概述

長(zhǎng)纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料工藝(Long Fiber Reinforced Thermoplastics，簡(jiǎn)稱LFT工藝)是一種將纖維(通常為玻璃纖維，制品中的纖維長(zhǎng)度在10mm以上)與熱塑性樹(shù)脂基體(以聚丙烯為代表)通過(guò)熔融浸漬、反應(yīng)浸漬和雙螺桿混煉等工藝進(jìn)行復(fù)合后，再經(jīng)過(guò)造?；蛘咧苯釉诰€注塑/模壓來(lái)生產(chǎn)制品的工藝技術(shù)。LFT工藝具有熱固性纖維增強(qiáng)復(fù)合材料輕質(zhì)高強(qiáng)、可設(shè)計(jì)性強(qiáng)、抗疲勞性能好以及易實(shí)現(xiàn)多部件一體化等特點(diǎn)，同時(shí)還具備生產(chǎn)效率高、回收方便、生產(chǎn)能耗低和產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定性高等優(yōu)勢(shì)，其發(fā)展速度遠(yuǎn)超出復(fù)合材料的平均發(fā)展速度，目前已經(jīng)在歐美等國(guó)家的汽車工業(yè)中得到了廣泛應(yīng)用。

LFT工藝的分類和工藝原理

LFT工藝主要分為兩步法LFT工藝和在線LFT工藝兩大類。其中，兩步法LFT工藝是通過(guò)熔融浸漬技術(shù)、混紡與共編織技術(shù)，以及反應(yīng)浸漬等工藝手段，將纖維與熱塑性基體復(fù)合為粒狀原料或者熱塑性片狀材料，然后在制造工廠進(jìn)行二次加熱后注塑或模壓成最終產(chǎn)品的工藝方法。采用這種工藝方法的代表性公司包括GE、RTP、Ticona、ICI、Borealis、Owens Corning和Sabic等。在線LFT工藝是指在生產(chǎn)線上連續(xù)完成纖維和塑料基體的復(fù)合以及產(chǎn)品的制造過(guò)程。與兩步法相比，該工藝減少了一次加熱過(guò)程，同時(shí)可以保持更長(zhǎng)的纖維長(zhǎng)度，并減少對(duì)纖維表面的損傷，具有更好的生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)性。因此，本文將重點(diǎn)對(duì)在線LFT工藝方法和應(yīng)用進(jìn)行介紹。

目前，在線LFT工藝主要分為L(zhǎng)FT擠出模壓和LFT在線混煉注塑兩種。LFT擠出模壓技術(shù)最具代表性的是Dieffenbacher公司的LFT-D-ILC(Long Fiber reinforced Thermoplastics - Direct processing - In Line Compounding)技術(shù)。其工藝設(shè)備布置如圖1所示。

圖1 Dieffenbacher公司的LFT-D-ILC工藝布置圖

在這種工藝方案中，第一臺(tái)雙螺桿擠出機(jī)將塑料粒料和添加劑熔融混合，并擠出到第二臺(tái)雙螺桿擠出機(jī)中。第二臺(tái)擠出機(jī)將玻纖切斷，并與塑料熔體混合均勻，擠成約200~300mm寬的條形料。條形料通過(guò)帶有加熱功能的傳送帶向前輸送，并由工業(yè)機(jī)器人抓取后送至模具中進(jìn)行模壓成型。

LFT-D ILC具有很多優(yōu)點(diǎn)：(1)采用直接加工，對(duì)纖維增強(qiáng)塑料進(jìn)行在線擠出和壓制，并在高速液壓機(jī)上產(chǎn)生成品部件。這種方式不需要采購(gòu)半成品，能夠極大地提高成本效率，并節(jié)約物流成本;(2)在雙機(jī)床操作中，可將循環(huán)時(shí)間縮短至22s，使得大規(guī)模自動(dòng)化生產(chǎn)成為可能;(3)可通過(guò)與連續(xù)纖維結(jié)合來(lái)生產(chǎn)可視性表面和結(jié)構(gòu)部件。

圖2 Coperion 公司的D-LFT 長(zhǎng)玻纖增強(qiáng)熱塑性塑料在線配混工藝設(shè)備布置示意圖

德國(guó)Coperion公司的D-LFT長(zhǎng)玻纖增強(qiáng)熱塑性塑料在線配混技術(shù)是另一個(gè)比較有代表性的LFT擠出模壓工藝技術(shù)。該生產(chǎn)工藝(其工藝設(shè)備布置如圖2所示)使用的核心設(shè)備是ZSK雙螺桿混煉機(jī)，該設(shè)備主要由驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)、減速箱、止推軸承系統(tǒng)和潤(rùn)滑油系統(tǒng)、擠出機(jī)加工段以及擠出機(jī)排料單元等組成。其中，擠出機(jī)的加工段由單個(gè)的機(jī)筒以模塊化方式構(gòu)成，同時(shí)包括一套同向旋轉(zhuǎn)螺桿。工程師可以選擇不同結(jié)構(gòu)的機(jī)筒和螺桿塊進(jìn)行組合，然后將螺桿塊安裝到漸開(kāi)線式花鍵的芯軸上，從而為不同的產(chǎn)品配方設(shè)定不同的工藝配置。帶重量計(jì)量的進(jìn)料裝置配有3組分上料裝置和高精度的振動(dòng)弦傳感器，該稱重式上料裝置的計(jì)量精度可高達(dá)±0.25%。這種設(shè)備的另一個(gè)特點(diǎn)是配有雙履帶傳送系統(tǒng)，可同時(shí)為平行布置的兩臺(tái)液壓機(jī)提供LFT片狀料。

