預(yù)成型
關(guān)注創(chuàng)建者：晉源貔貅 創(chuàng)建時(shí)間：2018-09-26
預(yù)成型的實(shí)例教程
一個(gè)示范的汽車預(yù)成型件
在降低復(fù)合材料部件的生產(chǎn)成本、縮短生產(chǎn)節(jié)拍的競爭中，自動(dòng)化技術(shù)已成功地將裁切、成型和加工轉(zhuǎn)變成更適合工業(yè)化生產(chǎn)的工藝流程。
然而，就在不久前，為成型三維部件而制備增強(qiáng)材料的預(yù)成型生產(chǎn)步驟，似乎依然是一個(gè)生產(chǎn)瓶頸：這是一個(gè)復(fù)雜、步驟較多且通常為人工操作的加工過程。
最近3年來，能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)化預(yù)成型的新興技術(shù)已越來越多，得益于機(jī)器人技術(shù)與自動(dòng)化的帶鋪放（ATL）或自動(dòng)化的纖維鋪放（AFP）技術(shù)的結(jié)合，這些技術(shù)最終走向成熟，并實(shí)現(xiàn)了商業(yè)化應(yīng)用。
雖然德國Compositence公司已開發(fā)了一種基于AFP的方法用于生產(chǎn)近凈形狀的預(yù)成型件，但該公司還超越于此，與寶馬合作開發(fā)了其稱之為 “multifunctional tow（多功能絲束）”的產(chǎn)品，它顯著提升了懸垂性和材料產(chǎn)出。
該公司的預(yù)成型系統(tǒng)主要包括以下元素：
一個(gè)卷軸架；
2D（臺(tái)架）或3D (機(jī)器人)的操作系統(tǒng)，配有可快速更換的AFP頭；
一個(gè)安裝在直線導(dǎo)軌上的轉(zhuǎn)臺(tái)。
準(zhǔn)備于2017年之后投入生產(chǎn)的最新系統(tǒng)，將在1min.內(nèi)同時(shí)鋪放4個(gè)預(yù)成型件（比如1.25m×0.75mm）。兩個(gè)系統(tǒng)可以處理碳纖維預(yù)浸絲（towpreg）、干纖維和熱塑性帶材。
Compositence公司的銷售負(fù)責(zé)人Thomas Dobiasch說，基于這項(xiàng)工藝的航空起源，傳統(tǒng)的AFP通常使用6.35~12.7mm寬的帶材。為開發(fā)汽車部件， Compositence的系統(tǒng)采用了纖維面重150~600g/m2、寬度≥12mm的帶材。據(jù)Dobiasch介紹，這是因?yàn)殇伔耪牧系臅r(shí)間過長。
“對(duì)我們而言，預(yù)成型件的鋪層速度必須控制在與成型機(jī)同樣的節(jié)拍時(shí)間內(nèi)，而注塑成型的時(shí)間是1min.。”
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在降低復(fù)合材料部件的生產(chǎn)成本、縮短生產(chǎn)節(jié)拍的競爭中，自動(dòng)化技術(shù)已成功地將裁切、成型和加工轉(zhuǎn)變成更適合工業(yè)化生產(chǎn)的工藝流程。
然而，就在不久前，為成型三維部件而制備增強(qiáng)材料的預(yù)成型生產(chǎn)步驟，似乎依然是一個(gè)生產(chǎn)瓶頸：這是一個(gè)復(fù)雜、步驟較多且通常為人工操作的加工過程。
最近3年來，能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)化預(yù)成型的新興技術(shù)已越來越多，得益于機(jī)器人技術(shù)與自動(dòng)化的帶鋪放（ATL）或自動(dòng)化的纖維鋪放（AFP）技術(shù)的結(jié)合，這些技術(shù)最終走向成熟，并實(shí)現(xiàn)了商業(yè)化應(yīng)用。
2015年，為航空航天工業(yè)提供專用生產(chǎn)系統(tǒng)的德國Broetje Automation公司推出了其STAXX Compact 1700自動(dòng)化AFP工作單元，用于生產(chǎn)近凈形狀的預(yù)成型件。
“當(dāng)我們開始開發(fā)時(shí)，已有許多公司重點(diǎn)在為航空航天工業(yè)開發(fā)自動(dòng)化的纖維鋪放技術(shù)。”Broetje Automation的子公司——德國BA復(fù)合材料有限公司的副總裁 Matthias Meyer博士介紹說，“所以，我們將開發(fā)的重點(diǎn)放在了汽車和工業(yè)領(lǐng)域，同時(shí)還注重采用低成本的材料——碳纖維預(yù)浸絲（towpreg）。”
