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SABIC碳纤复合聚碳酸酯在1毫米厚笔电外壳的开发应用
SABIC 在最近的一项研究中证明,1 毫米厚的外壳可以满足超薄笔记本电脑或平板电脑的所有相关行业性能规范。


消费电子产品是一个动态市场,产品的迭代周期很短。消费者希望从他们的智能手机、智能手表、平板电脑和笔记本电脑中获得更快的运行速度、更持久的电池、更耐用的性能以及更低的成本和重量。为了满足消费者的需求,OEM 要求供应商能够提供轻质、薄壁型材,且具有高美观性和设计自由度,以及优异的抗冲击性和高刚度的材料——这在这个市场意味着质量。他们还需要经济高效、高可重复性的加工方法,以满足全球每年数以千万计的生产需求。这些压力已经将市场首先推向轻质金属外壳和框架,现在又将其推向金 属 / 复合材料和完全复合材料的解决方案。

SABIC 荷兰公司进行的一项可行性研究涉及使用两种热塑性复合材料来生产 1 毫米厚的笔记本电脑 / 平板电脑外壳。研究表明,对于具有挑战性的消费电子市场而言,混合热塑性复合材料设计可能是一个可行的解决方案。

寻找测试案例

自 2012 年以来,SABIC 进行了一系列投资来开发自己的单向(UD)纤维增强热塑性复合材料带,从而扩大了公司在短纤维注入和长纤维热塑性(LFT)材料方面的核心竞争 力,并允许 SABIC 扩展到更高性能的热塑性复合材料领域。2015年,该公司收购了制造商 Fiber Reinforced ThermoplasticsB.V. 的多数股份,并于 2017 年与机器制造商和复合材料加工线开发商 Airborne(荷兰海牙)合作,成为其少数投资者。

由于 SABIC 和 Airborne 公司的设计和制造技术,已经能够为真正的大批量市场快速、经济有效地生产净形、高质量的热塑性带基复合材料,团队开始寻找测试案例。这一演示将是一个重要的营销工具,以证明热塑性复合材料层板的设计理念,由不连续纤维增强复合材料二次成型的复合带生产。测试团队为材料技术开发的预测性工程工具,展示荷兰高速制造工艺的发展也很重要。

“我们决定专注于消费类电子产品的应用。”SABIC 公司全球复合材料领导者吉诺 • 弗兰卡托解释道,“这个市场非常有意思,我们有志于通过轻质材料的应用,让我们的手机和笔记本电脑更轻更薄。既然其他供应商已经赚了上百万,我们决定接受这个市场的挑战。”

SABIC 全球应用技术部的工作人员科学家斯科特·戴维斯解释说:“我们决定从一些比较复杂但不太复杂的事情开始。一台非常薄的笔记本电脑,甚至是平板电脑的顶盖看起来是一个很好的起点。我们使用的是一个简单的整体几何结构,一个矩形,它需要保持很高的美观性,并在 B 面提供很多复杂度,包括附件功能。顶盖必须非常薄,但仍然能够满足行业中常见的具有挑战性的偏转要求。当然,我们还必须通过复杂的新制造流程交付非常一致的产品。” 该团队希望最终能将其转化为智能手机组件。

由于他们没有实际的客户设计,只是为屏幕创建保护罩, 所以他们使用了通用的几何图形。事实上,当他们开始切割用于内部开发的注塑模具时,他们甚至不确定自己是要做平板电脑还是笔记本电脑的顶盖,所以顶盖的设计是为这两种产品设计的。戴维斯补充说:“将复合材料解决方案准备用于大批量生产存在很多挑战。事实上,有很多事情同时发生——条带开发、层压开发和过程开发——我们不能等到所有这些事情都完成后才开始我们的加工,这就是我们最终设计的方式。”

完成基本设计后,团队将重点放在其他细节上,例如最佳浇口方式,层压插入物和包覆成型化合物之间需要什么样的重叠,如何处理工具内的自动放置,如何处理(两种复合材料之间的线性热膨胀(CLTE 或 CTE)不匹配以及如何创 建易于重复的零件。

满足具有挑战性的要求

目的是开发一种厚度为 1 毫米的上盖,该盖具有很高的刚度并通过所有性能和美学要求——特别是定期应用于笔记本电脑盖的中心点挠度测试,以评估损坏下方屏幕所需的负载。载荷 / 挠曲要求因 OEM、设备和型号而异,但在 40-120 牛顿的压力下,挠曲通常不超过 3-5 毫米——这种情况模拟了当一个用户站起来手指或肘部压入盖时的载荷。

在许多行业中,通过此类测试的策略是增加型材的厚度,但该市场重视较薄的设计,这些设计可在不增加设备尺寸或重量的情况下释放更大的电池和其他组件的空间。因此,团队需要使用不同的设计策略来防止屏幕损坏 - 即选择较硬的材料(通过层压板插入)和使用几何形状(例如,通过注塑包覆成型加筋)。但是,首先,他们必须指定材料。

