如何大批量生產複合材料製品?

06-11

如何大批量生產複合材料製品?

收藏分享 2010-8-20 18:12| 發布者: fuheadmin| 原作者: JEC|來自: 復材在線

摘要: 工業化生產幾乎是每一個產業的發展方向，額定時間內生產出批量的、質量穩定的複合材料製品，是生產商所需要的，目前複合材料工藝和設備的發展，正體現如何採用現有的工藝和材料來滿足大批量生產的需求，特別是針對關 ...

如何大批量生產複合材料製品複合材料大批量生產工業化生產幾乎是每一個產業的發展方向，額定時間內生產出批量的、質量穩定的複合材料製品，是生產商所需要的，目前複合材料工藝和設備的發展，正體現如何採用現有的工藝和材料來滿足大批量生產的需求，特別是針對關鍵的結構性大型製件。

圖 1，自動化的應用能夠大幅提高複合材料製品的生產效率

早在多年前，一些改進的技術就已進入試製階段，目前已實現了量產化。例如，使用機器人完成複合材料游泳池和浴缸的自動化成型生產。此外，還可採用一些方法來省略工藝步驟，減少人工用量，使成型過程更簡單，如「一步噴射」單向玻纖的熱塑性或熱固性複合材料成型工藝。其中，一些新技術已在小型、簡單製品的生產中得到了商業化應用，並正向大型、複雜製件的方向拓展。機器人的多樣化應用

在過去的5年里，法國Matrasur Composites已將機器人和自動化系統應用於複合材料的成型生產中，一般，獨立的機器人工作單元可以完成一些專項任務，如噴射、修邊和粘接等，但是Matrasur新的生產設施則將多個機器人與其他的自動化系統整合到了一起。該公司安裝在法國南部一家工廠中的第一套此類設施，集成了大型傳送帶、2個機器人和4個操作員，能夠在8h內噴射成型6個游泳池（10m×4m），也就是說，每個游泳池只需花費5.33個人工時，而在集成自動化系統之前，同樣的生產設施需要花費26個人工時才能完成一個游泳池的製造。

2年前，Matrasur在法國的第二套全自動化的生產設施渴望能夠節省更多的人工成本。該生產設施被一家大型廠商用於衛浴製品的生產，於2008年9月開工。它有2條平行的生產線，7個機器人（多數是6軸機器人）和一個操作員能在24h內生產出200多個浴缸和淋浴槽。

在這家工廠中，首先由熱成型設備生產出聚丙烯板材的產品外殼，然後由機器人將此外殼移送到傳送帶上，再由傳送帶將其輸送到噴射工位。在噴射工位處，另一些機器人將短切玻纖和聚酯樹脂噴射到外殼上，經室溫固化後，再由機器人將其送到修邊工位，由另一個機器人完成修邊和打孔工作。最後，一個機器人將製品放到傳送帶上進入包裝程序。據說該製造商本來計劃將其生產轉移到勞動力便宜的國家，但機器人的使用則幫助其保持了競爭力。目前，Matrasur已經開發出了用於干法碳纖維預浸料鋪層的機器人系統。

圖 2，Torque 5切割頭主軸轉速可達24 000 r/min，是真正的高速機械頭。

義大利CMS公司推出的一款不同尋常的五軸機械頭，被稱作「Torque 5」，該公司是一家複合材料的熱成型及修邊設備製造商。CMS表示，Torque 5是第一款由伺服馬達直接驅動的機械頭。該公司用Fanuc的伺服馬達取代了通常的齒輪箱伺服馬達，其優點是，可提供更高的速度和更精確的定位。其中，切割頭主軸轉速可達24 000 r/min。

隨著聚氨酯複合材料應用的持續增長，義大利Sirtek公司推出了「機器人PUR噴塗圍房」，該設備是Sirtek與義大利的聚氨酯設備供應商Cannon SpA 和CMA Robotics SpA合作開發的，其中的6軸和7軸「自教式」機器人可實現噴塗作業。該機器人系統使用了低VOC排放的PUR樹脂，該樹脂也由Sirtek生產。

