Els laminats de fibra de carboni termoplàstics es poden perforar amb mètodes d'alimentació ultra ràpids en el futur.
La fabricació aeroespacial i d'automoció són dues indústries que millor reflecteixen les capacitats industrials i la integritat de la cadena de subministrament en camps industrials moderns, que impliquen innombrables tecnologies i materials. La fibra de carboni i els materials compostos són actualment un nou tipus de material molt popular en la producció industrial, obtenint aplicacions favorables a causa de les seves excel·lents propietats mecàniques. En aplicacions pràctiques, la fibra de carboni serveix com a material de reforç que es pot combinar amb diferents materials de matriu, la qual cosa permet processar-la en diverses formes de components industrials, alguns dels quals es poden aplicar als sectors aeroespacial i de fabricació d'automoció.
Actualment, la fibra de carboni termoestables convencional, així com la fibra de carboni termoplàstica més avantatjosa en el futur, es consideren materials compostos d'alt rendiment que són difícils de superar. Tanmateix, processar aquests compostos de fibra de carboni en productes acabats planteja certs reptes, que requereixen la coordinació de diversos equips i maquinària. Les operacions bàsiques com ara perforar, tallar i buidar són essencials. No obstant això, no s'ha de subestimar aquests passos bàsics de processament, ja que les operacions de mecanitzat també estan lligades de manera crucial al rendiment dels productes de fibra de carboni. Aquest article fa referència a la literatura acadèmica internacional per introduir el mètode de perforació d'alimentació ultra ràpida i el compara amb altres dos mètodes de processament: vibració ultrasònica i tall per raig d'aigua abrasiu.
Tres mètodes de perforació per a laminats de fibra de carboni termoplàstica (CF/PA6).
1. Perforació d'alimentació ultra ràpida (UFFD): La calor de tall i la calor de fricció poden provocar la fusió de la matriu termoplàstica, afectant l'eficiència i els resultats de la perforació. Per estudiar els efectes reals del mètode de perforació d'alimentació ultra ràpida, es fixa el laminat de fibra de carboni termoplàstic i es seleccionen velocitats d'alimentació de 3000, 5000 i 7000 mm/min mitjançant un dinamòmetre de tres components per a la mesura.
2. Perforació per vibració ultrasònica (UVD): S'instal·la un oscil·lador de cristall piezoelèctric a l'equip per proporcionar una freqüència constant de 70 kHz, permetent l'observació dels efectes reals de la vibració ultrasònica quan es perfora en laminats de fibra de carboni termoplàstic.
3. Perforació amb raig d'aigua abrasiu (AWJ): El mecanitzat amb raig d'aigua abrasiu és actualment el mètode principal per tallar productes de fibra de carboni termoestables. La trajectòria del raig d'aigua està dissenyada en forma circular i s'aplica una certa pressió d'aigua per perforar el laminat de fibra de carboni termoplàstica, amb els efectes reals observats.
Demostració dels efectes reals de la perforació d'alimentació ultra ràpida
1.Comparació d'efectes de perforació: Quan es compara una velocitat d'alimentació de 3000 mm/min amb una velocitat d'alimentació baixa de 50 mm/min, el primer aconsegueix la finalització del tall més ràpidament, expulsant només una petita quantitat d'encenalls i sense deixar rebaves a prop del forat perforat. En canvi, aquest últim mostra una deformació important quan la broca penetra al laminat frontal, amb una quantitat més gran de residus d'encenall i rebaves semblants a una corona al voltant del forat. L'empenta màxima a 3000 mm/min és sis vegades més gran que la de 50 mm/min, arribant a gairebé 22N, mentre que el temps de perforació és només 1/60 del segon, augmentant significativament l'eficiència de perforació i millorant la qualitat de la perforació.
2.Delaminació i situació de rebava: Les observacions amb un microscopi de mesura 3D revelen que la delaminació i les rebaves es produeixen en relació amb la direcció d'entrada de la perforació, amb 20 μm com a línia divisòria. Quan la velocitat d'alimentació és de 3000 mm/min, no s'observa cap deslaminació independentment de la velocitat del cargol. Tanmateix, quan la velocitat d'alimentació supera els 3000 mm/min i la velocitat del cargol supera els 20.000 min⁻¹, el volum de delaminació augmenta amb l'augment de la velocitat d'alimentació. Això s'atribueix a la major empenta generada a velocitats d'alimentació més altes.
A més, a mesura que augmenta la velocitat del cargol, el volum de rebaves que apareixen disminueix. A través de diversos experiments, es va trobar que a una velocitat d'alimentació de 3000 mm/min i una velocitat del cargol de 20.000 min⁻¹, no hi ha cap problema de delaminació, alhora que es manté un volum de rebava més petit. En general, això es tradueix en un millor rendiment de perforació.
3.Comparació amb els altres dos mètodes de perforació: Per comparar millor els efectes de la perforació, es van observar imatges microscòpiques de cada mètode de perforació a l'experiment. En la perforació d'alimentació ultra ràpida (UFFD), cada capa de fibra de carboni és clarament visible a la paret del forat, mentre que en la perforació per vibració ultrasònica (UVD) i la perforació amb raig d'aigua abrasiva (AWJ), les parets del forat estan cobertes per una matriu fosa. , donant lloc a una superfície més borrosa. Quan s'amplien les imatges microscòpiques, les parets del forat AWJ mostren una difusió significativa de fibres de niló, mentre que les vores dels forats de l'UFFD presenten una millor qualitat. A partir de la comparació de la qualitat de la superfície del forat, la precisió de la forma i el temps de processament, la perforació d'alimentació ultra ràpida (UFFD) demostra ser un mètode de perforació més prometedor per als laminats de fibra de carboni termoplàstic.
Perforar forats en panells de fibra de carboni termoplàstic és un mètode de processament fonamental, que permet connexions estables amb altres components industrials i millora el seu valor comercial. Actualment, l'aplicació generalitzada de compostos de fibra de carboni termoplàstic encara es troba en les seves primeres etapes, i la preparació de compostos de fibra de carboni termoplàstics unidireccionals planteja reptes importants, la qual cosa limita l'aplicació d'aquests materials des del primer moment. Com a una de les poques empreses de la Xina capaç de produir de manera independent cintes unidireccionals de compost termoplàstic de fibra de carboni contínues, Zhishang New Materials creu que el desenvolupament de fibres de carboni termoplàstiques ha de començar des d'un nivell bàsic i l'avenç tecnològic és la condició principal per resoldre els problemes existents.
