复合材料和轻量化 CNC 加工零件的秘诀

轻量化是出于环境和/或经济原因而减轻零件重量的过程。工程师在设计级别通过去除不必要的材料来实现轻量化零件，方法是取出零件、在设计中采用晶格或利用拓扑优化。另一种有效的轻量化方法是用较轻的材料替换较重的材料，以满足关键的机械要求。更轻的零件更环保、更经济、更省油，而且它们通常为产品团队提供更多材料选择。

轻量化是汽车、航空航天和建筑行业中非常流行的技术。汽车行业中轻量化的常见应用——其最突出的用例之一——包括发动机缸体、底盘和各种其他部件。如果产品团队不是通过格子等设计元素来追求轻量化，而是通过结合更轻的材料，那么他们采用不牺牲强度或耐用性的材料很重要——复合材料通常符合要求。

什么是复合材料？

复合材料是两种或多种材料的异质混合物，旨在实现特定性能。复合材料的最终性能最终取决于其组成，但一般来说，复合材料本身比任何一种基材都更坚固。

复合材料是轻量化的理想选择，因为按重量计算，它们比市场上大多数高性能均质材料更坚固。复合材料最常见的结构由通过粘合基质结合在一起的纤维组成。这些组件协同工作以结合每个组件的最强方面。复合材料中的增强纤维承载负载，而周围的基质（通常由聚合物组成）确保纤维保持其相对位置。因此，在某些情况下，复合材料的强度可以达到钢的 10 倍，铝的 8 倍，但仍然非常轻。使用轻质复合材料制造的 CNC 加工零件更省油，更易于运输或安装。

除了高强度、耐用性和重量轻之外，复合材料还倾向于提供更高的设计灵活性。它们可以轻松成型以适应复杂的几何形状，使其成为 CNC 加工的理想选择。而且由于复合材料有很多材料组合可供选择，设计师可以找到适合他们独特要求的量身定制的 CNC 复合材料。

常见的复合建筑材料

最适用于轻量化的两类复合材料是聚合物基复合材料 (PMC) 和金属基复合材料 (MMC)。 PMC，也称为纤维增强聚合物，是最常见的，使用聚合物基树脂作为基体，碳纤维或玻璃纤维作为增强材料。 MMC在汽车行业中很受欢迎，用于轻量化，并使用铝等金属作为基体，碳化硅作为纤维增强材料。

轻质复合材料可以由许多不同的材料组合制成，因此工程师在材料选择方面有很多工作要做。以下是用于轻量化 CNC 加工零件的三种常见复合建筑材料。

1。碳

碳纤维有两个主要品种——聚丙烯腈基 (PAN) 碳和沥青衍生碳。当今市场上 90% 的碳纤维是聚丙烯腈基纤维，这些纤维具有高刚度和模量值，以及令人印象深刻的强度重量比值。碳非常适合轻量化，因为它是一种低密度复合材料，具有很高的减重潜力——事实上，它比钢轻 50%。

CNC 加工的碳纤维复合材料的常见应用包括航空航天和汽车行业中的框架、底盘和其他部件。不幸的是，成本是碳的最大限制。根据《国际工程与技术研究杂志》的数据，它比钢铁贵 570%，这对许多产品团队来说过于昂贵。此外，碳纤维的抗冲击性较低，工程师应牢记这一点，以实现汽车行业的轻量化。

2。玻璃

玻璃复合填充材料有五种不同的商业成分——E 玻璃、C 玻璃、S 玻璃、R 玻璃和 T 玻璃。 E-玻璃是聚合物基体中用于轻量化的最常见的玻璃纤维，具有出色的机械性能、高电绝缘性和低湿度敏感性。 C-玻璃纤维最适合零件需要耐化学性的应用，但S-玻璃具有更高的强度、耐热性和模量。

玻璃填料仍可用作轻量化的复合材料，但工程师应该知道，玻璃纤维增​​强部件将比碳纤维增强部件重，并且在需要高刚度的应用中需要特殊的设计调整。产品团队和设计师应该在设计阶段牢记这些因素。尽管有这些限制，许多产品还是使用玻璃纤维，因为它们比碳纤维更具成本效益。

3。铝

铝基金属基复合材料在汽车行业的轻量化方面非常受欢迎。一般来说，铝合金在常用金属中具有最高的强度重量比，具有出色的导电性，并且具有高度的耐腐蚀性。此外，铝复合材料的重量约为钢的三分之一。

当 MMC 中包含铝时，复合材料可以具有比未增强的铝更高的模量、更低的热膨胀系数和更高的硬度。汽车行业的常见应用包括车架、电线、车轮、发动机零件等。不幸的是，使用铝会增加制造成本。

CNC 复合材料入门

对于希望在不增加额外体积的情况下加工坚固、灵活和耐损坏的零件的工程师来说，复合材料是轻量化的完美选择。聚合物基体和金属基复合材料代表了两大类复合材料，任何属于其中一类的复合材料都可以由许多不同的材料组合组成。因此，产品团队很难确保为他们的项目选择正确的复合材料。

像 Fast Radius 这样经验丰富的制造合作伙伴可以帮助产品团队掌握材料选择过程。我们的专业设计师、工程师、机械师和技术人员团队在带领团队完成整个产品开发过程方面拥有数十年的经验，因此我们知道卓越的零件始于正确的材料。立即联系我们 - 我们随时为您提供帮助。

有关如何充分利用 CNC 加工的更多提示，请查看 Fast Radius 资源中心中的相关博客文章。

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