其中一种材料聚碳酸酯(PC)以其优异的美观性和较高的抗冲击强度,已广泛应用于汽车覆盖件和其他零部件的制造。这种聚合物最大的缺点是耐化学腐蚀和表面划痕,但在大多数情况下,可以通过涂层、油漆或两者的组合应用来克服这些潜在的问题。

弗朗卡托指出:“由于超轻电脑非常薄,内部的包装空间非常狭小,因此偏转和机械性能变得非常关键。虽然从成本的角度出发,会希望使用玻璃纤维增强,但我们必须使用碳纤维来获得所需的刚度。因此,所有基于条带的层压板都是碳纤维增强聚碳酸酯的变体,目前正与 SABIC 子公司 FRT 合作开发。


SABIC已经开发了预测模型来模拟层压板类型和结构(有或没有二次成型化合物)对模压件性能的影响,并报告了预测结果与实验结果之间的强相关性。这些预测工程工具据说能加速材料的开发。

包覆成型的化合物需要不同的方法。最初,该策略是使用更长纤维的 LFT 复合材料,但是出于多种原因——包括较高的美学要求、零件尺寸和浇注策略——短纤维复合材料可以更好地满足项目要求。另一个问题是要使用的纤维类型。短碳注塑复合材料很难使用,虽然具有很高的美观性;因此对于其包覆成型材料,他们最终考虑了短玻璃纤维增强材料。SABIC 的子公司 LNP 提供了许多具有良好美观和刚度的玻璃纤维及 PC 级产品,这些产品在设备 OEM 厂商中很受欢迎, 因此该团队专注于这些产品。

尽管全非晶态 PC 较半结晶聚合物更不易翘曲,但该团队仍担心高强度和各向异性 UD 碳纤维带与各向同性、不连续的短玻璃纤维包覆成型等级之间在较低纤维负载下的 CLTE 差异。戴维斯解释说:“在这么薄的墙壁上,几乎没有出错的余地,因此 CLT 的细微差异是我们必须仔细考虑的事情。这甚至还没有触及所有在注塑时关心的正常问题,比如浇口位置、填充模式、包装压力和编织线。”所有这些因素都经过了模拟和物理测试的验证。

一旦材料被选定,SABIC 的工程师进行了多次重复的模具填充、结构分析和翘曲模拟,以评估层压板的铺设、几何形状和材料组合,从而优化载荷 / 挠度测试的刚度,以及其他性能和成本要求。该公司表示,他们已经开发出了全面而准确的复合材料建模工具(可供客户使用,并以通用的结构和加工规范运行),可以快速建模和模拟层压板体系结构、 包覆成型化合物组合以及各种加工和选择,以及成型零件的性能。这些工具据说能够在预测和测量性能之间实现很强的相关性,是加速定制材料开发的理想工具。

准备好迎接黄金时间,碳纤维笔记本电脑外壳

最后的笔记本电脑 / 平板电脑外壳的正面,是用碳纤维增强的聚碳酸酯带型层压板覆盖短玻璃 / 聚碳酸酯 - 共聚物化合物二次成型制成的,这种组合在 1 毫米厚的部件中满足了所有相关的机械和美学要求。


最终的演示产品具有层压插入件,该层压插入件由七层开发的 UDMAX 碳纤维 / PC 胶带(纤维体积分数为 55%)制成,然后进行固结、修整、预成型并再次修整成最终的净形,最后再用纤维含量占 40% 的 THERMOCOMP D452 短玻璃纤维 /PC- 共聚物(一种针对高流动性和高美观性而优化的等级,已广泛应用于该领域)进行注塑成型。这种组合可在低质量和低截面厚度的情况下生产出具有高刚度和强度的覆盖物,同时包含众多 3D 设计细节、附件功能和良好的美学设计,从而充分利用每种材料的优势。据报道,该外壳通过了所有必要的行业测试,并且目前正在由设备 OEM 进行评估。

Airborne 与 SABIC 之间的合作也为 SABIC 的消费电子产品市场目标取得了成果。双方于 2018 年宣布建立合作关系,此后又进一步公布了两家公司称之为数字复合材料生产线的详细信息。该生产线每分钟可生产 4 个净形状的固化型复合材料层压板插件,或单条生产线每年可生产 150 万层复合材料层压板。据说该系统具有灵活性(就叠层结构和材料而言)且速度很快。从 2020 年开始,Airborne 将使用该生产线生产用于消费类电子产品的商用层压板,这将成为两家公司希望 在这种竞争激烈且节奏快的细分市场中大幅提高热塑性复合材料渗透率的一种资源。
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