僅用2分鐘的循環(huán)時間，

 

即在一個生產(chǎn)單元中，

 

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

 

    一個生產(chǎn)單元，多種工藝路線：OPTO-Light項目為通過熱塑性塑料的二次成型實現(xiàn)環(huán)氧CFRP部件的功能化而開發(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50個示范部件而得到了驗證（圖片來自亞琛工業(yè)大學(xué)AZL）

    就在初始工藝的優(yōu)勢被記錄在案的時候，OPTO-Light團隊意識到，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)氧樹脂中的剩余反應(yīng)性來實現(xiàn)與二次成型的熱塑性塑料的連接。

 

在未固化的環(huán)氧樹脂與PA6之間，有3種潛在的鍵合機制：

 

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

 

?以胺氫作供體、環(huán)氧氧作受體的氫鍵；

 

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

    Schares表示：“這種兩步法工藝的優(yōu)勢是，你可以越過預(yù)處理，但所需的過程控制更具挑戰(zhàn)性，而且表面沒有那么高質(zhì)量的光澤度。然而，通過簡化生產(chǎn)來進一步降低部件成本，這非常具有吸引力。”

    這項工藝路線的關(guān)鍵是過程監(jiān)控。“你必須了解預(yù)浸料模壓成型工藝，因為為了實現(xiàn)與熱塑性二次成型的良好結(jié)合，必須確保對固化狀態(tài)的了解。”他解釋道。

    對這種固化狀態(tài)的監(jiān)控是通過采用模內(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項目中，DCR/DEA過程控制采用一個由Synthesites Innovative Technologies公司（希臘Piraeus）提供的Optimold系統(tǒng)，它含有一個耐用的16mm DCR傳感器和 Optiview 軟件。Optimold以1Hz的采樣率監(jiān)測樹脂的電阻以及高達210℃的溫度和90bar的壓力。

    由Netzsch Gerätebau公司（德國Selb）提供的DEA288 Epsilon 分析設(shè)備包括一個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)化軟件是另一個重要組成部分。

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

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

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

    該團隊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單獨的過程，而是與包覆成型同時實現(xiàn)。

    OPTO-Light項目獲得了2017 AVK創(chuàng)新獎的研究和科學(xué)類獎項，這使其所帶來的顛覆性潛力得到了認可。

    該項目在2018年的最終報告中聲稱，為了使復(fù)合材料在大批量的汽車生產(chǎn)中實現(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項目已開發(fā)了一系列技術(shù)，包括基于光子學(xué)的計量學(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)還為進一步的混合工藝打開了大門，如用于加強注塑成型的激光加工。

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

    將多種制造工藝整合到單獨一個加工單元中，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Argentan）已整合了3D長絲纏繞和CNC加工，而聯(lián)合創(chuàng)始人Emanuel Flouvat則證實了進一步的整合：機器人能夠?qū)⒛┒藞?zhí)行器切換到超聲波或激光焊接機上，用于連接熱塑性塑料；或者切換到一個自動化的纖維鋪放頭上，以在局部應(yīng)用單向帶補強。

    “通過集成機器人引導(dǎo)的激光系統(tǒng)，為進一步在線組合技術(shù)而定義的‘工具箱’得到了擴展。”Schares表示，這是向自動化、多工藝復(fù)合材料制造邁進的又一重要一步。毫無疑問，不久，電子組件就會被集成到最終產(chǎn)品中。

    OPTO-Light項目在整合方面帶來的最后一條經(jīng)驗是合作伙伴關(guān)系。

    “管理該項目最有趣的挑戰(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特的專業(yè)經(jīng)驗，比如光子學(xué)、反應(yīng)聚合物、注塑成型和計量學(xué)），以及使他們對每項操作的效果有共同的理解并加以發(fā)展和推進，以此確保這一單一的工藝鏈取得成功。”Schares表示。

 

他強調(diào)了由幾個合作機構(gòu)提供的專業(yè)知識和支持的重要性：

?IKV提供了注塑成型經(jīng)驗和反應(yīng)聚合物；

?ISF提供了焊接和連接技術(shù)；

?弗勞恩霍夫IPT實現(xiàn)了激光集成；

?弗勞恩霍夫ILT提供了替代的激光源。

 

    “該項目展示了跨學(xué)科開發(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，它還為進一步的顛覆性創(chuàng)新奠定了基礎(chǔ)。