熱 塑 復 材 手 機 殼
CarbonMobile公司的“一體式”
初創公司CarbonMobileGmbH去年推出的一款新智能手機采用了業界最輕、最薄的設計，這要歸功于CFRTP 復合材料外殼，與傳統設計相比，它可以更好地保護電子產品，同時使設備更容易維修和回收。其他值得注意的創新包括克服碳纖維阻擋射頻（RF）信 號的趨勢，同時實現各向同性接地和靜電放電（ESD）解決方案，以及設計該設備以減少對環境的影響。 當你第一次拿著CarbonMobileGmbH（德國柏 林）的CarbonIMKII（MarkTwo）智能手機時，有三件事是顯而易見的：它非常輕（125 克，而普通智 能手機為182克），非常薄（6.3毫米，而普通手機為8.3 毫米），背面采用可見編織碳纖維增強復合材料。為什么一位計算機工程師出身的企業家會在手機上部署創新的新型復合材料技術？ CarbonMobile創始人兼首席執行官FirasKhalifeh回憶道：“我們想要一些有形的東西，只要你把它握在手中，你就能真正看到和感受到不同。”。“此外，從技術角度來看，制造智能手機是有史以來最復雜的消費品之一。它具有高密度的組件和傳感器，設計公差非常嚴格，必須盡可能可靠，能夠在各種條件下承受數小時的日常使用，還能持續數年。我們想，如果我們能制造出一款改變游戲規則的智能手機，我們幾乎可以做任何其他事情——無論是平板電腦、AR（增強 現實）、VR（虛擬現實）、手表還是耳機。” CarbonMobile公司開始設計一款改變游戲規則的智能手機，它與市場上的任何東西都完全不同，包括使用碳纖維增強復合材料，并從一級方程式賽車和航天工業中尋求設計靈感。 CarbonMobile公司的成就不僅僅在于推出了一款風格巧妙的碳纖維增強熱塑性復合材料料（CFRTP）機身智能手機，該手機配備了安卓操作系統，為輕薄度設定了新標準。有了這款手機，該公司實現了幾個里程碑：它解決了碳纖維阻擋射頻信號的長期問題；它還開發了各向同性接地和靜電放電（ESD- electrostatic discharge）解決方案；此外，該公司還開創了使智能手 機更環保、更友好的方法。高性能應用的高性能材料 Khalifeh 在軟件初創公司工作時，對硬件、藝術、媒體和軟件的交叉點著迷。當時，他正在制作原型，建立虛擬購物中心，開發智能冰箱等消費品，并衡量消費者的反應。然而，他渴望做的是制造一款改變游戲規則的智能手機，這與市場上的任何東西都完全不同。他說他的設計靈感來自一級方程式賽車和航天工業；他的目標是用高性能材料（HPM- high-performancematerials）生產高性能應用（HPA- high-performanceapplication），對他來說，這意味著使用碳纖維增強復合材 料。他的團隊沒有從現有的智能手機開始并為其制造復合材料手機殼，而是回到了他們的白板上，進行“第一原則思考，重新思考智能手機殼是如何設計和制造的，然后相互挑戰‘打破規則’。”
Khalifeh解釋道：“在過去的八年里，智能手機已經成為商品，所以它們的設計真的停滯不前——它們甚至不再被小型化了。”。“因此，他們看起來都很相似，使用相同的材料，操作相同。更重要的是，他們制造了一個巨大的電子垃圾問題。我們想也許我們可以對此做點什么。” 最初的計劃是用環氧樹脂/碳纖維預浸料制造手機的殼體，但在開發后期改為在單獨的步驟中用短玻璃纖維/PA6反向注入碳纖維/TPU有機薄片。工藝和材料的變化是一個重大決策，有助于提高質量控制、產量、成本和可擴展性。 手機殼設計 CFRTP 的強度和剛度與巧妙的設計相結合，該設計將所有功能部件封裝在位于智能手機殼背面的殼體上，并通過將化學強化玻璃屏幕直接粘合在封閉正面。