瞄準大型製品的一步法工藝

總部位於英國的ACG公司（美國分部位於俄克拉荷馬的圖爾薩）研發出了可變復材系統（DForm)，一種可通過短切纖維的相互滑移、可選擇間隙彌補的多層預浸單向帶材料。每個間隙允許很小的移動，在壓力作用下，這種組合可使長纖維變形以適應複雜形狀。據介紹，這一特性需結合一專用工具與模具一起來實現。其強度接近織物的強度，但可避免織物花紋的印出。這種材料可製作具有A級表面的輕質高強的汽車車身部件。

英國Aeroform公司是一家使用熱壓罐工藝的複合材料成型商。該公司為大型部件開發了一種新的碳纖環氧樹脂預浸料，能與RTM展開競爭。其在工藝中使用了連續熱片材懸垂成型技術（continuous hot-drape forming technology），該技術是Aeroform公司於2004年收購了Hampshire Laminating之後獲得的，其特點是：將定向碳纖維增強預浸料進行多層鋪放，以形成製件疊層，然後使用可移動的加熱燈對其進行加熱，以獲得預成型的半固化態製件。通常的加熱燈是以176－212℉（80－100℃）的操作溫度對預浸料疊層進行加熱，然後完成真空成型，但Aeroform將用於HDF（Hampshire Drape Forming）工藝的加熱燈的操作溫度提升到了180℃，這一熱量足以使環氧樹脂預浸料達到半固化態，從而縮短了其在熱壓罐中的成型周期。

波音和空中客車兩家飛機製造商都使用了HDF工藝，用於複合材料機翼部件的成型，製品長度達16m。目前，人們甚至在討論使用更大型的懸垂成型設備來生產長達32m的機翼梁或機架製件，該成型工藝也被用於輕量化的汽車部件的試生產中。

此外，使用特製纖維增強材料生產更大型製品的另一種成型工藝是球膽成型工藝，該技術由澳大利亞Quickstep Technologies公司於2001年推出。Quickstep的液體灌注球膽成型工藝的首要應用市場，是大型薄壁熱固性和熱塑性複合材料製品，如快艇和皮艇部件。現在Quickstep公司正在其Dayton試驗工廠中，採用真空袋壓技術來固化成型很厚（達50.8mm）的環氧樹脂預浸料。

這一由聚烷撐二醇填充的球膽，能夠被加熱至400℉（204.4℃），據說其加熱速率比在標準熱壓罐中快66%。然後，球膽中的熱流體快速轉換成室溫狀態下的流體，對製品進行快速冷卻，使製品在固化中所產生的熱量被迅速帶走。其整個成型周期約為8h，而通常的熱壓灌成型則需要大約24h。Quickstep技術的目標是取代傳統的熱壓灌技術，用于飛機部件的大批量生產。該公司期望能在今年獲得批准，以在歐洲和澳大利亞使用該技術生產直升機的地板和機架。

法國Nidaplast Composites對外展示了一種新的、用於大型夾層板的浸漬成型概念，即Rovipan。該技術可將帶有流體介質的玻纖增強材料與Nidaplast的8RI（8mm樹脂浸潤）PP蜂窩芯層材料結合在一起，其設計特點是，樹脂不會浸潤到蜂窩孔內。2007年，真空浸漬的Rovipan夾層板首次被商業化應用於卡車地板的製造中。目前，Rovipan已經將該技術用於風力渦輪機艙的試製中。

Gurit為其Sprint產品線引進了2種新的帶有功能層的預浸料，以降低材料成本和成型周期。SprintIPT內置一層膠膜，從而無需單獨上膠（the separate application），並省略了模內膠層（in-mold gel coat）的固化過程。SparPreg是一種極重的高密度材料（1000~1800 g/m2），被設計用於風機葉片的結構梁。據說由它生產的層壓板具有非常低的孔隙率，一般只有1％－2％，而標準的用於風能主梁的材料，其孔隙率通常會達到6％－10％。因此，該材料能夠採用標準的真空成型工藝進行生產，且無需壓實處理。由於具有良好的透氣性，因此該材料不必採用干纖維來排除空氣，從而節約了人工和材料成本。