連續(xù)碳纖維復(fù)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(fù)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(dá)模具(深圳)有限公司,廣東深圳2.華南理工大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院,廣東廣州518129;510640)摘要:從成型工藝、切割、表面粘結(jié)層涂布、模內(nèi)鑲嵌注射及表面裝飾等方面,對(duì)熱固性連續(xù)碳纖維復(fù)合材料筆記本電腦外殼制造的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究。結(jié)果表明:在同等強(qiáng)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(fù)合材料筆記本電腦外殼厚度可減薄50%,質(zhì)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(guān)鍵詞:

2、碳纖維;復(fù)合材料;熱固性;環(huán)氧樹脂;模內(nèi)鑲嵌注射;筆記本電腦中圖分類號(hào):TG241;TQ320.662文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:B文章編號(hào):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(diǎn)。碳纖維具有纖維軸向強(qiáng)度高,耐高溫、耐磨擦、導(dǎo)電、導(dǎo)熱及耐腐蝕等優(yōu)良性能;環(huán)氧樹脂固化后強(qiáng)度高,內(nèi)應(yīng)力小,收縮性低,

6、高介電性能,化學(xué)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(fù)合而成的筆記本電腦外殼,具有質(zhì)量輕、厚度薄、強(qiáng)度高、耐候性好、散熱快、屏蔽好等突出優(yōu)點(diǎn)。碳纖維作為一種纖維,不能成型筆記本電腦外殼內(nèi)部的結(jié)構(gòu)件,必須先成型外殼后再進(jìn)行模內(nèi)注射,將塑料結(jié)構(gòu)件附著在成型好的碳纖維外殼內(nèi)表面。本文從成型、切割、表面粘結(jié)層涂布、模內(nèi)注射和表面裝飾5個(gè)方面介紹了熱固性連續(xù)碳纖維復(fù)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(zhì)。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(dòng)性,應(yīng)用在筆

7、記本電腦外殼等薄壁及復(fù)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(zhì)量較重,強(qiáng)度較差,導(dǎo)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(jí)工程師,從事筆記本、手機(jī)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(hào)群達(dá)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(fù)合材料筆記本電腦外殼是采用雙向編織碳纖維布模內(nèi)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(qiáng)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(chǎn)的規(guī)格為3K的優(yōu)質(zhì)雙向碳纖維布,如圖1所示。圖2熱固性連續(xù)碳纖維模內(nèi)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(shí)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?yàn)榄h(huán)氧樹脂本身就是一種膠粘劑,固化后會(huì)粘合凸、凹模,使脫模困難。將環(huán)氧樹脂和固化劑按比例調(diào)配,攪拌均勻后注入凹模型腔,注入量以達(dá)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(zhuǎn)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(jī),如圖3所示。環(huán)氧樹脂必須經(jīng)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(shí)邊角粉碎),同時(shí)長時(shí)間使用不會(huì)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(dòng)性差,不能很好地滲入碳纖維絲束內(nèi)部;黏度太低則固化后強(qiáng)度降低;環(huán)氧樹脂適宜的黏度為50006000mPa!s(25)。優(yōu)質(zhì)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(shí)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(qiáng)度、韌性達(dá)到

10、最佳均衡值。2.2模內(nèi)澆注成型模具的設(shè)計(jì)成型模具分為凸、凹模,凸、凹模間隙為筆記本電腦外殼設(shè)計(jì)厚度。凹模四周設(shè)溢流槽,以便模具壓合時(shí)多余環(huán)氧樹脂排出;溢流槽兩側(cè)壁需設(shè)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(nèi)澆注根據(jù)電腦外殼尺寸,設(shè)計(jì)成型所需碳纖維布的圖3熱壓成型機(jī)熱壓成型機(jī)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(shí),即可開模取出零件。零件取出時(shí)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(shí)方可移動(dòng),此時(shí)熱固性連續(xù)碳纖維64復(fù)合材料筆記本電腦外殼的硬度、尺寸穩(wěn)定性達(dá)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(fù)合材料韌性較差,材質(zhì)較脆,若用沖切模具沖切的方式,邊緣材料會(huì)呈鋸齒狀粉碎破裂;而且由于碳纖維復(fù)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(huì)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(fù)合材料的切割。高速切割可

