複合材料擊敗金屬的三種應用

作者：馬修·布盧伊斯

幾十年來，各種類型的金屬一直是大多數行業的必備材料。在許多應用中，塑膠正在迅速取代金屬，只有由於性能限制而無法轉化為塑膠的塑膠通常仍然是金屬。有一個材料類別結合了金屬的強度和塑膠的優點。該類別是複合材料，我們將探索三個特定領域：航空航太，以及其他行業的兩種應用，其中熱塑性複合材料正在高性能應用中取代金屬。

  1. 熱塑性複合材料，用於替代移動平臺上的複雜形狀金屬。
  2. 用於提高工業加工設備效率的熱塑性複合材料。
  3. 用於手術器械的熱塑性複合材料，在骨科手術中提供射線可透性。

為移動性而減輕複雜形狀金屬替代品的重量

一些處於最前沿的移動平臺包括商用飛機、城市空中交通（UAM）、無人機和移動機器人（如四足機器人）。這些平臺受益於減輕重量、複雜形狀的可擴展製造、減輕腐蝕和零件固結。這些優勢可以通過高性能複合材料與批量生產部件的知識和經驗相結合來實現。

大多數生產化的金屬部件製造都需要減材方法，這些方法會產生CNC操作中的材料浪費。加工需要材料和時間/精力的成本。更不用說數控機床的資本成本了。複合材料部件僅使用成型最終零件所需的材料，並且使用凈成型技術，材料浪費很少，後處理最少。對於金屬元件，通常需要具有多個與硬體和機加工特徵連接的元件。這些可以在凈模組中消除，其中零件整合可以帶來更快的裝配時間、更小的 BOM 和更簡單的設計以及更少的故障點。

利用我們的Xycomp® DLF®材料和製造能力，瞭解Greene Tweed的複雜形狀金屬替代能力。我們可以提供熱塑性碳纖維增強網/近凈壓縮成型部件，這些部件具有更高的注塑成型性能，並且具有與金屬現有物相同的應用性能。所有這一切都是在能夠擴大製造規模的同時完成的，Greene tweed 成為協作非金屬解決方案開發（包括設計、FEA、測試、評估和並行工程）的全方位服務合作夥伴，以及我們在整個過程中使用製造自動化。

提高離心泵的效率和可靠性

在離心泵中，耐磨材料用作旋轉部件和固定部件之間的緩衝器。從歷史上看，這些元件本質上是金屬的。自2003年以來，API標準610已將非金屬材料視為適合此類應用的耐磨材料。複合材料耐磨部件的安裝動態間隙比金屬部件小。較小的動態間隙具有兩個明顯的優勢。

為什麼這些優勢很重要？離心泵設計為在最佳條件下運行，包括設備內固定和旋轉元件之間的流體膜。但是，確實會發生意外事故，導致潤滑水準低。這些事件可能導致過度磨損、泵軸損壞、關鍵部件磨損，甚至軸和金屬磨損部件的焊接完全卡住泵。這些結果中的任何一個都可能減緩甚至停止生產。

Greene 花呢耐磨複合材料具有出色的摩擦和耐磨性能，可在此類事件中存活，在極端情況下，通過作為犧牲部件來降低泵硬體損壞的風險。旋轉和固定部件之間的適當動態間隙是離心泵部件性能和壽命的關鍵因素。無論是選擇干運行、耐磨還是抗侵蝕的材料，Greene Tweed 都能為您的應用提供經過驗證的解決方案組合。

用於骨科手術的射線可透手術器械：

每年有超過280萬人因受傷住院[1]，事故（意外傷害）是2020年美國繼心臟病、癌症和COVID-19之後的第四大死因[2]。事故可能導致骨折，這被歸類為骨科創傷（以及其他骨折、撕裂、骨折等）。在修復大骨頭（如股骨或骨盆）時，外科醫生將使用用於固定和固定骨骼的釘子和螺釘的指南。在這些手術中，外科醫生需要進行術間X射線檢查（稱為透視）。CDC將透視定義為「一種醫療程式，通過在一段時間內將X射線穿過身體來製作身體部位內部運動的實時視頻」。[3]。

當涉及到導軌（可能包括切割導軌、鑽頭導軌、指甲導軌）、捲收器、批評器、鑷子和其他儀器時，當儀器由金屬製成時，螢光透視存在挑戰。特別是對於創傷手術期間經常出現在視野中的器械。這些器械在透視檢查期間阻擋了外科醫生創傷部位的視野。這可能導致額外的透視檢查以及設備和/或患者的移動，從而導致更長的手術時間。

如果儀器由X射線和透視通過的材料製成，則儀器不會完全阻擋視線。這種材料特性稱為射線可透性，對於某些儀器來說，它至關重要。如果手術導板是射線可透的，並且在透視過程中不需要移動，這有助於減少在手術室花費的總時間。

使用射線可透材料設計儀器可能很困難。像鋁這樣的金屬不能承受施加在這些導軌上的力。典型的注塑成型塑膠材料不能通過高壓滅菌器（手術器械最典型的滅菌）進行蒸汽滅菌。在蒸汽滅菌中具有較長使用壽命的機加工不鏽鋼儀器的唯一替代材料是碳纖維增強PEEK複合材料，如Greene Tweeds Orthtek®材料。Greene 花呢可以提供這種材料，厚度可達 2.5 英寸。較厚的材料使儀器設計和製造具有更大的靈活性。Greene Tweed還能夠製造半成品部件和包含金屬硬體的最終儀器。

參考：

[1] CDC 傷害中心，非致命傷害數據，按處置劃分的非致命傷害分佈，估計數量，2020 - https://wisqars.cdc.gov/data/lcd/home

[2] CDC 傷害中心，非致命傷害數據，10 大死因，美國，估計數位，2020 - https://wisqars.cdc.gov/data/lcd/home

[3] CDC，醫療保健輻射，透視 - https://www.cdc.gov/nceh/radiation/fluoroscopy.html

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