克勞斯瑪菲公司開(kāi)發(fā)的在線配混注塑成型設(shè)備(其工作原理如圖3所示)為L(zhǎng)FT工藝的實(shí)現(xiàn)提供了一種新的方法。該設(shè)備將雙螺桿混煉機(jī)和克勞斯瑪菲的標(biāo)準(zhǔn)MC塑料注塑機(jī)組合，實(shí)現(xiàn)了原料在線直接混煉。這種混煉-注塑方法具有更多優(yōu)勢(shì)：(1)聚合物只需加熱一次，極大地降低了生產(chǎn)成本;(2)避免損害材料，使材料的質(zhì)量得到顯著改善;(3)配方靈活，且可對(duì)配方材料進(jìn)行靈活調(diào)整;(4)纖維加工簡(jiǎn)單，而且能夠在熔料中對(duì)纖維進(jìn)行涂覆，有效提高了涂覆界面效果并保持纖維長(zhǎng)度;(5)節(jié)省材料成本。

LFT工藝產(chǎn)品應(yīng)用

采用在線LFT工藝時(shí)，通過(guò)調(diào)整切斷螺桿結(jié)構(gòu)，可以獲得不同長(zhǎng)度的纖維。通常，切斷后的纖維長(zhǎng)度在25.4mm左右，而在制品中，長(zhǎng)度大于15mm的纖維占纖維總量的比例超過(guò)50%，因此可賦予最終制品更高的力學(xué)性能、抗蠕變和耐疲勞性能。

目前，LFT工藝已在汽車防撞梁、前端模塊、儀表盤骨架、車門中間承載板、電瓶箱、座椅骨架板、備胎倉(cāng)以及車底部護(hù)板等結(jié)構(gòu)件和半結(jié)構(gòu)件中得到廣泛應(yīng)用。乘用車的前端模塊是其中最具代表性的產(chǎn)品應(yīng)用。據(jù)泰科納的資料介紹，德國(guó)大眾公司一款車型的前端最初采用金屬制造，零件數(shù)量為7個(gè)，重量為9.5kg;而采用LFT工藝成型后，零件數(shù)量削減至1個(gè)，產(chǎn)品重量約3kg。

第五代德國(guó)大眾Jetta車型的前端模塊采用克勞斯瑪菲的IMC在線混煉注塑設(shè)備KM2000-14000IMC生產(chǎn)而成(如圖所示)。該部件以聚丙烯為基體材料，并由30%的玻璃纖維增強(qiáng)。

采用LFT注塑成型工藝生產(chǎn)第5代Jetta前端模塊

采用LFT模壓成型的代表性汽車部件包括：Fiat Stilo車型的前端模塊，采用30%玻纖增強(qiáng)的聚丙烯制造，外形尺寸為1490mm×550mm×330mm，重量為3.5kg，成型周期為35s;大眾Touran車型的備胎倉(cāng)蓋，外形尺寸為730mm×690mm×18mm，重量為2.3kg，成型周期為25s;Mercedes E級(jí)車的儀表板支架，外形尺寸為1530mm×500mm×2920mm，重量為3.2kg，成型周期為40s。

LFT模壓成型與LFT注塑成型各有特點(diǎn)。前者能夠在成型過(guò)程中將不同類型的纖維增強(qiáng)熱塑性塑料的織物布置在需要更高強(qiáng)度的位置，得到更輕質(zhì)的結(jié)構(gòu)部件，從而優(yōu)化承力結(jié)構(gòu)。例如，BMW E 46的前端模塊，該部件整體采用30%玻纖增強(qiáng)的聚丙烯材料，并在受力較大的位置鋪放了60%玻纖含量的Twimtex織物。與全部采用LFT材料的同等部件相比，其產(chǎn)品重量從3.75kg降低至2.551kg，減少了30%。

LFT注塑工藝具有常規(guī)注塑工藝的優(yōu)勢(shì)，可以制造非常復(fù)雜的帶有筋結(jié)構(gòu)和多向抽芯結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品，更適合制造復(fù)雜結(jié)構(gòu)的零件總成，而且連續(xù)生產(chǎn)時(shí)的效率高，生產(chǎn)過(guò)程的穩(wěn)定性更好。

LFT注塑成型的汽車部件

目前，LFT工藝在汽車部件中的應(yīng)用除了非外觀結(jié)構(gòu)和半結(jié)構(gòu)部件以外，用于外觀部件的制造技術(shù)也逐漸成熟。例如，將巴斯夫開(kāi)發(fā)的PMF(無(wú)漆膜成型)表層工藝與LFT工藝進(jìn)行復(fù)合，可以提供更為優(yōu)質(zhì)的外觀表面。另一種技術(shù)是，將預(yù)先沖壓好的金屬部件與LFT工藝復(fù)合，并在注塑前放入模具中，可合模后注塑成型出金屬/非金屬?gòu)?fù)合結(jié)構(gòu)，并由金屬層提供優(yōu)質(zhì)的外觀表面。

在國(guó)內(nèi)，北京中材汽車復(fù)合材料有限公司于2011年引入了克勞斯瑪菲的KM2000-24500 MX IMC和Coperion公司的ZSK 70 Mc MEGA compounder兩套生產(chǎn)線，并成功開(kāi)發(fā)出了一款乘用車前端支架和防撞梁。

隨著LFT工藝技術(shù)逐漸被國(guó)內(nèi)廠商熟知，相信會(huì)有越來(lái)越多的LFT產(chǎn)品被應(yīng)用到國(guó)內(nèi)的汽車工業(yè)、電器及物流等行業(yè)中。