自动化的预成型不只适用于2D和2.5D部件,在瞄准“按生产的速度来构建3D预成型件”的努力中,创新者们正在走向成功。

预成型技术公司Cevotec(德国慕尼黑Taufkirchen)的董事总经理Thorsten Groene认为,大多数自动化的预成型工艺产出的是一个2D 的预成型件,它还需要一个成形步骤,才能得到3D的复合材料部件。“采用典型的坯料构建技术,很难在预成型件中实现不同的厚度。”他争辩说。Cevotec的SAMBA工艺,直接利用CAD文件,一步即可生产出拥有不同纤维取向和不同厚度的3D 纤维预成型件,既不需要其他必需的成形操作,也不需要悬垂模具。

作为工业化的预成型系统,于JEC World 2017展会推出的SAMBA,是以纤维补片铺放(fiber patch placement,简称“FPP”)技术和一种名为“ARTIST STUDIO”的集成软件套件为基础。SAMBA利用一台拾取-铺放机器人和第二台工具操作机器人,沿载荷路径的计算位置,精确地铺放订制长度的纤维补片,然后采用一种形状自适应的补片夹持器,将补片定位到复杂的3D模具上(如图2所示)。补片的精确切割是通过激光实现的,两个工业摄像系统连续地检测并记录每个补片的质量和位置。Groene说,该系统每秒产生一个以上的补片,使用的材料比织物预成型件减少了30%,但却实现了150%以上的更大的刚度和强度。“对于批量化的生产而言,这是以前所没有的一种新的选择。”他补充道。

汽车复合材料预成型走向工业化:相对于2D和2.5D的3D预成型-复合材料网
图2 机器人补片铺放用于快速成形3D部件:Cevotec公司(德国慕尼黑Taufkirchen)的SAMBA自动化预成型单元利用两台机器人,将订制长度的单向补片定位到复杂的3D模具上,为模压成3D部件作好准备,而无需进一步的固结或成形步骤(图片来自Cevotec)

软件也是Cevotec方法的一个重要组成部分。“当你想要为复杂的复合材料部件开发预成型件时,软件是硬件和加工效率的关键。”Groene解释说,“特别是较大的部件,用于组成它的补片要比你手工能够处理的更多。我们的ARTIST STUDIO 软件采用强大的‘纤维智能’算法,来创建高性能的叠层,整个部件的几何形状可以被加载到我们的ARTIST STUDIO软件中。基于一些直观的用户参数,该软件自动地为SAMBA创建一个最佳的补片叠层和一套机器数据。你不需要开发其他东西,我们已从加工中取消了不少步骤来最大程度地提高了效率。”

在批量化的生产中,Cevotec还证明了FPP能够在预成型件中有效地生成曲线路径。“采用带铺层你不能做到这一点。”Groene坚持认为。

“我们正在生产2D的叠层。”Broetje Automation公司(德国Rastede)的Matthias Meyer博士说,“在铺层中,我们可以触及到3D,但对于汽车行业而言,真正的3D叠层成本太高。”

Compositence公司(德国Leonberg)也声称,该公司能够实现2D与3D之间的预成型件形状,即2.5D,而这一概念在CNC 加工和计算机绘图中已普遍存在。“因为压辊的直径和铺放头的尺寸不允许到达纤维铺放的每一个角度,所以这是我们根据预成型件的形状所能达到的最大程度。”该公司销售负责人Thomas Dobiasch解释道。然而,Compositence公司为加速2D铺放而获得专利的边缘固定技术,却为实现3D叠层而提供了一种工作方法。“它允许我们将纤维拉进我们因AFP头的尺寸限制所无法触及的区域。我们的软件计算出需要符合这一区域需求的总的纤维长度,这就是需要放到2D或2.5D预成型件上的东西。”Dobiasch说,“当你随后完成坯料的3D成形时,这些纤维将移动并顺应到这一区域中。” 他警告说,这种移动还取决于用于铺放而成形出预成型件的材料的类型。

对于热塑性的预成型件而言,Dobiasch争辩说,机器人铺放可以实现真正的3D 形状,“但固结需要一个第二步的操作,而且你必须在2.5D的部件上工作以达到1min.的节拍时间。我们还没有在真正的3D 形状的铺层过程中看到热塑性丝束的100%固结。”

FILL Gesellschaft 公司(奥地利Gurten)正在进一步开发其用于2.5D和3D预成型件的AFP系统,目标是减少之前成型所需的成形步骤。据说该系统将能够加工一系列的材料,包括预浸料、热塑性带材或干的纤维带。