汽车复合材料预成型走向工业化：每分钟4个部件及多功能的丝束

一个示范的汽车预成型件

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。

虽然德国Compositence公司已开发了一种基于AFP的方法用于生产近净形状的预成型件，但该公司还超越于此，与宝马合作开发了其称之为 “multifunctional tow（多功能丝束）”的产品，它显著提升了悬垂性和材料产出。

该公司的预成型系统主要包括以下元素：

 一个卷轴架；

 2D（台架）或3D (机器人)的操作系统，配有可快速更换的AFP头；

一个安装在直线导轨上的转台。

准备于2017年之后投入生产的最新系统，将在1min.内同时铺放4个预成型件（比如1.25m×0.75mm）。两个系统可以处理碳纤维预浸丝（towpreg）、干纤维和热塑性带材。

Compositence公司的销售负责人Thomas Dobiasch说，基于这项工艺的航空起源，传统的AFP通常使用6.35~12.7mm宽的带材。为开发汽车部件， Compositence的系统采用了纤维面重150~600g/m2、宽度≥12mm的带材。据Dobiasch介绍，这是因为铺放窄材料的时间过长。

“对我们而言，预成型件的铺层速度必须控制在与成型机同样的节拍时间内，而注塑成型的时间是1min.。” 但他警告说：“对于某些类型的部件而言，宽带可能会带来更多的浪费，因此，你必须为所制造的部件量身订制工艺。”

Compositence公司为追求速度而针对AFP工艺所开发的边缘固定技术已获得了专利。

“我们只在铺层开始和结束时固定纤维。”Dobiasch解释说，AFP头轻轻抬起即可自由移动。加速跨过中间层，会加快生产速度。然而，这种边缘固定技术不能与碳纤维预浸丝（towpreg）一起使用，因为它需要连续压实以避免空气滞留在叠层中。

提高预成型生产效率的另一个关键因素是悬垂性。“我们的悬垂性能必须与无卷曲织物（NCF）一样或者更好。”Dobiasch表示。

自2010年以来，Compositence公司一直与宝马和西格里集团合作，开展AFP预成型的研究。“与他们一起，我们开发了我们称之为的‘multifunctional tow（多功能丝束）’，在此，采用一种纺织工艺可将多根粗纱固定在一起。”他解释道。

这种将丝束捆绑在一起的缝编可确保精确的宽度——干纤维通常为46mm，同时还有助于树脂垂直流动以浸透纤维。下一步的关键是树脂的浇注或灌注。

“这些纤维在层到层之间的移动不会受到阻碍，因为它们是在缝编的织物之中。”Dobiasch解释说，“所以悬垂性非常好，其悬垂性被宝马确认为与无卷曲织物一样或更好。它们还证明了对树脂流动带来的改善。”

他承认，与碳纤维预浸丝（towpreg）相比，生产这种材料需要花费的时间和成本更多，“但这能更好地赋予材料一些功能，从而通过减少废料的加工而获得回报，并在湿法模压成型和RTM加工中实现更短的循环周期。”

Dobiasch声称，与织物切割带来的浪费相比，基于AFP的净成形能力，使得废料比NCF减少了25%。他补充说：“我们还与宝马一起，证明了我们能够在一台生产效率250kg/h的设备上，每年生产出350万个预成型件。”