该公司的碳纤维复合材料传动轴广泛应用于各种行业
据该公司介绍，传动轴需求增加的原因是碳纤维转动轴与金属传动轴相比，具有独特的性能，例如更高的扭矩和转速能力、更好的可靠性、更轻的重量，由于在高冲击下容易分解成相对无害的碳纤维，降低了噪音、振动和不平顺性，从而提高了安全性。此外，据报道与传统的钢制传动轴相比，由于复合材料具有较轻的旋转质量，汽车和卡车中的碳纤维传动轴可将车辆的后轮马力增加5%以上。轻量化的碳纤维传动轴消纳更多的冲击，并具有比钢更高的扭矩能力，允许更多的发动机功率转移到车轮上，而不会使轮胎打滑或脱离地面。多年来，该公司一直在加州工厂通过长丝缠绕生产碳纤维复合材料传动轴。要扩大到所需的水平，就需要扩大设施规模，改进生产设备，并通过尽可能将责任从人工技术人员转移到自动化过程来简化过程控制和质量检查。为了实现这些目标，该公司决定建造第二个生产设施，并为其配备更高水平的自动化设备。
该公司将这一新的生产设施设在美国威斯康星州斯科菲尔德，以便在设计、建造、采购和安装新工厂和生产设备的一年半的时间中尽量减少转动轴生产的中断，其中10个月用于自动纤维缠绕系统的建造、交付和安装。自动化评估了复合传动轴的生产过程的每个步骤：纤维缠绕、树脂含量和湿度控制、烘箱固化（包括时间和温度控制）、芯轴的零件提取和芯轴进出过程的处理。然而，由于预算原因和该公司需要一个允许在必要时有有限数量研发试验的少许永久和可移动系统，架空或落地安装的龙门自动化系统被拒绝。在与多家供应商协商后，终的解决方案是一个两部分生产系统：类型1，位于德国斯坦福伯格的罗斯复合材料机械公司的带有多个缠绕机架的两轴自动纤维缠绕系统；而不是一个固定安装的自动化系统，一个由位于美国华盛顿州塔科马的环球机械制造公司设计的半自动芯轴处理系统。
罗斯公司为该公司开发的自动化纤维缠绕工艺
据该公司介绍，设计允许两个主轴同时生产零件的罗斯纤维缠绕系统的主要优点和要求之一是已经证明的自动化能力。该公司的专有传动轴需要多种材料更改特别重要。为了自动化每种材料变化的手动切割、架线和重新连接不同纤维，罗斯公司的粗纱切割和附加功能通过配备多个制造车厢使缠绕机能够自动更换材料，罗斯公司的树脂和纤维张弛技术还提供了确保精确的纤维与树脂润湿率而无过饱和的能力，同时使该缠绕机比传统的缠绕机运行更快，无多余树脂浪费。一旦卷绕完成，缠绕机自动断开芯轴和部分与卷绕机的连接。
罗斯公司的纤维缠绕系统自动地在复合材料之间切换
缠绕系统本身是自动化的，但是在每个制造步骤之间仍然留下很大一部分芯轴的处理和移动，而每个步骤以前都是手动完成的，这包括准备裸芯轴并将其连接到缠绕机上，将带缠绕零件的芯轴移动到烘箱中进行固化，移动带固化零件的芯轴并从芯轴中取出零件。作为一种解决方案，环球机械制造公司开发了一种工艺，涉及一系列旨在容纳芯轴的小车，小车内的旋转系统用于定位芯轴，以便进出缠绕机和提取器，并在零件被树脂浸湿和烤箱固化期间连续旋转。
这些芯轴小车在两组落地式转移臂的辅助下从一个工位移动到另一个工位，一组位于缠绕机上，另一组位于集成的提取器系统上，它们与芯轴小车协调运动，并为每个工序拾取和放置芯轴。小车上的定制卡盘和罗斯机器上的自动卡盘相协调，自动夹紧和释放芯轴。
罗斯公司的双主轴精密树脂组件。该系统设计用于复合材料的两个主轴，并输送至专用的材料缠绕机架。
除了这个芯轴传输系统，公司还提供了两个固化炉，固化和抽芯后，零件被转移到精密定尺机上，然后被转移到数控系统上加工管端，后用压装附件清洁和涂抹粘合剂。扭矩测试、质量保证和产品跟踪在终用户包装和装运前完成。据该公司介绍，这一过程的一个重要方面是它能够跟踪和记录设备温度、湿度水平、纤维张力、纤维速度和每个缠绕机组的树脂温度等数据，这些信息存储在产品质量检验系统或生产跟踪系统中，并可使操作员在必要时调整生产条件。公司开发的整个过程被描述为“半自动化”，因为仍然需要操作员按下按钮启动过程序列，并手动将小车移入和移出烤箱。根据该公司的说法，公司展望未来该系统的自动化程度将更高。
