纤维带保持轻量化结构应用的潜力

作者:本刊编译(原文来自Dieffenbacher) 文章来源:AI《汽车塑化》 发布时间:2017-07-26
位于德国Pfinztal的弗劳恩霍夫化学技术研究院与迪芬巴赫之间的合作,实现了自己的目标,即为满足汽车行业的结构应用需求而开发生产碳纤维增强和玻璃纤维增强热塑性塑料的加工技术。

当企业与研究机构彼此建立起密切的合作关系,往往就会产生促进新技术发展的协同效应。位于德国Pfinztal的弗劳恩霍夫化学技术研究院(简称“ICT”)与迪芬巴赫之间的合作,就是这种合作的典范。他们实现了自己的目标,即为满足汽车行业的结构应用需求而开发生产碳纤维增强和玻璃纤维增强热塑性塑料的加工技术。

过去,长纤维增强的热塑性塑料(LFTs)主要被用于飞机制造业,用于生产诸如窗框和座椅的组件。在汽车行业中,这些材料已被用于诸如车底护板和覆盖件等部件。然而,到目前为止,LFTs尚没有在汽车行业的承载结构中得到广泛应用,因为相比其他材料,它们的力学性能不足。

这正是需要通过适当的材料组合而做出改变之处。与传统的碳纤维增强应用相比,这种材料的组合还带来了可观的成本效益。

长纤维热塑性塑料的生产

纤维带提高部件的稳定性

由碳纤维或玻璃纤维制成的单向纤维带,按照承载曲线的要求而被用于车身部件的特定位置,从而以增强材料的方式与热塑性塑料相结合,以达到提高部件结构刚性的目的。采用Fiberforge带材铺层技术,将纤维带放入生产设备中,与LFT块料压制在一起,从而在单一的加工步骤中成型出部件。该带材铺层系统的运行完全自动化,可以生产出订制设计的叠层。该系统是基于一个工作台,该工作台能够在其自己的平面上按任何方向(转动和X、Y方向移动)移动。利用机械手铺层手臂,可以一层一层地将单独的层构建起来。该机器从卷料打开带材,将其切割成特定的长度并放到工作台上的指定位置。在此加工过程中,机器在工作台上移动,确保叠层满足将要生产的相关部件对纤维取向、结构和厚度等方面的要求。随着带材的铺放完成,在一些设计点上由超声波将叠层焊接在一起,以确保机械手能够从铺层工作台上拾起完成好的叠层,而不会扰乱它们。每次焊接过程只有几秒钟,这意味着几乎是在铺层完成后的立即操作。因此,对于后续的加工而言,叠层是稳定的。

Fiberforge 4.0,世界最快的连续纤维带材铺设系统

粗纱:用于增强热塑性塑料的连续玻璃纤维丝束

循环时间不到30s

然后将叠层加热到适当的温度,放入固结压机中压制,并密封焊接平面以形成一个层压板。由此而获得的半成品,即所谓的“订制坯”,在经过特定的冷却时间后即被生产出来。接着,采用一种红外加热装置,将其重新加热到成型工艺温度,放入成型模具中,由其自身,或者与加热的LFT-D块料一起,被成型出最终的部件。整个成型过程可以在30s或不到30s的循环时间内完成。

这套系统技术为部件成型提供了高度的灵活性。仅用单独一台机器,就可以加工几种不同的材料组合:纯LFT-D部件、完全由纤维带制成的部件,以及在特定位置采用长纤维增强材料的LFT-D部件、在更大的范围上采用纤维带增强的LFT-D部件和由LFT局部功能化的LFT-D部件。通过这项工艺,还可以在同一部件中实现不同的材料厚度。

采用连续纤维增强带制成的部件

为汽车行业而持续开发

弗劳恩霍夫化学技术研究院与迪芬巴赫之间的协同努力,旨在使这种方法适合于汽车行业的大批量生产。其他的目标包括实现高产率,以达到每年大约100万个部件的水平,以及实现高度的自动化。采用Fiberforge带铺层技术,部件可以被铺放成精确的轮廓,与其他机械手系统相比,其速度更快。

此外,符合最终轮廓而得到精确铺层的部件,还减少了从昂贵的碳纤维增强材料上产生的边角料,从而在生产过程中实现了材料的有效利用,最终节省了成本。

不仅如此,所使用的热塑性带材还可以回收利用。但是,将所用材料的可回收数量保持在低水平,对于确保生产在资源利用方面同时具有成本效益和效率是至关重要的。因此,来自半成品材料行业的合作伙伴也参与到此项目中,以帮助定义最佳的宽度和材料的混合。

除了专注于提高加工速度以及最大程度地减少在部件成型时所产生的废料外,开发合作伙伴们还一直致力于优化系统所使用的方法,以及增强部件的形状并开发更多的部件。即使循环时间变得越来越短,但符合要求的复杂形状依然可以实现。

同时重要的是,需要确定在相关行业中哪些类型的部件是受欢迎的。利用所想到的特定部件和材料,弗劳恩霍夫化学技术研究院(ICT)承担了调查机器边界条件的任务,而迪芬巴赫负责将这些条件落实到有效的生产过程中。在汽车行业中,纤维复合材料是为数不多的“只有在本身的加工过程中才能变成一种实际的材料并在最终的部件中才能定义其属性”的材料之一。这就是为什么加工工艺与材料之间的密切关系在这种情况下对于进一步的开发是如此重要。

就Fiberforge带材铺层技术而言,生产“准备量产的全功能形式的特定范围的部件”被认为是正常的。目前在此方面的发展潜力在于进一步增加数量,并从空间维度上塑造部件。

 

带铺层工艺

连续纤维增强带

用于铺层工艺的带卷被放入料盒中。这些带以很快的速度被拉下铺放到工作台上,通过工作台的转动而得到排列,然后由超声波焊接头对其进行局部固定

订制坯

预热后,织物在固结压机中被压制到所谓的“订制坯”上面

三维成型

采用连续纤维增强带制成的部件

通过红外加热,订制坯被加热到工艺温度,然后被放入模具中,成型出预成型件

 

迪芬巴赫向中国交付最新的复合材料工厂技术

迪芬巴赫获得了向中国提供全自动化LFT-D设备的合同。该项目的合作伙伴是CSP与青岛威奥轨道股份有限公司合资成立的新公司。在长期合作的过程中,迪芬巴赫已为全球重要的汽车行业复合材料部件供应商美国CSP公司(Continental Structural Plastics)提供了10台压机和6台LFT-D设备。中国青岛威奥轨道股份有限公司主要从事铁路工程领域的业务。该新的工厂将使得两家合作伙伴扩大他们为快速发展的中国汽车行业提供的部件范围。

供货范围包括一台4300t的Compress Plus压机及后续的一台冲切压机、LFT在线配混、对流加热炉和全部的自动化装备。除了适用于主流的玻璃纤维/PP材料外,所装备的这条生产线,还首次在世界上能够支持应用碳纤维和更高温度的树脂。

采用纤维带增强的长纤维增强热塑性材料具有显著的成本优势

带材在毫秒内得到点焊

热塑性带材可以回收利用

Fiberforge带材铺层技术已经功能齐全可以用于生产

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