基于熱塑性塑料的復(fù)合材料輕量化結(jié)構(gòu)

基于熱塑性塑料的復(fù)合材料輕量化結(jié)構(gòu)，能夠確保更高效的生產(chǎn)以及對(duì)廢棄部件的回收利用。

恩格爾為NCC提供duo機(jī)器用于研發(fā)

然而，即使是得到大規(guī)模應(yīng)用的創(chuàng)新材料和生產(chǎn)工藝，仍存在一些挑戰(zhàn)性問題需要解決，以及需要獲取更多的經(jīng)驗(yàn)。

位于英國(guó)布里斯托爾的英國(guó)國(guó)家復(fù)合材料中心(簡(jiǎn)稱“NCC”)已為自身設(shè)立了這兩個(gè)目標(biāo)。恩格爾為其提供的用于包覆成型纖維增強(qiáng)半成品的集成化生產(chǎn)單元，則為在汽車和航空工業(yè)中實(shí)現(xiàn)大批量的生產(chǎn)鋪平了道路。

從左到右：NCC的Sean Cooper，恩格爾的Graeme Herlihy，NCC的Paul Gallen和恩格爾的Christian Wolfsberger

汽車工業(yè)與飛機(jī)制造歷來是英國(guó)最重要的工業(yè)部門之一，這兩個(gè)行業(yè)對(duì)復(fù)合材料的研究和加工已達(dá)到同樣的高度，對(duì)此，Catapult發(fā)揮了重要作用。

Catapult能與德國(guó)的弗勞恩霍夫協(xié)會(huì)相媲美，其在英國(guó)捆綁了以應(yīng)用為導(dǎo)向的頂層研究，并支持行業(yè)從新的技術(shù)中快速獲利。

“我們發(fā)揮了催化劑的作用?！弊鳛闃?gòu)成Catapult網(wǎng)絡(luò)的7所研究機(jī)構(gòu)之一，NCC的汽車部門領(lǐng)導(dǎo)Paul Gallen說道。Catapult網(wǎng)絡(luò)中的每一個(gè)研究機(jī)構(gòu)都有其各自關(guān)注的主題。

創(chuàng)建于2012年的NCC目前占地17500m2，擁有用于多種復(fù)合材料技術(shù)的先進(jìn)的生產(chǎn)單元。在此工作的220多名工程師和科學(xué)家，與布里斯托大學(xué)和世界上的其他許多大學(xué)緊密合作，最重要的是，他們與行業(yè)展開合作，因而不只是來自英國(guó)的公司能夠?qū)⑦@種能力用于他們自身的開發(fā)項(xiàng)目中。

在此開發(fā)的背后有兩大主要驅(qū)動(dòng)力：“一方面，熱塑性的基體材料能夠有效地使半成品在注塑機(jī)上得到進(jìn)一步的加工，以及在完全集成的自動(dòng)化工藝中采用同一類的材料實(shí)現(xiàn)功能化?！蔽挥趭W地利施韋特貝格恩格爾總部的復(fù)合材料技術(shù)業(yè)務(wù)開發(fā)經(jīng)理Christian Wolfsberger解釋說，“工藝集成和自動(dòng)化是滿足高產(chǎn)量的汽車行業(yè)對(duì)單位成本要求的先決條件。另一方面，熱塑性復(fù)合材料簡(jiǎn)化了零部件的后續(xù)回收利用，這符合循環(huán)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展趨勢(shì)?！?/p>

加工熱塑性纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的技術(shù)基礎(chǔ)正在迅速擴(kuò)大，有機(jī)片材正在發(fā)揮先鋒作用，并已在大批量的生產(chǎn)中得到應(yīng)用，尤其是在體育用品行業(yè)。最近，在汽車行業(yè)的首個(gè)應(yīng)用也已被推出。

“潛力是巨大的?！倍鞲駹栁鳉W公司總經(jīng)理Graeme Herlihy表示，“所有的OEMs和一級(jí)供應(yīng)商都正在努力解決這一問題。”

靈活的適應(yīng)性

對(duì)于復(fù)合材料行業(yè)的許多公司而言，向熱塑性材料方向發(fā)展的趨勢(shì)意味著他們必須處理全新的工藝。正因如此，恩格爾為NCC提供了一臺(tái)duo1700大型注塑機(jī)，包括一臺(tái)庫卡關(guān)節(jié)臂機(jī)器人和一個(gè)集成的紅外加熱爐，這也是恩格爾為NCC提供的第一臺(tái)注塑機(jī)。

