近年來，隨著各國復合材料的技術發展，運動產品的生產制造朝著輕量化與高性能化的方向不斷邁進。復合材料被廣泛應用于滑雪板、跑鞋、高爾夫球桿、網球拍、自行車設備等運動器材與消費品領域，制造商越來越多地利用材料的性能優勢來創造更輕、更高性能的產品，這一趨勢將持續很久。預計到2028年，運動器材市場將達到12億美元，2022年到2028年年復合增長率為5.9%。這表明，復合材料在運動器材中的應用呈增長趨勢，未來此領域將會吸引更多投資和創新。

9T Labs AG 是連續纖維組件批量生產領域的專家，公司專注于數字化、自動化和具有成本競爭力的組件開發，公司正在利用其Additive Fusion Technology (AFT)? 技術站在創新的前沿，他們的產品已在多個行業和應用中證明了自身價值。例如，之前的自行車制造商通常采用熱固性復合材料來制造車架、把立、車把、座椅、曲柄、輪子等。現在，AFT?能夠實現熱塑性復合材料在新型自行車設計中的有效集成。該混合方法結合了增材制造和壓模成型，不僅可以提升材料性能，還能提供更好的抗沖擊性，相比熱固性材料更具有成本優勢。這得益于高度自動化、連續纖維的優化排列以及零廢料的生產模式。同時，在保證性能的前提下，使用增材制造的預成型件可以與最多含量80%的短纖維廢料（如預浸料的切割廢料）結合使用。AFT?制造方法推動了結構件循環利用的重大進步，這些結構件可用于多個行業。例如，使用該工藝制造的自行車座墊由于自動化生產而具有了成本競爭力；同時，回收材料的使用使其更加環保；設計靈活性也得到提升，可提供更大的實用性、性能、美觀度和舒適度。

圖1. AFT 工作流程 - 包括再利用材料的支架混合制造方法

什么是AFT?？

9T Labs總部位于瑞士，他為我們展示了一種新興的連續纖維混合制造標準，這種標準在成本、重量、性能和可持續性方面可與傳統的減材制造和金屬加工部件競爭。AFT?是一種獨特的自動化工藝，結合了先進的fibrify?設計套件（fDS）軟件、高精度增材制造工藝和先進的后處理技術，提供無縫的三步解決方案，能夠高效生產具有復雜結構特性的高性能熱塑性復合材料零件，且具備大批量生產能力。

AFT?的獨特之處在于其解決了關鍵部位（如緊角度和孔周圍）的纖維變形問題。首先，fDS軟件導入計算機輔助設計（CAD）文件，優化內部纖維結構設計，以確保每次都能精確地將適量的材料放置在所需之處，并提供完全的設計自由度。用戶可以根據需要決定使用連續纖維帶和短纖維材料的比例。

圖2. 9T Labs 能夠以更具競爭力的價格可持續地生產更輕的自行車零件

其次，鋪層/預成型模塊的機器接收來自軟件的信息，啟動增材制造過程。該平臺使用兩個材料沉積導軌，將熱塑性材料（如PA11、PA12、PPS、PEKK或PEEK）與單向連續纖維增強帶（如碳纖維、玻璃纖維、玄武巖纖維）并列放置在一個加熱室中。鋪層模塊使用1毫米到2毫米寬的單向預浸熱塑性帶和全方向引導系統。

隨后進入到融合模塊，利用壓模成型機將預成型件進行壓縮和固化，根據需要重新塑造連續纖維。配對金屬模具通過熱和壓力將預成型件熔合，并將其成型為最終零件，模具中的纖維體積比可高達60%。最終零件具有低空隙含量（<1%）、最大層間強度和重新塑形功能。

通過自動化復合材料的制造過程，AFT?能夠生產幾何形狀復雜、高強度的部件，且這些部件更輕、成本更低，并提供了不含傳統金屬元素的零廢料解決方案。AFT?特別適合每年1,000到100,000個部件的生產量，是金屬和傳統復合材料零件的可行替代方案，甚至適用于小型復雜幾何形狀的零件。此外，AFT?可根據美學偏好定制零件，大有發展前景。

AFT?的實例

在最近的SAMPE會議上，9T Labs展示了“混合連續和不連續纖維增強熱塑性塑料的壓模成型以增強強度特性”，，隨后SAMPE發表了相關報告。報告指出，在壓模成型中，纖維的長度至關重要。較長的連續纖維具有優異的機械性能，但缺乏在復雜幾何結構中所需的靈活性。不連續纖維在處理復雜幾何結構時非常有用，但強度不足。然而，在生產中將兩者結合可以同時獲得兩方面的優勢：當使用較長不連續纖維板材和連續纖維預成型件進行壓模成型時，強度得到增強，強度的可變性也得以降低。

