僅用2分鐘的循環(huán)時(shí)間，

 

即在一個(gè)生產(chǎn)單元中，

 

實(shí)現(xiàn)了無(wú)需粘合劑的混合復(fù)合材料部件的功能化生產(chǎn)。

 

    一個(gè)生產(chǎn)單元，多種工藝路線：OPTO-Light項(xiàng)目為通過(guò)熱塑性塑料的二次成型實(shí)現(xiàn)環(huán)氧CFRP部件的功能化而開(kāi)發(fā)了不同的工藝路線。采用激光燒蝕的工藝路線1和消除激光以利于共固化的工藝路線2，都通過(guò)50個(gè)示范部件而得到了驗(yàn)證（圖片來(lái)自亞琛工業(yè)大學(xué)AZL）

    就在初始工藝的優(yōu)勢(shì)被記錄在案的時(shí)候，OPTO-Light團(tuán)隊(duì)意識(shí)到，可以取消激光預(yù)處理。

   這種兩步工藝只能部分固化這種環(huán)氧預(yù)浸料外殼，以及利用環(huán)氧樹(shù)脂中的剩余反應(yīng)性來(lái)實(shí)現(xiàn)與二次成型的熱塑性塑料的連接。

 

在未固化的環(huán)氧樹(shù)脂與PA6之間，有3種潛在的鍵合機(jī)制：

 

?反應(yīng)性環(huán)氧環(huán)與PA胺基之間的共價(jià)鍵合；

 

?以胺氫作供體、環(huán)氧氧作受體的氫鍵；

 

?由擴(kuò)散效應(yīng)引起的半互穿網(wǎng)絡(luò)，可通過(guò)PA分子鏈的高溫遷移率實(shí)現(xiàn)。

    Schares表示：“這種兩步法工藝的優(yōu)勢(shì)是，你可以越過(guò)預(yù)處理，但所需的過(guò)程控制更具挑戰(zhàn)性，而且表面沒(méi)有那么高質(zhì)量的光澤度。然而，通過(guò)簡(jiǎn)化生產(chǎn)來(lái)進(jìn)一步降低部件成本，這非常具有吸引力。”

    這項(xiàng)工藝路線的關(guān)鍵是過(guò)程監(jiān)控。“你必須了解預(yù)浸料模壓成型工藝，因?yàn)闉榱藢?shí)現(xiàn)與熱塑性二次成型的良好結(jié)合，必須確保對(duì)固化狀態(tài)的了解。”他解釋道。

    對(duì)這種固化狀態(tài)的監(jiān)控是通過(guò)采用模內(nèi)壓力溫度傳感器以及模內(nèi)直流電阻率（DCR）和介電（DEA）分析傳感器實(shí)現(xiàn)的。

DCR和DEA在復(fù)合材料固化監(jiān)控方面有很好的應(yīng)用。

    在OPTO-Light項(xiàng)目中，DCR/DEA過(guò)程控制采用一個(gè)由Synthesites Innovative Technologies公司（希臘Piraeus）提供的Optimold系統(tǒng)，它含有一個(gè)耐用的16mm DCR傳感器和 Optiview 軟件。Optimold以1Hz的采樣率監(jiān)測(cè)樹(shù)脂的電阻以及高達(dá)210℃的溫度和90bar的壓力。

    由Netzsch Gerätebau公司（德國(guó)Selb）提供的DEA288 Epsilon 分析設(shè)備包括一個(gè)4mm的陶瓷單電極和Proteus軟件。

    Kistler Instruments公司（瑞士Winterthur）的DataFlow注射成型優(yōu)化軟件是另一個(gè)重要組成部分。

    通過(guò)DCR/DEA傳感器信號(hào)，描述了“從在模具中固定預(yù)浸料預(yù)成型件開(kāi)始，到從二次注射成型型腔中頂出為結(jié)束”的整個(gè)過(guò)程。這些數(shù)據(jù)對(duì)于在固化和二次成型之前確定模壓成型的最佳固化時(shí)間是至關(guān)重要的。 這些傳感器有助于在加工過(guò)程中表征材料的特性從而獲得最佳部件質(zhì)量。

    未來(lái)，通過(guò)DEA和DCR傳感器信號(hào)來(lái)觸發(fā)工藝的轉(zhuǎn)動(dòng)，使得這一過(guò)程可以是自適應(yīng)的和智能的。

