【复材资讯】碳纤维医疗器械部件的铺层与制孔工艺

来源：中国复合材料学会

采用碳纤维复合材料制作各类医疗器械零部件时，一方面要充分考虑材料应用的具体要求，另一方面，要根据材料的性能特征选择合适的工艺方法，这样才能充分发挥出碳纤维复合材料的特殊优势。

碳纤维复合材料的力学性能表现为各向异性，其力学性能与材料的铺层方式有着密切的关系。除了传统的铺层角度外，尺寸优化和层间组合优化等也成为碳纤维复合材料满足制品工艺要求和性能目标的重要途径。

为保证碳纤维复合材料满足特定的刚度要求，建议在初始设计过程中，就可以通过自由尺寸优化来获取每种铺层角度的最佳铺层厚度。在自由尺寸优化过程中为复合材料建立与铺层角度相对应的几个超级层，该阶段每一铺层角度所在超级层厚度可连续变化。

通过自由尺寸优化，能较好地确定每种铺层角度所需的铺层厚度，但由于层合板在制备过程中有一定的厚度要求，且铺层数量对之间的力学性能均有较大影响。通过尺寸优化设计将制品单层厚度与设计变量之间的关系进行耦合分析，以获得每种铺层角度在给定铺层厚度条件下的最佳铺层数量。

碳纤维复合材料的力学性能与纤维角度的排列顺序有着紧密的关系，在层组优化阶段，实际的目的是为了获得结构的最大刚度系数矩阵，从而使结构的刚度达到最大。在碳纤维零部件的制备过程中，铺层结构设计应避免固化过程中由弯曲、拉伸和扭转等耦合效应引起翘曲变形和树脂裂纹，为此在铺层设计过程中应尽量避免使用同一方向的铺层组，如果使用，应不多于4层。

在碳纤维复合材料零部件上进行制孔等操作，是为了满足与其它构件之间的装配要求，如铆接或者螺栓等。因为碳纤维复合材料具有各向异性，其切削加工机理与金属材料存在差异，在钻孔过程中，易发生一系列加工缺陷，如分层缺陷、出口毛刺、纤维撕裂和孔壁划痕等。

在碳纤维复合材料零部件的制作过程中发现，钻头不同的几何结构会对切屑形态、钻削轴向力、钻削温度等产生一定的作用。锯齿钻、烛心钻、阶梯钻等多种新型钻的出现，能获得更大的临界轴向力，减少分层发生几率。

文章来源：挪恩复材

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