汽車復合材料預成型走向工業(yè)化：每分鐘4個部件及多功能的絲束

發(fā)布日期：2018-09-18信息來源：CompositesPlus瀏覽次數(shù)：4556

      在降低復合材料部件的生產(chǎn)成本、縮短生產(chǎn)節(jié)拍的競爭中，自動化技術(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材料的預成型生產(chǎn)步驟，似乎依然是一個生產(chǎn)瓶頸：這是一個復雜、步驟較多且通常為人工操作的加工過程。最近3年來，能夠?qū)崿F(xiàn)自動化預成型的新興技術(shù)已越來越多，得益于機器人技術(shù)與自動化的帶鋪放(ATL)或自動化的纖維鋪放(AFP)技術(shù)的結(jié)合，這些技術(shù)最終走向成熟，并實現(xiàn)了商業(yè)化應(yīng)用
      雖然Compositence公司(德國Leonberg)已開發(fā)了一種基于AFP的方法用于生產(chǎn)近凈形狀的預成型件，但該公司還超越于此，與寶馬合作開發(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。
      該公司的預成型系統(tǒng)主要包括以下元素：一個卷軸架;2D(臺架)或3D (機器人)的操作系統(tǒng)，配有可快速更換的AFP頭;一個安裝在直線導軌上的轉(zhuǎn)臺。準備于2017年之后投入生產(chǎn)的最新系統(tǒng)，將在1 min.內(nèi)同時鋪放4個預成型件(比如1.25m×0.75mm)。兩個系統(tǒng)可以處理碳纖維預浸絲(towpreg)、干纖維和熱塑性帶材。
      Compositence公司開發(fā)的預成型系統(tǒng)能夠采用可快速更換的AFP頭，加工碳纖維預浸絲(towpreg)、干纖維和熱塑性帶材，從而能夠在1min.內(nèi)同時生產(chǎn)出4個凈形狀的預成型件。
      Compositence公司的銷售負責人Thomas Dobiasch說，基于這項工藝的航空起源，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，這是因為鋪放窄材料的時間過長。“對我們而言，預成型件的鋪層速度必須控制在與成型機同樣的節(jié)拍時間內(nèi)，而注塑成型的時間是1min.。” 但他警告說：“對于某些類型的部件而言，寬帶可能會帶來更多的浪費，因此，你必須為所制造的部件量身訂制工藝。”
      Compositence公司為追求速度而針對AFP工藝所開發(fā)的邊緣固定技術(shù)已獲得了專利。“我們只在鋪層開始和結(jié)束時固定纖維。”Dobiasch解釋說，AFP 頭輕輕抬起即可自由移動。加速跨過中間層，會加快生產(chǎn)速度。然而，這種邊緣固定技術(shù)不能與碳纖維預浸絲(towpreg)一起使用，因為它需要連續(xù)壓實以避免空氣滯留在疊層中。
      提高預成型生產(chǎn)效率的另一個關(guān)鍵因素是懸垂性。“我們的懸垂性能必須與無卷曲織物(NCF)一樣或者更好。”Dobiasch表示。自2010年以來，Compositence公司一直與寶馬和西格里集團合作，開展AFP預成型的研究。“與他們一起，我們開發(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。”他解釋道。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，同時還有助于樹脂垂直流動以浸透纖維。下一步的關(guān)鍵是樹脂的澆注或灌注。
      通過與寶馬和西格里合作，Compositence公司開發(fā)了用于縫編的干纖維多功能絲束，并以250 kg/h的速度實現(xiàn)了預成型件的示范生產(chǎn)，每年可以生產(chǎn)出350萬個部件。它以同樣或更好的懸垂性而優(yōu)于無卷曲織物，便于樹脂在后續(xù)成型中的流動，而廢料減少了25%。
      “這些纖維在層到層之間的移動不會受到阻礙，因為它們是在縫編的織物之中。” Dobiasch解釋說，“所以懸垂性非常好，其懸垂性被寶馬確認為與無卷曲織物一樣或更好。它們還證明了對樹脂流動帶來的改善。”他承認，與碳纖維預浸絲(towpreg)相比，生產(chǎn)這種材料需要花費的時間和成本更多，“但這能更好地賦予材料一些功能，從而通過減少廢料的加工而獲得回報，并在濕法模壓成型和RTM加工中實現(xiàn)更短的循環(huán)周期。”
      Dobiasch聲稱，與織物切割帶來的浪費相比，基于AFP的凈成形能力，使得廢料比NCF 減少了25%。他補充說：“我們還與寶馬一起，證明了我們能夠在一臺生產(chǎn)效率250 kg/h的設(shè)備上，每年生產(chǎn)出350萬個預成型件。”