您靈活的朋友：玻璃鋼鉸鏈
美國一家新興公司取得了一項新技術的權，利用這項技術，人們可以制造出真正的碳纖維強化塑料鉸鏈。這種塑料有較低的強度和較好的延展性。此項技術的潛在用途很廣泛，可以被用于制造飛機和錢包等。
三年前，在駕車從西雅圖駛往加州圣路易斯奧比斯波的路途中，Ann Livingston-Peters 和Gabriel Mountjoy 想到了如何使碳纖維發揮更大功能的方法：改進制造鉸鏈的材料本身。兩人又花上了一年時間，才真正確定如何制造這樣一種鉸鏈。嘗試許多方法后，二人發現：有效的方法是使用激光。
同樣是在加州理工州立大學，Ann Livingston-Peters 和Gabriel Mountjoy 二人組成的團隊還完成了加州理工州立大學的一個名為“超級英里數”的項目——這是一個關于設計、工程學和制造高效能汽車的項目。在這個項目中，重要的設計考慮是重量，因為車重每降低1%會讓其燃料節約性增加0.7%。為了減少重量，人們提出了一種單體橫造底盤帶集成復合門的設計構想。就這樣，四個復合鉸鏈（每個約半米長）被用于制造
主駕駛艙的車門和機艙后部，以此減輕了汽車35公斤的重量。終，駕駛艙應用了7個由此團隊制造的復合鉸鏈。
由于使用了綜合型鉸鏈，這項技術在2013年殼牌生態馬拉松美洲評比中獲得了技術革新獎。殼牌生態馬拉松給予來自各地的學生團隊挑戰，讓他們設計，建造和測試超級節能的汽車。在這個依次在美洲、歐洲和亞洲舉行的年度盛會中，使用少的能源、行駛長距離的團隊將會獲得勝利。這次對該項技術的認可讓這個團隊意識到他們需要進一步加強研究。( 圖1)。
圖1 激光燒蝕技術
在接下來的季度中，二人的新公司——Common Fibers 公司，在加州理工大學的創新探索競賽中獲得了第二名。該競賽旨在鼓勵創新者不斷追求其創意，以獲得資金來促進創新精神和創業精神。在第二個夏天里，Common
Fibers 發起了一場名為“Kickstarter”的融資活動并且決定在簡單消費品中引入鉸鏈技術，例如錢包和iPhone手機等。雖然目標是籌集20,000美元，但公司卻終籌集到了164,775美元作為發展技術的基金。在Common Fibers 的名義下，團隊提供了三種產品的可選范圍：從精簡型錢包開始，售價為35美元。而一個正常尺寸的錢包要花費50美元左右。另外，一部iPhone 5s/5c的手機套起價定在75美元。
鉸鏈技術
Common Fibers公司的技術，名為CF-Lex ™，涉及通過使用電腦操控的激光燒蝕機器來燒蝕樹脂，從而使用提前加工好的碳纖維薄板直接制造鉸鏈。從復合材料層壓板中清除樹脂會形成接縫或樞紐線，從而把柔軟、彈性好的纖維留在非常精確的位置。根據所需的強度要求，這些鉸鏈既可在單層壓制品中制造出來，也能在厚層壓制品中制造出來。由于樹脂已經被清除，剩下的復合材料就可以在指定的線中彎曲了。
此外，樹脂不僅僅可以制造出部分彎曲，還可以重新應用到鉸鏈區域，以形成不同的、新定義的，具有幾何結構的剛性組合。這類似于形成金屬板的方式。另外，聚氨酯保護膜可以應用于增加鉸鏈的耐久性。添加這個保護膜能夠讓被燒蝕的部分在準備鏈接和彎曲的時候受到保護。
“我們所采購的0.5毫米薄的板片多用于業余愛好者的項目，但也可以用于許多應用程序。”公司創始人Anna Livingston-Peters表示，“聚氨酯熱塑性是一種薄膜，我們從3 M公司中得到它，但它現在僅僅是一種鉸鏈保護措施的源頭。這種薄膜通常應用于鉸鏈的頂部和底部，而不會用于補充矩陣。這種聚氨酯類似于用來保護直升機葉片前緣的那些材料。”
