碳纤维模型制法

一点背景：方程式赛车总的来说是工程师竞争，参赛的将近150个学校的每个工程师都将在官方设定规则的基础上设计制作一个赛车并参加竞争。赛车竞技分为四个部分：8字绕环，直线加速，耐力，高速避障，以及在其他因素上的竞争如成本报告，赛车设计和营销报告。我曾是布朗大学FSAE车队的一员，主要工作是制作座椅。我和一个朋友拿到一个座椅外框的CAD的模型，然后来制作一个符合我们想象的座椅。在考虑到碳纤维在强度和质量的明显优势后，我们选择碳纤维材料来制作座椅。就像上图中看到的那样，我们采用了一种非传统的做法，我们将座椅的边缘延伸到车架上来达到更好的包裹性。起初打算把座椅直接连接到底盘上，但是在考虑到发动机的检查便利下想到了两部分的座椅。最终，一体式可移动座椅成为我们的选择。即使这个巨大的一体包裹式座椅要比卡丁车式的座椅重一点，但是总体来说它还是会减轻一大部分重量，基于以下两点：1.底盘；2.防火墙（规则要求驾驶者的任何部位都不能直接曝于燃油系，润滑系，冷却徐的任何部分）就像在下面的图中看到的，最终的座椅是用CAD软件建模。并且将其截断成两个部分，再将这两个部分的每个截面图打印出来。然后把薄泡沫板按照这些截面图裁剪粘接来形成所需要的大致的座椅模型。然后就是打磨出圆滑曲面，这时需要注对称型。之后就是有以下几种方法来制作座椅本身：1.费时但是最好工艺的方法：首先现有一个阴模，根据它制作一个碳纤维阳模再在上面加蒙皮。这种方案的优点是它能提供一个从前侧看到的很漂亮的曲面。它同样可以通过在模型还在阳模上时添加蒙皮或者高强泡沫来增强其强度。另一种增强座椅强度的方法是将碳纤维的外边缘卷起或折叠。同样一个好的模具会在模型被抽成真空袋时起到大的好的影响。另一个需要注意的问题，模具表面质量对于后来模型质量有很大的影响。再模具完成后有大量的表面细节要处理。所以你在模具上花费的时间越少，将在修补上花更多的时间。2.快速的方法：第二种方法是在阴模上直接采用湿式法制取模型。它的缺点是环氧树脂会在流向最低点以至于凹面处的工作量较大。这对于材料的掌控上的难度也将加大，并且基本不可能来卷曲它的边缘。但是它会节省很多的时间和工作量。由于时间紧迫，我们选择第二种方案。我们在制作阴模时在表面铺了好几层丙烯酸涂料后再打磨。最终获得模具内侧的较好的面。另一个前期工作是为了防止碳纤维粘在模具上。我们本打算用PVA脱模剂，但由于时间和设备的不足以及不能做提前测试。所以我们利用现有的东西来使用，塑料带以及脱模蜡。上面的照片是在铺袋子时的情况。下面是一些碳纤维铺垫方法;1.湿式制法将碳纤维布铺在模具上在涂上环氧树脂，这样一层层的制作。2.吸入法将干的碳纤维布放入模具，然后放入真空袋利用真空将树脂吸入。3.预浸料法这是最迅速，最轻量化，最节省的方法。碳纤维布先用一层薄薄的树脂浸泡，然后将其保存在低温下防止它粘接在一起。在制作是将它与其它层得纤维布叠加好并加热来使其加固。我们毫不犹豫的选择了湿式制法。我们本想采用真空袋（它是把一个大的塑料袋铺在模具上然后利用真空将碳纤维布紧紧地压在模具上），但是事实是我们使用的阴模，那么使用真空袋是非常复杂几乎不可能的。那么开始动工，先把碳纤维布剪裁到合适的大小并保持干燥，将两种树脂按比例混合，将模具保持一定的角度以防止最低处汇集过多的树脂并有利于接口处湿气的散发。我们用沙袋来替代真空袋，将它放在碳纤维布上来增加压力。上面就是铺了三层碳纤维布的作品。我们不确定三层布的强度有多大，但是考虑到碳纤维材料的优良性能应该足以满足要求。而且我们知道碳纤维产品的强度一大部分取决于它的结构和模具成型。座椅很结实，但是并不是任何情况下都可以应付。尤其是它将在80km/h时将驾驶员的与地面隔离开。为了安全起见，我们另加了三层碳纤维并且在之中加了一些泡沫橡胶来改变其结构以达到更好的强度。请注意座椅背侧的光滑表面，由于它是直接与模具接触的面。从照片上你也许看不出来，但是你可以通过每个单独的模具上的带子看出外廓，并且看出模具的转化过程。红色带就是我们添加泡沫橡胶的地方。我用加热枪来将泡沫橡胶弯曲到所需的外形，然后用一些化掉的胶棒将它们粘住。再在上面加另外的三层碳纤维后贴上一个没固定的塑料膜，再在上面放置沙袋来加强压力等待24小时至晾干。安装在车架上样子将座椅安装在刚喷塑好的底盘，标示好需要修改的部分，用切割机将它修改好。打磨座椅的前面来防止那些脊和突起。为了将粗糙的表面看起来光滑，我们在表面加薄薄的一层树脂（用来打磨产生的小间隙）来达到目的。我们的另一个问题是如何让将座椅安装在车上。最后我们在座椅前侧下方打孔然后在车架上安装吊耳。两个管子焊接在屁股下侧的位置上来获得额外的支撑。如下图