HP-RTM技術(shù)用于汽車輕量化設(shè)計(jì)

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(guó)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(chǎng)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。

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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。



由碳纖維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。壓機(jī)在很短的建壓時(shí)間內(nèi)達(dá)到450 mm/s的合模速度和40 mm/s的壓制速度。迪芬巴赫短沖程系統(tǒng)能夠確保壓機(jī)具有非常高的能效，尤其具有很短的成型時(shí)間和較大的滑塊行程。與傳統(tǒng)的壓制成型技術(shù)相比，可以提高50%的能效。



壓制控制系統(tǒng)允許使用不同的操作程序，并能縮短生產(chǎn)周期。模座周期性地進(jìn)入和離開壓機(jī)，只需要很短的換模式時(shí)間、裝卸過程，以及生產(chǎn)線下對(duì)下半模的清潔。

完成高壓注射過程后，可以通過再加壓來獲得部件質(zhì)量的改善。

注射過程

將低粘度的反應(yīng)性混合物注入到閉模中浸漬預(yù)制件。通過使用克勞斯瑪菲的技術(shù)，能夠使注射速度達(dá)到10-200 g/s，取決于樹脂系統(tǒng)以及部件的尺寸和工藝設(shè)計(jì)。在一個(gè)閉環(huán)過程中，對(duì)樹脂和固化劑進(jìn)行精確計(jì)量，并在高壓下進(jìn)行混合，得到反應(yīng)性混合物。

高壓計(jì)量使得注射時(shí)間更短，并提高了預(yù)制件的浸潤(rùn)度，因而能以較短的固化時(shí)間來處理樹脂系統(tǒng)。這帶來了更短的生產(chǎn)周期和更高的成本效益。此外，這還提供了額外的好處，比如，能在保持出色的表面品質(zhì)的同時(shí)獲得更低的孔隙度。而對(duì)溫度的精確控制則能進(jìn)一步縮短加工周期，并從特殊RTM樹脂體系中獲益。



采用克勞斯瑪菲的高壓混合頭消除了耗費(fèi)成本的停工時(shí)間，也無需使用清洗傳統(tǒng)低壓混合頭時(shí)所需的特殊材料。這種混合頭具有自清潔能力，因此能在大批量生產(chǎn)時(shí)表現(xiàn)出突出的能效優(yōu)勢(shì)，它的這種優(yōu)勢(shì)已經(jīng)在多種量化生產(chǎn)中得到了驗(yàn)證。

通過脫模劑供料塊，能夠?qū)⒐に囁璧拿撃┲苯右刖o湊的自清潔克勞斯瑪菲高壓混合頭，并且，即使在最低劑量（如0.1 g/sec）時(shí)，仍具有極高的準(zhǔn)確性和工藝可靠性。具有高精度、高重復(fù)性的脫模劑計(jì)量對(duì)于可靠地實(shí)施下游工藝來說無疑是非常必要的。

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修整

修整是工藝鏈最后步驟的其中一環(huán)。包括部件的外廓修邊，增加安裝孔和嵌件開孔。用銑刀進(jìn)行的修整采用的由克勞斯瑪菲開發(fā)的定制化解決方案?？梢圆捎米詣?dòng)化切割臺(tái)或手提式切割機(jī)。工具的選擇主要取決于部件的尺寸和復(fù)雜程度。機(jī)器人被用于在工藝步驟之間進(jìn)行零部件的處理。



HP-RTM交鑰匙車間

迪芬巴赫、克勞斯瑪菲，以及弗勞恩霍夫化學(xué)技術(shù)研究所（ICT）和LCC Munich之間的合作，使得從單一供應(yīng)源進(jìn)行HP-RTM工藝交鑰匙解決方案的全球交付成為可能。由這些企業(yè)共同開發(fā)的這種創(chuàng)新HP-RTM生產(chǎn)線包含了以下特點(diǎn)：

◆ 高生產(chǎn)率；
◆ 始終如一的高度自動(dòng)化；
◆ 較短的加工周期；
◆ 自動(dòng)化預(yù)成型加工；

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◆ 節(jié)能的壓制技術(shù)；
◆ 自清潔高壓混合頭；
◆ 無論是預(yù)成型加工還是注射過程都無需使用輔助材料；
◆ 保持出色的表面質(zhì)量，同時(shí)具有低孔隙率。

這項(xiàng)合作的一個(gè)重要因素在于可持續(xù)發(fā)展的HP-RTM工藝技術(shù)，以及HP-RTM整體式生產(chǎn)線的未來發(fā)展。為了提升這項(xiàng)技術(shù)，弗勞恩霍夫ICT裝備了一個(gè)由迪芬巴赫壓制機(jī)和克勞斯瑪菲HP-RTM混合計(jì)量單元（RimStar Thermo）構(gòu)成的RTM設(shè)備單元。這套裝置既被用于內(nèi)部測(cè)試，也可用于客戶實(shí)驗(yàn)。這些研發(fā)通過實(shí)驗(yàn)室以及交付給知名企業(yè)的那些設(shè)備，突顯了其成功之處。

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