零浪费：新工艺，设备回收预浸料、胶带废料

装配预浸料织物或单向 (UD) 胶带的一个挑战是弄清楚如何处理太小或其纤维未正确对齐以在另一个项目中重复使用的饰边。尽管套料软件和刀具已显着减少了废料，但边角料仍经常进入垃圾填埋场，这增加了材料和零件成本以及环境负担。然而，一家名为 Van Wees UD 和 Crossply Technology BV（荷兰蒂尔堡）的荷兰公司正在通过开发一项新技术以及使之成为可能的机器来帮助提高可持续性，以重复使用热塑性胶带内脏。

纺织根

Van Wees 成立于 1945 年，深深扎根于纺织行业，是一家全方位服务供应商，设计、生产、安装和调试机器和生产线，以生产先进的复合材料（热固性或热塑性、碳或玻璃纤维），专注于高质量、大批量的生产方法。该公司生产预浸料浸渍线（包括筒子架）——主要用于热固性侧的环氧树脂和热塑性侧的聚丙烯 (PP) 到高温聚酰胺 (PA) 的材料——以及交叉层和多轴 UD 胶带贴片机，它可以加工热塑性或热固性胶带。姊妹公司 Eltra Engineering BV（也在蒂尔堡）专注于工业自动化技术，并为 Van Wees 机器提供电气控制和软件。

在其研究和技术中心 (R&TC)，Van Wees 为自己的工艺开发以及考虑使用 Van Wees 系统的客户，或在等待机器制造过程中学习操作设备的客户维护生产规模的设备。这允许客户生产他们可以评估的材料，或者反过来提供给他们自己的客户进行评估。例如，在 R&TC，可以从筒子架上拉出丝束，将纤维铺展并浸渍以生产胶带，然后将其送入公司的交叉层或多轴 UD 机器，以生产具有各种层数和纤维取向的层压板。 （Crossply 层压板至少有两层以 0/90 度取向，多轴 UD 层压板至少有两层 UD 层以一定角度取向other 比 0/90 度。）离开这些机器的层压板被钉在一起以便于处理。接下来可以将它们冲切成净形状的预成型件，然后准备好加工成复合材料部件。尽管 Van Wees 的交叉层和多轴 UD 设备的重点是生产 UD 热塑性 胶带，该机器可用于生产具有热固性基体和/或织物而非 UD 增强材料的胶带。

有趣的是，正是 Van Wees 自己在为客户测试和客户要求制造这些产品时遇到的废料问题，促使公司研究人员开发了一种“零废料工艺”，使用定制纤维坯料从预制件生产中回收碎片/碎屑.作为一项服务，该公司正在为客户提供评估这些基于芯片的热塑性坯料的机会，并且已经开发出设备以进行大批量商业化生产。

不要浪费，不要

在模切操作以制作网状预制件（Van Wees 称之为“补丁”）的过程中，废料被收集并按树脂和纤维类型进行分离。这种废料的形状和尺寸不规则，因此模切机旨在生产最大尺寸为 50 x 50 毫米的“切屑”。然后将切碎的碎片压成固结片材（通过压缩或真空成型），从而形成具有随机取向的不连续纤维的层压板。不需要额外的树脂来制造板材，只将具有化学相容性树脂的碎片混合在一起，尽管玻璃和碳纤维增强的碎片可能会根据最终部件所需的特性进行组合，该部件将由基于碎片的材料制成层压板。

由于层压板内单个切片中的纤维最长可达 50 毫米，并且整个片材的纤维取向是随机的，因此 100% 回收、零浪费的定制坯料提供了良好的正交各向异性刚度和强度 - 特别是与短纤维注射相比模塑料。然而，由于层压板的不连续纤维束的纤维重量分数可以达到 50-70%——初始配方处于该范围的高端——材料在压缩机中几乎不能流动。因此，要填充 2.5D 或 3D 几何形状，基于芯片的层压板必须在注塑机中使用短纤维甚至纯树脂进行包覆成型。它还可以在压机中与连续纤维材料共同成型。无论哪种方式，层压板都需要在成型前预热。

