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纤维复合材料部件自动化生产新应用

来源:国际塑料商情 发布时间:2022-09-27 365
化工塑料橡胶塑料加工设备模具及零件材料处理、计量与检测原料及混合物添加剂及母粒其他增强塑料 技术前沿
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目前有两个行业对FPP技术表现出了极大的兴趣:航空航天领域用于夹层结构多材料轻量化部件的自动化铺叠工艺以及氢动力汽车(FCEV)用于CFRP压力容器的制造,它们借此可实现两位数的节省。在这两个领域,FPP是首个通过纤维铺叠工艺自动化来实现生产工业化的技术。

机器人制造技术纤维贴片铺放(FPP)扩展了结构复杂的纤维复合材料部件实现自动化生产的可能性。在FPP铺叠过程中,将固定的纤维贴片从纤维带上切割下来并通过两个机器人和一个柔性贴片夹具直接放置在3D模具上(标题图)。贴片和夹具的大小根据部件的尺寸和复杂性进行调整。由于该工艺是通过一系列单独控制的贴片铺放来实现的,因此FPP可以对整个层压铺叠周期进行更高等级的过程控制。专用的CAD-CAM软件简化了贴片层压板的创建。作为工艺的核心要素之一,该软件包含一个FE接口并配备生产系统的数字孪生,执行全自动机器人离线编程。过程质量控制系统用于在纤维铺叠开始之前检测潜在的缺陷(图1)。此外,根据应用的不同,整体生产力还有可能提高5-10倍,相当于节省20%-60%的成本和加工时间。


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标题图:纤维缠绕压力罐的层压加固。贴片和夹具的形状根据部件的尺寸和复杂性进行调整 (© Cevotec)


FPP技术的特性尤其适用于复杂的多材料航空结构的铺叠自动化以及纤维缠绕复合材料罐层压板的加固,具体如下文所述。

复杂的多材料航空结构的铺叠自动化


高质量比刚度使复合材料夹层结构适用于飞机上对重量有严格限制的应用。但是,在这些部件的生产过程中,结构复杂性以及胶膜、玻璃和碳纤维层等多种材料的混合带来了特别的挑战。生产通常需要数道工序并涉及耗时的手动铺叠和中间压实步骤。


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FPP技术可用于加工多种纤维材料,因此能够通过一个生产系统实现此类部件的全自动化生产。纤维材料可直接放置在弯曲或倒角的蜂窝芯上(图2)。它取代了手动铺叠工序,通常有助于提高铺叠精度和可重复性。
铺放机器人的沉积压力可以调节和控制,因此能够显著减少甚至消除中间压实步骤,进而节省宝贵的加工时间。24层纤维所示孔隙度小于1%。


实时过程控制可确保始终如一的高质量部件:两个视觉检测单元用于分析:
◆ 铺放开始前每个贴片的质量;
◆ 贴片在铺放夹具上的相对位置。


因此,该系统可确保只有100%符合规格的原材料才会被精确地放置在预期位置上。


柔性工艺还使夹层结构和贴片层能够在一个集成的生产工艺中进行组合铺叠(图3)。FPP专用的Artist Studio软件为组合层压方法提供全面支持。它为开发过程中所需的层压板调整提供了灵活性,同时显著减少了设计迭代的工作量和时间。

带有FPP圆顶增强结构的H2复合材料罐


复合材料压力容器是氢动力汽车的重要储存系统。工作压力高达700 bar的圆柱形罐子的主要成本来自碳纤维材料,占总成本的50%以上。为了提高复合材料压力容器的存储效率,美国能源部早在2013年就对圆顶增强结构的效果进行了研究,但直到今天仍缺乏工业化生产方法。


通过改造FPP技术,Cevotec开发了一种可全自动放置储罐增强结构(标题图、图4)的工业解决方案。接着,将包含增强结构的容器转移到成熟的长丝缠绕工艺(FW)。罐子的重量和制造成本因此降低了15%,同时获得了同等的机械性能。


机器人FPP系统将增强贴片直接放置在衬套的圆顶区域。这些贴片替代了平时通过FW工艺应用的大角度缠绕层(HAHL)。但是,与HAHL不同的是,贴片不会超出容器的圆柱部,因为它们在那里只能对机械性能产生很小的影响。根据容器的纵横比不同,它有助于节省大量的材料。增强结构还有助于在圆柱体和圆顶之间实现更平滑的刚度过渡,从而进一步优化层压板设计。


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图3:如图上的航空航天部件所示,该工艺还可用于夹层结构和贴片层的组合铺叠 © Cevotec


贴片被应用于一个与FW平行的独立工艺。这种并行化能够减少约15%的整体周期时间,从而提高现有FW生产线的储罐容量。总之,批量生产的复合材料容器的综合效益会使所有制造商很快得到回报:FPP圆顶增强结构的必要投资可在一到两年内收回。

基于柔性模块的定制生产系统


工业用户以及研发合作伙伴看到了FPP技术的巨大好处。2020年,弗劳恩霍夫铸造、复合材料和加工技术研究所(IGCV)为其位于德国迈廷根的纤维铺放中心(FPC)订购了一套Cevotec的Samba Pro Prepreg生产系统。Samba系列FPP系统是用于高要求纤维铺叠的自动化生产平台,用Artist Studio软件进行编程。它们基于三个可扩展的关键模块——材料进料和切割(超声波或激光切割)、贴片铺放以及配备快速更换系统的模具架和机械手,并且可以根据特定要求灵活组合和调整。该系统可供FPC的工业合作伙伴以及所有对其感兴趣的公司使用,用于开发基于FPP技术的CFRP自动化生产工艺。


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图4:机器人系统将增强贴片直接放置在压力容器的圆顶区域 (© Cevotec)


自2021年夏季以来,Samba Step系统帮助德国奥格斯堡的材料资源管理研究所拓展了研究机会。借助光纤贴片铺放技术,奥格斯堡大学和奥格斯堡应用技术大学在人工智能(AI)和新材料领域进行了研发。Cevotec公司的Samba Step系统位于德国奥格斯堡创新园最近开放的材料资源管理(MRM)研究所大楼内。


2022年第一季度,位于美国堪萨斯州的威奇托州立大学(WSU)国家航空研究所(NIAR)订购了一套Samba Pro Prepreg系统,而这也是美国本土第一个FPP生产平台。作为美国领先的航空航天研究机构,NIAR积极参与了航空航天复合材料结构的开发。Cevotec公司的FPP系统将被纳入Niar Atlas(航空航天系统高级技术实验室)用于复合材料研究的自动化制造技术组合中,并将为美国的复合材料开发商和制造商创造新的研发机会,尤其是在国防社区领域。


本文翻译自KUNSTSTOFFE INTERNATIONAL杂志
作者:Daniela Klotz


来源:荣格-《国际塑料商情》

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