雖然熱塑性復(fù)合材料符合這些要求，但加工方面的挑戰(zhàn)卻一直阻礙著其應(yīng)用。

　　

　　由韓國(guó)EELCEE公司開(kāi)發(fā)的一種名為“QEE-TECH”的新型熱塑性復(fù)合材料預(yù)成型技術(shù)及相應(yīng)的加工設(shè)備，據(jù)說(shuō)為應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)而提供了輕量化的解決方案。

　　

　　QEE-TECH技術(shù)可以成形出熱塑性復(fù)合材料部件所需的復(fù)雜的三維預(yù)成型件，并降低了大批量生產(chǎn)熱塑性復(fù)合材料部件所需的成本和時(shí)間。所用的設(shè)備由EELCEE公司與位于韓國(guó)京畿道的機(jī)器人技術(shù)公司Robostar組建的合資企業(yè)QEESTAR制造。

　　

　　為了展示這家合資企業(yè)正在不斷提升的這項(xiàng)技術(shù)的能力，EELCEE公司與一家提供車(chē)門(mén)模塊的汽車(chē)供應(yīng)商實(shí)施了一個(gè)示范項(xiàng)目。

　　

　　黏度太大而難于加工

　　

　　與相應(yīng)的熱固性材料相比，熱塑性聚合物相對(duì)較高的黏度是帶來(lái)加工問(wèn)題的主要原因。

　　

　　“熱塑性樹(shù)脂的高黏度對(duì)浸漬方法提出了嚴(yán)格的要求，而后續(xù)的成型操作則對(duì)預(yù)成型件的完整性和模具提出了嚴(yán)格的要求。”EELCEE公司CEO Queein Chang-Manson介紹說(shuō)。

　　

　　為解決這一問(wèn)題，該公司正在成形預(yù)浸漬的纖維結(jié)構(gòu)，然后將預(yù)浸漬的預(yù)成型件（預(yù)浸料）放入模具中，并對(duì)其包覆成型，從而通過(guò)在模外浸漬連續(xù)纖維、然后再將此預(yù)浸料放入模具中，來(lái)解決連續(xù)纖維在注射或模壓模具中出現(xiàn)的浸漬不良問(wèn)題。

　　

　　“通過(guò)在注塑和模壓成型的部件中封裝單向纖維和織物復(fù)合材料的嵌件，QEE-TECH技術(shù)在設(shè)計(jì)空間上為大批量生產(chǎn)的熱塑性復(fù)合材料帶來(lái)了明顯的進(jìn)步，而且便于在一個(gè)單獨(dú)的部件中集成多種功能。”她解釋說(shuō)，“這為設(shè)計(jì)師帶來(lái)了設(shè)計(jì)自由度，允許他們將昂貴的高性能連續(xù)纖維材料只鋪放到必要的地方，同時(shí)采用較低成本、較低性能的易流動(dòng)性材料來(lái)確保形狀的自由度，以此來(lái)優(yōu)化成本和性能。”

　　

　　在一系列的應(yīng)用中，EELCEE公司已證明了可以減重20%~30%（特殊情況下高達(dá)50%），并可以降低10%~20%的成本。

　　

　　2013年，EELCEE公司在JEC亞洲展期間獲得了JEC創(chuàng)新獎(jiǎng)，當(dāng)時(shí)的獲獎(jiǎng)產(chǎn)品是由成型商韓華集團(tuán)采用三維 QEE-TECH技術(shù)為現(xiàn)代起亞汽車(chē)集團(tuán)生產(chǎn)的一種熱塑性保險(xiǎn)杠系統(tǒng)。

　　

　　

 

　　自動(dòng)化的鋪層、成形、切割和浸潤(rùn)。完全自動(dòng)化的QEE-TECH設(shè)備采用了一種夾具，它被固定在一個(gè)可旋轉(zhuǎn)、滑動(dòng)和（或）傾斜的臺(tái)面上。該裝置能快速地將材料鋪放成想要的三維形狀，由此而獲得的預(yù)成型件在得到自動(dòng)切割和預(yù)浸漬后，進(jìn)入注塑或模壓包覆成型操作中。這種三維預(yù)成型工藝可在60s的循環(huán)時(shí)間內(nèi)完成（圖片來(lái)自EELCEE公司）

　　

