從熱塑性到熱固性的合作夥伴，為什麼是光子學？

2020-07-08 PT現代塑料

一種行業領先的集成成型單元，

僅用2分鐘的循環時間，

即在一個生產單元中

實現了無需粘合劑的混合複合材料部件的功能化生產。

熱塑性帶材的自動化預成型及後續的混合成型——熱成型以及將加強肋、夾子和凸臺等二次注射成型到部件表面上，被譽為是「複合材料製造在諸如汽車等大批量應用中的未來」。

但是，如果能夠將熱塑性塑料的韌性和注塑成型特徵的功能性與碳纖維增強環氧部件的高性能結合起來呢？

這就是為期3年、於2018年結束的OPTO-Light項目所回答的問題。

該項目作為德國聯邦教育和研究部（簡稱「BMBF」）為大批量生產的輕量化結構而開發光子學（雷射等基於光的技術）戰略的一部分，得到了BMBF的資助。

該項目被授予亞琛工業大學亞琛綜合輕量化結構中心（簡稱「AZL」），該中心為與8家研究機構合作的公司提供單一園區，來開發輕量化的材料、生產技術和應用。

OPTO-Light項目的明顯成就是將高剛性、輕量化和環氧基碳纖維增強塑料（CFRP）的低蠕變性與高設計自由度及熱塑性塑料二次成型的短循環時間等優勢集於一體，但這只是該項目實現的眾多潛在的複合材料行業顛覆性創新之一。

其創新還包括：

◆ 為將熱塑性塑料連接到三維熱固性表面而開發雷射預處理技術；

◆ 將反應聚合物加工、雷射加工和二次成型這三大技術集成到一個循環時間快速的單一生產單元中；

◆ 水平預浸料模壓成型（簡稱「HPCM」）：將材料垂直粘貼在標準注塑機中進行加工；

◆ 開發滿足預浸料模壓成型和熱塑性塑料二次成型所有要求的單一旋轉模具；

◆ 開發用於雷射預處理臨界對準的光學部件參照方法，以及沿自由三維曲面進行二次成型；

◆ 展示創新工藝：用2min的循環時間，生產寶馬i3電動汽車生命模塊地板的三維結構部分。

事實上，該項目在2018年4月的最終報告中聲稱，與目前採用溼法模壓成型以及用粘合劑單獨粘接夾子嵌件的生產相比，這項技術可以將汽車CFRP部件的成本降低30%。

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從熱塑性到熱固性的合作夥伴，為什麼是光子學？

大批量生產的示範：寶馬i3生命模塊地板的一部分被選中用來演示這項工藝用於大批量生產的可擴展性。為模壓成

從熱塑性到熱固性的合作夥伴

為什麼要將熱塑性塑料的二次成型連接到一個熱固性塑料的部件上？

「採用環氧樹脂製成的熱固性CFRP部件為汽車車身提供了最佳性能。」AZL的研究工程師Richard Schares聲稱，二次成型的熱塑性複合材料加強肋，則提高了部件的設計剛度（截面模量），從而減少了所需要的碳纖維數量。

「採用一個與CFRP殼體同樣厚度的加強肋，OPTO-Light示範部件的特定彎曲剛度可以增加3倍。」他補充道。

二次成型通過為螺栓提供成型的連接夾或凸臺，能進一步降低部件成本，同時為防止在碳纖維與金屬緊固件之間出現電偶腐蝕而提供隔離。

因此，雖然研究的目標被確定了，但問題是如何在單獨一個成型單元中組合兩種材料。

Schares對如何選擇行業合作夥伴作了介紹。「寶馬擁有最豐富的CFRP部件批量生產經驗，而克勞斯瑪菲在創造組合技術方面非常踴躍，如該公司的ColorForm 多組分注塑成型機和FiberForm混合成型機。」

OPTO-Light示範部件是一個470mm長、317mm寬和130mm深的寶馬i3生命模塊地板的一部分，包括輪艙的端壁。

「該部件的承載情況要求在發生碰撞時具有良好的剛度和強度。」Schares解釋說，「我們還想要複雜的形狀和懸垂，以證明採用水平預浸料的模壓成型、雷射燒蝕和沿自由表面的二次成型是合適的。」

從熱塑性到熱固性的合作夥伴，為什麼是光子學？

熱塑性-熱固性的混合生產：寶馬i3生命模塊地板的一部分，展示了一種大批量生產混合複合材料部件的成型單元，它利用中央水平轉模板來兼容熱固性預浸料的模壓成型和熱塑性塑料的二次成型，而光子學則提供了基本的部件參照（圖片來自亞琛工業大學AZL和Arges）


為什麼是光子學？


德國資助了一項長期戰略，以繼續發展光子學技術，因為該技術在當前全球製造業數位化轉型的過程中發揮著重要作用。

複合材料行業應該注意到，光子學不僅支持先進加工，如自動化的纖維鋪放、熱塑性塑料的雷射焊接、精密加工及各種3D列印工藝，還為計量、過程監控和在線檢測而啟用傳感器和視覺通信。

在OPTO-Light項目中，一種近紅外（簡稱「NIR」）雷射被用於對二次成型的表面進行預處理。此外，各種雷射傳感器還為過程控制和在線質量保證（QA）提供數據。

OPTO-Light項目的最後4個合作夥伴是德國的光子系統供應商：

◆ Arges（德國Wackersdorf）是一家雷射加工用3D掃描儀的專業公司，該公司通常開發創新的雷射掃描系統、工業材料加工和醫療應用中的定位和偏轉雷射束，現在，又開發了一種用於燒蝕和加熱的Arges雙光束單元；

◆ Precitec（德國Gaggenau）提供用於測量距離（在整個過程中的燒蝕和部件參照期間使用）的幹涉傳感器；

◆ Sensortherm（德國Sulzbach）提供有助於過程控制的高溫計（溫度傳感器）；

◆ 卡爾蔡司光學技術公司（之前的Steinbichler，德國Neubeuern）為質量保證提供T掃描用的雷射掃描儀。「它測量部件的幾何形狀並檢測潛在的變形。」Schares解釋道，「它會顯示缺陷，如二次成型的肋未完全粘接到CFRP殼體上。」

所有這些系統都被集成到多功能的雷射掃描儀中，它被安裝到六軸庫卡（德國Augsburg）機器人手臂的末端。

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從熱塑性到熱固性的合作夥伴，為什麼是光子學？

新型的混合材料及加工單元：一臺克勞斯瑪菲CXW-200-380/180注塑機與庫卡機器人上的多功能雷射掃描儀末端執

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