這也促使該單元被設(shè)計(jì)成為一種封閉的、可以自動(dòng)調(diào)節(jié)溫度的加工單元，它擁有3m（寬）×6.5m（長）×3m（高）的緊湊尺寸，因而可以在幾乎任何工廠中快速投入生產(chǎn)。
Meyer對(duì)碳纖維預(yù)浸絲（towpreg）的定義是：采用典型的環(huán)氧樹脂基體浸漬的碳纖維粗紗，并指出，STAXX還能夠加工適用于后續(xù)液體成型的粘結(jié)劑干纖維，或者加工一種熱塑性的材料。它們?cè)?em>預(yù)成型后，可以通過簡單的熱成型變成最終的部件。
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在降低復(fù)合材料部件的生產(chǎn)成本、縮短生產(chǎn)節(jié)拍的競爭中，自動(dòng)化技術(shù)已成功地將裁切、成型和加工轉(zhuǎn)變成更適合工業(yè)化生產(chǎn)的工藝流程。
然而，就在不久前，為成型三維部件而制備增強(qiáng)材料的預(yù)成型生產(chǎn)步驟，似乎依然是一個(gè)生產(chǎn)瓶頸：這是一個(gè)復(fù)雜、步驟較多且通常為人工操作的加工過程。
最近3年來，能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)化預(yù)成型的新興技術(shù)已越來越多，得益于機(jī)器人技術(shù)與自動(dòng)化的帶鋪放（ATL）或自動(dòng)化的纖維鋪放（AFP）技術(shù)的結(jié)合，這些技術(shù)最終走向成熟，并實(shí)現(xiàn)了商業(yè)化應(yīng)用。
2015年，為航空航天工業(yè)提供專用生產(chǎn)系統(tǒng)的德國Broetje Automation公司推出了其STAXX Compact 1700自動(dòng)化AFP工作單元，用于生產(chǎn)近凈形狀的預(yù)成型件。
“當(dāng)我們開始開發(fā)時(shí)，已有許多公司重點(diǎn)在為航空航天工業(yè)開發(fā)自動(dòng)化的纖維鋪放技術(shù)。”Broetje Automation的子公司——德國BA復(fù)合材料有限公司的副總裁 Matthias Meyer博士介紹說，“所以，我們將開發(fā)的重點(diǎn)放在了汽車和工業(yè)領(lǐng)域，同時(shí)還注重采用低成本的材料——碳纖維預(yù)浸絲（towpreg）。”
這也促使該單元被設(shè)計(jì)成為一種封閉的、可以自動(dòng)調(diào)節(jié)溫度的加工單元，它擁有3m（寬）×6.5m（長）×3m（高）的緊湊尺寸，因而可以在幾乎任何工廠中快速投入生產(chǎn)。
Meyer對(duì)碳纖維預(yù)浸絲（towpreg）的定義是：采用典型的環(huán)氧樹脂基體浸漬的碳纖維粗紗，并指出，STAXX還能夠加工適用于后續(xù)液體成型的粘結(jié)劑干纖維，或者加工一種熱塑性的材料。它們?cè)?em>預(yù)成型后，可以通過簡單的熱成型變成最終的部件。
展開 航空工業(yè)目前正采用樹脂傳遞模塑成型工藝（RTM），進(jìn)行大型高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)件的生產(chǎn)。然而，其生產(chǎn)效率很低，有時(shí)還需大量的手工作業(yè)。在汽車的制造過程中，采用RTM工藝進(jìn)行零部件的生產(chǎn)，主要是為了達(dá)到更好的視覺效果，并且只用于小批量生產(chǎn)的頂級(jí)轎車中。若能為量化生產(chǎn)開發(fā)出一條可靠的自動(dòng)化RTM生產(chǎn)線，則纖維增強(qiáng)塑料（FRP）將能夠更加廣泛地應(yīng)用于汽車高強(qiáng)度承重結(jié)構(gòu)件的生產(chǎn)。
德國加工機(jī)械領(lǐng)域的專家迪芬巴赫公司（Dieffenbacher）和克勞斯瑪菲公司（KraussMaffei）在RTM技術(shù)領(lǐng)域展開了合作，他們對(duì)以上的市場需求做出了響應(yīng)——開發(fā)了一條高壓樹脂傳遞模塑成型工藝（HP-RTM）的自動(dòng)化生產(chǎn)線。這條生產(chǎn)系統(tǒng)包括了預(yù)成型加工、壓制過程，以及修整工藝。相比于傳統(tǒng)的RTM工藝，該HP-RTM工藝減少了樹脂注射次數(shù)，提高了預(yù)制件的浸漬質(zhì)量，并縮短了成型周期。
