一種行業(yè)領(lǐng)先的集成成型單元，
僅用2分鐘的循環(huán)時(shí)間，
即在一個(gè)生產(chǎn)單元中
實(shí)現(xiàn)了無需粘合劑的混合復(fù)合材料部件的功能化生產(chǎn)。
熱塑性帶材的自動(dòng)化預(yù)成型及后續(xù)的混合成型——熱成型以及將加強(qiáng)肋、夾子和凸臺(tái)等二次注射成型到部件表面上，被譽(yù)為是“復(fù)合材料制造在諸如汽車等大批量應(yīng)用中的未來”。
但是，如果能夠?qū)崴苄运芰系捻g性和注塑成型特征的功能性與碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧部件的高性能結(jié)合起來呢？
這就是為期3年、于2018年結(jié)束的OPTO-Light項(xiàng)目所回答的問題。
該項(xiàng)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(jié)構(gòu)而開發(fā)光子學(xué)（激光等基于光的技術(shù)）戰(zhàn)略的一部分，得到了BMBF的資助。
該項(xiàng)目被授予亞琛工業(yè)大學(xué)亞琛綜合輕量化結(jié)構(gòu)中心（簡稱“AZL”），該中心為與8家研究機(jī)構(gòu)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(shù)和應(yīng)用。
OPTO-Light項(xiàng)目的明顯成就是將高剛性、輕量化和環(huán)氧基碳纖維增強(qiáng)塑料（CFRP）的低蠕變性與高設(shè)計(jì)自由度及熱塑性塑料二次成型的短循環(huán)時(shí)間等優(yōu)勢(shì)集于一體，但這只是該項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)的眾多潛在的復(fù)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(yù)處理技術(shù)；
◆ 將反應(yīng)聚合物加工、激光加工和二次成型這三大技術(shù)集成到一個(gè)循環(huán)時(shí)間快速的單一生產(chǎn)單元中；
◆ 水平預(yù)浸料模壓成型（簡稱“HPCM”）：將材料垂直粘貼在標(biāo)準(zhǔn)注塑機(jī)中進(jìn)行加工；
◆ 開發(fā)滿足預(yù)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(zhuǎn)模具；
◆ 開發(fā)用于激光預(yù)處理臨界對(duì)準(zhǔn)的光學(xué)部件參照方法，以及沿自由三維曲面進(jìn)行二次成型；
◆ 展示創(chuàng)新工藝：用2min的循環(huán)時(shí)間，生產(chǎn)寶馬i3電動(dòng)汽車生命模塊地板的三維結(jié)構(gòu)部分。
事實(shí)上，該項(xiàng)目在2018年4月的最終報(bào)告中聲稱，與目前采用濕法模壓成型以及用粘合劑單獨(dú)粘接夾子嵌件的生產(chǎn)相比，這項(xiàng)技術(shù)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(xiàng)工藝用于大批量生產(chǎn)的可擴(kuò)展性。為模壓成型該部件的殼體，評(píng)估了4種不同的環(huán)氧預(yù)浸料（圖片來自亞琛工業(yè)大學(xué)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(gè)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(fù)合材料加強(qiáng)肋，則提高了部件的設(shè)計(jì)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(gè)與CFRP殼體同樣厚度的加強(qiáng)肋，OPTO-Light示范部件的特定彎曲剛度可以增加3倍。”他補(bǔ)充道。
二次成型通過為螺栓提供成型的連接夾或凸臺(tái)，能進(jìn)一步降低部件成本，同時(shí)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(biāo)被確定了，但問題是如何在單獨(dú)一個(gè)成型單元中組合兩種材料。
Schares對(duì)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(yàn)，而克勞斯瑪菲在創(chuàng)造組合技術(shù)方面非常踴躍，如該公司的ColorForm 多組分注塑成型機(jī)和FiberForm混合成型機(jī)。”
OPTO-Light示范部件是一個(gè)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(shí)具有良好的剛度和強(qiáng)度。”Schares解釋說，“我們還想要復(fù)雜的形狀和懸垂，以證明采用水平預(yù)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(fù)合材料部件的成型單元，它利用中央水平轉(zhuǎn)模板來兼容熱固性預(yù)浸料的模壓成型和熱塑性塑料的二次成型，而光子學(xué)則提供了基本的部件參照（圖片來自亞琛工業(yè)大學(xué)AZL和Arges）
為什么是光子學(xué)？
德國資助了一項(xiàng)長期戰(zhàn)略，以繼續(xù)發(fā)展光子學(xué)技術(shù)，因?yàn)樵摷夹g(shù)在當(dāng)前全球制造業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型的過程中發(fā)揮著重要作用。
復(fù)合材料行業(yè)應(yīng)該注意到，光子學(xué)不僅支持先進(jìn)加工，如自動(dòng)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(jì)量、過程監(jiān)控和在線檢測(cè)而啟用傳感器和視覺通信。
在OPTO-Light項(xiàng)目中，一種近紅外（簡稱“NIR”）激光被用于對(duì)二次成型的表面進(jìn)行預(yù)處理。此外，各種激光傳感器還為過程控制和在線質(zhì)量保證（QA）提供數(shù)據(jù)。
OPTO-Light項(xiàng)目的最后4個(gè)合作伙伴是德國的光子系統(tǒng)供應(yīng)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(yīng)用中的定位和偏轉(zhuǎn)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(cè)量距離（在整個(gè)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(jì)（溫度傳感器）；
◆ 卡爾蔡司光學(xué)技術(shù)公司（之前的Steinbichler，德國Neubeuern）為質(zhì)量保證提供T掃描用的激光掃描儀。“它測(cè)量部件的幾何形狀并檢測(cè)潛在的變形。”Schares解釋道，“它會(huì)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(jī)器人手臂的末端。
新型的混合材料及加工單元：一臺(tái)克勞斯瑪菲CXW-200-380/180注塑機(jī)與庫卡機(jī)器人上的多功能激光掃描儀末端執(zhí)行器相結(jié)合，將3個(gè)工藝集成到一個(gè)成型單元中（圖片來自亞琛工業(yè)大學(xué)AZL和Arges）
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