Wie können Sie bei der kundenspezifischen Fertigung von Kohlefaserteilen ein hohes Leistungsniveau aufrechterhalten?

2025-09-09 09:50:30

Das Ziel der Verarbeitung von Kohlefaserverbundwerkstoffen zu verschiedenen Industrieteilen besteht darin, die inhärenten hohen mechanischen Eigenschaften des Materials für verschiedene Branchen und Bereiche zu nutzen. Allerdings ist die Verarbeitung von Carbonfaserprodukten keine einfache Aufgabe. Durch die Auswahl der geeigneten Verarbeitungstechnologie und die Beachtung von Details in jedem Produktionsschritt kann die Erhaltung der inhärenten hohen Leistung maximiert werden.

Die Verarbeitung und Produktion von Hochleistungs-Carbonfaserteilen erfordert eine sorgfältige Steuerung des gesamten Prozesses, von der Materialauswahl über das Prozessdesign und die Prozesskontrolle bis hin zur Nachbearbeitung. Der Spruch „Details entscheiden über Erfolg oder Misserfolg“ gilt insbesondere bei der Verarbeitung von Carbonfaserteilen. Ein kleiner Fehler kann die Gesamtleistung eines Kohlefaserteils erheblich beeinträchtigen. Um leistungsstarke Kohlefaserteile zu erhalten, sollten Sie die folgenden wichtigen Schritte und technischen Punkte berücksichtigen.

1. Auswahl des Primär- und Sekundärmaterials

Kohlenstofffasertyp: Wählen Sie je nach Leistungsanforderungen eine Faser mit hohem Modul (z. B. M40J), hoher Festigkeit (z. B. T800) oder Faser mit hoher Dehnung (z. B. T1000). Fasern mit hohem Modul und hoher Festigkeit werden häufig in der Luft- und Raumfahrt verwendet, während bei Sportgeräten die Kosteneffizienz im Vordergrund stehen kann.

Harzmatrixtypen: Allzweck-Epoxidharz, Hochtemperatur-Bismaleimid (BMI), thermoplastisches Polyetheretherketon (PEEK) usw. Darüber hinaus müssen die Benetzbarkeits- und Aushärtungseigenschaften der Faser aufeinander abgestimmt sein.

Prepreg-Kontrolle: Stellen Sie den Harzgehalt (±2 % Toleranz) und den Gehalt an flüchtigen Stoffen (<1 %) sicher, um eine Feuchtigkeitsaufnahme während der Lagerung oder des Ablaufs zu verhindern.

Trennmittel: Wählen Sie ein hochtemperaturbeständiges (z. B. eine Polytetrafluorethylen-Beschichtung) oder semipermanentes Trennmittel, um Restkontaminationen zu vermeiden.

Kernmaterial und Zwischenschicht: Wabenkern (Nomex) und Schaumkern (PET) müssen vorgetrocknet werden, um Blasen während der Aushärtung zu vermeiden.

2. Aufbau und Formenbau

Lay-up-Design: Für Lay-up-Winkel verwenden Sie isotropes Lay-up, um die Anisotropie mit 0° (Haupttragrichtung), ±45° (Scherfestigkeit) und 90° (Querverstärkung) auszugleichen. Verwenden Sie für die Schichtdicke einen abgestuften oder abgestuften Schichtaufbau, um Spannungskonzentrationen aufgrund ungleichmäßiger Dicke zu vermeiden. Die Finite-Elemente-Analyse (FEA) kann auch verwendet werden, um die Spannungsverteilung unter Last zu simulieren und die Aufbaureihenfolge zu optimieren (z. B. Verwendung von ±45° für die Schlagfestigkeit der Außenschicht).

