关键词：热塑性复合材料；自行车车座柱；有限元分析
热塑性复合材料(TPC)处于循环行业材料和工艺革命的前沿，加拿大蒙特利尔的高质量自行车制造商Argon 18的研发副总裁Vincent Lemay表示：“这个行业将在不久的将来朝着这个方向发展，因为这些材料可以实现快速、高效和劳动密集程度较低的过程(参见CW 2022年关于自行车框架的特写文章)。但在自行车行业，我们有非常详细、定制的层压板，这就是为什么现在它们都是手工完成的。”
图1 来源(所有图片)|CDCQ、LxSim和 Argon 18
目前正在研究如何开发可与热塑性材料相比的碳纤维(CF)层压板，同时保持传统环氧基CFRP的高性能复合材料。
材料选择：
Addcomp的首席执行官Yoann Bonnefon与LxSim合作，从2023年开始，并在实验室进行了材料测试，CDCO项目经理伊夫·马蒂厄说他们的初步测试是在使用机器人AFP铺层制成的平板试样上进行的，铺层角度不同，然后热压成板。团队测试了六种不同的单向(UD)胶带。使用标准模量CF与各种热塑性聚合物(包括Rilsan聚酰胺11(PA11)、聚丙烯(PP)、Maezio和Gordon Plastics聚碳酸酯(PC)、TorayTC910与聚酰胺6(PA6)和Suprem的PA12胶带)制成的材料，并将其性能与基线CF/环氧材料进行比较，选择两种TPC材料用于演示部件。
图2 使用自动纤维铺放(AFP)来测试，以制造试样的饰板
目前团队选择了一个座杆，因为它是一个简单的形状，””Lemay解释说，“由于它将座垫(座)连接到自行车框架上，它具有相当复杂的负载情况，我们可以模拟。我们作为自行车制造商的最初目标是描述和比较TPC材料，然后使用这些数据来馈送我们的有限元分析模拟，以比较现有的CF/环氧树脂部件。但我们还想优化座杆的层压，同时开发制造工艺。这些是我们开始使用TPC的最大障碍:如何优化和高效地生产零件。如果我们能够准确模拟失效模式，我们就可以使用有限元优化我们的零件，并从中为更大和更复杂的零件铺平道路。
在材料测试工艺开发上，团队为机器人编程以应用PA6和PC复合材料带，Mathieu表示因为它们与我们习惯的碳纤维/环氧树脂的体积重量不同。因此，需要微调以实现规定的层压。TPC带的纤维体积重量由材料供应商定义，尽管团队的目标是150克/平方米，但有些材料的体积重量为131克/平方米。所以主要选择参数是刚度和低密度，但是，在AFP工艺中Mathieu表示加热系统存在局限性–例如，我们的系统使用热空气。因此，我们还比较了材料的加工性能和价格，以做出选择。然后将AFP叠层放入两部分的铝模具中，并在并在Carver(美国印第安纳州沃巴什)100吨加热压机中固结。一旦熔融温度达到，成型时间为5分钟。测试试片从各种板材中水刀切割，以按照ASTM规格全面表征两种选定的材料的弯曲、拉伸、压缩和面内剪切性能。后期可以优化CF/PA6叠层，使其性能与目前使用的CF/环氧树脂一样，这就是该项目的目标”
图3 对六种TPC材料进行材料性能测试，使用由AFP叠层制成的板(A)放置在匹配的铝模具组中(B ),然后在热压机中固化(C ),并喷水切割成各种ASTM试样(D)。
仿真以优化零件
在完成初步测试和材料选择后，LxSim开始优化层压板和部件，以生产样品。Allard说：“我们开发了座椅杆的有限元分析模型，”座椅杆通常是圆形的，插入在车架和鞍座之间。我们定义了边界条件和关键载荷情况，然后在有限元分析中虚拟测试部件，从座椅垂直加载，到复制偏移，这会导致座椅杆的弯曲和压缩。Lemay补充道:“框架上还有一个夹紧装置，这形成了一个高度压缩的区域。这就是为什么这个支架是一个很好的演示，因为它包含了我们在自行车部件上可以看到的许多失效模式。”LxSim和Argon 18都使用了Hyperworks(有限元分析模型)和Optistruct(求解器)仿真软件来自AltairEngineering(美国密歇根州特洛伊)。
图4 自行车座柱的有限元分析模型及垂直载荷试验模拟
在经过了20次试验才获得可以接受的零件，在此期间，解决了各种问题，包括气囊泄漏、心轴尺寸和在心轴上应用帘布层的轧制程序。Mathieu指出:“这不像CF/环氧树脂预浸料那样简单，后者是将层压板一层一层地施加到心轴上。”。“有了TPC，你就有了一个半固结的铺层，所以卷起过程就不那么紧了，因为铺层都已经在那里了，而且TPC带更加坚硬，即使在加热时也是如此。”最终，该团队能够制造出具有设计尺寸的零件，实现了良好的压实，同时最大限度地减少了空隙。
