再生热塑性复合材料大规模生产迈出关键步伐

可回收性长期被视为热塑性复合材料（TPC）承诺优势，但尚未大规模商业化应用。材料供应商TenCate高性能复合材料与热塑性复合材料研究中心（TPRC）合作，联合一级制造商GKN Fokker，2016年演示了此类工艺。团队利用GKN Fokker生产Gulfstream G650升降舵和方向舵产生的废料TenCate Cetex TC1100织物碳纤维/聚苯硫醚（CF/PPS）材料，开发出进舱门面板。生产废料经切碎后，用TPRC设计的工艺模具压缩模塑。进舱门面板含模塑加强筋、厚度变化、带老板的模塑孔（老板指引导紧固件入孔的凸出特征）。再生材料实现轻量化部件并赋予更多模塑功能，形成闭环制造，因进舱门面板随后用于Gulfstream G650方向舵前缘。项目获2016年JEC创新奖。

自该研究以来，新组织成立：热塑性复合材料应用中心（TPAC）。“TPRC成立十年，主要从事航空航天基础TPC研究，”TPAC轻量化结构研究员Thomas de Bruijn解释。“TPAC约两年前成立，工作更应用导向。关联萨克森大学及中小企业。我们专注通过开发更具成本效益工艺降低成本。两群体共同构成TPC NL，TPC技术智能产业数字创新枢纽。”

TPAC参与及TenCate持续研发证明，这种闭环制造不仅可行，且经济获益。初期聚焦CF/PPS材料，与产业伙伴合作研究，助推TPC回收增强部件生产落地。

但实际开发工艺有别。TenCate聚焦短纤材料作为流动层，为连续纤维部件增加模塑几何特征功能。而TPRC和TPAC致力保持更长纤维长度，制造面团状材料，可压缩模塑成力学性能超传统短纤复合料的部件。

TenCate——流动层增强有机片部件

“三年前我们开始加大研发预算投入回收，”TenCate热塑性产品经理Frank ten Napel说。“不只是为‘绿标签’。我们确信将再生材料融入部件提供真实经济和结构效益。我们能赋予部件原本无法实现的几何层级。通过施加再生材料流动层，可模塑加强筋、部件变厚、孔周老板分散紧固件诱导载荷。所有这些使部件较仅用原生材料更薄、更轻、更具成本效益。”他指出这些模塑特征用连续纤维材料难实现，“但结合连续纤维加局部包覆成型，获得更大设计自由度。”

TPC-Cycle项目

这个四年项目始于2015年9月，涵盖热塑性复合材料（TPC）供应链各环节合作伙伴：

• TenCate高性能复合材料（东丽集团）——材料
• GKN Fokker航空结构——一级航空航天结构组件设计制造
• Dutch Thermoplastic Components（DTC）——中小企业设计制造航空航天肋条、弦条、支架、卡扣、盒体
• Cato Composites——中小企业制造设计航天汽车国防体育消费品部件
• Nido RecyclingTechniek（NRT）——材料/部件回收粉碎减量技术

TPC-Cycle由TPAC和萨克森应用科大（特别是轻量化结构研究组）推动，Regieorgaan SIA资助，隶属荷兰科学研究组织（NWO）。

TPC-Cycle项目经理、萨克森/TPAC轻量化结构研究员Thomas de Bruijn解释启动项目多重驱动。“可见连续纤维TPC使用增加，尤其冲压成型如卡扣支架。随之增大，后工业废料量实质性增长。回收对环境经济必要，也为满足法规。如欧洲报废法规要求汽车用材95%可回收。”他指出空客亦设定回收报废目标并传达供应链。“供应链不只说能达标，须用演示件证明能力。”

“也见TPC在航空航天外增长，如食品周转箱、家具、工业组件，因提供更短周期、轻量化、智能结构，”de Bruijn说。

他续道：“我们要验证商业可行回收工艺链，不只是粉碎降级。要高性能。故选低剪切混合法保持0.5-1.0英寸纤维长度。刚度只需几毫米长度。但强度冲击抗性需超0.5英寸。”除保持纤维长度，另一关键挑战为材料混合及最终再生产品良好均质性。

“目标收集废料，粉碎成0.5-1.0英寸片，转化为均质面团，挤出直送等温（加热）压缩模塑机，”TPRC研究员博士生Guillaume Vincent解释。“面团加工通过低剪切混合机喂入片料和原生聚合物颗粒，将纤维重量分数降至25-40%。”他指出工艺与长纤维热塑性直接复合（D-LFT）极似，后者汽车业常用。“但D-LFT需百万美元级投资，仅用于大批量生产。我们用小型设备修改路径却获相似结果。我们量级低于D-LFT。”

Vincent描述完整回收价值链获益例：“NRT帮我们联系大型粉碎机制造商如Untha。”这是规模化量产关键环节。

首个开发工艺链针对CF/PPS。Vincent称TPC-Cycle建立仿真模型分析方法表征再生材料纤维长度分布。“也在理解这些材料特性如何传递至模塑件性能，”他观察。这正是他博士论文焦点，将于2019年底发表。

