Termoplastiska kolfiberlaminat kan borras med ultrasnabba matningsmetoder i framtiden.
Flyg- och biltillverkning är två branscher som bäst återspeglar industriella kapaciteter och fullständigheten i försörjningskedjan inom moderna industriområden, som involverar otaliga tekniker och material. Kolfiber och kompositmaterial är för närvarande en mycket populär ny typ av material i industriell produktion, som får gynnsamma tillämpningar på grund av sina enastående mekaniska egenskaper. I praktiska tillämpningar fungerar kolfiber som ett förstärkningsmaterial som kan kombineras med olika matrismaterial, vilket gör att det kan bearbetas till olika former av industriella komponenter, av vilka några kan användas inom flyg- och biltillverkningssektorerna.
För närvarande anses vanliga värmehärdande kolfiber, såväl som den mer fördelaktiga termoplastiska kolfibern i framtiden, vara högpresterande kompositmaterial som är svåra att överträffa. Att bearbeta dessa kolfiberkompositer till färdiga produkter innebär dock vissa utmaningar, vilket kräver samordning av olika utrustningar och maskiner. Grundläggande operationer som borrning, skärning och urholkning är väsentliga. Ändå bör man inte underskatta dessa grundläggande bearbetningssteg, eftersom bearbetningsoperationerna också är avgörande kopplade till prestandan hos kolfiberprodukter. Den här artikeln refererar till internationell vetenskaplig litteratur för att introducera den ultrasnabba matningsborrmetoden och jämför den med två andra bearbetningsmetoder: ultraljudsvibrationer och abrasiv vattenstråleskärning.
Tre borrmetoder för termoplastiska kolfiberlaminat (CF/PA6).
1.Ultra-snabb matningsborrning (UFFD): Skärvärme och friktionsvärme kan leda till att den termoplastiska matrisen smälter, vilket påverkar borrningseffektiviteten och -resultaten. För att studera de faktiska effekterna av den ultrasnabba matningsborrmetoden fixeras det termoplastiska kolfiberlaminatet och matningshastigheter på 3000, 5000 och 7000 mm/min väljs med hjälp av en trekomponentsdynamometer för mätning.
2. Ultraljudsvibrationsborrning (UVD): En piezoelektrisk kristalloscillator är installerad på utrustningen för att ge en konstant frekvens på 70 kHz, vilket möjliggör observation av de faktiska effekterna av ultraljudsvibrationer vid borrning i termoplastiska kolfiberlaminat.
3. Abrasive Water Jet Drilling (AWJ): Slipande vattenstrålebearbetning är för närvarande den vanliga metoden för skärning av värmehärdande kolfiberprodukter. Vattenstrålebanan är utformad i en cirkulär form, och ett visst vattentryck appliceras för att borra i det termoplastiska kolfiberlaminatet, med de faktiska effekterna observerade.
Demonstration av de faktiska effekterna av ultrasnabb matningsborrning
1. Jämförelse av borreffekter: När man jämför en matningshastighet på 3000 mm/min med en låg matningshastighet på 50 mm/min, uppnår den förstnämnda skärningen snabbare, utvisar endast en liten mängd spån och lämnar inga grader nära det borrade hålet. Däremot visar den senare betydande deformation när borrkronan penetrerar det främre laminatet, med en större mängd spånrester och kronliknande grader runt hålet. Toppdragkraften vid 3000 mm/min är sex gånger så stor som 50 mm/min och når nästan 22N, medan borrtiden bara är 1/60 av den senares, vilket avsevärt ökar borreffektiviteten och förbättrar borrkvaliteten.
2. Delaminering och burr situation: Observationer med hjälp av ett 3D-mätmikroskop avslöjar att delaminering och grader uppstår i förhållande till borrningens ingångsriktning, med 20 μm som skiljelinje. När matningshastigheten är 3000 mm/min observeras ingen delaminering oavsett spindelhastigheten. Emellertid, när matningshastigheten överstiger 3000 mm/min och spindelhastigheten överstiger 20 000 min-1, ökar delamineringsvolymen med ökningen av matningshastigheten. Detta tillskrivs den större dragkraften som genereras vid högre matningshastigheter.
Dessutom, när spindelhastigheten ökar, minskar volymen av grader som uppstår. Genom flera experiment visade det sig att vid en matningshastighet på 3000 mm/min och en spindelhastighet på 20 000 min⁻¹ finns det inga delamineringsproblem, samtidigt som en mindre gradvolym bibehålls. Sammantaget resulterar detta i bättre borrprestanda.
3. Jämförelse med de två andra borrmetoderna: För att bättre jämföra borrningseffekterna observerades mikroskopiska bilder av varje borrmetod i experimentet. Vid ultrasnabb matningsborrning (UFFD) är varje lager av kolfiber tydligt synligt på hålväggen, medan vid ultraljudsvibrationsborrning (UVD) och abrasiv vattenstråleborrning (AWJ) är hålväggarna täckta av en smält matris , vilket resulterar i en suddigare yta. När de mikroskopiska bilderna förstoras visar AWJ-hålväggarna betydande diffusion av nylonfibrer, medan kanterna på hålen från UFFD uppvisar bättre kvalitet. Baserat på jämförelsen av hålytkvalitet, formnoggrannhet och bearbetningstid visar ultrasnabb matningsborrning (UFFD) sig vara en mer lovande borrmetod för termoplastiska kolfiberlaminat.
Att borra hål i termoplastiska kolfiberpaneler är en grundläggande bearbetningsmetod som möjliggör stabila kopplingar med andra industriella komponenter och höjer deras kommersiella värde. För närvarande är den utbredda tillämpningen av termoplastiska kolfiberkompositer fortfarande i ett tidigt skede, och framställningen av enkelriktade termoplastiska kolfiberkompositer utgör betydande utmaningar, vilket begränsar tillämpningen av dessa material från början. Som ett av få företag i Kina som självständigt kan producera kontinuerliga kolfiber termoplastiska komposit enkelriktade band, anser Zhishang New Materials att utvecklingen av termoplastiska kolfibrer måste börja från en grundläggande nivå, och tekniska framsteg är den primära förutsättningen för att lösa befintliga problem.
