当前汽车行业新的轻量化解决方案必须满足众多的要求——它们不仅要为最终部件的减重、还要为最终部件的降本提供机遇。因此,它们需要使用成本合理的材料,而且这些材料要具有可回收的潜力。虽然热塑性复合材料符合这些要求,但加工方面的挑战却一直阻碍着其应用。

由EELCEE公司(韩国京畿道)开发的一种名为“QEE-TECH”的新型热塑性复合材料预成型技术及相应的加工设备,据说为应对这些挑战而提供了轻量化的解决方案。据介绍,QEE-TECH技术可以成形出热塑性复合材料部件所需的复杂的三维预成型件,并降低了大批量生产热塑性复合材料部件所需的成本和时间。所用的设备由EELCEE公司与位于韩国京畿道的机器人技术公司Robostar组建的合资企业QEESTAR制造。为了展示这家合资企业正在不断提升的这项技术的能力,EELCEE公司与一家提供车门模块的汽车供应商实施了一个示范项目。

黏度太大而难于加工

与相应的热固性材料相比,热塑性聚合物相对较高的黏度是带来加工问题的主要原因。“热塑性树脂的高黏度对浸渍方法提出了严格的要求,而后续的成型操作则对预成型件的完整性和模具提出了严格的要求。”EELCEE公司CEO Queein Chang-Manson介绍说。为解决这一问题,该公司正在成形预浸渍的纤维结构,然后将预浸渍的预成型件(预浸料)放入模具中,并对其包覆成型,从而通过在模外浸渍连续纤维、然后再将此预浸料放入模具中,来解决连续纤维在注射或模压模具中出现的浸渍不良问题。

“通过在注塑和模压成型的部件中封装单向纤维和织物复合材料的嵌件,QEE-TECH技术在设计空间上为大批量生产的热塑性复合材料带来了明显的进步,而且便于在一个单独的部件中集成多种功能。”她解释说,“这为设计师带来了设计自由度,允许他们将昂贵的高性能连续纤维材料只铺放到必要的地方,同时采用较低成本、较低性能的易流动性材料来确保形状的自由度,以此来优化成本和性能。”

“我们已在一系列的应用中证明了可以减重20%~30%(特殊情况下高达50%),并可以降低10%~20%的成本。”她补充道。

2013 年,EELCEE公司在于新加坡举行的2013 JEC亚洲展期间获得了JEC创新奖,当时的获奖产品是由成型商韩华集团采用三维 QEE-TECH技术为现代起亚汽车集团生产的一种热塑性保险杠系统。在SPE 2016 汽车复合材料会议暨展示会中,Chang-Manson讨论了该公司的技术在大批量生产的复合材料汽车部件中的应用。

自动化的工艺

三维热塑性结构预成型工艺减轻大批量生产的车门重量-复合材料网

自动化的铺层、成形、切割和浸润。完全自动化的QEE-TECH设备采用了一种夹具,它被固定在一个可旋转、滑动和(或)倾斜的台面上。该装置能快速地将材料铺放成想要的三维形状,由此而获得的预成型件在得到自动切割和预浸渍后,进入注塑或模压包覆成型操作中。这种三维预成型工艺可在60s的循环时间内完成(图片来自EELCEE公司)

QEE-TECH 三维预成型设备的设计,允许在一个单独的操作步骤中,生产出拥有多种功能和订制结构性能的形状复杂的部件。这一完全自动化的过程,首先是从一个筒架拉出多根连续碳纤维或玻璃纤维的粗纱或丝束,使之通过一系列的模头,以便采用适当的树脂(如PA、PP、ABS和PEEK等)对其进行浸润而开始的。

“当强度是考虑的重点时,已经证明了玻璃纤维是首选的替代材料,但如果高刚性是首要要求时,碳纤维可能是首选材料。”Chang-Manson说。

在浸润过程中,材料通过一个预热炉。下一步,均匀的熔融丝束沉积到一个夹具上,该夹具被固定在一个可旋转、滑动或倾斜的工作台机器人上。在沉积过程中,一个压辊向丝束施加压力。总之,该生产装置采用了3台机器人——一个头部机器人系统用于沉积材料,另外还包括台式机器人系统和支撑机器人系统。

