技術的不斷發(fā)展，增材制造技術也不斷更新與發(fā)展，已經(jīng)能夠嚴格根據(jù)成型機理的情況對技術的種類進行劃分，大致可以劃分成四種：層實體制造、選擇性激光燒結(jié)技術、立體光固化技術、熔融沉積成型技術，其中纖維增強復合材料、打印機及打印噴頭設計、3D打印的連續(xù)性路徑規(guī)劃算法等都屬于增材制造技術中最重要的組成部分，研究者需要在當前形勢下增加對其的深入性研究和分析。

將增材制造技術與纖維增強復合材料進行有效的結(jié)合，在實際使用的過程中為了能夠更好地充分發(fā)揮自身的優(yōu)勢和特點，需要做好取長補短，可以更好地順應時代發(fā)展的潮流，滿足綠色環(huán)保和節(jié)能的需求，降低建設成本，提高使用效能，同時也可以有效達到綠色制作的標準。另外，兩種技術的有效結(jié)合對于纖維增強復合材料產(chǎn)品也起著至關重要的作用，能夠?qū)崿F(xiàn)簡潔化、輕量化、高強化的設計特點，可以全面提高材料的利用率，起到解決成本提高經(jīng)濟的作用，全面推動綠色環(huán)保的發(fā)展技術，可見該技術具有非常廣闊的發(fā)展前景，屬于未來制造技術發(fā)展的一種主要趨勢。

四、未來發(fā)展建議

增材制造技術已經(jīng)成為國內(nèi)和國外研究的熱點內(nèi)容和重點內(nèi)容，并且纖維增強樹脂基復合材料增材制造也逐漸發(fā)展成目前首要關注的重點內(nèi)容和研究學者的主要發(fā)展方向。尤其是隨著多個領域?qū)w維增強樹脂基復合材料需求量的逐漸增多，相關研究人員一定要結(jié)合國內(nèi)外先進的技術和理念來創(chuàng)新技術方法，優(yōu)化技術工藝流程，并完善新的施工設備。通過對該技術的運行原理和工藝進行不斷的研究和分析，已經(jīng)逐漸完成了對增材制造技術的研發(fā)和創(chuàng)新，可以有效提高增材制造成形件的力學性能。但是仍存在很多的不足，由于樹脂機體的黏性度，低玻璃化轉(zhuǎn)變溫度以及低力學性能等弊端，對于實際的使用和推廣還存在很多的不利影響，為了可以更好地應用在各個行業(yè)中，可以滿足航天航空和汽車電子領域的需求和標準，仍然需要加大對該技術的研究和深入性的探討，不斷創(chuàng)新和優(yōu)化，全面實現(xiàn)高技術性的增材制造技術。

對于連續(xù)纖維增強復合材料增材制造技術具有高性能的特征，所以它的應用領域非常廣泛，成為未來發(fā)展的主要方向和動力，需要根據(jù)技術發(fā)展對此展開深入性的研究和分析，根據(jù)分析結(jié)果制定完善的解決對策，能夠更好地解決各種成形過程中所存在的各種問題，例如：孔隙多、界面結(jié)合性能差等，能夠有效提高材料技術成形件的力學性能。通過大型、超大型復合材料構(gòu)件的增材制造成形裝備進行深入性的研究探討，能夠在研究中不斷優(yōu)化技術方案，顯著提高復合材料構(gòu)件的整體的穩(wěn)定性和高效性，可以在航空航天、軌道交通等行業(yè)中充分發(fā)揮自身的作用和價值，為推動高端裝備技術的創(chuàng)新和發(fā)展奠定了良好的基礎。