這使該公司能夠消除此類設備典型的內部金屬框 架和外部塑料蓋，減少了質量、包裝空間和最終產品 中使用的材料，更不用說消費者經常添加的額外保護套了。同樣的架構也使拆解和回收報廢（EOL- end-of-life）手機及其組件變得更加容易。CFRTP 不僅提供了外部美觀性，形成了設備的保護性結構外殼，而且起到了各向同性接地板的作用，并耗散了熱量——這是設備正常功能的關鍵特性。 CarbonMobile營銷總監JamieClews指出：“在不到五年的時間里，我們用不到200萬美元的投資，建造了一些被認為是不可能的東西。”。 后期變化毫不奇怪，考慮到它的創新，這款手機設計殼的 一個關鍵方面是找到合適的材料和工藝來生產。起 初，該公司使用環氧樹脂/碳纖維預浸料。早期的挑戰是在他們考慮的材料上找到必要的電學和無線電頻率(RF-radiofrequency)數據，這導致了CarbonMobile團隊的額外測試。然而，他們面臨的最大挑戰是在2020年初推出第一款產品。 “在我們接近商業化的關鍵時刻，熱固性復合材料幾乎殺死了我們的公司，”Khalifeh 做了個鬼臉補充道。“當時正值疫情初期，所有的封鎖和后續供應鏈問 題都存在。我們就是無法獲得材料。雖然我們知道最 終我們的基材將從熱固性塑料轉移到熱塑性塑料，但疫情給了我們重新思考選擇的時間。” 當時，該團隊開始尋找汽車級CFRTP材料供應商，并找到了LanxessAG（德國科隆）的途徑。很快，Lanxess’Tepex 連續纖維增強熱塑性聚氨酯（TPU- ThermoplasticPolyurethane）有機片材（采用3K/3K/1K斜紋織物碳纖維織物層）被指定用于殼體的背面。這是壓縮成型的，然后用短纖維/聚酰胺6（PA6）復合材料單獨反向注射成型，該材料形成了玻璃面粘合的側面，并為封裝天線增加了額外的幾何形狀，這些天線是CarbonMobile實現輻射透明方法的一部分。額外的金屬硬件被模制進來以便于組裝。
事實證明，使用一個模具來生產幾何上簡單的背板和幾何上復雜的側板要比建造兩個單獨 備上保持6.3毫米的一致厚度，該團隊無法將 背板與側板進行二次成型，因為這會產生超出其厚度目標的突出部分，并使安裝玻璃面更加困難。這導致決定預成型有機片材坯料，然后使用短玻璃/PA6反向注射幾何形狀。對于下一代手機，CarbonMobile公司正在努力通過混合成型工藝實現更薄的橫截面，這也將更快。
“我們很快就喜歡上了熱塑性塑復合材料的易加工性和回收潛力，”Khalifeh 繼續說道。“我們還意識到，這些材料不僅具有更高的沖擊強度，可以更好地保護我們的手機，而且還使我們更容易控制質量，保持高水平的工藝，同時避免了我們在熱固性材料上看到的不一致。”他補充道，用最初指定的熱固性材料/工藝組合制作每個外殼需要三個小時。CarbonMobile公司當前的熱塑性塑料循環時間為三分鐘；該公司的目標是通過提高自動化和混合（壓縮/注射）成型工藝實現一分鐘的循環，而不是目前的兩步/兩機工藝。Clews 預測：“隨著公司的發展，我們早期的成型技術無法擴展，但有了我們開發的新技術，我們將能夠以更低的成本更快地生產殼體。”。成型在東南亞進行，但組裝在德國進行。 輻射透過率（Radiolucency） 從技術角度來看，Carbon 手機殼最具創新性的方面可能是該公司找到了一種使用碳復合材料外殼的方 法，這種外殼不會阻擋射頻信號，但可以提供電接地和靜電耗散。他們將這項專利技術稱為“HyRECM-混合無線電復合材料技術”。 HyRECM-hybridradio-enabledcompositematerial 首先，天線是使用多激光直接結構化（LDS- laserdirect structuring）模塊創建的，這些模塊封裝在手機的頂部 和底部，反向注入玻纖/PA6 復合材料，該復合材料本身是可輻射的。第二，該殼體的主體利用選擇性地打印在碳復合材料外殼的內表面上的導電油墨。這種導電油墨將碳纖維的各向異性導電性（僅在纖維的方向上）改變為各向同性導電性（在所有三個軸上），據說這具有將電路板、天線、碳復合材料體甚至金屬硬件連接成單個各向同性接地板和靜電放電（ESD- electrostatic discharge）解決方案的效果。