罗斯系统包括两个主轴和三个独立的卷绕车厢。每个卷绕小车设计用于自动输送不同的复合材料。复合材料同时应用于两个主轴。
在新工厂生产的年之后，该公司报道到，该设备已成功证明能够满足其产量目标，同时节省劳动力和材料，并提供始终如一的高质量产品。该公司希望在未来的自动化项目中与罗斯公司和公司再次深化合作。
经济性、规模化水平上的Z向复材性能
位于美国马萨诸塞州比勒里卡的波士顿材料公司是由安维什·古里贾拉，迈克尔·西格尔和兰德尔博士于2016年创立，它是位于美国马萨诸塞州波士顿的东北大学的一个衍生企业，其商业化一种获得的使碾磨后的碳纤维能够使用辊对辊工艺垂直定向成薄片的磁对准工艺。波士顿材料公司席商务官凯达尔·穆尔西说：“由于垂直纤维的存在，这些薄膜状材料看起来像立绒或天鹅绒。”长度为0.05至0.2毫米的碾磨碳纤维是一种有趣的解决方案，在没有纳米材料的生产、成本、健康和安全问题的情况下提供宏观效益，它们还为越来越多的可回收、再利用碳纤维提供了出口，其成本大大低于原纤维，并为复合材料市场提供了急需的循环。
波士顿材料公司现每年生产80万平方米60英寸宽的材料来扩大其工艺规模，以满足不断增长的产品系列。
超级复合材料—于2019年推出的层压至标准机织物的Z轴碳纤维薄膜、UD预浸料和干增强材料用于工具、滑雪板、滑雪板、反射盘和工业应用产品。
ZRT–于2020年推出的用于导热、导电和局部增强的热塑性薄膜和热固性预浸料，同时作为消费电子和汽车应用产品两年开发周期的一部分进行评估。
双金属–Z轴碳纤维薄膜夹在金属板外壳之间，用于汽车应用中的冲压成型金属板零件，提供与整体金属板同等的性能，重量减少50%。
航空航天也是一个关键目标，包括集成雷击防护、提高抗分层能力、减振能力和局部加固，后者具有将紧固件拉拔强度提高50%的能力。然而航空航天认证通常是一个较长的过程，因此非航空航天目标先被商业化。
利用Z轴纤维提高复合材料层间剪切强度、面外刚度（横向模量）、抗冲击性和粘结性的想法并不新鲜。几十年来，造船厂一直使用磨碎的玻璃纤维在核心粘结腻子，以增加粘结强度，磨碎的纤维通过一半到腻子和一半到泡沫芯的开口孔里提供了一个裂缝停止机制。位于德国萨尔贝克的萨尔泰克斯公司更进一步，将切割好的玻璃纤维插入索尔泡沫产品芯中，在注入树脂后，将芯层压板面板绑在一起。
索尔泡沫的特点是玻璃纤维插入芯层中
在20世纪80年代由位于美国马萨诸塞州沃尔瑟姆的阿兹特克公司商业化的Z-pinning技术固化Z-Fiber产品，此后被包括航空发动机制造商、空中客车公司和美国军方在内的众多组织研究和开发。
将直径通常为1毫米预固化碳纤维增强聚合物针钉插入未固化预浸料层中。然而，针钉插入是一个额外的步骤，并且对于Z轴纤维含量超过30-50%的情况未被证实是经济有效的。
创造性拉挤法:拉挤夹层板具有Z轴加强功能
三维立体编织也是为了达到同样的目的。它被位于美国新罕布什尔州罗切斯特的奥尔巴尼工程复合材料公司用于生产复杂的预制件，这些预制件通过树脂转化模型转化为LEAP航空发动机的碳纤维复材风扇叶片，虽然三维立体编织是有效的，但通常来说它既不是快速，也不是廉价的增强Z轴的工艺。
另一面是位于法国普罗旺斯艾克斯的纳瓦技术公司收购了由N12 技术公司开发的纳米片技术，该技术在层压板之间的层间区域使用垂直排列的碳纳米管，将综合生命支援系统提高了10-30%。尽管N12的宽泛产品承诺通过降低当前复合工艺的解决方案来改善性能，但由于增多的垂直排列碳纳米管新兴技术，成本和可扩展性仍然是一个问题。
具有可扩展性的插入式解决方案。“三维编织，Z--钉扎和缝合都需要额外的步骤和劳动力，”墨西说：“我们想要一种可以很容易地整合成一个层面工艺并已经使用的材料，我们的ZRT产品的处理方式类似于胶膜或单向预浸料，但在Z方向上提供了刚度和导电性，在新方向上利用了合成材料的性能。”
