一個(gè)示范的汽車預(yù)成型件

在降低復(fù)合材料部件的生產(chǎn)成本、縮短生產(chǎn)節(jié)拍的競(jìng)爭(zhēng)中，自動(dòng)化技術(shù)已成功地將裁切、成型和加工轉(zhuǎn)變成更適合工業(yè)化生產(chǎn)的工藝流程。然而，就在不久前，為成型三維部件而制備增強(qiáng)材料的預(yù)成型生產(chǎn)步驟，似乎依然是一個(gè)生產(chǎn)瓶頸：這是一個(gè)復(fù)雜、步驟較多且通常為人工操作的加工過程。最近3年來，能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)化預(yù)成型的新興技術(shù)已越來越多，得益于機(jī)器人技術(shù)與自動(dòng)化的帶鋪放(ATL)或自動(dòng)化的纖維鋪放(AFP)技術(shù)的結(jié)合，這些技術(shù)最終走向成熟，并實(shí)現(xiàn)了商業(yè)化應(yīng)用。

2015年，為航空航天工業(yè)提供專用生產(chǎn)系統(tǒng)的德國(guó)Broetje Automation公司推出了其STAXX Compact 1700自動(dòng)化AFP工作單元，用于生產(chǎn)近凈形狀的預(yù)成型件。

“當(dāng)我們開始開發(fā)時(shí)，已有許多公司重點(diǎn)在為航空航天工業(yè)開發(fā)自動(dòng)化的纖維鋪放技術(shù)。”Broetje Automation的子公司——德國(guó)BA復(fù)合材料有限公司的副總裁 Matthias Meyer博士介紹說，“所以，我們將開發(fā)的重點(diǎn)放在了汽車和工業(yè)領(lǐng)域，同時(shí)還注重采用低成本的材料——碳纖維預(yù)浸絲(towpreg)。”

這也促使該單元被設(shè)計(jì)成為一種封閉的、可以自動(dòng)調(diào)節(jié)溫度的加工單元，它擁有3m(寬)× 6.5m (長(zhǎng))× 3m (高)的緊湊尺寸，因而可以在幾乎任何工廠中快速投入生產(chǎn)。

Meyer對(duì)碳纖維預(yù)浸絲(towpreg)的定義是：采用典型的環(huán)氧樹脂基體浸漬的碳纖維粗紗，并指出，STAXX還能夠加工適用于后續(xù)液體成型的粘結(jié)劑干纖維，或者加工一種熱塑性的材料。它們?cè)陬A(yù)成型后，可以通過簡(jiǎn)單的熱成型變成最終的部件。

STAXX 還可以加工切割好的窄條預(yù)浸帶，因?yàn)樗苋コ骋r膜，但它的使用同時(shí)也增加了成本，因?yàn)樾枰箢A(yù)浸分切操作。

STAXX Compact 1700配有：兩個(gè)料卷盒，每一個(gè)可容納16卷碳纖維預(yù)浸絲(towpreg);一個(gè)AFP頭，它配有一個(gè)緊湊的夾緊/切割/再啟動(dòng)裝置;一個(gè)轉(zhuǎn)臺(tái)。

STAXX Compact 1700提供40m/min的材料進(jìn)給速度，鋪層速度是30kg/h,臺(tái)板尺寸(部件的鋪層面積)是1525mm×900mm。相比50%的廢品率，它還可以實(shí)現(xiàn)不到5%的廢品率。

轉(zhuǎn)臺(tái)和對(duì)鋪層坯料的構(gòu)建看起來類似于德國(guó)迪芬巴赫的Fiberforge RELAY Station。但Meyer聲稱，迪芬巴赫的RELAY采用的是帶有超聲波點(diǎn)焊的自動(dòng)鋪帶(ATL)技術(shù)，而不是連續(xù)壓實(shí)的AFP，而且STAXX的轉(zhuǎn)臺(tái)還能夠在Z軸方向運(yùn)行500mm，這使得集成三明治芯材和專用嵌件成為可能。

“正因如此，我們采用了一種零點(diǎn)夾緊系統(tǒng)。”Meyer補(bǔ)充道，“無論是人工操作，還是通過機(jī)器人實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的拾取-鋪放，你可以將臺(tái)板取出來，非常精確地將嵌件裝到其上，然后以不到0.1mm的公差把它放回單元中。”

他表示，對(duì)于AFP而言，雖然這是新的做法，但這種做法在金屬切削行業(yè)中早已成為一種標(biāo)準(zhǔn)，因此，大部分的CNC控制被設(shè)計(jì)到了STAXX之中。比如，STAXX有兩個(gè)臺(tái)板，當(dāng)向一個(gè)臺(tái)板擺放部件時(shí)，另一個(gè)臺(tái)板同時(shí)在完成鋪層操作，由此而最大程度地增加了產(chǎn)出。

Meyer還表示，一個(gè)很大的優(yōu)勢(shì)是，它為纖維取向帶來了設(shè)計(jì)自由度。“STAXX可以按0°～180°之間的任何角度鋪放纖維，按0.01°遞增。”

成型的部件(圖片來自Broetje Automation)

到目前為止，STAXX示范生產(chǎn)的部件有汽車的通道、地板和B柱。“我們已經(jīng)證明，我們能夠用單獨(dú)一臺(tái)機(jī)器，每年生產(chǎn)10萬個(gè)用于豪華轎車的B柱。我們還制造航空部件，如肋、夾板和支架等，以及工業(yè)部件。”

作者：GINGER GARDINER