carbonMobile的一項主要成就是找到一種能夠使用碳復合材料外殼的方法，這種外殼既阻擋射頻信號，又能提供接地和靜電耗散。該公司將這項專利技術稱為HyRECM，代表“混合無線電復合材料技術” Khalifeh 沉思道：“許多人試圖解決碳纖維的信號阻斷特性，但都失敗了，但他們做得還不夠。”。“這是我們著手解決的第一個技術障礙之一，因為我們知道這對實現我們的其余目標至關重要。經過四年的研究，我們完成了不可能的任務，并找到了一種大規模在‘無線電能’復合材料中使用碳纖維的方法。這為下一代超薄、輕量化和可持續發展提供了一個令人難以置信的新機會連接的設備。” 更環保、更清潔、為OEM做好準備 CarbonMobile公司非常重視將環境影響降至最低，并參與循環經濟。手機包裝是紙板，便于回收， 與 Cloverly（美國佐治亞州亞特蘭大）的合作種植樹木 以抵消運輸過程中的碳排放，與 Cleanhub（德國柏林）的合作通過去除500克海洋塑料來抵消每部手機中使用的聚合物。通過“碳下一次回收計劃”，客戶在2022年歸還設備并升級到新型號也可以獲得400歐元的折扣，作為氣候行動領導人的成員，Carbon Mobile公司承諾到2025年使其制造業達到碳中和的。為了減少電子垃圾，退回的手機被拆解，功能部件被重復使用，CFRTP 機身被回收。除了消費者接觸點，該團隊專注于幫助提高整個電子行業的可持續性。 “我們的最終目標是在更廣泛的背景下實現可持續性，”Khalifeh 解釋道。“通過使用復合材料來降低材料使用量，并使報廢手機更容易拆卸以回收部件，我們可以幫助減少每年產生的59公噸電子垃圾。再加上在回收過程中回收的壽命更長、價值更高的材料的手機，我們的聯網設備的具體能源更少，碳足跡更低。” 2022年，CarbonMobile公司的一個主要重點將是回應希望許可HyRECM技術的其他設備和電動汽車制造商。Khalifeh 認為這是實現其更大抱負的催化劑：“我們無法獨自改變科技行業，”他說。“無論是與其他制造商合作開發智能手機，還是創新可穿戴技術，我 們的HyRECM技術都有無限的機會推動未來的小型化 和可持續技術。” 該公司還計劃推出MKIII（MarkThree）型號，該型號將采用生物基聚合物——聚乳酸（PLA）和聚酰胺 11（PA11）正在考慮中——以及反向注射化合物中的回收碳纖維。該團隊還在探索在基體中使用石墨烯來提高Z軸散熱值。 CarbonMobile公司已經擁有全球客戶群，去年獲得了兩項著名獎項，包括紅點設計獎和JEC復合材料連接創新獎。團隊在投產一年后最引以為豪的是什么？Khalifeh 預測：“我們解決了許多沒有人認為可能的技術問題，盡管新冠肺炎疫情延誤、供應鏈短缺、預算適中、材料和工藝變化較晚以及數十項其他挑戰，但我們將高質量的德國工程與尖端材料創新相結合，這將開啟移動通信的未來。”。 Clews總結道：“當你將其與業界最輕、最薄、最漂亮的手機相結合，再加上精明的消費者真誠地尋找能最大限度地減少對地球影響的解決方案時，我們就有了一個成功的價值主張。”。 ------完------
注：原文見，《CFRTPenablesbetter,greenersmartphones》2022.3.24
楊超凡2023.6.10 |