Formdesign: Berücksichtigen Sie den Wärmeausdehnungskoeffizienten des Formmaterials (Stahl, Aluminium, Verbundwerkstoff) vollständig und stellen Sie sicher, dass er dem der Kohlefaserkomponente nahe kommt, um Verformungen beim Entformen zu vermeiden. Um eine reibungslose Entformung zu gewährleisten, sollte auch die Gestaltung der Trennfuge berücksichtigt werden. Für komplexe gekrümmte Oberflächen sollten modulare Formen oder weiche Silikonformen verwendet werden.

3. Auswahl und Kontrolle des Formprozesses

A. Mainstream-Formprozesse

Autoklavenformen (Luft- und Raumfahrtqualität): Aushärten unter hohem Druck (0,5–0,7 MPa) und hoher Temperatur (120–180 °C), was zu einer Porosität von <1 % und einem Faservolumengehalt von 60–65 % führt.

Resin Transfer Moulding (RTM) (Automobilteile): Einspritzung in geschlossener Form mit kontrollierter Einspritzgeschwindigkeit (um trockene Stellen zu verhindern) und Druck (0,3–0,6 MPa), geeignet für komplexe Strukturen.

Filmfilamentwicklung (Druckbehälter, Rohre): Steuern Sie die Faserspannung (20–50 N) und den Wickelwinkel (±55° Spiralwicklung) präzise.

3D-Druck (Rapid Prototyping): Beim Drucken von kohlenstofffaserverstärktem Thermoplast (z. B. PA-CF) ist die Festigkeit der Zwischenschichtbindung von entscheidender Bedeutung.

B. Prozessparametersteuerung

Aushärtungskurve: Verwenden Sie einen schrittweisen Temperaturanstieg (z. B. 80 °C Vorhärtung → 120 °C Haupthärtung → 180 °C Nachhärtung), um Harzpolymerisation und innere Spannungskonzentration zu vermeiden.

Vakuum: Halten Sie einen Mindestwert von -0,095 MPa ein, um eine ausreichende Harzinfiltration zu gewährleisten und Luftblasen auszutreiben.

Druckgleichmäßigkeit: Halten Sie im Autoklaven einen Druckgradienten von <5 % aufrecht, um eine örtliche Unterverdichtung zu vermeiden.

4. Nachbearbeitung und Oberflächenbehandlung

A. Bearbeitung

Schneiden: Verwenden Sie Wasserstrahlschneiden (Druck 400 MPa) oder diamantbeschichtete Werkzeuge, um eine Delaminierung der Fasern zu verhindern.

Bohren: Verwenden Sie einen Bohrer aus polykristallinem Diamant (PKD) mit einer Drehzahl von 2000–5000 U/min und einem Vorschub von 0,01–0,05 mm/Umdrehung. Polieren: Verwenden Sie Siliziumkarbid-Schleifpapier (Körnung 180–400) zum schrittweisen Polieren, um übermäßigen Faserverschleiß zu vermeiden.

B. Oberflächenbehandlung

Beschichtung: Hochtemperaturbeständige Polyurethanbeschichtung (Automobilteile), UV-beständige Beschichtung (Außenausrüstung).

Metallisierung: Vakuumbeschichtung (Aluminium, Nickel) zur Verbesserung der Leitfähigkeit oder elektromagnetischen Abschirmleistung.

5. Hochleistungsoptimierungstechnologien

A. Schnittstellenverbesserung

Faseroberflächenbehandlung: Plasmabehandlung oder Schlichte (Epoxidsilan) zur Verbesserung der Faser-Harz-Bindung.

Nano-Modifikation: Fügen Sie Kohlenstoffnanoröhren (0,5–2 Gew.-%) oder Graphen hinzu, um die Zähigkeit und Leitfähigkeit der Zwischenschichten zu verbessern.

B. Strukturelle Innovation

Hybrid-Laminierung: Mischen Sie Kohlefaser mit Kevlar oder Glasfaser, um Kosten und Schlagfestigkeit in Einklang zu bringen.

Integriertes Formen: Mithärten und Einbetten von Metallverbindungen (eingebettete Komponenten aus Titanlegierung), um eine mechanische Schwächung der Verbindungen zu vermeiden.