再生面团有时称团状模塑料（BMC）。历史上BMC为短玻纤（<25mm）、热固性树脂糊料、填料面团状混合物，压缩模塑成复合部件。纤维体积较低流动性较高对比片状模塑料（SMC），力学性能稍低。TenCate多年销售热固性和热塑性BMC，后者为切碎单向预浸带铺入模具压制工艺。“我们产品实际相当不同，”Vincent断言。“常规热塑性BMC一般无混合，需长加热固化周期。我们发现混合得更均质产品、更少应力集中、更高性能。常规热塑性BMC得较厚片料，端部基体富集区产生复合层压板应力集中。”

低剪切混合工艺将片料解缠成层、再分束、再成松散纤维。同时混入聚合物降低纤维含量获更好流动性，便于成型成形。

“面团挤出后机器人置入开放等温（加热）压缩模具，”de Bruijn解释。“混合后面团纤维随机取向。但压制时材料流动重新取向纤维。取向度比短纤注塑混合低，但件件相似。这是持续研究课题。”

成本

至今开发的TPC-Cycle工艺链显现经济效益。“希望2019年晚些时候回答能降多少部件成本，”de Bruijn说。“但这复杂，因需要市场销售再生材料。”他指出多经济因素。如多数制造商今直接丢弃生产废料。当地填埋处置费€80/吨（$90）。“但被丢弃材料有价值，”de Bruijn说。“也须核算收集废料、粉碎、混合、压缩模塑新部件成本。但这是近净成形短周期工艺因等温模具。换言之，应大幅减少或消除二次精加工机加工。”de Bruijn称TPC-Cycle现开展成本分析和生命周期分析。

Clean Sky RESET项目

第三个重申TenCate工作及TPC-Cycle项目重要性的项目是RESET项目，2016年1月至2017年12月运行，由西班牙巴塞罗那Leitat技术研究院协调。似乎RESET始于Clean Sky（2008-2016），完成于Clean Sky 2（2017-2021）。

Clean Sky和Clean Sky 2项目分创新飞机演示计划顶层（见下图Vehicle IADPs）和创新技术演示器底层（见Large System ITDs）。RESET作为机身ITD完成，具体工作包（WP）A-3.4机身生态设计。

据Clean Sky项目官员Elena Pedone，RESET团队在Leitat开发工艺回收先前使用飞机复合材料制造新部件。将再生部件与商业制造件对比，发现力学特性相似。“该项目开发技术可在未来几年航空领域切实商业化，并可能溢出其他经济部门，”Pedone说。

RESET项目期间，完成工作调查PEEK和PPS热塑性基体材料及碳纤维增强化学本质影响。研究增强形状，含纤维长度、织物/非织物。也研究纤维含量（聚合物纤维比）影响。

第二工作包主要目标为基于挤出的再生CF/PPS调节表征及所得模塑复合材料。Leitat项目科学协调员Claudia Aguilar解释，注塑成型造热塑性支架和卡扣各两件，热成型造两件。测试后，“材料力学性能与商业对应件可比，”Aguilar说。

RESET项目宣称演示回收工艺可取飞机生产TPC废料作原料生产飞机新部件。“高达70%再生材料用于生产新一族复合材料，”Aguilar说。她补充“RESET回收工艺使欧洲航空限制环境足迹、降低飞机新部件生产成本。故项目让航空业更具竞争力更绿色。”

TPC未来始于设计

TenCate和TPRC/TPAC断言，这些已演示回收工艺不只是绿色，更经济吸引人。那么需要何种投资？

“视生产量而定，”TenCate Ten Napel说。“所需粉碎机不大不贵，工艺开发到相当直接。”基体类型影响可回收性吗？“不，”Ten Napel说，“但就经济可行性，碳纤维配PPS、PEEK或PEKK比玻纤配聚丙烯更可行，因前者价值更高。”

“我认为若行业要采纳，应从设计开始，”他续道。“目前最大障碍是工程师思维。实际去用再生材料设计（或部分设计进新产品）对他们很新。”

Ten Napel承认TenCate不商业化设计制造部件，“但我们尝试激励设计师新部件结构开发中这样思考。”他举飞机内饰、进舱门面板、进舱门为再生材料再利用低垂果实。“若我们作为行业习惯再利用自有废料废品，可迈下步着手解决报废部件。”

热塑性复合材料回收口号——单纯粉碎再模塑——绝对可采纳，Ten Napel说，但常无经济意义。“我们演示了更好工艺，能实际创造更具成本效益部件和整体项目。我们选择与TPRC、TPAC传播此知识，以激励行业热塑性复合材料完全可能的图景。”若热塑性复合材料要大规模采用，回收作为生产固有部分不再是选项，而是必要。