2分钟热塑性包覆热固性：汽车复合材料单工位工艺

热塑性带材自动预成型及后续混合模塑——热成型与注塑包覆成型肋条、卡扣、老板至部件表面——被誉为汽车等大批量应用复合材料制造未来。但若能结合热塑性韧性与注塑功能特征，兼得碳纤维增强环氧部件高性能，会怎样？

这是为期三年、2018年结束的OPTO-Light项目要解决的问题。项目获德国联邦教育研究部（BMBF）资助，作为其发展光子学——激光等光基技术——用于轻量化结构大批量生产战略一部分。项目授予亚琛综合轻量化建造中心（AZL），隶属亚琛工业大学（德国亚琛），为企业与八研究所协作开发轻量化材料、生产技术、应用提供单一校区。

OPTO-Light显性成果是结合环氧基碳纤维增强塑料（CFRP）高刚、轻量、低蠕变与热塑性包覆成型高设计自由度、低周期。但这只是项目实现的无数潜在复合行业颠覆者之一，含：

• 激光预处理开发用于热塑性粘结3D热固性表面；
• 三技术——反应聚合物加工、激光加工、包覆成型——集成单一快速周期制造单元；
• 水平预浸料压缩模塑（HPCM），材料垂直固定于标准注塑机加工；
• 单一旋转模具开发，集成预浸料压缩模塑和热塑性包覆成型所有需求；
• 自由形3D表面激光预处理与包覆成型关键对齐光学部件参照方法；

演示该工艺生产宝马i3电动车Life Module地板面板3D结构部分，2分钟周期。

项目2018年4月最终报告断言，该技术可较现行湿压缩模塑和单件嵌件胶粘卡扣生产，降低汽车CFRP部件成本达30%（见图2）。

热塑性-热固性合作伙伴

为何将热塑性包覆成型结合热固性复合部件？AZL研究工程师Richard Schares断言：“环氧树脂热固性CFRP部件为车身应用提供最佳特性。”热塑性复合肋条包覆成型提升部件设计刚度（截面模量），从而减少所需碳纤维量。“用等同CFRP壳厚度肋厚，OPTO-Light演示件特定弯曲刚度可提三倍，”他补。包覆成型通过提供模塑安装卡扣或螺丝老板，进一步降低部件成本，同时提供隔离防止碳纤维与金属紧固件电化学腐蚀。

目标明确，但如何单模塑单元结合两材料成难题。Schares解释行业合作伙伴选择：“宝马拥有CFRP部件量产最丰富经验。KraussMaffei在创建组合技术极积极，如ColorForm多组分注塑机、FiberForm混合模塑机。”

OPTO-Light演示件为宝马i3 Life Module地板含轮毂端壁的470×317×130毫米部分。“该部件工况要求良好刚强特性应对碰撞，”Schares解释。“也要形状铺贴复杂性证明水平预浸料压缩模塑、激光烧蚀、自由曲面包覆成型可行。”

为何光子学？

德国资助长期光子学战略，因其在当前全球制造数字化转型关键角色。复合行业应关注，因光子学不只赋能自动化纤维铺放、热塑性激光焊接、精密加工、各类3D打印，还赋能计量、过程监控、在线检测的传感视觉通信。OPTO-Light用近红外（NIR）激光预处理表面包覆成型；多种激光传感器提供过程控制在线质量保证（QA）数据。

最终四OPTO-Light合作伙伴为德国光子系统供应商。首Arges（瓦克尔斯多夫）精通激光加工用3D扫描器。“典型开发创新激光扫描系统、工业材料加工医疗应用定位偏转激光束，”Schares说。“开发Arges双光束单元用于烧蚀加热。”Precitec（加根瑙）供干涉测距传感器用于烧蚀及全过程部件参照。Sensortherm（苏尔茨巴赫）供辐射温度计（温度传感器）辅助过程控制，Carl Zeiss Optotechnik（原Steinbichler，诺伊博伊恩）贡献T-scan激光扫描器用QA。“测量部件几何、检测潜在变形，”Schares解释。“显示缺陷如包覆肋未完全粘结CFRP壳。”所有系统集成多功能激光扫描器（图2），安装六轴Kuka（德国奥格斯堡）机械臂末端。

从HP-RTM到预浸带

初始想法用C-RTM制造环氧CFRP件，一种高压树脂传递模塑（HP-RTM）即间隙浸渍，由IKV塑料加工研究所开发。期间，自动化带基工艺挑战液体模塑无捻布（NCF），据报切割废料减30%。快速固化液体环氧树脂扩展至预浸材料，使压缩模塑具吸引力，潜在周期1-2分钟。

评估四单向预浸料作演示件壳体。经Broetje-Automation（德国拉施泰德）STAXX带材铺放单元转为净形2D定制坯料。

模塑CFRP壳体随后用兰肯斯（德国科隆）Durethan BKV 30 H2.0 901510以30%短玻纤增强聚酰胺6（GF/PA6）包覆成型。选KraussMaffei CXW-200-380/180 SpinForm注塑机作OPTO-Light制造单元基础，安装AZL。具旋转模板技术，赋能多组分注塑。

旋转模板连接模具用于形成两不同模塑腔对应两不同工艺——环氧预浸料压缩模塑和热塑性注塑包覆成型。“无人创建过此类工具，”Schares指宝马与KraussMaffei花费数周最终确定两工艺所有需求，含不同温区公差、翻转精度、热固性树脂密封、及注塑模具标准细节。

