連續(xù)碳纖維復合塑料筆記本電腦外殼的成型工藝

1、62模具工業(yè)2010年第36卷第12期連續(xù)碳纖維復合塑料筆記本電腦外殼的成型工藝邊彬輝1,尹高喜1,張賽軍2,練緒波1,汪智勇(1.群達模具(深圳)有限公司,廣東深圳2.華南理工大學機械與汽車工程學院,廣東廣州518129;510640)摘要:從成型工藝、切割、表面粘結層涂布、模內鑲嵌注射及表面裝飾等方面,對熱固性連續(xù)碳纖維復合材料筆記本電腦外殼制造的關鍵技術進行了研究。結果表明:在同等強度的條件下,相比傳統(tǒng)工程塑料制備的電腦外殼,熱固性連續(xù)碳纖維復合材料筆記本電腦外殼厚度可減薄50%,質量減輕40%,其外觀擁有碳纖維特殊立體紋理和光澤,而且擁有良好的散熱性、屏蔽性、耐候性和耐腐蝕性。關鍵詞:

2、碳纖維;復合材料;熱固性;環(huán)氧樹脂;模內鑲嵌注射;筆記本電腦中圖分類號:TG241;TQ320.662文獻標識碼:B文章編號:1001-2168(2010)12-0062-05FormingprocessofcontinuouscarbonfibercompositenotebookcomputershellBIANBin_hui,YINGao_xi,ZHANGSai_jun,LIANXu_bo,WANGZhi_yong(1.KundaMould(Shenzhen)Co.,Ltd,Shenzhen,Guangdong518129,China;2.SchoolofMechanicalandAut

3、omotiveEngineering,SouthChinaUniversityofTechnology,Guangzhou,Guangdong510640,China)Abstract:Somekeymanufacturingtechnologiesofnotebookcomputershellmadeofcontinuousthermosettingcarbonfibercompositematerialwereresearchedanddevelopedfromaspectsofform ingtechnique,cutting,coatingofsurfacebondinglayer,i

4、n_moulddecorationandsurfacedecoration,etc.Theresultsshowthatcomparedwithcomputershellmadeofconventionalengineeringthermo plastics,thethicknessoftheshellmadeofcontinuousthermosettingcarbonfibercompositecanbereducedby50%andthemassdecreasedby40%whileowningidenticalstrength.Furthermore,theproducthasspec

5、ialstereo_textureandlusterofcarbonfiberinitsappearanceandhasgoodheatdispersion,shieldingproperty,weatherresistanceandcorrosionresistance.Keywords:carbonfiber;compositematerial;thermosetting;epoxyresin;in_moulddecoration;notebookcomputer21引言缺點。碳纖維具有纖維軸向強度高,耐高溫、耐磨擦、導電、導熱及耐腐蝕等優(yōu)良性能;環(huán)氧樹脂固化后強度高,內應力小,收縮性低,

6、高介電性能,化學穩(wěn)定性、尺寸穩(wěn)定性好,耐霉菌。連續(xù)碳纖維與熱固性的環(huán)氧樹脂復合而成的筆記本電腦外殼,具有質量輕、厚度薄、強度高、耐候性好、散熱快、屏蔽好等突出優(yōu)點。碳纖維作為一種纖維,不能成型筆記本電腦外殼內部的結構件,必須先成型外殼后再進行模內注射,將塑料結構件附著在成型好的碳纖維外殼內表面。本文從成型、切割、表面粘結層涂布、模內注射和表面裝飾5個方面介紹了熱固性連續(xù)碳纖維復合材料筆記本電腦外殼(以下簡稱 碳纖維外殼 )32目前,工程塑料(PC+ABS)是筆記本電腦外殼最常用的材質。PC+ABS既具有PC樹脂的優(yōu)良耐熱耐候性、尺寸穩(wěn)定性和耐沖擊性能,又具有ABS樹脂優(yōu)良的加工流動性,應用在筆