在早期的測試中，該公司使用的是0.5毫米厚的板，以及從總部位于溫哥華和華盛頓的普魯泰克復合材料有限公司獲得的6K 碳環氧樹脂從板。普魯泰克復合材料有限公司成立于2008年，制造的是輕量級、高強度和現場生產的定制化碳纖維板。它還與更大的公司進行合作，如美國波音公司、霍尼韋爾公司、西門子公司，甚至是美國航空航天局。
嵌板有三個不同的編排型號：2×2斜紋，纖拉編排配以2×2斜紋編排，波浪編排配以2×2 斜紋編排。編排厚度分別是0.5毫米、0.63毫米和0.67毫米。( 圖2)。
圖2 從復合材料層壓板中清除樹脂會形成接縫或樞紐線
“我們通常使用兩部分3K或6K斜紋的環氧樹脂，但也曾經嘗試幾種不同的編排，例如纖維類型和基質材料。”Livingston-Peters說道。
碳纖維環氧樹脂板被置于Full Spectrum Laser 公司LLC Pro 低頻系列150瓦二氧化碳激光器內。Full Spectrum Laser公司及其全資子公司FSL3D總部位于內華達州拉斯維加斯，是美國著名的3D打印機生產商，其業務是設計、生產和銷售各系列消費級、以及工業激光產品和3D打印機等。
水冷卻器的用途是將激光的溫度維持在20℃?？諝鈮嚎s機在其與激光的接觸點不斷地將空氣壓到碳上，而這激光能夠在制造過程中將熱能集中在鉸鏈上。（生產）模式先在Adobe Illustrator（一種矢量繪圖工具）中進行設計，然后再翻譯成全波段光譜軟件。
激光去除過程僅僅只是去除復合纖維鏈以外的雜質，但也能夠讓其在彎曲近360°的同時保持85% 的強度。根據所訂制鉸鏈的材料性質、幾何設計，局部厚度，寬度來決定其激光功率、速度、電流和焦距效率優化和鉸鏈形成特性。
益處
模具制造是一個復雜和費時的過程，這限制了部分的細節和應用的廣度。復合材料一旦制造完成，往往是格式化的，難以回收或被重新利用。以前的成型技術可以把幾何形狀控制在能夠制造復合材料的情況下，但是隨著活動部分的成功運用，復合材料的成型能力也增加了。
“我們能夠把碳纖維面板變成任何你想要的東西。Livingston-Peters說。通過精確控制的樹脂燒蝕過程，碳纖維可以彎曲和重塑。一旦重新構造，樹脂可以再應用于保持新的幾何結構。”
圖3 Common Fibers 公司目前正專注于消費品，如錢包。
除此之外，該技術還可以用于回收材料。“我們已經開發出一種新技術，從而找到這種硬化材料的用途，這是一種從脫形于碳纖維制造的回收利用并制造產品的方法。被收入垃圾回填場的復合面板可以廉價地回收并使用這種制造方法轉化成新的部件。”她補充說(如圖3所示)。
抗疲勞性
“在設計復合鉸鏈時，必須考慮如何讓復合材料在長時間內與強制性強迫重復動作，并協調共處。”Livingston-Peters表示。疲勞損傷通常是模型和纖維間結構分解的結果，并取決于模型承受反復彎曲的能力。
現行設計往往采用機械固定或膠合結構鉸鏈的方法，但它們在耐久性和使用性方面有缺陷。孔洞周圍的分層和結構破裂帶來的軸承故障概率增加會限制它們的耐久性。雖然軸承故障可能是一個公認的失效模式，但當設計不當、或層壓板強度不足而導致的張力和切割失敗時，帶來的結果可能是災難性的。給機械緊固件鉆孔可以造成應力集中，而分層會降低結構的疲勞壽命。
通過激光燒蝕清除樹脂可以減輕復合材料的內部壓力，同時減少纖維上的壓應力。壓應力的降低有助于緩解拉拉應力疲勞，還可以通過投入更多的樹脂來進行重置或者重新引入。
“金屬鉸鏈技術大好處在于它可以在保持強度的情況下，使重量更輕，并且也不需要那些花費更多的時間、還可能降低強度的粘合劑或者機械附件。”Livingston-Peters說道。
