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打造轻薄、可持续的碳纤维智能手机

来源:国际复材技术商情 发布时间:2022-10-24 481
化工增强塑料 技术前沿
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为什么一个计算机工程师出身的企业家会在手机上部署创新的复合材料技术?

去年,德国厂商Carbon Mobile发布了全球首款碳纤维外壳手机新智能手机Carbon 1 MK II。据了解,Carbon Mobile经过四年研发,打造出HyRECM技术(混合无线电复合材料)。这款手机据称是业界最轻、最薄的设计,这要归功于CFRTP复合材料外壳,与传统设计相比,它可以更好地保护电子设备,同时使设备更易于维修和回收。


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其他独到的创新包括克服碳纤维阻挡射频(RF)信号的倾向,同时实现各向同性接地和静电放电(ESD)解决方案,并设计设备以减少对环境的影响。


这款手机采用碳纤维单体外壳制造,人工将碳纤维布放入模具中成型,然后使用CNC数控车床进行加工。官方表示,手机外壳采用的塑料部件不到5%。


当您第一次拿着来自Carbon Mobile GmbH的Carbon I MK II(Mark Two)智能手机时,三件事是显而易见的:它非常轻(125克,普通智能手机为182克);非常薄(6.3毫米,普通智能手机为8.3毫米);背面采用可见编织碳纤维增强复合材料。为什么一个计算机工程师出身的企业家会在手机上部署创新的复合材料技术?


Carbon Mobile创始人兼首席执行官Firas Khalifeh回忆说:“我们想要一些实实在在的东西,当你把它拿在手中时,就能真正看到并感受到它的不同。此外,从技术角度来看,智能手机是有史以来最复杂的消费产品之一。它具有高密度的组件和传感器,其设计具有极严格的公差,并且必须尽可能可靠,在各种条件下每天使用数小时,并且可以使用多年。我们认为,如果我们能制造出改变游戏规则的智能手机,我们几乎可以做任何其他事情——无论是平板电脑、增强现实AR、虚拟现实VR、手表还是耳机。”

设计结果

Carbon Mobile的成就不仅仅在于推出了一款风格巧妙的CFRTP机身智能手机,该智能手机采用安卓(Android)操作系统,为轻薄度设定了新标准。有了这款手机,该公司取得了几个里程碑式的成就:它解决了长期以来碳纤维阻塞射频(RF)信号的问题;它还开发了各向同性接地和静电放电(ESD)解决方案;并开创了使智能手机更环保、更人性化的方法。


Khalifeh在软件初创公司工作时,对硬件、艺术、媒体和软件的交叉产生了浓厚的兴趣。当时,他正在做原型,建造虚拟购物中心,开发智能冰箱等消费产品,并评估消费者的反应。然而,他渴望做的是打造一款改变游戏规则的智能手机,它与市场上的任何产品都完全不同。Khalifeh的设计灵感来自一级方程式赛车和太空工业,目标是用高性能材料(HPM)生产高性能应用(HPA),对他来说,这意味着使用碳纤维增强复合材料。其团队没有从现有的智能手机开始制作复合机身,而是回到白板上。“进行基本原则思考,重新思考智能手机的设计和制造方式,然后相互挑战敢于‘打破规则’。”


“在过去的8年里,智能手机已经成为商品,因此它们的设计确实停滞不前——它们甚至不再被小型化。”Khalifeh解释道,“因此,它们看起来都很相似,使用相同的材料并运行相同的操作。更重要的是,它们造成了巨大的电子垃圾问题。也许我们可以为此做点什么。”

轻质整体式手机壳身

最初的计划是用环氧树脂/碳纤维预浸料制造手机的单层结构,但在开发后期,这一计划被改变为用短玻璃纤维/PA6在单独的步骤中反注入碳纤维/TPU有机薄片。工艺和材料的改变是一个重要的决定,它有助于提高质量控制、产量、成本和可扩展性。


CFRTP的强度和刚度与巧妙的设计相结合,将所有功能组件封装在位于智能手机背面的单层/外壳上,并通过直接将化学强化玻璃屏幕粘接在其上来封闭正面。这使该公司能够消除这类设备的典型内部金属框架和外部塑料盖,减少质量、包装空间和最终产品使用的材料,更不用说消费者经常添加的额外保护外壳。在精简了内部支撑结构后,该机不仅将厚度控制在了6.3毫米、重量也轻至125克。


同样的架构也使拆卸和使用寿命结束(EOL)回收手机及其组件更容易。CFRTP不仅提供了外观美观,形成了设备的保护结构外壳,而且作为各向同性接地板和散热——这是设备正常功能的关键特性。

后期变化

毫不奇怪,鉴于其创新性,手机设计的一个关键方面是找到合适的材料和工艺来生产它。起初,该公司使用环氧树脂/碳纤维预浸料。早期的挑战是在其正在考虑的材料上找到必要的电气和射频数据,Carbon Mobile团队不得不进行了额外的测试。然而,随着他们在2020年初推出首款产品,他们面临的最大挑战也随之而来。


“在我们接近商业化的关键时刻,热固性复合材料几乎扼杀了我们的公司。”Khalifeh苦笑着补充道,“在新冠疫情初期,所有的封锁和后续的供应链问题都出现了,无法获得必要的材料。虽然最终我们的基质将从热固性塑料转变到热塑性塑料,但疫情让我们有时间重新考虑进行选择。”


