使用回收复合材料制造电动自行车轮毂

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为减少日常行动带来的碳足迹,Cogit Composites公司开展了一项研究,重点是利用复合材料的生产废料开发采用特殊设计的新的电动自行车轮毂。

一体化的电动自行车轮毂通过对回收复合材料的再利用而实现了增值

热塑性聚合物正作为基体材料而被越来越多地用于长纤维增强复合材料之中,这意味着短期内需要处理更多的生产废料、长期内需要处理更多的用后报废部件。

目前,尚没有简单的方法能够在未使用的复合材料中将碳纤维从基体材料中分离出来,这样,复合材料废料就会被掩埋或燃烧,从而产生有毒气体、温室气体或者污染水和土壤。为遵守新的欧盟法规,比如废物处理框架指令和报废车辆指令,必须将回收和再利用整合到开发计划中。

Cogit Composites 公司的业主兼CEO Christophe ROUA介绍说:“12年前,我去法国巴黎的JEC展会,就开始意识到了热塑性复合材料在先进应用以及在大中型市场中的潜力。我首先想到了短循环周期生产工艺(如塑料的注射成型)的能力以及功能化的机会(包覆成型和焊接)。虽然当时还不够发达,但回收利用也是一个优势。2012年,Plasticompo 平台、奥尔良大学与COGIT Composites在法国开展了一项合作,以便更好地理解如何回收以及(或者)重新利用热塑性复合材料。自此,COGIT Composites已经完全集成了热塑性复合材料的工程、原型和制造,包括生态设计和生命周期。”

1、回收方法

塑料行业常用的回收方法包括先切碎再碾碎的步骤, 以获得更细的材料,从而可以在热塑性塑料的注射成型中将其用作增强材料。但不幸的是,与初的部分相比,这导致了增强水平的降低。一种替代方法是,将复合材料部件或生产废料切成不太小的混合物,通常长25~50 mm、宽2~6 mm,并将它们用作模压成型过程中的主要材料。

一种替代方法是,将复合材料部件或生产废料(左)切成不太小的混合物(右),通常长25~50mm、宽2~6mm

15年来,热塑性复合材料及成型工艺一直是Cogit Composite的战略核心。特别是针对航空应用,采用模压成型、冲压以及包覆注射成型的方式,该公司很快就认识到,可以利用其先进的技术,生产要求相同质量水平但应用领域完全不同的部件,如医疗、奢侈品或体育用品,目标不仅仅是简单地生产产品,而是要做到环保。因此,该公司决定利用生产废料来减少碳足迹,这就是研发新的电动自行车轮毂的过程。

2、技术可行性

一种特殊的设计被创建出来,以便能采用更轻的轮毂取代现有的铝制部件,同时确保终用户所要求的复杂形状成型、结构和运动功能以及高端体验。

由回收复合材料制成的轮毂主体

该团队首先应用了模压成型的设计原则,以评估技术可行性,妥善整合原有功能。与此工程同时进行的,是在法国与奥尔良大学和Plasticompo平台开展的一个联合的R&T项目,名为RTL3(2012-2015),其目标是,确定对比机械强度和加工性能的佳混合粒度。研究的参数包括颗粒大小以及它们在模压开始和结束时在模具中的分布情况。实验设计、机械表征和断层扫描检查都遵循科学的方法,以更好地了解复杂部件中的随机材料特性。

相对于准各向同性基准的拉伸特性

根据这一经验,Cogit Composites继续研究其他原材料,如碳纤/PA和碳纤/PEEK。这项研究提供了基于基体材料的更详细的加工参数和力学性能的概述。

通过寻找其他可回收的材料来源,如用于飞机机翼和机身铺放的AFP UD生产废料,还确定了一种有前景的方法。将这种废料切成10~25mm长的带材,这种废料即表现出了可通过模压成型而得到再利用的良好能力,特别是可以成型出复杂的形状。为定义机械工程的允许值,开展了一项研究,结果与商业切割的UD带相吻合。

该轮毂的主要优势是对生产废料的重新利用、对高性能材料有价值的认识以及符合绿色行动要求的短循环回收。对客户而言,科学与实践支持下的生态设计成为真正的优势。

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