預(yù)成型
對(duì)于HP-RTM部件的生產(chǎn)，需要制造一個(gè)由織物增強(qiáng)材料制成的預(yù)制件。這樣的預(yù)制件在迪芬巴赫的預(yù)成型中心制造完成，通常使用一個(gè)完全自動(dòng)化的過程。
由碳纖或玻纖制成柔軟的纖維織物或纖維氈從卷軸上開卷后放入切割機(jī)。使用CNC切割技術(shù)，纖維鋪層被切割成部件加工所需尺寸。該過程通過由現(xiàn)有的CAD零件參數(shù)得到的切割程序完成。切割成形的纖維鋪層材料層合到一起，然后放置到成型單元中。
可以使用機(jī)器人來可靠地處理切割織物、纖維氈，以及預(yù)制件。預(yù)制件成型中心可以作為一個(gè)單獨(dú)的單元來運(yùn)行，也可與壓制工藝一起結(jié)合在產(chǎn)線上。
壓制過程
預(yù)制件的加工過程之后就是壓制過程。該過程包括用環(huán)氧樹脂系統(tǒng)浸漬預(yù)制件，以及其固化過程。
在用機(jī)器人將預(yù)制件放置到RTM模具中之后，根據(jù)模內(nèi)壓力及部件的尺寸和復(fù)雜性，采用一臺(tái)迪芬巴赫液壓壓機(jī)用高達(dá)36000 kN（3600 t）的壓力完成實(shí)際的壓制過程。
展開 壓縮成型制程常被產(chǎn)業(yè)界用于制造復(fù)雜的復(fù)合材料產(chǎn)品(圖一)，其中片狀預(yù)浸材(Sheet Molding Compound, SMC)、玻璃纖維熱塑性材料(glass mat thermoplastic, GMT)及預(yù)浸料(Prepreg)成型，是實(shí)務(wù)上常使用的壓縮成型種類。然而復(fù)材的流變特性包括了固態(tài)和液態(tài)行為，造成在模擬分析上的困難；其原因是商用的仿真軟件，通常只具備液態(tài)行為或結(jié)構(gòu)變形其中一種的計(jì)算功能；而這兩種計(jì)算應(yīng)用，是來自于不同的方程式。
圖一 壓縮成型制程
片狀預(yù)浸材壓縮成型的數(shù)值模擬整合了兩種方法，包括計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(Computational Fluid Dynamics, CFD）和計(jì)算結(jié)構(gòu)力學(xué)(Computational Structural Mechanics, CSM)，分別用以預(yù)測壓縮成型過程中的片狀預(yù)浸材的產(chǎn)品變形和流動(dòng)行為。
要完整仿真該制程，必須結(jié)合FEA軟件LS-DYNA以及模流分析軟件Moldex3D，分別以CSM和CFD研究壓縮成型制程中的行為(圖二)。LS-DYNA負(fù)責(zé)計(jì)算原始的纖維墊形狀、溫度、應(yīng)力及非等向性材料性質(zhì)；接著這些計(jì)算結(jié)果將投射到Moldex3D，由Moldex3D接手完成壓縮成型分析(圖三)。二者整合之后，在Moldex3D的流動(dòng)和翹曲分析結(jié)果中，成功地呈現(xiàn)出片狀預(yù)浸材在模壓成型的復(fù)雜行為。
圖二 LS-DYNA與Moldex3D整合流程圖
圖三 可以成功模擬壓縮制程中的翹曲變化
此功能是Moldex3D 2022的一項(xiàng)突破，透過與LS-DYNA的整合(片狀預(yù)浸材的變形行為由LS-DYNA計(jì)算而得；液態(tài)行為和纖維排向則是由Moldex3D計(jì)算而得)，使用者能夠完整且精準(zhǔn)地模擬片狀預(yù)浸材在壓縮成型制程中的各個(gè)階段狀態(tài)，為產(chǎn)品及制程設(shè)計(jì)提供了更可靠的信息。
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預(yù)成型的最新內(nèi)容
I-pin繞組無需預(yù)成型且為單槽裝配，槽滿率可達(dá)74%，功率、扭矩與效率性能優(yōu)異。其制造難度低，但焊接工藝繁瑣，端部高度較大，裝配復(fù)雜度較高。
S-winding繞組：目前以博格華納為代表。S-winding繞組成型后兩頭端部無需焊接，端部空間尺寸更小，具有更優(yōu)秀的NVH性能和冷卻效果。其扭矩密度高，結(jié)構(gòu)緊湊，功率密度可達(dá)10kW/kg。
