消费电子产品：混合复合盖

SABIC 在最近的一项研究中证明，1 毫米厚的外壳可以满足非常薄的笔记本电脑或平板电脑的所有相关行业性能规范。来源，所有图像 |沙特基础工业公司

消费电子产品是一个充满活力的市场，产品世代之间的周期时间很短。从他们的智能手机、智能手表、平板电脑和笔记本电脑/笔记本电脑中，消费者希望以更低的成本和重量获得更快的运行速度、更持久的电池、更高的耐用性和更多功能。为了满足消费者的需求，原始设备制造商要求供应商提供具有高美学和设计自由度、出色的抗冲击性和高刚度的材料——这在这个市场上意味着质量——重量轻、壁薄。他们还需要具有成本效益、高度可重复的加工方法，以满足全球每年数千万件的生产需求。这些压力促使市场首先转向用于外壳/外壳和框架的轻质金属，现在正推动其转向金属/复合材料和全复合材料解决方案。

SABIC（荷兰卑尔根 op Zoom）进行的一项可行性研究涉及使用两种类型的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，混合热塑性复合材料设计可以成为充满挑战的消费电子市场的可行解决方案。

测试用例

自 2012 年以来，SABIC 进行了一系列投资以开发自己的单向 (UD) 纤维增强热塑性复合带（参见“演变为连续纤维增强材料”），从而扩展了公司在短纤维注射和长纤维领域的核心竞争力。纤维热塑性 (LFT) 材料，并允许 SABIC 扩展到更高性能的热塑性复合材料。 2015 年，该公司购买了胶带制造商 Fiber Reinforced Thermoplastics BV（FRT，荷兰莱利斯塔德）的多数股权，并于 2017 年与 Airborne（荷兰海牙）合作并成为其少数投资者，Airborne 是一家机械制造商和复合材料加工开发商线。

由于 SABIC 和 Airborne 设计和构建的技术能够快速、经济高效地为真正的大批量市场生产净成型、高质量的热塑性带基层压板（参见“高速、高速率热塑性复合材料制造”），该团队开始寻找测试用例。该演示器将是一个重要的营销工具，用于证明由不连续纤维增强化合物包覆成型的复合带生产的热塑性复合层压板的设计概念。测试团队为这两种材料技术开发的预测工程工具并展示荷兰发展中的高速制造过程也很重要。

“我们决定专注于消费电子应用，”SABIC 全球复合材料负责人 Gino Francato 解释说。 “这个市场非常有趣，因为人们真正有志于转向轻质材料，使我们的手机和笔记本电脑更轻更薄。由于他们生产了数以百万计的产品，我们决定接受这个市场提供的挑战。”

“我们决定从一些相当复杂但不太的东西开始 复杂，”SABIC 全球应用技术员工科学家 Scott Davis 解释说。非常薄的笔记本电脑甚至平板电脑的顶盖——该团队希望最终能转化为智能手机组件——似乎是一个很好的起点。 “我们正在使用一个简单的整体几何形状，一个矩形，它仍然必须保持高度的美感，并在其 B 侧提供很多复杂性，包括附件特征，”戴维斯继续说道。 “我们必须保持外壳非常薄，但仍要满足行业中常见的具有挑战性的挠度要求。而且，当然，我们必须通过复杂的新制造工艺提供非常一致的产品。”

由于他们没有使用实际的客户设计，并且只是为屏幕创建保护套，因此他们使用了通用几何图形。事实上，Davis 指出，当他们开始削减用于内部开发的注射工具时，他们甚至不确定他们是否会制造平板电脑或笔记本电脑外壳，因此外壳被设计为适用于两者。 “为大批量生产准备复合材料解决方案面临很多挑战，”戴维斯补充道。 “事实上，同时发生了很多事情——胶带开发、层压板开发和工艺开发——我们迫不及待地等到所有这些事情都完成后才开始我们的工具，这就是我们最终设计的方式。”完成基本设计后，团队专注于其他细节，例如浇口的最佳方式、层压嵌件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部件。

满足具有挑战性的要求

目标是开发一个 1 毫米厚的上盖，提供高刚度并通过所有性能和美学要求——尤其是中心点挠度测试 定期应用于笔记本电脑外壳，以评估损坏底层屏幕所需的负载。负载/偏转要求因 OEM、设备和型号而异，但通常在 40-120 牛顿压力下允许的偏转不超过 3-5 毫米——这种情况模拟了手指或肘部压入盖板所施加的负载，如一个人类用户站起来。在许多行业中，通过此类测试的策略是增加截面厚度，但该市场重视更薄的设计，在不增加设备尺寸或重量的情况下为更大的电池和其他组件腾出空间。因此，该团队需要使用不同的设计策略来防止屏幕损坏——即选择更硬的材料（通过层压板插入）和使用几何形状（例如，通过注塑包覆成型的肋骨）。但是，首先，他们必须指定材料。

