一種用於生產混合複合材料結構的連續生產工藝

2020-09-21 PT現代塑料

FuPro研究項目開發了一種新的大批量生產工藝，可以生產出由複合材料空心型材、有機板材、注塑模塑料和金屬嵌件構成的多組件結構，從而形成了一個高度自動化的工藝鏈。該工藝過程涉及在空心型材的固結過程中進行混合紗的編織和預成型，直至二次成型並與有機板材相結合。

FuPro研究項目開發了一種從紗線加工開始直到生產出汽車部件的連續的生產工藝：

★ 首先，採用一種新型的並排混合紗線（GF/PA6）和精細的編織技術生產連續的軟管；

★ 然後，在特別開發的完全自動化的預成型工藝中，捲起料卷、展開並切割成所需要的長度，鋪疊成多層預成型件並拉到吹塑薄膜上；

★ 在隨後的固結步驟中，預成型件在變溫模具中得到快速加熱和冷卻。在吹膜上施加壓縮空氣，預成型件浸漬形成型腔的三維形狀。

這種薄壁的固結模具經3D列印製成，它允許溫度沿表面均勻分布且熱質量低。

一種集成了熱回收裝置的新型油溫系統（oil tempering system）在固結過程中實現了高溫梯度和低能耗。

通過向模具中埋入其他的金屬嵌件或複合材料補片，即可在型材上成型出載荷引入元件。

這種固結的空心型材與有機板材結合後，再採用注塑成型技術對其進行二次成型。

由於注塑成型過程中的壓力較高，必須確保空心型材穩定，為此而開發了兩種不同的方法：

★ 一種是基於粒子的穩定方法，它投資成本較低，尤其適合小批量的生產；

★ 針對大批量的生產，則開發了一種適用的液壓成型技術來保持型材穩定。

總之，這項新工藝為大批量的輕量化應用實現了集空心型材、曲面有機板和複雜肋結構於一體的複合材料設計。通過生產一種集成有安全帶的座椅靠背，這項工藝得到了證明。

FuPro座椅靠背示範件的設計：在一個一體化的輕量化結構中整合了複合材料的空心型材、有機板材和注塑成型件

新工藝帶來的價值

FuPro座椅靠背示範件表明，與現有技術相比，這項新工藝及所具有的設計可能性具有真正的優勢。相比傳統的鋼結構設計，它減輕了大約30%的重量，而且一個單獨的集成部件就取代了以往的10個衝壓彎曲件和一個塑料支架。

由於可以集成螺栓、卡扣等，使得大量的附加裝配元素被省略。

雖然該部件的成本比鋼結構的略高一點，但功能的高度集成卻大大降低了項目投資成本，特別是取消了衝孔和彎曲模具、連接工藝和過時的防腐處理過程。

就總成本而言，目前這項新工藝在中、小批量的生產中是有利可盈的。

總之，這項創新工藝帶來的主要優勢包括：

★ 複合材料實現了新的設計可能；

★ 重量明顯降低；

★ 可以實現大批量的自動化生產；

★ 高度的功能集成；

★ 項目投資的顯著降低。

傳統的鋼座椅靠背與複合材料示範件結構的比較

創新的階段性開發過程

為確保所有的技術提高到一定的成熟度（TRL），該項目研究分為兩個階段：

★ 第一階段是以普通的曲面原型結構作為示範，建立了技術和設計可能性的廣泛知識庫，一大重點是實現柔性編織軟管的自動化操作並將它們加工成多層預成型件。

基於實驗室規模的試驗，開發了一個典型的預成型工位，用於開展空心型材的半自動化生產試驗。

同時，還首次將3D列印的模具用於變溫固結成型，並對高達300℃下的加工性能進行了詳細分析，這兩個變量的穩定性也首次得到了測試。

通過在原型件上進行力學試驗，獲得了有關混合結構的結構性能經驗，特別是空心型材、有機板材和注塑配混料之間的粘接性。

★ 第二階段，利用這些知識開發出一種示範結構以及相應的工業化程度的工藝鏈。這樣，就為每個生產步驟提供了高度自動化的解決方案。該座椅靠背示範結構在實際條件下得到了設計、仿真、製造和成功的測試。

集成了安全帶的FuPro座椅靠背正在進行碰撞試驗

最終，該項目開發的所有技術至少有5項達到了技術成熟度。參與該項目的所有合作夥伴都期待著FuPro技術能夠儘快進入批量應用。目前，單一的技術已實現批量應用，比如，混合紗線、加熱系統（tempering system）和3D列印的固結模具。

這項創新對環境的影響

從混合紗開始，整個FuPro工藝極其高效。

開發的自動化預成型工藝具有過程控制和對材料不均勻性高度寬容的特點，因此廢品率幾乎為零。

這種混合紗構成本身就能實現基體材料對增強材料的快速、低壓浸漬。

具有能量回收裝置的油溫系統結合3D列印的模具，顯著降低了變溫固結過程所需要的熱能。

基於高度的結構整合，額外的連接過程被取消，從而減少了對粘合劑或其他粘接劑的需要。

由於整個結構由玻璃纖維/聚醯胺6構成，因而確保了高度的可回收性。

在注塑成型步驟中，可以使用從生產廢料回收的散料。此外，塑料的使用不再需要額外的防腐處理（陰極浸塗），從而減少了對化學品的使用並降低了能耗。

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