有趣的是，Van Wees 发现，在相同纤维和树脂配置下，基于芯片的面板的弯曲强度和模量仍然是其高性能连续纤维交叉层面板的一半。

概念证明

为了展示其零废弃定制毛坯的能力，Van Wees 进行了多个示范项目。一个是用于乘用车门内板的加强/防撞梁。这项工作基于 Lipa 系列项目，该项目为一系列行业开发了用于批量生产的轻质复合材料部件。总部位于瑞士比斯林根的现已不活跃的财团以核心技术为基础，包括预成型连续纤维有机片材/玻璃毡热塑性 (GMT) 复合材料，然后在注塑机中用纤维增强树脂进行回填。

Van Wees 的演示梁（用于通过侧面碰撞/入侵法规的部件）长约 650 毫米，宽 110 毫米，标称壁厚为 3 毫米，在基准材料中重约 450 克，这是一个 3-毫米玻璃纤维增​​强 PA6。该部件的中心还有一个 40 毫米高的圆顶结构。有机片防撞梁没有提供足够的能量吸收来满足应用要求，因此 Van Wees 研究人员试图在相同壁厚（因为使用现有工具）、不到一分钟的循环时间和零浪费的情况下提高整体性能.

Van Wees 与多家聚合物供应商合作，使用多种聚合物和增强材料在内部生产 UD 胶带，包括玻璃纤维/PA4/10、玻璃纤维/PP、碳纤维/PP 和玻璃 + 碳纤维/PP。匹配的短纤维注塑包覆成型化合物由树脂供应商生产。为了满足或超过性能要求，我们使用仿真来评估剪裁坯料的单个 UD 层的数量和方向。接下来，胶带被用于生产连续纤维层压板，由此生产防撞梁。计算机辅助工程 (CAE) 结果预测，玻璃纤维/PA4/10 剪裁坯料比织物/有机片材成本更低，性能最佳，物理测试证实了这一点。

为了进一步探索减少浪费和成本的机会，研究人员将生产连续纤维层压板产生的废料（大约 30% 的切割损失）重新用于生产防撞梁，将该材料回收到 1 毫米厚的基于芯片的层压板中，并使用该产品作为在多轴 UD 机器上制造的更多 UD 材料“表皮”之间的核心层（替换三个 UD 层）。有趣的是，在样本量有限的初步测试中，他们发现与完全连续增强的层压板相比，连续和非连续增强混合的混合层压板的性能损失很小或没有。

该团队进行的额外计算表明，使用 Lipa 系列团队开发的 1 分钟复合包覆成型工艺，有可能实现 Van Wees 每年 200 万个防撞梁的生产目标。鉴于 Van Wees 定制坯料生产线的运行速度（在多轴 UD 机器上每小时 1,800 个贴片，在交叉层压机上每小时 1,260 个贴片），添加额外的设备将废料转化为基于芯片的层压板将创造零- 废物生产系统，并将产量提高 30% 至每年 260 万个零件。具有讽刺意味的是，注塑机将成为此生产序列中的限速步骤——这种情况并不经常发生。

公司研究人员进行的另一个快速周转项目是为 Van Wees 总部的会议室开发复合面门把手。在去年的复合材料包覆成型会议上，与会者可以查看最终的复合材料嵌件。

“共同开发和创新是现代工业的驱动力，”Van Wees 董事 Rien van den Aker 指出。 “我们认为，与复合链中的所有参与者共同开发是最重要的。金属是我们行业的竞争对手，以最合理的方式制造。因此，只有借助智能工艺和设备，我们才能将轻质复合材料产品引入大批量应用。”他强调，要使热固性和热塑性复合材料部件的零浪费生产成为可能，需要供应链成员之间的共同努力。 “Van Wees 很高兴在产品和工艺开发方面帮助感兴趣的各方，”他补充道。