7、記本電腦外殼等薄壁及復雜形狀制品上,可以保持其優(yōu)異的性能1。但是,PC+ABS制造的筆記本電腦外殼具有質量較重,強度較差,導熱性能差,無法屏蔽電磁輻射等收稿日期:2010-08-02。作者簡介:邊彬輝(1984-),男,河南葉縣人,高級工程師,從事筆記本、手機表面裝飾方面的研發(fā)工作,地址:深圳市龍崗區(qū)坂田街道辦坂田大道南6號群達模具(深圳)有限公司IMD研發(fā)部,(電話(電子信箱)yqdyf06。模具工業(yè)2010年第36卷第12期的制造工藝。2碳纖維外殼的成型2.1碳纖維和環(huán)氧樹脂的選擇熱固性連續(xù)碳纖維復合材料筆記本電腦外殼是采用雙向編織碳纖維布模內澆注環(huán)氧樹脂的工藝成

8、型的。雙向編織布保證筆記本外殼在橫向和縱向都具有一定的強度、韌性。筆記本電腦外殼面積較大,碳纖維紋路可以粗一些,因此編織布采用日本東麗公司生產的規(guī)格為3K的優(yōu)質雙向碳纖維布,如圖1所示。圖2熱固性連續(xù)碳纖維模內澆注成型模具463坯料形狀和尺寸。將成型模的凸、凹模型腔面、溢流槽等成型時環(huán)氧樹脂所接觸到的模具面均勻地涂上透明、黏度適中的脫模劑,因為環(huán)氧樹脂本身就是一種膠粘劑,固化后會粘合凸、凹模,使脫模困難。將環(huán)氧樹脂和固化劑按比例調配,攪拌均勻后注入凹模型腔,注入量以達到型腔一半的高度為宜;將裁切好的雙向碳纖維坯料平鋪到凹模腔,用毛刷將碳纖維布刷平,使碳纖維布完全浸泡在環(huán)氧樹脂中,注意保持紋路特

9、別是邊緣轉角處平整,不能扭曲傾斜。圖1雙向編織3K碳纖維布然后,用同樣的方式鋪第二層、第三層碳纖維布#;過程中根據(jù)浸泡情況可適量添加環(huán)氧樹脂。多層碳纖維布鋪好后,凸、凹模閉合,放至熱壓成型機,如圖3所示。環(huán)氧樹脂必須經過改性,使其固化后具有一定的韌性(防止筆記本電腦外殼跌落時邊角粉碎),同時長時間使用不會發(fā)黃,保持光亮。環(huán)氧樹脂黏度不能太高,黏度太高則流動性差,不能很好地滲入碳纖維絲束內部;黏度太低則固化后強度降低;環(huán)氧樹脂適宜的黏度為50006000mPa!s(25)。優(yōu)質的碳纖維布和黏度適宜的環(huán)氧樹脂可以保證二者在模壓的時候很好地填充、浸泡、融合,從而使所制得的筆記本電腦外殼強度、韌性達到

10、最佳均衡值。2.2模內澆注成型模具的設計成型模具分為凸、凹模,凸、凹模間隙為筆記本電腦外殼設計厚度。凹模四周設溢流槽,以便模具壓合時多余環(huán)氧樹脂排出;溢流槽兩側壁需設脫模斜度,使固化后的環(huán)氧樹脂容易取出,如圖2所示。成型模四周邊要沿零件的弧度往外延伸23mm的高度,以保證在下一步切割工序中碳纖維電腦外殼切割面平整。2.3模內澆注根據(jù)電腦外殼尺寸,設計成型所需碳纖維布的圖3熱壓成型機熱壓成型機的模板行程分為兩段,第一段保證凸模和凹模中的環(huán)氧樹脂初步接觸而不壓緊,上、下模板加熱,待環(huán)氧樹脂初步固化后,第二段行程開始,增大壓力將凸、凹模壓緊,使二者之間的間隙等于零件厚度,持續(xù)加熱;待環(huán)氧樹脂固化80