12、以減少刀具震動(dòng),將碳纖維復(fù)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(fù)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(chǎn)生的啞光邊在CNC加工時(shí)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(diǎn)和CNC切割精準(zhǔn)的優(yōu)點(diǎn)綜合在一起,在保證切割質(zhì)量的同時(shí)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(shí),沖切時(shí)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?yuàn)A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(jìn)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(cè)必須有材料進(jìn)行支撐,以防銑削時(shí)因碳纖維外殼自身強(qiáng)度不夠發(fā)生震動(dòng)而導(dǎo)致加工面破裂、不平整。因此,設(shè)計(jì)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(gòu)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(duì)準(zhǔn);快速定位夾有4個(gè),2個(gè)1組配合使用,快速夾具J1和J2閉合時(shí),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(nèi)注射5.1碳纖維殼注射前預(yù)熱處理65碳纖維外殼表面的粘結(jié)劑需達(dá)到130的高溫才能將其活性激發(fā)出來,使粘結(jié)性能達(dá)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(shí)熔融塑料(PC+ABS)的溫度難以達(dá)到130,因此,必須在碳纖維外殼放入模具前進(jìn)行預(yù)熱處理,用電烤箱對(duì)其進(jìn)行加熱,確保粘結(jié)劑與熔融塑料結(jié)合時(shí)表面溫度達(dá)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(xì)砂紙打磨光滑。4碳纖維外殼內(nèi)表面粘結(jié)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(jié)劑很難直接滲透到其表面分子結(jié)構(gòu)中,為難粘材質(zhì),因此環(huán)氧樹脂表面必須進(jìn)行預(yù)處理。首先,碳纖維外殼內(nèi)表面用酒精進(jìn)行除油、除塵處理。之后,碳纖維外殼內(nèi)表面涂專用處理劑(處理劑的作用是對(duì)環(huán)氧樹脂表面進(jìn)行腐蝕,有效改善環(huán)氧樹脂的表面極性,增加粘結(jié)劑與環(huán)氧樹脂間的結(jié)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(qū)動(dòng)噴涂的方式對(duì)碳纖維外殼內(nèi)表面進(jìn)行粘結(jié)劑噴涂,以確保粘結(jié)面粘結(jié)層的厚度均勻(粘結(jié)層厚度均勻是為了保證粘結(jié)強(qiáng)度均勻)。噴涂完成后,在一定的溫度、時(shí)間條件下,對(duì)表面粘結(jié)劑進(jìn)行烘干處理,如圖8所示。5.2模內(nèi)注射首先,將注射成型工藝參數(shù)調(diào)至正常,確保注射件無缺料、收縮痕等缺陷。將預(yù)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(shí)間越短,熱量損失越少),確保碳纖維外殼在模腔中定位準(zhǔn)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(jié)劑完全固化,確保粘結(jié)劑與碳纖維外殼的粘結(jié)效果最佳。5.3邊緣后處理噴涂時(shí)由于氣壓的不穩(wěn)定,零件內(nèi)表面局部區(qū)域粘結(jié)劑的噴涂量會(huì)偏多,注射時(shí)塑料的高溫、高壓會(huì)將多余的粘結(jié)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(shí),需對(duì)粘結(jié)劑溢出的區(qū)域進(jìn)行后處理,將凝固后的粘結(jié)劑除掉。圖9粘結(jié)劑溢出到碳纖維外表面圖8碳纖維內(nèi)表面粘結(jié)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(duì)碳纖維外殼外觀面進(jìn)行UV光油噴涂處理。(下轉(zhuǎn)第68頁)以上工藝處理完成的碳纖維外殼用低黏度保護(hù)膜包裹,確保注射前粘結(jié)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(chǎn)品質(zhì)量。5結(jié)束語利用80MN車輪模鍛水壓機(jī)本體結(jié)構(gòu)特征和現(xiàn)場(chǎng)條件,在組合上模上增加脫模裝置,利用現(xiàn)場(chǎng)現(xiàn)有的水壓實(shí)現(xiàn)脫模裝置的驅(qū)動(dòng),對(duì)原有設(shè)備零部件進(jìn)行局部改動(dòng),完成了脫模裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及現(xiàn)場(chǎng)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(chǎn)效率,另外,減圖4缸體應(yīng)力圖小了上成型模、上成型環(huán)與輪坯內(nèi)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(shè)計(jì)過程中采用了三維軟件SolidWorks進(jìn)行有限元分析和模擬裝配,在脫模裝置滿足機(jī)械強(qiáng)度的條件下,結(jié)構(gòu)緊湊,且避免裝配干涉,確保了脫模裝置滿足生產(chǎn)需求。參考文獻(xiàn):1邢啟恩.SolidWorks2007零件設(shè)計(jì)與案例精粹M.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2006.模裝置全部工程圖,并進(jìn)行了制造安裝。對(duì)6件CK860A坯料進(jìn)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(shí)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(chǎn)CK860A共1183件,從生產(chǎn)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模現(xiàn)象,保證了生產(chǎn)