“許多知名的汽車制造商和一級(jí)供應(yīng)商都在他們的工廠中安裝了duo注塑機(jī)，我們?cè)谌毡竞兔绹?guó)的研究機(jī)構(gòu)合作伙伴也采用這類機(jī)器開展研究?！盙allen解釋了依賴恩格爾的技術(shù)和專業(yè)知識(shí)的關(guān)鍵點(diǎn)。

第二個(gè)標(biāo)準(zhǔn)是，由恩格爾系統(tǒng)解決方案提供的靈活性，因?yàn)橛蒒CC研究項(xiàng)目帶來的廣泛應(yīng)用以及公司合作，要求生產(chǎn)單元能夠在短時(shí)間內(nèi)適應(yīng)新的要求、新的材料和新的技術(shù)。

憑借17000kN的鎖模力，duo注塑機(jī)適用于生產(chǎn)大型部件。

為了獲得一種實(shí)用的開發(fā)方法，示范模具以真實(shí)的汽車零部件形狀為基礎(chǔ)，樣品擁有不同的尺寸和復(fù)雜程度。

到目前為止，主要的有機(jī)片材均已得到加工。這些有機(jī)片材在紅外爐中加熱后，由機(jī)器人將其埋入模具中，成形后立即采用塑料對(duì)其進(jìn)行包覆成型。

紅外加熱爐位于鎖模單元的上方，這簡(jiǎn)化了操作并縮短了循環(huán)時(shí)間。

進(jìn)一步的開發(fā)將重點(diǎn)放在單向(UD)纖維增強(qiáng)帶上。借助于這些UD帶，部件中的高應(yīng)力區(qū)域可以得到特別加強(qiáng)，從而能夠更好地利用輕量化結(jié)構(gòu)的潛力。

“今天，NCC已成為自動(dòng)化纖維鋪放領(lǐng)域的領(lǐng)導(dǎo)者，所以向使用UD帶的方向轉(zhuǎn)變并不遙遠(yuǎn)。”Gallen表示。

憑借3個(gè)不同尺寸規(guī)格的帶鋪層單元，NCC以其精良的裝備，能夠現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)出疊層，并在一個(gè)集成的工藝中對(duì)疊層作進(jìn)一步的加工。

從產(chǎn)品設(shè)計(jì)到回收利用

NCC是一家綜合性的工廠，從材料開發(fā)到仿真，從設(shè)計(jì)到加工直到回收，所有的工藝都能夠在整體環(huán)境下得到開發(fā)和優(yōu)化。

“涉及復(fù)合材料時(shí)，界面尤為重要。”原理研究工程師SeanCooper介紹說，“材料、設(shè)計(jì)和加工工藝在此區(qū)域如此緊密地交織在一起。如果你只改變這3個(gè)因素中的一個(gè)，最終你會(huì)得到完全不同的結(jié)果?！边@對(duì)于后續(xù)的回收也同樣重要。

目前，NCC正與行業(yè)合作伙伴在初始項(xiàng)目上展開合作，以開發(fā)增值的回收概念?！氨热?，賦予由長(zhǎng)纖維增強(qiáng)材料制成的安全相關(guān)部件第二次‘生命’，即通過回收利用，將其轉(zhuǎn)變成由短纖維增強(qiáng)材料制成的工作臺(tái)或儀表板。”Gallen說道。

從采用汽車行業(yè)使用的典型材料(主要是PA家族材料，以及飛機(jī)結(jié)構(gòu)優(yōu)先選用的PEEK和PPS等高性能塑料)開始，NCC的開發(fā)人員已完成了一系列的試驗(yàn)。

“在過去的兩年中，航空工業(yè)一直在密切地研究‘熱塑性復(fù)合材料可以為他們做些什么’?！盙allen介紹說，“向熱塑性方向的轉(zhuǎn)變，通常會(huì)顯著降低CO2的排放。”

這一切都從高產(chǎn)量應(yīng)用開始，這種高產(chǎn)量應(yīng)用當(dāng)然也適合飛機(jī)制造，比如像托架這樣的緊固件，到目前為止都由鋁制成。

“總之，復(fù)合材料總是在與鋼或鋁競(jìng)爭(zhēng)?！盤aul Gallen表示，“復(fù)合材料只能在部件要求更輕、單位成本更低以及生產(chǎn)工藝更高效的情況下使用。我們的目標(biāo)是，額外獲得更好的部件特性?！?/p>

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