那时,该团队开始寻找汽车级CFRTP材料供应商,并找到了朗盛公司。很快,朗盛的Tepex连续纤维增强热塑性聚氨酯(TPU)有机片材(具有3K/3K/1K斜纹编织碳纤维织物层)被指定用于手机壳的背面。采用压缩成型工艺生产,然后用短纤维/聚酰胺6(PA6)复合材料单独背面注射成型,形成粘合玻璃面的侧面,并增加额外的几何形状来包装天线,这是Carbon Mobile的射线可透性方法的一部分,额外的金属硬件被模制,以方便组装。


“我们为需要承受极大机械应力的超轻部件而开发的复合材料,不仅能够实现非常薄的壁厚,实际上,凭借其高强度和高刚性,还有助于确保手机外壳在日常使用中更加坚固。”朗盛应用开发部门Tepex产品专家Philipp Genders解释道,“此外,亚光黑的碳纤维赋予了智能手机真正高科技的外观。”

碳纤维成型

事实证明,委托一个模具来生产几何形状简单的背板和几何形状复杂的侧块,比建造两个单独的模具要昂贵得多。另一个挑战是,为了在整个设备上保持6.3毫米的一致厚度,团队不能用侧板对背板进行二次成型,因为这会产生超出其厚度目标的突出部分,并且会使玻璃表面的安装更加困难。这导致Carbon Mobile决定预先成型有机薄板,然后使用短玻纤/PA6回注入几何形状。对于下一代手机,Carbon Mobile正致力于通过混合成型工艺实现更薄的横截面。


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“我们马上就喜欢上了热塑性塑料的加工方便和回收潜力。”Khalifeh说,“我们还意识到,这些材料不仅具有更高的抗冲击强度,可以更好地保护我们的手机,而且它们还使我们更容易控制质量,保持高水平的工艺,同时避免我们在热固性手机中看到的不一致。”


用最初指定的热固性材料/工艺组合制作每个外壳花了3个小时。Carbon Mobile目前的热塑性塑料循环时间为3分钟;该公司的目标是通过提高自动化和混合(压缩/注射)成型工艺,而不是目前的两步/两机工艺,使循环周期达到1分钟。“随着我们公司的发展,我们早期的成型技术无法扩展,但随着我们开发的新技术,我们将能够以更低的成本更快地生产外壳。”

克服物理障碍

虽然具有先进的性能,可以制造出坚固而轻便的结构,但碳纤维却表现出了电磁屏蔽行为,这意味着它会屏蔽无线电信号,形成一种不让信号通过、而是把它们分散在手机外壳周围的“法拉第笼”,因此,用碳纤维来制造手机的连接装置已被该高科技行业视为是不可能的。


经过4年的研发,Carbon Mobile的工程师们开发出了一种创新工艺,能将碳纤维在连接装置上应用的潜力释放出来。专利的HyRECM(能启用无线电的混合复合材料)技术,将碳纤维与具有射频信号渗透功能的互补的复合材料融合在一起。


首先,天线是使用多激光直接结构化(LDS)模块创建的,这些模块封装在手机的顶部和底部,位于背面注入的短玻纤/PA6化合物下方,而后者本身就是射线可透的。其次,该单元的主体利用选择性印刷在碳复合材料外壳内表面上的导电油墨。这种导电墨水将碳纤维的各向异性电导率(仅在纤维方向)变为各向同性(在所有三个轴上),据说具有将电路板、天线、碳复合体甚至金属硬件连接成单个各向同性接地板和ESD解决方案。


“许多人尝试解决碳纤维的信号阻挡特性,但都失败了。”Khalifeh沉思道,“这是我们着手解决的第一个技术障碍,因为我们知道这对于实现我们的其他目标至关重要。经过四年的研究,我们完成了不可能的任务,并找到了一种在‘无线电支持’复合材料中大规模使用碳纤维的方法。结果是为下一代超薄、轻量级和可持续连接设备提供了一个令人难以置信的新机会。”


为了进一步提高装置的连接性,一种独特的3D打印导电油墨被整合到碳纤维结构中,结果是获得了第一种可启用无线电的碳纤维材料。

努力创造电子垃圾更少的世界

Carbon Mobile非常重视最小化环境影响和参与循环经济,其新的智能手机只使用可回收材料。为了减少电子垃圾,回收的手机被拆解,功能部件被重新使用,CFRTP主体被回收。此外,该团队还致力于帮助提高整个电子行业的可持续性。“我们希望能够为减少全球的电子垃圾、改善可持续性作出贡献。”Khalifeh表示。


“我们的最终目标是在更广泛的背景下实现可持续性。”Khalifeh解释道,“通过使用复合材料来降低材料使用量,并使报废手机易于拆卸以回收组件,我们可以帮助减少每年产生的59公吨电子垃圾。再加上使用寿命更长的手机和在回收过程中回收的更高价值材料,我们的连接设备的隐含能源和碳足迹更少。”


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在2022年,Carbon Mobile的主要关注点将是回应希望获得HyRECM技术许可的其他设备和电动汽车(EV)制造商。Khalifeh认为这是实现他更大抱负的催化剂:“我们不能单独改变科技行业。无论是与其他制造商合作开发智能手机还是创新可穿戴技术,我们的HyRECM技术都有无限的机会推动未来的小型化和可持续技术。”他说。


该公司还计划推出MK III(Mark Three)模型,该模型将采用生物基聚合物——聚乳酸(PLA)和聚酰胺11(PA11)——以及在背面注入的再生碳纤维化合物。该团队还在探索在矩阵中使用石墨烯来提高Z轴散热值。


Carbon Mobile已经拥有全球客户群,并在去年获得了两项著名奖项,包括RedDot设计奖和JEC Composites Connect-Innovation奖。


来源:荣格-《国际复材技术商情》

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