基于热塑性塑料的复合材料轻量化结构,能够确保更高效的生产以及对废弃部件的回收利用。然而,即使是得到大规模应用的创新材料和生产工艺,仍存在一些挑战性问题需要解决,以及需要获取更多的经验。

位于英国布里斯托尔的英国国家复合材料中心(简称“NCC”)已为自身设立了这两个目标。恩格尔为其提供的用于包覆成型纤维增强半成品的集成化生产单元,则为在汽车和航空工业中实现大批量的生产铺平了道路。

汽车工业与飞机制造历来是英国最重要的工业部门之一,这两个行业对复合材料的研究和加工已达到同样的高度,对此,Catapult发挥了重要作用。Catapult能与德国的弗劳恩霍夫协会相媲美,其在英国捆绑了以应用为导向的顶层研究,并支持行业从新的技术中快速获利。“我们发挥了催化剂的作用。”作为构成Catapult网络的7所研究机构之一,NCC的汽车部门领导Paul Gallen说道。Catapult网络中的每一个研究机构都有其各自关注的主题。

创建于2012年的NCC目前占地17500m2,拥有用于多种复合材料技术的先进的生产单元。在此工作的220多名工程师和科学家,与布里斯托大学和世界上的其他许多大学紧密合作,最重要的是,他们与行业展开合作,因而不只是来自英国的公司能够将这种能力用于他们自身的开发项目中。

在此开发的背后有两大主要驱动力:“一方面,热塑性的基体材料能够有效地使半成品在注塑机上得到进一步的加工,以及在完全集成的自动化工艺中采用同一类的材料实现功能化。”位于奥地利 施韦特贝格恩格尔总部的复合材料技术业务开发经理Christian Wolfsberger解释说,“工艺集成和自动化是满足高产量的汽车行业对单位成本要求的先决条件。另一方面,热塑性复合材料简化了零部件的后续回收利用,这符合循环经济的发展趋势。”

加工热塑性纤维增强复合材料的技术基础正在迅速扩大,有机片材正在发挥先锋作用,并已在大批量的生产中得到应用,尤其是在体育用品行业。最近,在汽车行业的首个应用也已被推出。“潜力是巨大的。”恩格尔西欧公司总经理Graeme Herlihy表示,“所有的OEMs和一级供应商都正在努力解决这一问题。”

灵活的适应性

对于复合材料行业的许多公司而言,向热塑性材料方向发展的趋势意味着他们必须处理全新的工艺。正因如此,恩格尔为NCC提供了一台duo 1700 大型注塑机,包括一台库卡关节臂机器人和一个集成的红外加热炉,这也是恩格尔为NCC提供的第一台注塑机。“许多知名的汽车制造商和一级供应商都在他们的工厂中安装了duo注塑机,我们在日本和美国的研究机构合作伙伴也采用这类机器开展研究。”Gallen解释了依赖恩格尔的技术和专业知识的关键点。第二个标准是,由恩格尔系统解决方案提供的灵活性,因为由NCC 研究项目带来的广泛应用以及公司合作,要求生产单元能够在短时间内适应新的要求、新的材料和新的技术。

凭借17000 kN的锁模力,duo注塑机适用于生产大型部件。为了获得一种实用的开发方法,示范模具以真实的汽车零部件形状为基础,样品拥有不同的尺寸和复杂程度。到目前为止,主要的有机片材均已得到加工。这些有机片材在红外炉中加热后,由机器人将其埋入模具中,成形后立即采用塑料对其进行包覆成型。红外加热炉位于锁模单元的上方,这简化了操作并缩短了循环时间。

进一步的开发将重点放在单向(UD)纤维增强带上。借助于这些UD带,部件中的高应力区域可以得到特别加强,从而能够更好地利用轻量化结构的潜力。“今天,NCC已成为自动化纤维铺放领域的领导者,所以向使用UD带的方向转变并不遥远。”Gallen表示。凭借3个不同尺寸规格的带铺层单元,NCC以其精良的装备,能够现场生产出叠层,并在一个集成的工艺中对叠层作进一步的加工。

从产品设计到回收利用

NCC是一家综合性的工厂,从材料开发到仿真,从设计到加工直到回收,所有的工艺都能够在整体环境下得到开发和优化。“涉及复合材料时,界面尤为重要。”原理研究工程师Sean Cooper介绍说,“材料、设计和加工工艺在此区域如此紧密地交织在一起。如果你只改变这3个因素中的一个,最终你会得到完全不同的结果。”这对于后续的回收也同样重要。目前,NCC正与行业合作伙伴在初始项目上展开合作,以开发增值的回收概念。“比如,赋予由长纤维增强材料制成的安全相关部件第二次‘生命’,即通过回收利用,将其转变成由短纤维增强材料制成的工作台或仪表板。”Gallen说道。

从采用汽车行业使用的典型材料(主要是PA家族材料,以及飞机结构优先选用的PEEK和PPS等高性能塑料)开始,NCC的开发人员已完成了一系列的试验。“在过去的两年中,航空工业一直在密切地研究‘热塑性复合材料可以为他们做些什么’。”Gallen介绍说,“向热塑性方向的转变,通常会显著降低CO2的排放。”这一切都从高产量应用开始,这种高产量应用当然也适合飞机制造,比如像托架这样的紧固件,到目前为止都由铝制成。“总之,复合材料总是在与钢或铝竞争。”Paul Gallen表示,“复合材料只能在部件要求更轻、单位成本更低以及生产工艺更高效的情况下使用。我们的目标是,额外获得更好的部件特性。”