不断创新的拉挤成型工艺

创新者将拉挤成型工艺和材料都推向新的极限。高度可定制且极其耐用的拉挤材料在广泛的应用领域中发现了不断增长的需求。市场研究公司Markets ＆Markets 预测，从2019 年到2024 年，全球拉挤成型市场的复合年增长率将达到4％，估计将达到34 亿美元。

拉挤成型工艺起源于1950 年代初期，用于制造横断面形状的FRP 复合型材。70 多年后，制造商和材料供应商正在探索改变这一过程的方法。拉挤成型向大直径、高厚度、复杂截面及复合成型的工艺方向发展。

应用重点：风力涡轮机

拉挤材料的主要优点之一是它们带来的长跨度强度。这也是拉挤材料成为萨沙•埃尔布斯洛（SaschaErbslöh）所称的风力涡轮机结构构件的“首选材料”的原因之一，其中非常著名的是充当转子叶片骨架的翼梁帽。

拉挤CFRP 翼梁帽本质上比通过早期的开模湿法层压工艺制造的翼梁帽更不断创新的拉挤成型工艺有效。Erbslöh 表示：“当然，主要优点是所有纤维的方向都正确。通过开模工艺，从理论上讲，您可以放入单独的单向纤维层，但是如果注入所有这些层，则总是很可能产生褶皱。如果使用拉挤成型，就几乎不存在这种现象。”

Erbslöh 预计，随着风能市场本身的持续增长，这种向拉挤部件的持续转变，将推动对拉挤技术的需求显著增加。美国能源部（DOE）预计，美国风能发电量将从2020 年的113.43 万千瓦增加到2030 年的224.07 万千瓦， 到2050年增加到404.25 万千瓦。这种增长需要另一个关键特征：快速制造的可重复性。这是拉挤成型的另一个明显优势。“您可以以非常可控的方式将其与预制零件组装在一起。对于最关键的部分，这是非常有利的。”

将涡轮机推向市场的速度提高了制造商的竞争力，并将进一步降低能源成本，从而使涡轮机的安装更具吸引力。美国能源部在其《2019 年风力技术市场报告》中指出，更多、性能更高的风力涡轮机的组合，正在将风能的成本降至每千瓦时2 美分以下的历史最低水平。

美国能源部的报告还指出，增加转子直径对提高涡轮效率起着重要作用。拉挤是制造下一代更大、更高效的海上转子的关键技术。

今天开发的大型涡轮机可在北海的严酷条件下有效运行至少30 年，北海的平均风速约为每小时22 英里。“拉挤成型正在使这种工业发电厂成为现实。”Erbslöh 补充说，现在，工程科学需要在目前的拉挤成型技术的基础上进一步发展。

在其他领域中，涡轮机制造商将发现自己在更深入地研究材料强度和负载能力，以便更好地确定安全涡轮机的最低设计标准。Erbslöh 说：“我认为在结构设计计算中，默认会添加很多局部安全系数。如果设计师注意这一点，他们可以大大减少材料。改善这些因素从根本上来说不是一个很大的挑战，但它需要正确的重点。”

此外，Erbslöh 表示，制造商正在关注如何提高CFRP 部件的防雷性。尽管CFRP 零件在结构上是有效的，但它们在防雷方面也带来了挑战。“最好使用所有的玻璃和不导电材料。“这肯定需要详细的工程工作和高保真度，多物理模拟，以得到一个良好的防雷系统到位——大量的工作正在确保这一点。”他说。

北欧绝缘研讨会（Nordic InsulationSymposium）2017 年的一篇论文《风电叶片中碳纤维复合材料的雷电暴露》（Lightning Exposure of CarbonFiber Composites in Wind Turbine

Blades) 中指出，制造工艺可以在提高雷电防护方面发挥作用。如果考虑两种单向纤维的例子，一种是传统的用单向纤维片组装杆，另一种是用拉挤法预固化碳纤维，那么这两种过程的电导率矩阵可能相差5 倍。根据特定的目标性能，这可能意味着拉挤可以在电导率上提高5 倍。

关键优点：耐久性

耐久性是拉挤的一个关键优点，也是它吸引风能制造商的一个原因。但说到耐用性，也许没有什么比医用植入物更重要的了，因为它必须被制造出来，以维持生命。

瑞士连续纤维增强热塑性塑料（CFRTP）材料供应商Suprem 一直在推动生产技术的进步，以支持用CFRTP制造更耐用的医疗产品。拉挤工艺是制造抗断裂杆的第一步。

Suprem 与其姊妹公司和客户icotec AG 密切合作，开发用于icotec压缩流动成型（CFM）工艺的碳增强聚醚醚酮（PEEK）杆。通过CFM，拉挤成型的碳纤维/PEEK 杆被重新成形为小于½ 英寸的小型医疗植入物、结构轴承和紧固件。

热塑性塑料似乎是这一独特挑战的理想答案，因为它们提供了关键的断裂韧性、刚性和温度，以及在体内使用必备的湿度和耐腐蚀性。这有可能结束金属植入物长期以来容易受到腐蚀所带来的问题。例如，人工髋关节的腐蚀与金属中毒有关，金属中毒会导致骨组织死亡和植入失败。