通过快速铺放成一个理想的三维形状,一个开放、订制的三维骨架(预浸料)即被制备出来。通过一个喷气系统,铺放的材料得到冷却。然后,这一成品的固体复合材料预成型件在得到自动切割后,进入包覆成型操作中。这一完全自动化的预成型生产设备可与集成的包覆成型操作同步,从而在高达400℃的温度下实现高效铺层。这种三维预成型工艺可在60s的节拍时间内完成。

“QEE-TECH 技术是为大批量地生产结构部件而设计的。”Chang-Manson强调说,“每一个生产装置提供不到1min.的节拍时间,每年可生产1万~30万个部件。”

通常,传统的规整或短纤维增强的聚合物(PA、PP、PET和ABS等)被用于包覆成型操作中,特别是注塑成型或模压成型。“这是一种非等温的工艺。”Chang-Manson解释说,“嵌件被预热到刚好低于熔融的温度,而包覆成型的材料被加热到熔融温度以上。由此,注塑压力实现了低孔隙率以及嵌件与包覆成型的聚合物之间的良好粘接,循环时间与普通的注塑成型一样。”据介绍,在被整合成一条生产线时,这种预成型工艺没有对包覆成型的循环时间(与注塑成型的一样)带来负面影响。该预成型生产装置还可被集成到其他的复合材料生产技术中,如RTM和热成型。

复合材料的门模块

三维热塑性结构预成型工艺减轻大批量生产的车门重量-复合材料网

装配连续纤维的“骨架”。QEE-TECH设备能够对车门模块的主要结构强度部件进行快速铺层(左上),以创建出一些可以在模具中组合成一个开式、订制三维骨架的片料。当被纳入到一个集成的生产线中时,这种预成型工艺不影响包覆成型工艺的循环时间(图片来自EELCEE公司)

EELCEE 公司与Duckyang 实业有限公司和MS Autotech公司(这两家公司都是总部位于韩国的汽车零部件制造商)合作,共同开发了一种复合材料的门模块。这项研究得到了韩国贸易、工业和能源部(MOTIE)以及韩国科学技术院(KIAT)的支持。

“这一概念的价值主要在于,为同样价格范围的金属门模块提供了减重、降本和减少子部件数量的机遇。通过采用连续纤维预成型件对热塑性复合材料的门进行局部增强,可以实现高达20%的减重。”她补充道。

针对这一门模块,EELCEE公司采用了一种所谓的“M-Tow”专有系统。这是一种编织系统,可将单向带纤维丝束与一种适当的纤维编织物和(或)聚合物包封在一起,从而可以使丝束在随后的自动铺层过程中受热变形,而不会对复合材料的固结带来任何损失,也不会出现聚合物的渗出。它还允许编织的丝束能够在任何形式的三维铺层过程中实现自支撑。

三维热塑性结构预成型工艺减轻大批量生产的车门重量-复合材料网

只在所需之处使用连续纤维。这款采用QEE-TECH三维预成型件制成的热塑性复合材料的车门仅由6个部件构成,相比之下,在钢车门中有17个部件。在打开的门框架上可以看到这种包覆成型的预成型件(图片来自EELCEE公司)

QEE-TECH工艺还允许客户能够针对专门的载荷引入和载荷分布而铺成各种各样的三维预成型件。通过适当的设计,还能够减少子部件的数量——这种热塑性复合材料的车门模块仅由6个部件组成,相比之下,传统的钢门模块由17个部件组成。

“在开发此部件时,需要考虑整个价值链的所有因素,包括:生产工艺和模具设计,装配和使用寿命结束后。”Chang-Manson指出,“向局部引入嵌件可以提高性能,但这必然会增加复杂性。因此,非常重要的是,需要对‘在哪些方面优先考虑性能以将复杂性降到最低’作出定义。”

对车门的重新设计不仅集中在减重方面,还集中在工程强度方面。为验证工艺的可靠性和产品的性能,EELCEE公司在采用不同材料组合和形状配置的各种预成型件上做了广泛的试验。

“我们的合作伙伴对生产出的原型部件非常满意。”Chang-Manson说,“它们尺寸稳定,而且看起来有利于大批量生产。”

据说,韩国现代汽车有限公司已在紧密跟进该车门项目,并正在考虑将此技术用于生产之中。试验完成后,EELCEE公司计划联系其他的OEMs。