波士顿材料公司席执行官安维什·古里贾拉解释说：“我们材料的另一个不同之处是可扩展性，我们使用的是一种60英寸宽的辊对辊工艺，类似于造纸。研磨后的纤维分散在水中，计量到PET载体膜上，然后在磁场作用下使纤维在Z轴上对齐。“他指出，碳纤维没有磁性，所以这种对齐就是诀窍。然后蒸发水分，将干燥的ZRT材料留在载体顶部。因此，这不是在生长碳纳米管，而是更具成本效益。与纳米材料相比，技术风险要小得多，而且没有危险化学品、溶剂或微粒—这是一种环保工艺。”
层压工艺通过ZRT薄膜和连续纤维增强相结合生产成超级复材产品
ZRT辊产品也便于加工。”“他们可以干用或预包装，”墨西说您可以将产品切成胶带，用于缠绕或者干燥预成型件用于树脂传递模塑工艺，我们的材料很容易集成到磁带铺设过程中；不需要第二步。它很容易从载体膜上去除ZRT材料，并且不会释放出纳米纤维或碾碎的纤维。“ZRT材料还提供了高表面积，从而与涂层或油漆形成良好的结合。”“因为我们使用的是再生碳纤维，”古里贾拉说，“我们与连续的原始纤维在成本上具有竞争力。
古里亚拉说：“使用超级MP和ZRT材料实际上有成本效益。”通过添加ZRT材料层，我们可以保留传统碳纤维复材层压板的关键面内性能，同时替换高达50%的连续纤维。通过使用ZRT材料和标准碳纤维复材设计层压板，我们可以保持面内性能和增加面外性能，同时将所需的总层数减少50%。因此，我们提供了一个经济实惠、同时也增强功能的解决方案。”
波士顿材料公司通过将碳纤维定向出平面，克服了复合材料在整个层压板厚度的导电性方面的传统限制。”“我们正在展示与铝有竞争力的热导率和导电率”，古里贾拉说，在电磁干扰和雷击防护方面，我们的性能与纳米纤维、镍面纱和金属箔相当，但成本和加工性能有所提高。例如，因为我们的产品是碳纤维而不是金属，所以它们不需要绝缘来防止碳纤维层压板的电偶腐蚀，使用中也不会因暴露于湿气、化学品等而发生腐蚀。”
初步雷击试验表明，ZRT薄膜能够为碳纤维复材面板提供有效的激光冲击。下面的照片显示，在左边，一个参考层压板包括五层编织碳纤维在环氧树脂基体中，右边同样的层压板有ZRT堆焊膜。测试由维平库马尔博士执行，他是田纳西州诺克斯维尔的橡树岭实验室碳纤维复材的雷击损伤专家。“损失的减少是非常明显的，”库马尔博士说这种ZRT是用聚丙烯腈纤维制成的，但由于其较高的导电性，我们预计沥青纤维会有更好的效果。”波士顿材料公司正在等待美国空军的一项奖励，以进一步开发用于常规飞机和即将推出电动垂直起降车辆的方式。
紧固件拉出
碳纤维复材层压板中使用的ZRT层有助于抵抗层间分层和减少金属紧固件的脱粘。位于美国犹他州盐湖城的日食复合材料公司正致力于改进一个部件，该部件失效主要是由于剪切和横向张力导致的金属凸耳脱粘。”我们与日食公司合作，将ZRT薄膜与干式平纹织物相结合的超级复材1015 PW干式产品集成在层压板的每层3K碳纤维织物之间，”穆尔蒂解释道。
在用标准层压板进行的拉拔试验中，金属凸耳完全脱胶，而用超级压合板制成的层压板保留了金属凸耳。当进行失效测试时，日食复材公司在失效前测得的拉拔强度至少高出50%，而且失效是渐进的，而不是灾难性的。甚至有一些情况是在金属吊耳被拔出之前，拧入金属吊耳的钢螺栓发生了故障。”
波士顿材料公司用超级复材 PW干材料做的的鉴定试验零件表明，在失效前，金属凸耳（绿色箭头）的拉拔强度提高了50%。
ZRT材料还通过剪切吸收振动能量，而不影响弯曲刚度。”这是Z轴碳纤维独有的一种机制，在复合材料结构中加入ZRT层可以降低每种振动模式下的固有频率。“较低的固有频率表明减振效果更好，从而提高：
对滑雪板和网球拍等体育用品的感觉和控制；
无人机摄像机支架的图像质量；
机器人末端执行器的精度和速度；
电动汽车的乘坐舒适性和座舱噪声。
Z轴碳纤维ZRT材料与编织碳纤维配合使用可以降低所有振动模态的固有频率
热塑性复合材料
