在降低复合材料部件的生产成本、缩短生产节拍的竞争中,自动化技术已成功地将裁切、成型和加工转变成更适合工业化生产的工艺流程。
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:每层10~15s的ATL-复合材料网

一个示范的汽车预成型件

FILL Gesellschaft公司(奥地利Gurten)提供用于金属、塑料、木材和增强纤维复合材料生产的创新机器。“预成型件的自动化生产是我们的主要业务领域之一。”FILL Gesellschaft公司复合材料能力中心负责人Wilhelm Rupertsberger说。该公司为宝马和奥迪开发的系统包括:为新款奥迪车型生产碳纤维增强塑料(CFRP)后壁的设备,以及为一家一级供应商提供的设备,用于生产另一家汽车公司的CFRP车轮。所有这些设备都自动化地生产用于RTM工艺的预成型件。

虽然FILL Gesellschaft公司已经销售了许多用于切割、叠层和热悬垂成形的设备,以将单向的和无卷曲的织物增强材料转变成复合材料预成型件,但该公司最新的进展是一台改进的ATL机型——MultiLayup系统(专利申请中)采用双排真空导轨,从两个料卷盒(每个料卷盒最多容纳16卷材料)中输送带材。两个喂料器将料卷展开,然后将来自每个料卷的选定带材切割成订制的长度,这一长度是根据部件的CAD文件确定的,该CAD文件通过FILL Gesellschaft公司的工艺软件而得到了分析。

“CAD数据到CNC控制之间的连接是我们的强项之一。”Rupertsberger解释道。按预成型件中所给定层的要求对带材进行切割,切割好的带材通过真空夹持系统被传送到一个分段的旋转铺放台上,该铺放台可在Z轴方向移动100mm。在此铺放台上,集成在真空夹持器上的加热条将每一层带材连接/固结到下一层带材上,以生产出一个订制的近净形状的预成型件。该系统可容纳2m×2m的部件,Rubertsberger声称,它易于加工的汽车部件包括处在该尺寸范围上限的车顶、引擎盖和后壁。

汽车复合材料预成型走向工业化:每层10~15s的ATL-复合材料网

每分钟拾取、铺放并固结4~5层。FILL Gesellschaft公司的MultiLayup系统将UD带从两侧送到一个中央工作站,在此,集成了加热装置的真空夹持器拾取、铺放并固结每一层的带材,按每层10~15s的时间来构建预成型件(图片来自FILL Gesellschaft)

Rupertsberger对每层10~15s这一非常短的铺层时间作了说明。“两个喂料器有效地将材料被送到拾取-铺放工作站的速度提高了一倍。”他解释说。更重要的是,真空夹持器同时完成每一层带材的收集和铺放工作,而不是一次只做一件事。“通过将数字化的切割带材嵌套(nesting of cut tapes)整合到此过程中,我们还可以减少浪费。我们还检查了纤维的取向和完成的预成型件的形状。”

除MultiLayup系统外,FILL Gesellschaft公司还与恩格尔奥地利公司合作,共同开发热塑性带材的预成型技术。“我们的设备制造叠层,而恩格尔的设备添加注塑材料以及热成型部件。”Rupertsberger解释说,针对汽车应用,这种单向带采用聚酰胺(PA)作为基体材料。这些部件可以采用碳纤维,但由于昂贵,因此,重要的是,只在需要的地方精确地铺放碳纤维。“我们的设备对这些带材进行喂送、切割、定位和固结,以在线创造出一种订制的有机片材,从而将注塑成型的优势与复合材料的性能优势集于一体。”他声称,“我们正在对这项技术进行研究,以缩短节拍时间,同时确保部件具有可回收性。”但他同时也指出,为了简化和避免生产线上的化学处理过程,零部件制造商们更愿意纤维和基体树脂已经融合到了半浸渍的热塑性材料中。