熱固性-熱塑性連接實現天然纖維制成的剎車盤蓋

　　

　　該器件結合了三種技術：壓縮成型的亞麻纖維/環氧基結構，注塑包覆成型的熱塑性外層結構和將上述兩層連接起來而不使用粘合劑的一種創新技術。這一種創新連接技術，名為Conexus，獲獎的剎車盤蓋就是為了展示這項技術而設計的。

　　

　　

　　

　　圖1 獲得2022 JEC創新獎的摩托車剎車盤蓋

　　

　　Conexus：無需粘合劑的多材料連接方案

　　

　　在摩托賽車和其他許多終端市場中使用的熱固性復合材料部件，經常要與其他材料的部件結合在一起，如由未增強的塑料或者金屬制成的部件。與熱固性復合材料一起進行多材料的連接，往往需要使用機械緊固件（這會增加部件重量）或粘合劑。除增加重量外，粘合劑所含有的化學成分通常被認為不具備可持續性。此外，基于嚴格的無損檢測標準要求，通常還需要預處理，而且加工和質量控制也具有挑戰性。

　　

　　為此，KTM Technologies公司想要尋求一種可以避免使用緊固件和粘合劑的連接方法。在過去幾年中，KTM公司開發出了Conexus技術，該技術的基礎是一種熱塑性的薄膜，被稱作“耦合層”。該耦合層可以被添加到固化加工中使用的傳統熱固性復合材料疊層中，比如預浸料的模壓成型。在固化過程中，Conexus層與熱固性復合材料部分結合，既充當一種化學脫模劑，也作為一種未增強的熱塑性塑料外層，允許另外的熱塑性材料直接結合到其上。之后，就可以通過注射成型、3D打印或焊接來對部件進行功能化。而且，Conexus技術適用于各種樹脂和纖維類型。

　　

　　

　　

　　圖2 Conexus技術是一種熱塑性的耦合層，被用在熱固性復合材料和熱塑性材料之間

　　

　　剎車盤蓋

　　

　　該剎車盤蓋項目最初是為了展示Conexus技術，現在，一種碳纖維/環氧樹脂版本的部件已由KTM Technologies公司開始批量生產，其特點是，通過注射成型使金屬嵌件直接與熱塑性塑料的組成部分相連。以該量產部件以及制造它的工藝和模具為基礎，在2022 JEC World展會中展示的更具可持續性的亞麻纖維/環氧樹脂版本的部件也已投入生產。

　　

　　KTM Technologies公司的工業設計部門從標準的剎車盤蓋技術規范開始著手。通常，這些盤蓋由金屬或注射級別的塑料制成，含有幾個孔，以便讓氣流進入剎車盤蓋的下面。固定在盤蓋底部的金屬嵌件用于將盤蓋安裝并鎖定到摩托車上。

　　

　　設計成果

　　

　　1. 用亞麻纖維增強的熱固性層來增加剛度和抗沖擊性；

　　

　　2. 用包覆成型的熱塑性塑料外層作為功能層，與金屬件配合；

　　

　　3. 成型中使用耦合層來連接多種材料而無需使用粘合劑或緊固件。

　　

　　采用這種新設計的目的是為了開發一種擁有3層結構的部件：最上層采用環氧樹脂熱固性復合材料，以增強部件的整體抗沖擊能力和剛性；底層采用未增強的熱塑性塑料，以固定金屬嵌件；中間的Conexus連接層作為第三層，將上下兩層連接起來。最后，熱固性層與熱塑性層稍有重疊，但重疊部分不是用來連接，而是為了保護邊緣長期免于受潮和磨損。

　　

　　從現有設計的 CAD 文件著手，設計團隊采用數字仿真來設計新的部件，目的是將正確的材料用在正確的地方。為避免在注射成型過程中產生翹曲變形、確保良好的填充以及溫度在連接層的均勻分布，他們還作了其他模擬。

　　

　　為了提高速度，熱固性部分的成型選用了模壓工藝，熱塑性部分的成型選用了注射成型工藝。

　　

　　盤蓋的原始設計是：模壓成型的環氧/碳纖維上層通過Conexus耦合層與由PA6/ABS混合物注射成型的下層連接起來。KTM Technologies公司與奧地利Alba Tooling & Engineering公司合作開發了用于熱固性部分的模具，與德國Altendorfer Kunststofftechnik公司合作開發了注射成型用的模具。

　　

　　首先，采用模壓成型工藝成型出熱固性復合材料的結構層。在鋪層過程中，先將一層Conexus薄膜作為底層鋪放到模具中，該薄膜在加工后的最終部件中大約有100µm的厚度。Conexus層采用了一種能與所選用的熱塑性樹脂（聚酰胺）和熱固性樹脂（環氧樹脂）相兼容以便將它們連接起來的共聚物。不僅如此，Conexus層還充當了模具中的離型膜。然后，將碳纖維織物鋪放到Conexus薄膜上，接著在150℃下成型，從而在熱固性樹脂與Conexus層之間形成連接。成型后，將該部件與一個位于中心的金屬嵌件一起轉送到注射成型加工站，在此，直接將PA6/ABS注射包覆到Conexus薄膜上，從而在該連接層與熱塑性樹脂之間形成另一個連接。

　　

　　

　　

　　圖3 第一代：環氧/碳纖維盤蓋

　　

　　更可持續的亞麻纖維盤蓋

　　

　　碳纖維版本的盤蓋成功地示范了Conexus技術。為了制作更具可持續性的部件，替換環氧/碳纖維材料，這一次采用了Bcomp公司的ampliTex 5040 300gsm斜紋亞麻織物，該織物由環氧樹脂浸潤。同時，還采用了一層 Conexus薄膜，然后進行模壓成型。與之前一樣，接著是注射包覆成型PA6的底層。為了驗證亞麻纖維與Conexus技術的兼容性，以及為了驗證組合后的部件能否在各種條件下長期保持連接，還作了一系列的試驗。雖然亞麻纖維的整體力學性能要比碳纖維的低，但這種材料卻提供了其他優勢，如改善阻尼性能，而且斷裂時不會碎裂，從而增加了安全性。

　　

　　測試完成后, 采用了與原來的碳纖維盤蓋相同的模具和部件設計來制造新的示范盤蓋。

　　

　　針對碳纖維增強聚合物（CFRP）和亞麻纖維增強聚合物的盤蓋，KTM Technologies公司依據其公司內部的質量標準，最終在公司內部的試樣測試和部件測試中驗證了其Conexus連接技術，證明了粘接部件所具有的附著力、抗沖擊性和抗紫外性等。

　　

　　從碳纖維變成亞麻纖維，由材料帶來的碳排放可降低60%。“一方面，使用Conexus技術生產出美觀的高性能部件；另一方面，能夠實現可持續發展目標。通過采用成熟的生產方法，可以方便地使用其他纖維或熱塑性材料。

　　

　

　　

　　圖4 第二代和第三代：亞麻纖維/環氧樹脂和亞麻纖維/生物基PA盤蓋