“我们还可以在热塑性薄膜中添加ZRT，并在整个加工过程中保持研磨后的纤维取向，”穆尔蒂说。这可以在下面的显微照片中看到，这张照片显示了压缩成型应用中的九层ZRT材料。”他解释说：“所使用的聚碳酸酯基质的粘度比环氧树脂高得多。”该应用还使用了350至400 平方英寸每磅的高压实压力，但我们可以保持Z轴方向。”
使用聚碳酸酯基的9层ZRT材料的显微照片
对于这些热塑性复合产品，波士顿材料公司将PET载体膜替换为目标基体聚合物的热塑性膜，或者它可以将ZRT干膜转移到目标热塑性薄膜上，并在二次过程中将其熔化到Z轴碳纤维中。这些ZRT热塑性产品的纤维体积大于50%。除了聚碳酸酯，波士顿材料公司还利用PPS、PEEK、LM-PAEK、PEI、PA-6、PA-12和bio-PA等材料制备了ZRT热塑性复合薄膜。
正如ZRT材料增强了导电性一样，它们也提高了复合材料的导热性。”尽管碳纤维沿纤维方向具有导热性，但其导电性垂直于纤维方向下降了近10倍。横向传热在电子器件、电动汽车电池组和非金属热交换器等应用中具有重要意义。通过在Z轴上放置碳纤维来定制聚合物复合材料横向导热性的能力，对于当今所需的多功能结构来说是一个巨大的好处。”
他指出，PAN基碳纤维的纤维内导热系数为15至20瓦/米开尔文。”这一点在纤维90下降了5到10倍，“古里贾拉说,因此用平面内碳纤维与0.2瓦/米开尔文处的绝缘聚合物基体结合而成且在层间界面上有损耗的复合材料的总横向导热系数仅为0.7瓦/米开尔文。通过添加PAN基ZRT材料层，我们可以将其增加到大约10瓦/米开尔文。
与此同时波士顿材料公司也在开发使用沥青基碳纤维的ZRT材料，这种碳纤维的内导热系数为600至900瓦/米开尔文。”使用沥青基ZRT材料，碳纤维增强压板的理论横向电导率可以达到250瓦/米开尔文，” 古里贾拉说，“这超过了铝的导热系数。”
通过将ZRT材料与热塑性薄膜结合，波士顿材料能够创造出具有类似铝导热性的复杂几何结构。”利用ZRT热塑性复合膜，低成本、高体积热成型可用于生产结构非常小的非金属换热器板等，以增加表面积。
墨蒂说这种类型的零件是用其他方法制造的真正挑战，例如用导电模塑化合物进行注塑。“这种板用于住宅和商业供暖/通风和制冷系统的热交换器，以及汽车、航空航天、制造业和工业过程应用。”金属一直以来都是人们选择的材料，但很难加工成复杂的形状。热交换器现在被要求提供更高的传输效率、环境稳定性和更低的制造成本。使用导热复合材料可以满足所有这些要求，并且具有更轻的重量和耐腐蚀性。”
波士顿材料公司还与一家材料供应商合作，推出了一种模具预浸料，通过减少X、Y和Z方向热膨胀率的不匹配，使其升温更快、更均匀，从而缩短固化周期，提高尺寸精度。
双金属和未来采用
波士顿材料公司还开发了新材料，其ZRT薄膜作为结构核心，层压在两层金属板之间。”“双金属是一种混合材料，具有与金属板相同的弯曲性能，但重量比金属板轻30-50%，” 古里亚拉说我们为汽车和其他行业开发了这种材料，这些行业一直对碳纤维增强塑料的重量轻感兴趣，但采用率低，是因为碳纤维的成本和复杂性，双金属大约1毫米厚类似于空心金属板，与金属相比具有更好的声学和减振性能。”
双金属夹在两个金属板之间的ZRT结构核心
那么金属外壳和Z轴铣削碳纤维之间的电偶腐蚀呢？”“这不是一个问题，”他解释说，“因为我们在ZRT薄膜的金属配合面上使用了一层富含树脂的层和/或在顶部使用了粘合剂或TP薄膜。当然，对于钛不需要任何东西，但是如果客户认为有必要满足应用要求，我们也可以使用薄的芳纶纤维或玻璃纤维面纱。”双金属坯料暖冲压到接近热塑性聚合物基体熔化温度的组件中。
波士顿材料公司目前正与消费电子、汽车、卡车运输和航空航天领域的七家知名制造商合作，在本地增强、电磁干扰屏蔽、雷击防护、热管理和减震等方面寻求产品资质。资格认证预计将在2022年完成，该公司计划宣布新的合作伙伴关系、申请和产品。
“关于Z轴碳纤维技术的潜力，我们还处在冰山一角，”古里贾拉说我们的终目标是扩大复合材料市场。”