另外，壓縮成型的預(yù)填料設(shè)定也同樣在此頁面。
步驟6：執(zhí)行分析。在分析順序的下拉式選單中，選擇完整分析并點(diǎn)擊現(xiàn)在執(zhí)行。任務(wù)管理器將會(huì)啟動(dòng)以顯示實(shí)時(shí)的計(jì)算狀態(tài)。
- 后處理
在分析結(jié)束后，從分析結(jié)果中偵測潛在問題。使用 "報(bào)表生成程序" 產(chǎn)生報(bào)告。以下詳列封裝分析步驟。
所謂焊機(jī)泵浦技術(shù)(圖1)使用由各種軟焊料合金(如錫基無鉛焊料、低熔點(diǎn)合金或高熔點(diǎn)共熔合金金-錫，金-硅或金-鍺焊料) 制成的直徑范圍為40至760μm的球形焊料預(yù)成型件。為了能夠通過焊接技術(shù)將玻璃或晶體連接到金屬或陶瓷基板上，這就要求將可附著的金屬層涂覆到光學(xué)元件上，可通過物理汽相沉積(PVD)實(shí)現(xiàn)[3]。
另外，壓縮成型的預(yù)填料設(shè)定也同樣在此頁面。
步驟6：執(zhí)行分析。在分析順序的下拉式選單中，選擇完整分析并點(diǎn)擊現(xiàn)在執(zhí)行。任務(wù)管理器將會(huì)啟動(dòng)以顯示實(shí)時(shí)的計(jì)算狀態(tài)。
后處理
在分析結(jié)束后，從分析結(jié)果中偵測潛在問題。使用 "報(bào)表生成程序" 產(chǎn)生報(bào)告。以下詳列封裝分析步驟。
采用纖維纏繞技術(shù)的非軸對(duì)稱形狀
對(duì)于簡單的軸對(duì)稱噴嘴結(jié)構(gòu)（圓柱形/圓形噴嘴），可以使用纖維纏繞工藝，這比其他復(fù)合材料預(yù)成型工藝更便宜。另一方面，對(duì)于具有急彎的非圓柱形的飛機(jī)組件，使用纖維纏繞工藝是極具挑戰(zhàn)的。因此，為了用傳統(tǒng)的纖維纏繞工藝均勻地包裹非軸對(duì)稱形狀的外部，必須提前通過CAD/CAM工藝設(shè)計(jì)仿真工具創(chuàng)建準(zhǔn)確的纖維放置和纏繞軌跡。
另外，壓縮成型的預(yù)填料設(shè)定也同樣在此頁面。
步驟6：執(zhí)行分析。在分析順序的下拉式選單中，選擇完整分析并點(diǎn)擊現(xiàn)在執(zhí)行。任務(wù)管理器將會(huì)啟動(dòng)以顯示實(shí)時(shí)的計(jì)算狀態(tài)。
- 后處理
在分析結(jié)束后，從分析結(jié)果中偵測潛在問題。使用 "報(bào)表生成程序" 產(chǎn)生報(bào)告。以下詳列封裝分析步驟。
另外，壓縮成型的預(yù)填料設(shè)定也同樣在此頁面。
步驟6：執(zhí)行分析。在分析順序的下拉式選單中，選擇完整分析并點(diǎn)擊現(xiàn)在執(zhí)行。任務(wù)管理器將會(huì)啟動(dòng)以顯示實(shí)時(shí)的計(jì)算狀態(tài)。
后處理
在分析結(jié)束后，從分析結(jié)果中偵測潛在問題。使用 "報(bào)表生成程序" 產(chǎn)生報(bào)告。以下詳列封裝分析步驟。
使用島津儀器(蘇州)有限公司的電子萬能材料試驗(yàn)機(jī) AGX-V100KN，按照 GB/T 1449—2005[22]測試CF/EP 復(fù)合材料的彎曲性能(樣條尺寸 40 mm×15mm×2mm)，將上述工藝制備的取向纖維氈和非取向纖維氈裁剪成形狀和尺寸一致的預(yù)成型坯料并層疊放在模具中。
它通過賦予更好的預(yù)成型件生坯強(qiáng)度來簡化加工助劑[56]。僅添加原料的芳綸纖維不充分并且溫度較高。因此，如果摩擦性能的有效性失去了強(qiáng)度，制動(dòng)應(yīng)用將不適合芳綸纖維。為了克服這個(gè)問題，纖維及其復(fù)合材料的組合增強(qiáng)了摩擦效果。因此，它與其他纖維一起使用，可以創(chuàng)造出彼此不同但又獨(dú)特的有效特性。
究其原因，空氣和缺乏相溶性 的物料以及脫模劑之類的物質(zhì)積滯于此，在連續(xù)生產(chǎn)的初期產(chǎn)品的表面變得模糊不清，隨后 模具表面上逐漸有污垢產(chǎn)生，這時(shí)應(yīng)盡早對(duì)模 具進(jìn)行清洗，另外，硫化快的膠料在流動(dòng)的表 層會(huì)出現(xiàn)焦燒的現(xiàn)象，所以對(duì)預(yù)成型工藝（壓 延、擠出）中的熱歷史、膠料停放的時(shí)間都要 給予關(guān)注。同一批膠料隨著停放時(shí)間的增加， 膠料的不良率會(huì)逐漸增大。