11、%以上時,即可開模取出零件。零件取出時仍處在高溫狀態(tài),未完全固化,易變形。因此,開模后零件必須水平靜置,待24h后環(huán)氧樹脂完全固化時方可移動,此時熱固性連續(xù)碳纖維64復合材料筆記本電腦外殼的硬度、尺寸穩(wěn)定性達到最佳。3碳纖維外殼的切割3.1切割方式的選擇與PET、PC+ABS等熱塑性樹脂相比,熱固性連續(xù)碳纖維復合材料韌性較差,材質較脆,若用沖切模具沖切的方式,邊緣材料會呈鋸齒狀粉碎破裂;而且由于碳纖維復合材料制備的筆記本電腦外殼厚度為0.81.2mm,以垂直于零件配合面的方式切割,會在外觀面留下1.52.0mm的啞光邊,影響筆記本電腦外觀。因此,傳統(tǒng)的沖切方法不適合此復合材料的切割。高速切割可

12、以減少刀具震動,將碳纖維復合材料邊緣的破裂粉碎程度降至最低;平行于零件配合面方式銑削可以很好地杜絕啞光邊。CNC的刀具可以以平行于零件配合面的方式高速銑削切割,因此,CNC高速銑削無疑成為熱固性連續(xù)碳纖維復合材料筆記本電腦外殼切割的最佳途徑。為了縮短CNC切割的加工周期,可以先用傳統(tǒng)豎直沖切模具將零件多余的廢邊切掉,使產生的啞光邊在CNC加工時切割掉。這種切割工藝可以將傳統(tǒng)豎直沖切模具快速高效的優(yōu)點和CNC切割精準的優(yōu)點綜合在一起,在保證切割質量的同時提高了效率。3.2沖切模具使用傳統(tǒng)的沖模,采用擠斷的方式將碳纖維外殼的廢邊切除,將沖切后的壓邊區(qū)域留給CNC切割;同時,沖切時可以將零件中間的方

13、形LOGO孔切出,為下一步CNC切割提供定位,如圖4、5所示。模具工業(yè)2010年第36卷第12期圖5沖切后碳纖維外殼3.3CNC切割夾具在使用沖切模具將成型后的碳纖維外殼廢邊切除后,即可進行CNC高速銑削。但碳纖維外殼因形狀、硬度、切割面的原因,不能像銑削鋼料一樣裝夾定位,而且被銑削面的兩側必須有材料進行支撐,以防銑削時因碳纖維外殼自身強度不夠發(fā)生震動而導致加工面破裂、不平整。因此,設計了一套碳纖維外殼專用CNC切割快速夾具,如圖6所示。夾具由凹模板1、三向定位塊3,凸模支撐板4、快速定位夾5構成。凹模板與凸模支撐板的間隙即為要加工的碳纖維外殼的厚度;三向定位塊是保證凹模板、碳纖維外殼、凸模支

14、撐塊三者位置精確對準;快速定位夾有4個,2個1組配合使用,快速夾具J1和J2閉合時,J3和J4開啟,CNC切割零件A3和A4兩邊(A1、A2、A3、A4為需切割的四邊);之后,J3和J4閉合,J1和J2開啟,CNC切割零件A1和A2兩邊,如圖7所示。圖6CNC切割快速夾具1.凹模板圖4沖切模具2.碳纖維外殼3.三向定位塊4.凸模支撐塊5.快速定位夾(J1/J2/J3/J4)模具工業(yè)2010年第36卷第12期5碳纖維外殼的模內注射5.1碳纖維殼注射前預熱處理65碳纖維外殼表面的粘結劑需達到130的高溫才能將其活性激發(fā)出來,使粘結性能達到最佳。由于碳纖維外殼較厚(1.0mm左右),單靠瞬間的模具溫

15、度和注射時熔融塑料(PC+ABS)的溫度難以達到130,因此,必須在碳纖維外殼放入模具前進行預熱處理,用電烤箱對其進行加熱,確保粘結劑與熔融塑料結合時表面溫度達到130。圖7碳纖維外殼CNC切割加工完成后,CNC切割面及邊角切割交界處需用細砂紙打磨光滑。4碳纖維外殼內表面粘結層涂布碳纖維外殼為熱固性的環(huán)氧樹脂,固化后的環(huán)氧樹脂表面密度大,粘結劑很難直接滲透到其表面分子結構中,為難粘材質,因此環(huán)氧樹脂表面必須進行預處理。首先,碳纖維外殼內表面用酒精進行除油、除塵處理。之后,碳纖維外殼內表面涂專用處理劑(處理劑的作用是對環(huán)氧樹脂表面進行腐蝕,有效改善環(huán)氧樹脂的表面極性,增加粘結劑與環(huán)氧樹脂間的結合