    采用第二個(gè)更短的OPTO-Light工藝路線所作的初步試驗(yàn)，顯示出了9 N/mm2的拉脫強(qiáng)度和更高的環(huán)氧樹(shù)脂-PA6連接剪切強(qiáng)度。為提高這種連接強(qiáng)度，正在努力做的工作包括更多地使用過(guò)程監(jiān)控。

    該團(tuán)隊(duì)還在探索一種一步法的工藝，其中，水平預(yù)浸料模壓成型不再是一個(gè)單獨(dú)的過(guò)程，而是與包覆成型同時(shí)實(shí)現(xiàn)。

    OPTO-Light項(xiàng)目獲得了2017 AVK創(chuàng)新獎(jiǎng)的研究和科學(xué)類獎(jiǎng)項(xiàng)，這使其所帶來(lái)的顛覆性潛力得到了認(rèn)可。

    該項(xiàng)目在2018年的最終報(bào)告中聲稱，為了使復(fù)合材料在大批量的汽車生產(chǎn)中實(shí)現(xiàn)與金屬同等的成本效益，不僅要在部件中最大程度地整合功能，而且還要集成用于制造這些部件的所有工藝。

    OPTO-Light項(xiàng)目已開(kāi)發(fā)了一系列技術(shù)，包括基于光子學(xué)的計(jì)量學(xué)、表面處理以及熱塑性塑料/熱固性塑料的成型。這些技術(shù)還為進(jìn)一步的混合工藝打開(kāi)了大門(mén)，如用于加強(qiáng)注塑成型的激光加工。

    “通過(guò)在成型單元中集成開(kāi)發(fā)的激光工具，現(xiàn)在可以在加工聚合物之前、之間或之后，在注塑機(jī)內(nèi)部進(jìn)行激光消融、切割、預(yù)處理或加熱。”Schares解釋說(shuō)，“這擴(kuò)展了未來(lái)部件的功能。”

    將多種制造工藝整合到單獨(dú)一個(gè)加工單元中，這一思路正在復(fù)合材料領(lǐng)域獲得發(fā)展。比如，許多數(shù)控機(jī)床制造商現(xiàn)在提供整合了增材制造和減法CNC加工的生產(chǎn)單元。

    MF Tech公司（法國(guó)Argentan）已整合了3D長(zhǎng)絲纏繞和CNC加工，而聯(lián)合創(chuàng)始人Emanuel Flouvat則證實(shí)了進(jìn)一步的整合：機(jī)器人能夠?qū)⒛┒藞?zhí)行器切換到超聲波或激光焊接機(jī)上，用于連接熱塑性塑料；或者切換到一個(gè)自動(dòng)化的纖維鋪放頭上，以在局部應(yīng)用單向帶補(bǔ)強(qiáng)。

    “通過(guò)集成機(jī)器人引導(dǎo)的激光系統(tǒng)，為進(jìn)一步在線組合技術(shù)而定義的‘工具箱’得到了擴(kuò)展。”Schares表示，這是向自動(dòng)化、多工藝復(fù)合材料制造邁進(jìn)的又一重要一步。毫無(wú)疑問(wèn)，不久，電子組件就會(huì)被集成到最終產(chǎn)品中。

    OPTO-Light項(xiàng)目在整合方面帶來(lái)的最后一條經(jīng)驗(yàn)是合作伙伴關(guān)系。

    “管理該項(xiàng)目最有趣的挑戰(zhàn)是，如何選擇所有不同的合作伙伴（每一家合作伙伴都有其獨(dú)特的專業(yè)經(jīng)驗(yàn)，比如光子學(xué)、反應(yīng)聚合物、注塑成型和計(jì)量學(xué)），以及使他們對(duì)每項(xiàng)操作的效果有共同的理解并加以發(fā)展和推進(jìn)，以此確保這一單一的工藝鏈取得成功。”Schares表示。

 

他強(qiáng)調(diào)了由幾個(gè)合作機(jī)構(gòu)提供的專業(yè)知識(shí)和支持的重要性：

?IKV提供了注塑成型經(jīng)驗(yàn)和反應(yīng)聚合物；

?ISF提供了焊接和連接技術(shù)；

?弗勞恩霍夫IPT實(shí)現(xiàn)了激光集成；

?弗勞恩霍夫ILT提供了替代的激光源。

 

    “該項(xiàng)目展示了跨學(xué)科開(kāi)發(fā)在有效解決低成本復(fù)合材料生產(chǎn)的技術(shù)難題方面所具有的能力。”Schares表示，它還為進(jìn)一步的顛覆性創(chuàng)新奠定了基礎(chǔ)。