其中一种材料，聚碳酸酯 (PC)，由于其出色的美感和高冲击强度，已广泛用于该行业的盖子和其他组件。该聚合物最大的弱点是耐化学性和表面划伤，但应用于大多数覆盖物的涂层、油漆或两者的组合通常可以克服这些潜在问题。

“由于超轻型计算机非常薄，内部的封装空间非常宝贵，因此偏转和机械性能变得非常重要，”弗兰卡托指出。 “虽然从成本的角度来看，您可能希望使用玻璃 [加固]，但我们不得不使用碳 [纤维] 来获得所需的刚度。”因此，所有评估的基于胶带的层压板都是碳纤维增强聚碳酸酯的变体——当时正在由 SABIC 子公司 FRT 开发。

SABIC 开发了预测模型来模拟层压板类型和结构（有和没有包覆成型化合物）与模制部件性能的关系，并报告说预测和实验结果之间已经实现了很强的相关性。据说预测工程工具可以加速材料开发。

包覆成型化合物需要不同的方法。最初，该策略是使用较长纤维的 LFT 化合物，但出于多种原因——包括高美学要求、零件尺寸和浇口策略——短纤维化合物更能满足项目要求。另一个问题是要使用的纤维类型。 “短碳注射化合物确实很难使用，但仍然具有很高的美感，”Francato 继续说道，“因此对于我们的包覆成型材料，我们研究了短玻璃增强等级。” SABIC 子公司 LNP Engineering Plastics, Inc.（美国宾夕法尼亚州埃克斯顿）提供许多具有良好美学和刚度的玻璃纤维/PC 等级，这些等级在设备 OEM 中很受欢迎，因此团队专注于这些。

虽然完全无定形 PC 比半结晶聚合物更不容易翘曲，但该团队仍然担心高度增强和各向异性 UD 碳纤维带与更低纤维负载下更具各向同性、不连续的短玻璃纤维包覆成型等级之间的 CLTE 差异。 “在如此薄的墙壁中，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，”戴维斯解释道。 “而且这甚至没有涉及您在注塑成型时关心的所有正常问题，例如浇口位置、填充图案、保压压力和接合线。所有这些因素都通过物理测试进行了模拟和验证。”

选择材料后，SABIC 工程师进行多次模具填充、结构分析和翘曲模拟迭代，以评估层压板叠层、几何形状和材料组合，以优化载荷/挠度测试的刚度，以及其他性能和成本要求。该公司表示，它已开发出全面而准确的复合材料建模工具（可供客户使用并在通用结构和加工代码中运行），可以快速建模和模拟层压结构、包覆成型化合物成分以及各种加工和加工选项与成型零件性能的对比。据说这些工具在预测和测量性能之间实现了很强的相关性，是加速定制材料开发的理想选择。

准备好迎接黄金时段

最终笔记本电脑/平板电脑外壳的正面，使用碳纤维增强聚碳酸酯带基层压板插入物与短玻璃/聚碳酸酯共聚物复合材料包覆成型，该组合满足所有相关机械和美学要求，1-毫米厚的部分。

最终的演示器具有由七层开发中的 UDMAX 碳纤维/PC 带（55% 纤维体积分数）制成的层压插件，然后固结、修剪、预成型并再次修剪成最终的净形状，然后用 40% 的纤维进行注塑包覆成型-重量分数 THERMOCOMP D452 短玻璃纤维/PC 共聚物（一种针对高流动性和高美观性进行优化的等级，已广泛用于该领域）。这种组合以低质量和截面厚度生产出具有高刚度和强度的覆盖层，同时包括许多 3D 设计细节、连接特征和良好的美感，从而充分利用每种材料的优点。据报道，该保护套通过了所有必要的行业测试，目前正在接受设备 OEM 的评估。

完成的封面背面。

Airborne 和 SABIC 之间的合作也为 SABIC 的消费电子市场目标带来了成果。该合作伙伴关系于 2018 年宣布，今年提供了有关两家公司称之为数字复合材料生产线的更多细节，该生产线可以每分钟使用热塑性复合材料带生产四个网状固结层压板插件，或每年生产 150 万块层压板。一条生产线。据说该系统灵活（在铺设架构和材料方面）且速度快。从 2020 年开始，Airborne 将使用该生产线制造用于消费电子产品的商业用途的层压板，成为两家公司希望大大提高热塑性复合材料在这个竞争激烈且快节奏的细分市场中渗透率的资源。