16、面積,大大提高二者的粘接性能),常溫放置15min后高溫烘干以確保處理劑完全揮發(fā)。表面處理完成后,采用氣體驅動噴涂的方式對碳纖維外殼內表面進行粘結劑噴涂,以確保粘結面粘結層的厚度均勻(粘結層厚度均勻是為了保證粘結強度均勻)。噴涂完成后,在一定的溫度、時間條件下,對表面粘結劑進行烘干處理,如圖8所示。5.2模內注射首先,將注射成型工藝參數(shù)調至正常,確保注射件無缺料、收縮痕等缺陷。將預熱好的碳纖維外殼從烤箱取出后立即放入注射模腔(碳纖維外殼在空氣中停留的時間越短,熱量損失越少),確保碳纖維外殼在模腔中定位準確;合模,注射,冷卻,開模。零件從模具中取出后,需平面靜置45min,待零件完全冷卻至室溫,

17、以便粘結劑完全固化,確保粘結劑與碳纖維外殼的粘結效果最佳。5.3邊緣后處理噴涂時由于氣壓的不穩(wěn)定,零件內表面局部區(qū)域粘結劑的噴涂量會偏多,注射時塑料的高溫、高壓會將多余的粘結劑擠出到零件的外表面,影響零件的外觀,如圖9所示。因此,脫模后,待零件冷卻至室溫時,需對粘結劑溢出的區(qū)域進行后處理,將凝固后的粘結劑除掉。圖9粘結劑溢出到碳纖維外表面圖8碳纖維內表面粘結層涂布6碳纖維外殼的表面裝飾處理按照前面的成型方法得出的碳纖維外殼,外觀面略顯啞光效果,亮度不夠。因此,必須對碳纖維外殼外觀面進行UV光油噴涂處理。(下轉第68頁)以上工藝處理完成的碳纖維外殼用低黏度保護膜包裹,確保注射前粘結層表面潔凈。6

18、8模具工業(yè)2010年第36卷第12期鋼溫,提高了軋制產品質量。5結束語利用80MN車輪模鍛水壓機本體結構特征和現(xiàn)場條件,在組合上模上增加脫模裝置,利用現(xiàn)場現(xiàn)有的水壓實現(xiàn)脫模裝置的驅動,對原有設備零部件進行局部改動,完成了脫模裝置的結構設計及現(xiàn)場安裝。使用表明,徹底避免了輪坯與上模之間的粘?，F(xiàn)象,減少了模具的消耗,提高了生產效率,另外,減圖4缸體應力圖小了上成型模、上成型環(huán)與輪坯內外圓接觸面之間的傾角,從而減少了輪坯毛料的投放量,提高了材料利用率。設計過程中采用了三維軟件SolidWorks進行有限元分析和模擬裝配,在脫模裝置滿足機械強度的條件下,結構緊湊,且避免裝配干涉,確保了脫模裝置滿足生產需求。參考文獻:1邢啟恩.SolidWorks2007零件設計與案例精粹M.北京:機械工業(yè)出版社,2006.模裝置全部工程圖,并進行了制造安裝。對6件CK860A坯料進行壓制成型,在沒撒石墨粉做潤滑劑的情況下,通過脫模裝置輔助脫模,都能將壓制成型的輪坯頂出,實現(xiàn)快速脫模,輪坯與組合上模之間沒有出現(xiàn)粘模現(xiàn)象。車輪軋制一線連續(xù)生產CK860A共1183件,從生產的過程來看,80MN車輪鍛模均沒有發(fā)生壓制成型的輪坯與組合上模之間的粘?，F(xiàn)象,保證了生產