剎車盤蓋安裝在摩托車的輪子上，用以保護(hù)剎車系統(tǒng)免受石擊或沖擊。最新設(shè)計的圓形嵌板的天然纖維剎車盤蓋，由摩托車制造商奧地利KTM Technologies公司制成。由亞麻纖維供應(yīng)商瑞士Bcomp公司將其帶入2022 JEC創(chuàng)新獎的競賽之中。
該器件結(jié)合了三種技術(shù)：壓縮成型的亞麻纖維/環(huán)氧基結(jié)構(gòu)，注塑包覆成型的熱塑性外層結(jié)構(gòu)和將上述兩層連接起來而不使用粘合劑的一種創(chuàng)新技術(shù)。這一種創(chuàng)新連接技術(shù)，名為Conexus，獲獎的剎車盤蓋就是為了展示這項(xiàng)技術(shù)而設(shè)計的。
圖1 獲得2022 JEC創(chuàng)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(fù)合材料部件，經(jīng)常要與其他材料的部件結(jié)合在一起，如由未增強(qiáng)的塑料或者金屬制成的部件。與熱固性復(fù)合材料一起進(jìn)行多材料的連接，往往需要使用機(jī)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(xué)成分通常被認(rèn)為不具備可持續(xù)性。此外，基于嚴(yán)格的無損檢測標(biāo)準(zhǔn)要求，通常還需要預(yù)處理，而且加工和質(zhì)量控制也具有挑戰(zhàn)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(fā)出了Conexus技術(shù)，該技術(shù)的基礎(chǔ)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(tǒng)熱固性復(fù)合材料疊層中，比如預(yù)浸料的模壓成型。在固化過程中，Conexus層與熱固性復(fù)合材料部分結(jié)合，既充當(dāng)一種化學(xué)脫模劑，也作為一種未增強(qiáng)的熱塑性塑料外層，允許另外的熱塑性材料直接結(jié)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(jìn)行功能化。而且，Conexus技術(shù)適用于各種樹脂和纖維類型。
圖2 Conexus技術(shù)是一種熱塑性的耦合層，被用在熱固性復(fù)合材料和熱塑性材料之間
剎車盤蓋
該剎車盤蓋項(xiàng)目最初是為了展示Conexus技術(shù)，現(xiàn)在，一種碳纖維/環(huán)氧樹脂版本的部件已由KTM Technologies公司開始批量生產(chǎn)，其特點(diǎn)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(chǎn)部件以及制造它的工藝和模具為基礎(chǔ)，在2022 JEC World展會中展示的更具可持續(xù)性的亞麻纖維/環(huán)氧樹脂版本的部件也已投入生產(chǎn)。
KTM Technologies公司的工業(yè)設(shè)計部門從標(biāo)準(zhǔn)的剎車盤蓋技術(shù)規(guī)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(jìn)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(shè)計成果
1. 用亞麻纖維增強(qiáng)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(shè)計的目的是為了開發(fā)一種擁有3層結(jié)構(gòu)的部件：最上層采用環(huán)氧樹脂熱固性復(fù)合材料，以增強(qiáng)部件的整體抗沖擊能力和剛性；底層采用未增強(qiáng)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(hù)邊緣長期免于受潮和磨損。
從現(xiàn)有設(shè)計的 CAD 文件著手，設(shè)計團(tuán)隊(duì)采用數(shù)字仿真來設(shè)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(chǎn)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(shè)計是：模壓成型的環(huán)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(fā)了用于熱固性部分的模具，與德國Altendorfer Kunststofftechnik公司合作開發(fā)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(fù)合材料的結(jié)構(gòu)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(huán)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(dāng)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(zhuǎn)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(huán)氧/碳纖維盤蓋
更可持續(xù)的亞麻纖維盤蓋
碳纖維版本的盤蓋成功地示范了Conexus技術(shù)。為了制作更具可持續(xù)性的部件，替換環(huán)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(huán)氧樹脂浸潤。同時，還采用了一層 Conexus薄膜，然后進(jìn)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(yàn)證亞麻纖維與Conexus技術(shù)的兼容性，以及為了驗(yàn)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(yàn)。雖然亞麻纖維的整體力學(xué)性能要比碳纖維的低，但這種材料卻提供了其他優(yōu)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(shè)計來制造新的示范盤蓋。
針對碳纖維增強(qiáng)聚合物（CFRP）和亞麻纖維增強(qiáng)聚合物的盤蓋，KTM Technologies公司依據(jù)其公司內(nèi)部的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，最終在公司內(nèi)部的試樣測試和部件測試中驗(yàn)證了其Conexus連接技術(shù)，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(shù)生產(chǎn)出美觀的高性能部件；另一方面，能夠?qū)崿F(xiàn)可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)。通過采用成熟的生產(chǎn)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(huán)氧樹脂和亞麻纖維/生物基PA盤蓋