在測試中，在對重塑的熔化的層壓制品分別使用厚0.50毫米和25毫米寬碳纖維層壓板時的平均強度是1866.93N /cm和1471.16 N/cm， 或只下降了22% 的強度。此外，該公司表示，根據現有的數據，在50000 次過程重復后，鉸鏈保留了92%的強度。
應用前景
Common Fibers公司表示，盡管該技術目前專注于像錢包這樣的消費品，但對于消費性商品和工業商品同樣適用。其他潛在對象會有單極車身筆記本電腦、附件儀表箱以及折疊自行車框架等。
鉸鏈也可能適用于需要高強度重量比的項目，如航空航天飛機制造和汽車制造。技術已被應用于特制遙控飛機的控制面和實現其垂直起飛和著陸(VTAL)。在輕量級RC 飛機的制作過程中，總共使用了八個碳纖維鉸鏈。Livingston-Peters 說， 在未來， 類似的鉸鏈可以應用于各種類型的飛機，從而大幅度降低其重量。“我們需要用激光系統獲取更多參數控制，也需要更多時間來研究每個材料規范和設計要求的設定。理論研究只是提出想法和進行證明，但是開發消費品遠比開發應用于飛機的技術更加困難。我們的步是開發易于改寫的非承載應用程序，進而發展到更詳細和復雜的設計。”
迄今為止討論到的所有應用程序都將該技術并入活動鉸鏈，但高級的應用程序可以像制造金屬板和紙板那樣使用該技術。
同樣，玻璃纖維也可能是可行的。Livingston-Peters說：“我們大部分時間都集中于碳纖維，但是這個程序可以應用到許多不同類型的纖維。唯一要考慮的因素是模型及增強材料的溶解溫度和熱重分析。”
后她補充道：“由于這個程序可以使用激光，其也可以應用于3D打印。電腦引導熱源的基本硬件已經存在，只需要研究激光設置控制的方式即可。
更多信息請關注復合材料信息網www.lzzz.net
三年前，在駕車從西雅圖駛往加州圣路易斯奧比斯波的路途中，Ann Livingston-Peters 和Gabriel Mountjoy 想到了如何使碳纖維發揮更大功能的方法：改進制造鉸鏈的材料本身。兩人又花上了一年時間，才真正確定如何制造這樣一種鉸鏈。嘗試許多方法后，二人發現：有效的方法是使用激光。
同樣是在加州理工州立大學，Ann Livingston-Peters 和Gabriel Mountjoy 二人組成的團隊還完成了加州理工州立大學的一個名為“超級英里數”的項目——這是一個關于設計、工程學和制造高效能汽車的項目。在這個項目中，重要的設計考慮是重量，因為車重每降低1%會讓其燃料節約性增加0.7%。為了減少重量，人們提出了一種單體橫造底盤帶集成復合門的設計構想。就這樣，四個復合鉸鏈（每個約半米長）被用于制造
主駕駛艙的車門和機艙后部，以此減輕了汽車35公斤的重量。終，駕駛艙應用了7個由此團隊制造的復合鉸鏈。
由于使用了綜合型鉸鏈，這項技術在2013年殼牌生態馬拉松美洲評比中獲得了技術革新獎。殼牌生態馬拉松給予來自各地的學生團隊挑戰，讓他們設計，建造和測試超級節能的汽車。在這個依次在美洲、歐洲和亞洲舉行的年度盛會中，使用少的能源、行駛長距離的團隊將會獲得勝利。這次對該項技術的認可讓這個團隊意識到他們需要進一步加強研究。( 圖1)。
圖1 激光燒蝕技術
在接下來的季度中，二人的新公司——Common Fibers 公司，在加州理工大學的創新探索競賽中獲得了第二名。該競賽旨在鼓勵創新者不斷追求其創意，以獲得資金來促進創新精神和創業精神。在第二個夏天里，Common
