碳纖維醫療器械部件的鋪層與制孔工藝
采用碳纖維復合材料制作各類醫療器械零部件時,一方面要充分考慮材料應用的具體要求,另一方面,要根據材料的性能特征選擇合適的工藝方法,這樣才能充分發揮出碳纖維復合材料的特殊優勢。
碳纖維復合材料的力學性能表現為各向異性,其力學性能與材料的鋪層方式有著密切的關系。除了傳統的鋪層角度外,尺寸優化和層間組合優化等也成為碳纖維復合材料滿足制品工藝要求和性能目標的重要途徑。
為保證碳纖維復合材料滿足特定的剛度要求,建議在初始設計過程中,就可以通過自由尺寸優化來獲取每種鋪層角度的佳鋪層厚度。在自由尺寸優化過程中為復合材料建立與鋪層角度相對應的幾個超級層,該階段每一鋪層角度所在超級層厚度可連續變化。
通過自由尺寸優化,能較好地確定每種鋪層角度所需的鋪層厚度,但由于層合板在制備過程中有一定的厚度要求,且鋪層數量對之間的力學性能均有較大影響。通過尺寸優化設計將制品單層厚度與設計變量之間的關系進行耦合分析,以獲得每種鋪層角度在給定鋪層厚度條件下的佳鋪層數量。
碳纖維復合材料的力學性能與纖維角度的排列順序有著緊密的關系,在層組優化階段,實際的目的是為了獲得結構的大剛度系數矩陣,從而使結構的剛度達到大。在碳纖維零部件的制備過程中,鋪層結構設計應避免固化過程中由彎曲、拉伸和扭轉等耦合效應引起翹曲變形和樹脂裂紋,為此在鋪層設計過程中應盡量避免使用同一方向的鋪層組,如果使用,應不多于4層。
在碳纖維復合材料零部件上進行制孔等操作,是為了滿足與其它構件之間的裝配要求,如鉚接或者螺栓等。因為碳纖維復合材料具有各向異性,其切削加工機理與金屬材料存在差異,在鉆孔過程中,易發生一系列加工缺陷,如分層缺陷、出口毛刺、纖維撕裂和孔壁劃痕等。
在碳纖維復合材料零部件的制作過程中發現,鉆頭不同的幾何結構會對切屑形態、鉆削軸向力、鉆削溫度等產生一定的作用。鋸齒鉆、燭心鉆、階梯鉆等多種新型鉆的出現,能獲得更大的臨界軸向力,減少分層發生幾率。










