將這種混合方法應用于航空行李箱艙頂銷支架的生產，測試表明:在損傷發生時的載荷增加了99.6%（銷支架的重量中17%由連續纖維預成型件增強），而失效發生時載荷的變異系數降低了46%。用連續纖維預成型件增強銷支架不僅使其強度更高，還減少了強度特性的可變性。

這些結果是如何實現的呢？連續纖維預成型件由60%體積的碳纖維增強聚醚酮酮（PEKK）通過AFT?工藝制成，同時使用了由60%體積碳纖維增強PEKK制成的纖維板材。設計考慮了連續纖維和不連續纖維的共同流動，以改進行李艙銷支架的耳部和底座之間的載荷傳遞，同時使纖維從平面配置流動并重新塑造成三維纖維結構。

在壓模成型過程中，連續和不連續纖維系統的共同流動促成了連續纖維的重新塑形。這種將連續纖維和長不連續纖維（以板材或塊狀模塑料形式）結合的混合壓模成型方法是一種有效的中間解決方案，既能發揮高端連續纖維復合材料的優勢，又具備只有注塑工藝才能達到的可擴展性和成本結構。這種高強度、復雜幾何特征以及高產率的特點為金屬替代市場打開了全新的大門。

可持續性

雖然成本和性能是衡量產品成功的關鍵指標，但其環境影響和可持續性正迅速成為各行業必須考慮的重要因素，甚至有時是法律強制的要求。像AFT?這樣的創新復合材料技術已經在成本和性能上證明了自己的競爭力，也顯示出減少材料浪費和二氧化碳（CO2）排放的巨大潛力。在傳統的纖維復合材料制造中，生產碳纖維和碳纖維增強塑料部件常常會因為切割、銑削和成型碳纖維片材而產生大量的材料浪費。相比之下，AFT?提供了逐層沉積碳纖維和基體材料的精確性，因而將浪費降至最低。AFT?還具有使用回收材料的額外優勢，可以防止產生塑料廢料，從而進一步支持循環經濟。

9T Labs最近發布了其首份可持續發展報告，提出了具體的可衡量措施，以實現其雄心勃勃的零廢物和減少碳排放的目標。對于AFT?來說，環保不僅對環境有利，也對商業有益；為了展示自己的可持續性，9T Labs與瑞士西北應用科技大學合作，對兩個項目進行了生命周期分析（LCA）：一個是摩托車后懸架搖臂鏈接，另一個是航空行李艙銷支架。

之前，后懸架搖臂鏈接是通過鋁壓鑄生產的，二氧化碳當量為6.67公斤。使用AFT?和回收碳纖維（rCF），其當量可以降至6.51公斤，減少了CO2的排放。

對于行李艙銷支架，CO2減排效果更為顯著：鋁制部件的二氧化碳當量為9.24公斤，而采用混合制造方法結合連續纖維預成型件和塊狀模塑料生產的部件，其CO2排放當量僅為0.515公斤。此外，當使用再生的連續纖維材料代替原生BMC材料時，排放當量可進一步降低至0.298公斤，相比最初的復合材料基準減少了40%以上。在這兩個案例中，LCA顯示了在不犧牲性能或耐久性的前提下，即使使用回收材料，仍能實現最小化CO2排放。

未來展望

AFT?在成本、可持續性、耐用性和美觀性方面展現出巨大的潛力。這一創新技術可以應用于多個行業。在自行車領域，車座首當其沖。該技術提供的最佳材料布局、3D分段設計和先進成型技術能夠生產輕量（約120克）、舒適、價格合理且外觀出色的單體碳復合材料車座（附加襯墊）。同樣地，當應用于摩托車等其他領域時，在不犧牲性能或經濟性的情況下，此項技術可以減輕小型結構部件的重量，如上所述：應用此技術的搖臂比金屬部件輕30%，且沒有產生材料浪費，同時能夠承受這些部件所需的高強度要求。最終，這些新進展將有助于引領一個更加輕便和高性能應用的未來。

參考資料：

[1]https://www.lucintel.com/composites-insporting-goods-market.aspx

[2] https://doi.org/10.33599/nasampe/s.23.0284