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EELCEE公司開發(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)說為應(yīng)對這些挑戰(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公司與一家提供車門模塊的汽車供應(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，熱塑性聚合物相對較高的黏度是帶來加工問題的主要原因。

　　

　　“熱塑性樹脂的高黏度對浸漬方法提出了嚴(yán)格的要求，而后續(xù)的成型操作則對預(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。

　　

　　為解決這一問題，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，并對其包覆成型，從而通過在模外浸漬連續(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)的浸漬不良問題。

　　

　　“通過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，“這為設(shè)計(jì)師帶來了設(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)性材料來確保形狀的自由度，以此來優(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。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，使之通過一系列的模頭，以便采用適當(dāng)?shù)臉渲ㄈ鏟A、PP、ABS和PEEK等）對其進(jìn)行浸潤而開始的。

　　

　　“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。

　　

　　在浸潤過程中，材料通過一個(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)或傾斜的工作臺機(jī)器人上。在沉積過程中，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，另外還包括臺式機(jī)器人系統(tǒng)和支撐機(jī)器人系統(tǒng)。

　　

　　通過快速鋪放成一個(gè)理想的三維形狀，一個(gè)開式、訂制的三維骨架（預(yù)浸料）即被制備出來。通過一個(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，“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)1萬~30萬個(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，“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)成型工藝沒有對包覆成型的循環(huán)時(shí)間（與注塑成型的一樣）帶來負(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)合材料的門模塊

 

　　

 

　　裝配連續(xù)纖維的“骨架”。QEE-TECH設(shè)備能夠?qū)囬T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（圖片來自EELCEE公司）

　　

　　EELCEE公司與韓國的汽車零部件制造商Duckyang實(shí)業(yè)有限公司和MS Autotech公司合作，共同開發(fā)了一種復(fù)合材料的門模塊。這項(xiàng)研究得到了韓國貿(mào)易、工業(yè)和能源部（MOTIE）以及韓國科學(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)格范圍的金屬門模塊提供了減重、降本和減少子部件數(shù)量的機(jī)遇。通過采用連續(xù)纖維預(yù)成型件對熱塑性復(fù)合材料的門進(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。

　　

　　針對這一門模塊，EELCEE公司采用了一種所謂的“M-Tow”專有系統(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)鋪層過程中受熱變形，而不會(huì)對復(fù)合材料的固結(jié)帶來任何損失，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)合材料的車門僅由6個(gè)部件構(gòu)成，相比之下，鋼車門有17個(gè)部件。在打開的門框架上可以看到這種包覆成型的預(yù)成型件（圖片來自EELCEE公司）

　　

　　QEE-TECH工藝還允許客戶能夠針對專門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)合材料的車門模塊僅由6個(gè)部件組成，相比之下，傳統(tǒng)的鋼門模塊由17個(gè)部件組成。

　　

　　“在開發(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‘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。”

　　

　　對車門的重新設(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)。

　　

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

　　

　　據(jù)說，韓國現(xiàn)代汽車有限公司已在緊密跟進(jìn)該車門項(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。