汽車復(fù)合材料預(yù)成型走向工業(yè)化：每分鐘4個(gè)部件及多功能的絲束

發(fā)布日期：2018-09-18信息來(lái)源：CompositesPlus瀏覽次數(shù)：6606

      在降低復(fù)合材料部件的生產(chǎn)成本、縮短生產(chǎn)節(jié)拍的競(jìng)爭(zhēng)中，自動(dòng)化技術(shù)已成功地將裁切、成型和加工轉(zhuǎn)變成更適合工業(yè)化生產(chǎn)的工藝流程。
      然而，就在不久前，為成型三維部件而制備增強(qiáng)材料的預(yù)成型生產(chǎn)步驟，似乎依然是一個(gè)生產(chǎn)瓶頸：這是一個(gè)復(fù)雜、步驟較多且通常為人工操作的加工過(guò)程。最近3年來(lái)，能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)化預(yù)成型的新興技術(shù)已越來(lái)越多，得益于機(jī)器人技術(shù)與自動(dòng)化的帶鋪放(ATL)或自動(dòng)化的纖維鋪放(AFP)技術(shù)的結(jié)合，這些技術(shù)最終走向成熟，并實(shí)現(xiàn)了商業(yè)化應(yīng)用
      雖然Compositence公司(德國(guó)Leonberg)已開(kāi)發(fā)了一種基于AFP的方法用于生產(chǎn)近凈形狀的預(yù)成型件，但該公司還超越于此，與寶馬合作開(kāi)發(fā)了其稱之為 “multifunctional tow(多功能絲束)”的產(chǎn)品，它顯著提升了懸垂性和材料產(chǎn)出。
      該公司的預(yù)成型系統(tǒng)主要包括以下元素：一個(gè)卷軸架;2D(臺(tái)架)或3D (機(jī)器人)的操作系統(tǒng)，配有可快速更換的AFP頭;一個(gè)安裝在直線導(dǎo)軌上的轉(zhuǎn)臺(tái)。準(zhǔn)備于2017年之后投入生產(chǎn)的最新系統(tǒng)，將在1 min.內(nèi)同時(shí)鋪放4個(gè)預(yù)成型件(比如1.25m×0.75mm)。兩個(gè)系統(tǒng)可以處理碳纖維預(yù)浸絲(towpreg)、干纖維和熱塑性帶材。
      Compositence公司開(kāi)發(fā)的預(yù)成型系統(tǒng)能夠采用可快速更換的AFP頭，加工碳纖維預(yù)浸絲(towpreg)、干纖維和熱塑性帶材，從而能夠在1min.內(nèi)同時(shí)生產(chǎn)出4個(gè)凈形狀的預(yù)成型件。
      Compositence公司的銷售負(fù)責(zé)人Thomas Dobiasch說(shuō)，基于這項(xiàng)工藝的航空起源，傳統(tǒng)的AFP通常使用6.35～12.7mm寬的帶材。為開(kāi)發(fā)汽車部件， Compositence的系統(tǒng)采用了纖維面重150～600g/m2、寬度≥12mm的帶材。據(jù)Dobiasch介紹，這是因?yàn)殇伔耪牧系臅r(shí)間過(guò)長(zhǎng)?！皩?duì)我們而言，預(yù)成型件的鋪層速度必須控制在與成型機(jī)同樣的節(jié)拍時(shí)間內(nèi)，而注塑成型的時(shí)間是1min.?！?但他警告說(shuō)：“對(duì)于某些類型的部件而言，寬帶可能會(huì)帶來(lái)更多的浪費(fèi)，因此，你必須為所制造的部件量身訂制工藝?！?br />       Compositence公司為追求速度而針對(duì)AFP工藝所開(kāi)發(fā)的邊緣固定技術(shù)已獲得了專利?！拔覀冎辉阡亴娱_(kāi)始和結(jié)束時(shí)固定纖維?！盌obiasch解釋說(shuō)，AFP 頭輕輕抬起即可自由移動(dòng)。加速跨過(guò)中間層，會(huì)加快生產(chǎn)速度。然而，這種邊緣固定技術(shù)不能與碳纖維預(yù)浸絲(towpreg)一起使用，因?yàn)樗枰B續(xù)壓實(shí)以避免空氣滯留在疊層中。
      提高預(yù)成型生產(chǎn)效率的另一個(gè)關(guān)鍵因素是懸垂性?！拔覀兊膽掖剐阅鼙仨毰c無(wú)卷曲織物(NCF)一樣或者更好?！盌obiasch表示。自2010年以來(lái)，Compositence公司一直與寶馬和西格里集團(tuán)合作，開(kāi)展AFP預(yù)成型的研究?！芭c他們一起，我們開(kāi)發(fā)了我們稱之為的‘multifunctional tow(多功能絲束)’，在此，采用一種紡織工藝可將多根粗紗固定在一起?！彼忉尩?。這種將絲束捆綁在一起的縫編可確保精確的寬度——干纖維通常為46mm，同時(shí)還有助于樹(shù)脂垂直流動(dòng)以浸透纖維。下一步的關(guān)鍵是樹(shù)脂的澆注或灌注。
      通過(guò)與寶馬和西格里合作，Compositence公司開(kāi)發(fā)了用于縫編的干纖維多功能絲束，并以250 kg/h的速度實(shí)現(xiàn)了預(yù)成型件的示范生產(chǎn)，每年可以生產(chǎn)出350萬(wàn)個(gè)部件。它以同樣或更好的懸垂性而優(yōu)于無(wú)卷曲織物，便于樹(shù)脂在后續(xù)成型中的流動(dòng)，而廢料減少了25%。
      “這些纖維在層到層之間的移動(dòng)不會(huì)受到阻礙，因?yàn)樗鼈兪窃诳p編的織物之中?！?Dobiasch解釋說(shuō)，“所以懸垂性非常好，其懸垂性被寶馬確認(rèn)為與無(wú)卷曲織物一樣或更好。它們還證明了對(duì)樹(shù)脂流動(dòng)帶來(lái)的改善?！彼姓J(rèn)，與碳纖維預(yù)浸絲(towpreg)相比，生產(chǎn)這種材料需要花費(fèi)的時(shí)間和成本更多，“但這能更好地賦予材料一些功能，從而通過(guò)減少?gòu)U料的加工而獲得回報(bào)，并在濕法模壓成型和RTM加工中實(shí)現(xiàn)更短的循環(huán)周期?！?br />       Dobiasch聲稱，與織物切割帶來(lái)的浪費(fèi)相比，基于AFP的凈成形能力，使得廢料比NCF 減少了25%。他補(bǔ)充說(shuō)：“我們還與寶馬一起，證明了我們能夠在一臺(tái)生產(chǎn)效率250 kg/h的設(shè)備上，每年生產(chǎn)出350萬(wàn)個(gè)預(yù)成型件?！?/p>