　　QEE-TECH三維預(yù)成型設(shè)備的設(shè)計(jì)，允許在一個(gè)單獨(dú)的操作步驟中，生產(chǎn)出擁有多種功能和訂制結(jié)構(gòu)性能的形狀復(fù)雜的部件。

　　

　　這一完全自動(dòng)化的過(guò)程，首先是從一個(gè)筒架拉出多根連續(xù)碳纖維或玻璃纖維的粗紗或絲束，使之通過(guò)一系列的模頭，以便采用適當(dāng)?shù)臉?shù)脂（如PA、PP、ABS和PEEK等）對(duì)其進(jìn)行浸潤(rùn)而開(kāi)始的。

　　

　　“當(dāng)強(qiáng)度是考慮的重點(diǎn)時(shí)，已經(jīng)證明了玻璃纖維是首選的替代材料，但如果高剛性是首要要求時(shí)，碳纖維可能是首選材料。”Chang-Manson說(shuō)。

　　

　　在浸潤(rùn)過(guò)程中，材料通過(guò)一個(gè)預(yù)熱爐。下一步，均勻的熔融絲束沉積到一個(gè)夾具上，該夾具被固定在一個(gè)可旋轉(zhuǎn)、滑動(dòng)或傾斜的工作臺(tái)機(jī)器人上。在沉積過(guò)程中，一個(gè)壓輥向絲束施加壓力。

　　

　　總之，該生產(chǎn)裝置采用了3臺(tái)機(jī)器人——一個(gè)頭部機(jī)器人系統(tǒng)用于沉積材料，另外還包括臺(tái)式機(jī)器人系統(tǒng)和支撐機(jī)器人系統(tǒng)。

　　

　　通過(guò)快速鋪放成一個(gè)理想的三維形狀，一個(gè)開(kāi)式、訂制的三維骨架（預(yù)浸料）即被制備出來(lái)。通過(guò)一個(gè)噴氣系統(tǒng)，鋪放的材料得到冷卻。然后，這一成品的固體復(fù)合材料預(yù)成型件在得到自動(dòng)切割后，進(jìn)入包覆成型操作中。

　　

　　這一完全自動(dòng)化的預(yù)成型生產(chǎn)設(shè)備可與集成的包覆成型操作同步，從而在高達(dá)400℃的溫度下實(shí)現(xiàn)高效鋪層。這種三維預(yù)成型工藝可在60s的節(jié)拍時(shí)間內(nèi)完成。

　　

　　“QEE-TECH技術(shù)是為大批量地生產(chǎn)結(jié)構(gòu)部件而設(shè)計(jì)的。”Chang-Manson強(qiáng)調(diào)說(shuō)，“每一個(gè)生產(chǎn)裝置提供不到1min.的節(jié)拍時(shí)間，每年可生產(chǎn)1萬(wàn)~30萬(wàn)個(gè)部件。”

　　

　　通常，傳統(tǒng)的規(guī)整或短纖維增強(qiáng)的聚合物（PA、PP、PET和ABS等）被用于包覆成型操作中，特別是注塑成型或模壓成型。

　　

　　“這是一種非等溫的工藝。”Chang-Manson解釋說(shuō)，“嵌件被預(yù)熱到剛好低于熔融的溫度，而包覆成型的材料被加熱到熔融溫度以上。由此，注塑壓力實(shí)現(xiàn)了低孔隙率以及嵌件與包覆成型的聚合物之間的良好粘接，循環(huán)時(shí)間與普通的注塑成型一樣。”

　　

　　據(jù)介紹，在被整合成一條生產(chǎn)線時(shí)，這種預(yù)成型工藝沒(méi)有對(duì)包覆成型的循環(huán)時(shí)間（與注塑成型的一樣）帶來(lái)負(fù)面影響。該預(yù)成型生產(chǎn)裝置還可被集成到其他的復(fù)合材料生產(chǎn)技術(shù)中，如RTM和熱成型。

　　

       復(fù)合材料的門(mén)模塊

 

　　

 

　　裝配連續(xù)纖維的“骨架”。QEE-TECH設(shè)備能夠?qū)?chē)門(mén)模塊的主要結(jié)構(gòu)強(qiáng)度部件進(jìn)行快速鋪層（左上），以創(chuàng)建出一些可以在模具中組合成一個(gè)開(kāi)式、訂制三維骨架的片料。當(dāng)被納入到一個(gè)集成的生產(chǎn)線中時(shí)，這種預(yù)成型工藝不影響包覆成型工藝的循環(huán)時(shí)間（圖片來(lái)自EELCEE公司）