Fibers 發起了一場名為“Kickstarter”的融資活動并且決定在簡單消費品中引入鉸鏈技術，例如錢包和iPhone手機等。雖然目標是籌集20,000美元，但公司卻終籌集到了164,775美元作為發展技術的基金。在Common Fibers 的名義下，團隊提供了三種產品的可選范圍：從精簡型錢包開始，售價為35美元。而一個正常尺寸的錢包要花費50美元左右。另外，一部iPhone 5s/5c的手機套起價定在75美元。
鉸鏈技術
Common Fibers公司的技術，名為CF-Lex ™，涉及通過使用電腦操控的激光燒蝕機器來燒蝕樹脂，從而使用提前加工好的碳纖維薄板直接制造鉸鏈。從復合材料層壓板中清除樹脂會形成接縫或樞紐線，從而把柔軟、彈性好的纖維留在非常精確的位置。根據所需的強度要求，這些鉸鏈既可在單層壓制品中制造出來，也能在厚層壓制品中制造出來。由于樹脂已經被清除，剩下的復合材料就可以在指定的線中彎曲了。
此外，樹脂不僅僅可以制造出部分彎曲，還可以重新應用到鉸鏈區域，以形成不同的、新定義的，具有幾何結構的剛性組合。這類似于形成金屬板的方式。另外，聚氨酯保護膜可以應用于增加鉸鏈的耐久性。添加這個保護膜能夠讓被燒蝕的部分在準備鏈接和彎曲的時候受到保護。
“我們所采購的0.5毫米薄的板片多用于業余愛好者的項目，但也可以用于許多應用程序。”公司創始人Anna Livingston-Peters表示，“聚氨酯熱塑性是一種薄膜，我們從3 M公司中得到它，但它現在僅僅是一種鉸鏈保護措施的源頭。這種薄膜通常應用于鉸鏈的頂部和底部，而不會用于補充矩陣。這種聚氨酯類似于用來保護直升機葉片前緣的那些材料。”
在早期的測試中，該公司使用的是0.5毫米厚的板，以及從總部位于溫哥華和華盛頓的普魯泰克復合材料有限公司獲得的6K 碳環氧樹脂從板。普魯泰克復合材料有限公司成立于2008年，制造的是輕量級、高強度和現場生產的定制化碳纖維板。它還與更大的公司進行合作，如美國波音公司、霍尼韋爾公司、西門子公司，甚至是美國航空航天局。
嵌板有三個不同的編排型號：2×2斜紋，纖拉編排配以2×2斜紋編排，波浪編排配以2×2 斜紋編排。編排厚度分別是0.5毫米、0.63毫米和0.67毫米。( 圖2)。
圖2 從復合材料層壓板中清除樹脂會形成接縫或樞紐線
“我們通常使用兩部分3K或6K斜紋的環氧樹脂，但也曾經嘗試幾種不同的編排，例如纖維類型和基質材料。”Livingston-Peters說道。
碳纖維環氧樹脂板被置于Full Spectrum Laser 公司LLC Pro 低頻系列150瓦二氧化碳激光器內。Full Spectrum Laser公司及其全資子公司FSL3D總部位于內華達州拉斯維加斯，是美國著名的3D打印機生產商，其業務是設計、生產和銷售各系列消費級、以及工業激光產品和3D打印機等。
水冷卻器的用途是將激光的溫度維持在20℃?？諝鈮嚎s機在其與激光的接觸點不斷地將空氣壓到碳上，而這激光能夠在制造過程中將熱能集中在鉸鏈上。（生產）模式先在Adobe Illustrator（一種矢量繪圖工具）中進行設計，然后再翻譯成全波段光譜軟件。
激光去除過程僅僅只是去除復合纖維鏈以外的雜質，但也能夠讓其在彎曲近360°的同時保持85% 的強度。根據所訂制鉸鏈的材料性質、幾何設計，局部厚度，寬度來決定其激光功率、速度、電流和焦距效率優化和鉸鏈形成特性。
益處
模具制造是一個復雜和費時的過程，這限制了部分的細節和應用的廣度。復合材料一旦制造完成，往往是格式化的，難以回收或被重新利用。以前的成型技術可以把幾何形狀控制在能夠制造復合材料的情況下，但是隨著活動部分的成功運用，復合材料的成型能力也增加了。
