机器人注射成型低成本地实现复合材料部件的功能化

作者:CompositesWorld GINGER GARDINER 发布时间:2021-07-13
通过在Kuka机器人上安装C型末端执行器,Anybrid公司开发出紧凑的机器人注射成型装置,使得将混合注射成型或二次成型灵活地且低成本地应用于小批量生产或较大型部件的生产之中成为可能。

德国Anybrid 公司起源于德累斯顿工业大学轻量化工程与聚合物技术研究所(以下简称ILK)。ILK与工业界合作,开发主要采用增强聚合物复合材料的创新轻量化技术。

“两年前,我们为生产混合材料的部件而开发了机器人注射成型机。”Anybrid公司首席商务官及联合创始人Michael Stegelmann介绍说,混合材料的部件指的是对一种结构进行功能化,比如,针对复合材料的管子或者金属的电动汽车底盘,通过注射成型塑料,来创造局部的连接点和加强肋等。

这项工艺被称作二次成型或混合注射成型,在过去的5~6年中已广受关注,但成型方式比较传统:在一台采用额外注射单元的成型机中使用钢模进行生产。现在,Anybrid 基本上将这一装置缩小成安装在Kuka机器人上的C型末端执行器(图1所示的红色和黑色),结果是革命性的,它使得拉挤成型或挤出成型的产品在到达模头出口处时就能得到二次成型,或者,大型结构在流水线上移动时就能实现功能化。

图1

图1 Anybrid将用于二次成型或混合注射成型的装置缩小成安装在Kuka机器人上的C型末端执行器(图中的红色和黑色) 

ROBIN

ROBIN是机器人注射成型(robotized injection molding)的简称,在于2019 年举行的德国K展中被首次推出。“我们于2020年成立了Anybrid公司,现在正与客户合作,利用这一装置建立试点生产线。”Stegelmann介绍说,此概念是为了通过使用小型注射单元和紧凑并可快速更换的低成本模具,来使注塑机轻量化。

图2

图2 由碳纤维增强聚合物制成的C形框架减轻了ROBIN 末端执行器的重量

如图2所示,ROBIN末端执行器包括一个由碳纤维复合材料制成的C形框架,在它的外表面是一个铝框架。Stegelmann解释说:“框架上含有轻量化的锁紧系统,能够在注射成型期间处理高达12t的承载力,将力从模具上侧带到下侧。”ROBIN还可以延伸到一个1m长的悬臂上,以横跨大型结构。“这是ILK 内部的know-how,即如何以正确的方式使用碳纤维和轻量化材料。”

传统的注射成型方法需要大型机器和昂贵的成型模具,因此而局限于大批量的生产。相比之下,ROBIN 使得小批量生产或者在较大型的部件上完成多种不同的成型成为可能(如图3所示)。“我们的机器有很大的灵活性,几乎可以对任何复合材料的部件或结构进行功能化。”Stegelmann说道。

图3

图3 Anybrid的移动式注射成型方法为在复合材料的管子、型材、板材甚至更大的结构上实现各种各样的功能,如紧固嵌件和LED灯、局部加强以及订制的端部配件等,提供了成本可接受的手段,为未来制造提供了所需要的灵活性 

“我们努力减小模具尺寸来降低成本,所以,制模花费仅需几千欧元。”Stegelmann 解释道,“这样,就能使用一个集成的快速换模系统,因为只有很小的模具区域需要改变。这个想法就是,你可以在流水线上快速更换模具,并能在流水线的两侧同时为部件添加不同的功能元素。你既可以使用两个ROBIN系统,也可以使用一个ROBIN系统,并能够快速更换模具,所以,你具有很高的灵活性。”

尺寸的减小限制了可以二次成型的面积。“此时,注射量被限制在50~60g。”Stegelmann解释说,“我们将ROBIN开发成只有140kg,这使得采用更小型的经济上负担得起的自动化系统成为可能。现在,我们的重点是对管子和型材进行功能化,以及将较小的元素添加到较大的结构上。”

在二次成型中实现良好结合

“这就是我们的背景。在过去的10年或15年中,我们在很多项目中都是这么做的:组合不同的材料,找到正确的粘接。组合不同的材料总是很有挑战性,你总需要为粘接而作一些额外的准备,比如等离子处理或激光处理,以改变表面微观结构,特别是将塑料或增强塑料粘接到金属上时。复合材料比较容易处理,因为你可以将复合材料中的聚合物基体与注射成型中的材料和基体进行匹配。”Stegelmann说道。

比如,针对图4所示的二次成型的管子,位于德国杜塞尔多夫的三井化学欧洲公司提供了碳纤维增强聚丙烯单向带,位于德国黑尔福德的INOMETA公司使用这些材料生产出复合材料的管子,然后,Anybrid 公司采用ROBIN对这些管子进行二次成型。“功能化所用的材料与管子材料是一样的。”Stegelmann介绍说,“我们采用未经增强的聚丙烯和碳纤维增强的聚丙烯这两种材料来对它进行二次成型,但也可以采用玻璃纤维增强材料。利用ROBIN,你可以使用市场上任何一种热塑性塑料进行生产。”

图4

图4 采用ROBIN对CFRP和其他材料制成的管子进行功能化

正是因为ROBIN允许使用市场上任何一种热塑性塑料,所以Anybrid会帮助其客户进行测试。“我们的有些客户不确定他们的材料是否能粘接在一起,我们就请他们送给我们一些材料,然后做一些小的简单结构进行测试。”Stegelmann说,“我们有一副小型模具,可以将加强肋注射成型到不同的板子上。比如,如果客户送给我们一些复合材料板材样品,我们可以用他们的注射成型材料在这些板材上进行二次成型,这是第一步,我们会对不同材料的结合行为进行可行性研究。此后,我们可以做一些分析,并提出优化建议。”

潜在应用

“我们仍在探索新的应用,但一开始是利用管子和型材来开展研究工作。”Stegelmann说道,“我们的一个想法是,依次将不同的结构添加到这些连续的可能非常长的形状上。所以,可以直接将这些元素应用到管子上。这一概念已经被INOMETA和Herone (德国德累斯顿)用于集成轴向连接系统和适配齿轮。这在航空领域可能也很有意思,你可能需要对刚性进行不同程度的增强,也可能需要添加附件之类的功能。还有,你可能有一个纵梁或框架,但在长度上有很多变化。采用我们的技术,可以确保高度的自动化水平,从一个部件到下一个部件,只需要改变你正在功能化的元素即可。”

“大型部件也很有应用潜力。”Stegelmann接着说,“过去多年来,我们在ILK开展的工作是,采用钢、塑料和复合材料开发了许多不同的混合材料部件,我们发现,在结构框架和底盘上使用二次成型的夹子进行组装是合理的。随着汽车向电气化和氢能源系统方向转变,我们认为,尽可能提高装配生产线和工艺过程的灵活性非常重要,以便能够为将来可能需要的各种不同组成部分作好准备。采用ROBIN,你可以轻松地调节用于装配的局部加强件,也可以调节结构的刚性。当然,我们希望扩展这种能力,而不仅仅是用于汽车和航空领域。我们的想法是,要让小型公司能够用得起,并使这项混合技术能够在其他领域和其他应用中实现小批量的应用。”

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