　　

　　EELCEE公司與韓國(guó)的汽車(chē)零部件制造商Duckyang實(shí)業(yè)有限公司和MS Autotech公司合作，共同開(kāi)發(fā)了一種復(fù)合材料的門(mén)模塊。這項(xiàng)研究得到了韓國(guó)貿(mào)易、工業(yè)和能源部（MOTIE）以及韓國(guó)科學(xué)技術(shù)院（KIAT）的支持。

　　

　　“這一概念的價(jià)值主要在于，為同樣價(jià)格范圍的金屬門(mén)模塊提供了減重、降本和減少子部件數(shù)量的機(jī)遇。通過(guò)采用連續(xù)纖維預(yù)成型件對(duì)熱塑性復(fù)合材料的門(mén)進(jìn)行局部增強(qiáng)，可以實(shí)現(xiàn)高達(dá)20%的減重。”她補(bǔ)充道。

　　

　　針對(duì)這一門(mén)模塊，EELCEE公司采用了一種所謂的“M-Tow”專(zhuān)有系統(tǒng)。這是一種編織系統(tǒng)，可將單向帶纖維絲束與一種適當(dāng)?shù)睦w維編織物和（或）聚合物包封在一起，從而可以使絲束在隨后的自動(dòng)鋪層過(guò)程中受熱變形，而不會(huì)對(duì)復(fù)合材料的固結(jié)帶來(lái)任何損失，也不會(huì)出現(xiàn)聚合物的滲出。它還允許編織的絲束能夠在任何形式的三維鋪層過(guò)程中實(shí)現(xiàn)自支撐。

　　

 

　　只在所需之處使用連續(xù)纖維。這款采用QEE-TECH三維預(yù)成型件制成的熱塑性復(fù)合材料的車(chē)門(mén)僅由6個(gè)部件構(gòu)成，相比之下，鋼車(chē)門(mén)有17個(gè)部件。在打開(kāi)的門(mén)框架上可以看到這種包覆成型的預(yù)成型件（圖片來(lái)自EELCEE公司）

　　

　　QEE-TECH工藝還允許客戶能夠針對(duì)專(zhuān)門(mén)的載荷引入和載荷分布而鋪成各種各樣的三維預(yù)成型件。通過(guò)適當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)，還能夠減少子部件的數(shù)量——這種熱塑性復(fù)合材料的車(chē)門(mén)模塊僅由6個(gè)部件組成，相比之下，傳統(tǒng)的鋼門(mén)模塊由17個(gè)部件組成。

　　

　　“在開(kāi)發(fā)此部件時(shí)，需要考慮整個(gè)價(jià)值鏈的所有因素，包括：生產(chǎn)工藝和模具設(shè)計(jì)，裝配和使用壽命結(jié)束后。”Chang-Manson指出，“向局部引入嵌件可以提高性能，但這必然會(huì)增加復(fù)雜性。因此，非常重要的是，需要對(duì)‘在哪些方面優(yōu)先考慮性能以將復(fù)雜性降到最低’作出定義。”

　　

　　對(duì)車(chē)門(mén)的重新設(shè)計(jì)不僅集中在減重方面，還集中在工程強(qiáng)度方面。為驗(yàn)證工藝的可靠性和產(chǎn)品的性能，EELCEE公司在采用不同材料組合和形狀配置的各種預(yù)成型件上做了廣泛的試驗(yàn)。

　　

　　“我們的合作伙伴對(duì)生產(chǎn)出的原型部件非常滿意。”Chang-Manson說(shuō)，“它們尺寸穩(wěn)定，而且看起來(lái)有利于大批量生產(chǎn)。”

　　

　　據(jù)說(shuō)，韓國(guó)現(xiàn)代汽車(chē)有限公司已在緊密跟進(jìn)該車(chē)門(mén)項(xiàng)目，并正在考慮將此技術(shù)用于生產(chǎn)之中。

　　

　　試驗(yàn)完成后，EELCEE公司計(jì)劃聯(lián)系其他的OEMs。