一種行業(yè)領先的集成成型單元，
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合材料部件的功能化生產(chǎn)。
熱塑性帶材的自動化預成型及后續(xù)的混合成型——熱成型以及將加強肋、夾子和凸臺等二次注射成型到部件表面上，被譽為是“復合材料制造在諸如汽車等大批量應用中的未來”。
但是，如果能夠將熱塑性塑料的韌性和注塑成型特征的功能性與碳纖維增強環(huán)氧部件的高性能結合起來呢？
這就是為期3年、于2018年結束的OPTO-Light項目所回答的問題。
該項目作為德國聯(lián)邦教育和研究部（簡稱“BMBF”）為大批量生產(chǎn)的輕量化結構而開發(fā)光子學（激光等基于光的技術）戰(zhàn)略的一部分，得到了BMBF的資助。
該項目被授予亞琛工業(yè)大學亞琛綜合輕量化結構中心（簡稱“AZL”），該中心為與8家研究機構合作的公司提供單一園區(qū)，來開發(fā)輕量化的材料、生產(chǎn)技術和應用。
OPTO-Light項目的明顯成就是將高剛性、輕量化和環(huán)氧基碳纖維增強塑料（CFRP）的低蠕變性與高設計自由度及熱塑性塑料二次成型的短循環(huán)時間等優(yōu)勢集于一體，但這只是該項目實現(xiàn)的眾多潛在的復合材料行業(yè)顛覆性創(chuàng)新之一。
其創(chuàng)新還包括：
◆ 為將熱塑性塑料連接到三維熱固性表面而開發(fā)激光預處理技術；
◆ 將反應聚合物加工、激光加工和二次成型這三大技術集成到一個循環(huán)時間快速的單一生產(chǎn)單元中；
◆ 水平預浸料模壓成型（簡稱“HPCM”）：將材料垂直粘貼在標準注塑機中進行加工；
◆ 開發(fā)滿足預浸料模壓成型和熱塑性塑料二次成型所有要求的單一旋轉模具；
◆ 開發(fā)用于激光預處理臨界對準的光學部件參照方法，以及沿自由三維曲面進行二次成型；
◆ 展示創(chuàng)新工藝：用2min的循環(huán)時間，生產(chǎn)寶馬i3電動汽車生命模塊地板的三維結構部分。
事實上，該項目在2018年4月的最終報告中聲稱，與目前采用濕法模壓成型以及用粘合劑單獨粘接夾子嵌件的生產(chǎn)相比，這項技術可以將汽車CFRP部件的成本降低30%。
大批量生產(chǎn)的示范：寶馬i3生命模塊地板的一部分被選中用來演示這項工藝用于大批量生產(chǎn)的可擴展性。為模壓成型該部件的殼體，評估了4種不同的環(huán)氧預浸料（圖片來自亞琛工業(yè)大學AZL）
從熱塑性到熱固性的合作伙伴
為什么要將熱塑性塑料的二次成型連接到一個熱固性塑料的部件上？
“采用環(huán)氧樹脂制成的熱固性CFRP部件為汽車車身提供了最佳性能。”AZL的研究工程師Richard Schares聲稱，二次成型的熱塑性復合材料加強肋，則提高了部件的設計剛度（截面模量），從而減少了所需要的碳纖維數(shù)量。
“采用一個與CFRP殼體同樣厚度的加強肋，OPTO-Light示范部件的特定彎曲剛度可以增加3倍。”他補充道。
二次成型通過為螺栓提供成型的連接夾或凸臺，能進一步降低部件成本，同時為防止在碳纖維與金屬緊固件之間出現(xiàn)電偶腐蝕而提供隔離。
因此，雖然研究的目標被確定了，但問題是如何在單獨一個成型單元中組合兩種材料。
Schares對如何選擇行業(yè)合作伙伴作了介紹。“寶馬擁有最豐富的CFRP部件批量生產(chǎn)經(jīng)驗，而克勞斯瑪菲在創(chuàng)造組合技術方面非常踴躍，如該公司的ColorForm 多組分注塑成型機和FiberForm混合成型機。”
OPTO-Light示范部件是一個470mm長、317mm寬和130mm深的寶馬i3生命模塊地板的一部分，包括輪艙的端壁。
“該部件的承載情況要求在發(fā)生碰撞時具有良好的剛度和強度。”Schares解釋說，“我們還想要復雜的形狀和懸垂，以證明采用水平預浸料的模壓成型、激光燒蝕和沿自由表面的二次成型是合適的。”
熱塑性-熱固性的混合生產(chǎn)：寶馬i3生命模塊地板的一部分，展示了一種大批量生產(chǎn)混合復合材料部件的成型單元，它利用中央水平轉模板來兼容熱固性預浸料的模壓成型和熱塑性塑料的二次成型，而光子學則提供了基本的部件參照（圖片來自亞琛工業(yè)大學AZL和Arges）
為什么是光子學？
德國資助了一項長期戰(zhàn)略，以繼續(xù)發(fā)展光子學技術，因為該技術在當前全球制造業(yè)數(shù)字化轉型的過程中發(fā)揮著重要作用。
復合材料行業(yè)應該注意到，光子學不僅支持先進加工，如自動化的纖維鋪放、熱塑性塑料的激光焊接、精密加工及各種3D打印工藝，還為計量、過程監(jiān)控和在線檢測而啟用傳感器和視覺通信。
在OPTO-Light項目中，一種近紅外（簡稱“NIR”）激光被用于對二次成型的表面進行預處理。此外，各種激光傳感器還為過程控制和在線質量保證（QA）提供數(shù)據(jù)。
OPTO-Light項目的最后4個合作伙伴是德國的光子系統(tǒng)供應商：
◆ Arges（德國Wackersdorf）是一家激光加工用3D掃描儀的專業(yè)公司，該公司通常開發(fā)創(chuàng)新的激光掃描系統(tǒng)、工業(yè)材料加工和醫(yī)療應用中的定位和偏轉激光束，現(xiàn)在，又開發(fā)了一種用于燒蝕和加熱的Arges雙光束單元；
◆ Precitec（德國Gaggenau）提供用于測量距離（在整個過程中的燒蝕和部件參照期間使用）的干涉?zhèn)鞲衅鳎?/div>
◆ Sensortherm（德國Sulzbach）提供有助于過程控制的高溫計（溫度傳感器）；
◆ 卡爾蔡司光學技術公司（之前的Steinbichler，德國Neubeuern）為質量保證提供T掃描用的激光掃描儀。“它測量部件的幾何形狀并檢測潛在的變形。”Schares解釋道，“它會顯示缺陷，如二次成型的肋未完全粘接到CFRP殼體上。”
所有這些系統(tǒng)都被集成到多功能的激光掃描儀中，它被安裝到六軸庫卡（德國Augsburg）機器人手臂的末端。
新型的混合材料及加工單元：一臺克勞斯瑪菲CXW-200-380/180注塑機與庫卡機器人上的多功能激光掃描儀末端執(zhí)行器相結合，將3個工藝集成到一個成型單元中（圖片來自亞琛工業(yè)大學AZL和Arges）
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