然而,就在不久前,为成型三维部件而制备增强材料的预成型生产步骤,似乎依然是一个生产瓶颈:这是一个复杂、步骤较多且通常为人工操作的加工过程。最近3年来,能够实现自动化预成型的新兴技术已越来越多,得益于机器人技术与自动化的带铺放(ATL)或自动化的纤维铺放(AFP)技术的结合,这些技术最终走向成熟,并实现了商业化应用

汽车复合材料预成型走向工业化:封闭式自动纤维铺放单元-复合材料网

一个示范的汽车预成型件

2015年,为航空航天工业提供专用生产系统(如操作、预成型、装配和加工)的Broetje Automation公司(德国Rastede)推出了其STAXX Compact 1700 自动化AFP工作单元,用于生产近净形状的预成型件。“当我们开始开发时,已有许多公司重点在为航空航天工业开发自动化的纤维铺放技术。”Broetje Automation的子公司——BA复合材料有限公司(德国Grenzach-Wyhlen)的副总裁 Matthias Meyer博士介绍说,“所以,我们将开发的重点放在了汽车和工业领域,同时还注重采用低成本的材料——碳纤维预浸丝(towpreg)。”这也促使该单元被设计成为一种封闭的、可以自动调节温度的加工单元,它拥有3m(宽)× 6.5m (长)× 3m (高)的紧凑尺寸,因而可以在几乎任何工厂中快速投入生产。

汽车复合材料预成型走向工业化:封闭式自动纤维铺放单元-复合材料网

由Broetje Automation公司开发的STAXX Compact 1700自动化纤维铺放(AFP)工作单元,能够以30kg/h的速度铺放碳纤维预浸丝(towpreg)或窄条带,以制成集成了三明治芯材和(或)嵌件的预成型件,为每年10万个汽车部件的生产提供支持

Meyer对碳纤维预浸丝(towpreg)的定义是:采用典型的环氧树脂基体浸渍的碳纤维粗纱,并指出,STAXX还能够加工适用于后续液体成型的粘结剂干纤维,或者加工一种热塑性的材料。它们在预成型后,可以通过简单的热成型变成最终的部件。STAXX 还可以加工切割好的窄条预浸带,因为它能去除背衬膜,但它的使用同时也增加了成本,因为需要后预浸分切操作。

STAXX Compact 1700配有:两个料卷盒,每一个可容纳16卷碳纤维预浸丝(towpreg);一个AFP头,它配有一个紧凑的夹紧/切割/再启动装置;一个转台。STAXX Compact 1700提供40m/min的材料进给速度,铺层速度是30kg/h,台板尺寸(部件的铺层面积)是1525mm×900mm。相比50%的废品率,它还可以实现不到5%的废品率。Meyer断言,在这一尺寸部件的织物预成型中,这是典型的。转台和对铺层坯料的构建看起来类似于迪芬巴赫(德国埃平根)的Fiberforge RELAY Station。但Meyer声称,迪芬巴赫的RELAY采用的是带有超声波点焊的自动铺带(ATL)技术,而不是连续压实的AFP,而且STAXX的转台还能够在Z轴方向运行500mm,这使得集成三明治芯材和专用嵌件成为可能。

“正因如此,我们采用了一种零点夹紧系统。”Meyer补充道,无论是人工操作,还是通过机器人实现自动化的拾取-铺放,“你可以将台板取出来,非常精确地将嵌件装到其上,然后以不到0.1mm的公差把它放回单元中。”他表示,对于AFP而言,虽然这是新的做法,但这种做法在金属切削行业中早已成为一种标准,因此,大部分的CNC控制被设计到了STAXX之中。比如,STAXX有两个台板,当向一个台板摆放部件时,另一个台板同时在完成铺层操作,由此而最大程度地增加了产出。

Meyer还表示,一个很大的优势是,它为纤维取向带来了设计自由度。“STAXX可以按0°~180°之间的任何角度铺放纤维,按0.01°递增。”他声称,到目前为止,STAXX示范生产的部件有汽车的通道、地板和B柱。“我们已经证明,我们能够用单独一台机器,每年生产10万个用于豪华轿车的B柱。我们还制造航空部件,如肋、夹板和支架等,以及工业部件。”

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成型的部件(图片来自Broetje Automation)