激光烧蚀与部件参照

压缩模塑所得环氧CFRP壳体包覆成型前须预处理，实现异质材料间足够连接强度。激光烧蚀提供环保单步工艺对比机械化学预处理，实现精准烧蚀深度路径，适配3D表面肋条连接。烧蚀法通过局部去除顶层10微米环氧树脂暴露碳纤维。这清洁表面产生微观结构，允许包覆料浸润渗透暴露纤维。

多功能激光扫描器发射1.064纳米波长纳秒脉冲激光束。“需高强度，脉冲最高效实现，”Schares解释。“试连续波激光，但向连接区下方复合层压板引入过多热应力，降低纤维环氧粘结。寻找适配工业远程加工工艺光源非易事。”

因包覆肋须匹配预处理区，烧蚀需高定位精度。后续包覆玻纤/PA6复合材料放置严格由模具工具定义。故AZL开发必要部件参照方法。“预处理几何与包覆复合料偏移<300微米。故激光扫描场中心点（工具中心点）相对基准点精度须<150微米。这已实现，且激光预处理周期<2分钟。Fraunhofer IPT前期开发机器人激光束路径生成至关重要非平凡，”Schares说。系统确实证明实力——测试显示GF/PA6包覆层与环氧CFRP基材间剪切强度27 MPa。

更短工艺路径

即便初始工艺效益获记录，OPTO-Light团队意识到可消除激光预处理。此两步法仅部分固化环氧预浸壳体，利用环氧树脂剩余反应性实现与热塑性包覆成型粘结。未固化环氧与PA6间存在三潜在粘结机制：

• 环氧活性环与PA胺基共价键；
• 胺氢作给体、环氧氧作受体氢键；
• 高温PA分子链迁移性可能的半互穿网络扩散效应。

此两步法优势Schares称：“可省预处理，但过程控制更具挑战、表面质量不如高光。但简化生产进一步降低部件成本极具吸引力。”

此工艺路径关键是过程监控。“必须看进预浸料压缩模塑内部，因固化状态知识必须确定，以实现与热塑性包覆良好粘结，”他解释。此固化监控通过模内压力温度传感器、模内直流电阻率（DCR）和介电分析（DEA）传感器实现。

DCR和DEA成熟用于复合固化监控。OPTO-Light中DCR/DEA过程控制含Synthesites（比利时乌克勒）Optimold系统，含耐用16毫米DCR传感器和Optiview软件。Optimold监控树脂电阻温度至210℃、压力90 bar，采样率1 Hz。DEA288 Epsilon分析装置含Netzsch Gerätebau（德国塞尔布）4毫米陶瓷单极和Proteus软件。Kistler Instruments（瑞士温特图尔）DataFlow注塑优化软件为另一关键组件。

从预浸预制件模内固定始、至注塑包覆腔顶出止，全过程由DCR/DEA传感器信号描述。这些数据对确定压缩模塑最佳固化时间、转注塑完成固化包覆至关重要。传感器助表征加工中材料实现最优部件质量。未来工艺或成自适应智能，由DEA/DCR信号触发工艺转换。

初测显示环氧-PA6连接用此第二短OPTO-Light路径拉脱强度9 N/mm²、更高剪切强度。持续工作改进连接强度，含进一步用过程监控。团队也探索一步法：水平预浸料压缩模塑不再分立，改与包覆成型同步实现。

混合化驱动未来颠覆

OPTO-Light颠覆潜力获2017年AVK创新奖研究科学类奖项认可。项目2018最终报告断言：复合材料要在汽车量产实现与金属成本平价，不仅需最大化部件功能集成，还需最大化制造部件工艺集成。OPTO-Light开发技术阵列含光子学计量、表面处理、热塑性/热固性模塑，赋能两者。这些技术也为进一步混合工艺开门，如激光加工增强注塑。“将开发激光工具集成模塑单元，现可在注塑机内聚合物工艺前、中、后执行激光烧蚀、切割、预处理、加热，”Schares解释。“这拓展未来部件功能工具箱。”

将多制造工艺集成单一工作单元理念在复合材料获动能。例：多CNC机床制造商现提供结合增材制造减材CNC加工单元。MF Tech（阿让唐，法国）结合3D丝绕与CNC加工，联合创始人Emanuel Flouvat确认进一步混合化，机器人能切换末端执行器至超声/激光焊接热塑性、或自动化纤维铺放头局部铺放单向带。“集成机器人引导激光系统，工具箱为进一步在线组合技术定义延伸，”Schares说。这是朝自动化多工艺复合制造迈进另一显著步伐，必将很快集成电子进成品。

OPTO-Light合作伙伴关系给出混合化终极一课。“管理项目最有趣挑战是如何汇聚各合作伙伴，各有独特专长——如光子学、反应聚合物、注塑、计量——发展共同理解各操作效应，成就单一工艺链成功，”Schares说。他强调五合作伙伴研究所专长支持重要——IKV注塑、IKV反应聚合物、ISV焊接连接、Fraunhofer IPT激光集成、Fraunhofer ILT替代激光源。“此项目展示跨学科开发高效解决降本复合生产技术挑战能力，”Schares说。也为更进一步颠覆性创新奠基。

观看OPTO-Light集成工艺视频 https://youtu.be/b9HmgnuGQY0.