这也意味着脊柱螺钉断裂或用于修复内部组织的热固性材料退化的风险降低。Suprem 的首席执行官、Pultrusion 大会的发言人之一阿纳托尔• 吉利奥特（Anatole Gilliot）说：“你承受不起体内的污染。”通过首次拉挤这些材料，Suprem能够确保这些医疗终端产品所需的高负荷转移具有极佳的纤维排列。如果没有适当的负荷转移，医用螺钉吸收不成比例的负荷量，最终导致进行性骨丢失和螺钉松动。与其他技术相比，CFM 工艺允许制造商增加最终零件的纤维含量，这种增加可以最大限度地提高零件特性，如刚度。

然而，拉挤热塑性塑料提出了一些技术挑战，因为与热固性塑料相比，这些聚合物往往具有更高的粘度。Gilliot解释说，环氧树脂或乙烯基酯等材料的粘度较低，使得在不干扰纤维排列和产生空隙的情况下，更容易浸渍连续纤维。

Suprem 已开发出一种工艺，可对均匀分布在高粘性热塑性塑料中的大量高性能纤维进行拉挤成型。icotec 的CFM 工艺使用了采用这种先进技术制造的碳/ 聚醚醚酮杆。杆被送入一个封闭的预热腔。然后材料轴向转移到模具中并在压力下成形。

由于这两个过程，脊柱螺钉和其他医疗紧固件可以达到纤维体积含量高达60%。相比之下，注塑件通常可以产生30% 到40% 的纤维。当螺钉插入骨骼时，产生的紧固件的螺旋加强螺纹进一步保护部件免受磨损。过渡纤维取向区可以更好地将螺纹中引入的力传递到型芯，确保紧固件能够承受高负荷传递而不会损坏螺纹。Gilliot 指出，该公司继续审查其拉挤材料的方式，以结合不同的材料或包括功能材料。材料聚焦：先进的玻璃纤维尽管碳纤维已成为许多寻求强度和刚度的复合材料制造商选择的增强材料，但制造商发现高级玻璃纤维还可以满足拉挤结构材料对性能强度的更高要求。欧文斯科宁（Owens Corning）产品总监帕特里克• 哈勒（PatrickHaller）指出，改善增强材料的性能可能会对零件的拉伸、挠曲模量和强度产生重大影响。尽管许多制造商专注于调节树脂以实现特定性能，但围绕玻璃制造方式的创新，玻璃所含的化学成分及其涂层也帮助制造商获得了更坚固的增强材料。

Haller 称， 欧文斯科宁（EwensCorning）的高性能复合玻璃（HP-glass）是玻璃纤维增强的第三步改进，紧随E玻璃和ECR 玻璃之后。他解释说：“真正的改进在于机械性能。在拉伸方向和弯曲方向上的强度和模量比ECR 玻璃好约10％，并且耐腐蚀性也有所提高，

特别是在基本介质方面。”

高性能玻璃对确保结构部件（例如风轮机叶片）在更长的跨度内保持其刚度和强度具有巨大的影响。“许多拉挤零件本质上是结构性的。可能是工字梁，脚手架表面或导轨之类的东西。通过将弹性模量提高8％至12％，您可以使零件更薄或零件之间的跨度更长，从而可以减轻系统的重量，降低系统的成本，提高设计灵活性，等等。”Haller 说。

除了更强的产品外，改变纤维增强材料还可以改善可加工性。Haller说：“我们的标准产品提供了快速、均匀的绞线浸湿，以减少树脂需求并提高加工速度，并且在更高性能的产品上使用了相同的表面化学成分，以提供相同的加工益处。此外，通过使用新产品并重新设计以减少玻璃的使用，制造商将花费更少的时间来设置工艺或更换新零件的材料。”

在许多情况下，挑战是确定在什么地方使用性能更高，因此更昂贵的增强光纤最有意义。这也是一个平衡的行为，决定什么时候值得投资在重新设计零件和工具的成本，以支持材料的变化。

“我们的客户了解他们的应用，了解他们的流程，了解他们的设计。但我们能做的一件事是将改进的材料与市场应用中的改进部件联系起来。”Haller说。例如，使用更坚固的玻璃可以使汽车部件更薄、更轻，从而提高电动汽车的燃油经济性或续航里程。它还可以降低零件成本。

这是高性能纤维增强材料最令人兴奋的可能性之一，他补充道。“你在前期花更多钱购买更好的材料，但在后期使用的材料更少。实际上，在为零部件制造商提高性能的过程中，你可以节省资金。”

性能的提高只是拉挤产品的众多好处之一。拉挤成型的创新产品，突出了拉挤公司创造具有一致、可重复机械性能的高质量、复杂玻璃钢型材的能力。在复合材料行业这个不断增长的领域，这是一个令人兴奋的时刻。

来源：荣格-《国际复材技术商情》


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