“我們能夠把碳纖維面板變成任何你想要的東西。Livingston-Peters說。通過精確控制的樹脂燒蝕過程，碳纖維可以彎曲和重塑。一旦重新構造，樹脂可以再應用于保持新的幾何結構。”
圖3 Common Fibers 公司目前正專注于消費品，如錢包。
除此之外，該技術還可以用于回收材料。“我們已經開發出一種新技術，從而找到這種硬化材料的用途，這是一種從脫形于碳纖維制造的回收利用并制造產品的方法。被收入垃圾回填場的復合面板可以廉價地回收并使用這種制造方法轉化成新的部件。”她補充說(如圖3所示)。
抗疲勞性
“在設計復合鉸鏈時，必須考慮如何讓復合材料在長時間內與強制性強迫重復動作，并協調共處。”Livingston-Peters表示。疲勞損傷通常是模型和纖維間結構分解的結果，并取決于模型承受反復彎曲的能力。
現行設計往往采用機械固定或膠合結構鉸鏈的方法，但它們在耐久性和使用性方面有缺陷。孔洞周圍的分層和結構破裂帶來的軸承故障概率增加會限制它們的耐久性。雖然軸承故障可能是一個公認的失效模式，但當設計不當、或層壓板強度不足而導致的張力和切割失敗時，帶來的結果可能是災難性的。給機械緊固件鉆孔可以造成應力集中，而分層會降低結構的疲勞壽命。
通過激光燒蝕清除樹脂可以減輕復合材料的內部壓力，同時減少纖維上的壓應力。壓應力的降低有助于緩解拉拉應力疲勞，還可以通過投入更多的樹脂來進行重置或者重新引入。
“金屬鉸鏈技術大好處在于它可以在保持強度的情況下，使重量更輕，并且也不需要那些花費更多的時間、還可能降低強度的粘合劑或者機械附件。”Livingston-Peters說道。
在測試中，在對重塑的熔化的層壓制品分別使用厚0.50毫米和25毫米寬碳纖維層壓板時的平均強度是1866.93N /cm和1471.16 N/cm， 或只下降了22% 的強度。此外，該公司表示，根據現有的數據，在50000 次過程重復后，鉸鏈保留了92%的強度。
應用前景
Common Fibers公司表示，盡管該技術目前專注于像錢包這樣的消費品，但對于消費性商品和工業商品同樣適用。其他潛在對象會有單極車身筆記本電腦、附件儀表箱以及折疊自行車框架等。
鉸鏈也可能適用于需要高強度重量比的項目，如航空航天飛機制造和汽車制造。技術已被應用于特制遙控飛機的控制面和實現其垂直起飛和著陸(VTAL)。在輕量級RC 飛機的制作過程中，總共使用了八個碳纖維鉸鏈。Livingston-Peters 說， 在未來， 類似的鉸鏈可以應用于各種類型的飛機，從而大幅度降低其重量。“我們需要用激光系統獲取更多參數控制，也需要更多時間來研究每個材料規范和設計要求的設定。理論研究只是提出想法和進行證明，但是開發消費品遠比開發應用于飛機的技術更加困難。我們的步是開發易于改寫的非承載應用程序，進而發展到更詳細和復雜的設計。”
迄今為止討論到的所有應用程序都將該技術并入活動鉸鏈，但高級的應用程序可以像制造金屬板和紙板那樣使用該技術。
同樣，玻璃纖維也可能是可行的。Livingston-Peters說：“我們大部分時間都集中于碳纖維，但是這個程序可以應用到許多不同類型的纖維。唯一要考慮的因素是模型及增強材料的溶解溫度和熱重分析。”
后她補充道：“由于這個程序可以使用激光，其也可以應用于3D打印。電腦引導熱源的基本硬件已經存在，只需要研究激光設置控制的方式即可。
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