热塑性包覆模制的热固性材料，2分钟的循环，一个小区

自动化热塑性磁带和随后的混合模制预成形 - 热成型和注塑包覆成型肋，夹子和凸台部分上的表面 - 一直被视为未来复合材料制造高容量的应用，如汽车。但是，如果有可能与碳纤维增强环氧树脂部件的高性能的注射成型的热塑性塑料特征和功能的韧性结合？

这是三年的项目OPTO灯，这在2018年结束，着手回答。如激光光为基础的技术 - - 大规模生产轻质结构的它是由教育的德国联邦与研究部（BMBF）作为其战略发展光电子的部分资助。该项目被授予亚琛工业大学亚琛中心综合轻型建筑（AZL）（亚琛，德国），它提供了一个单一的校园公司合作八个科研院所合作开发轻质材料，生产技术和应用。”

OPTO-光的显着的成就是结合高刚度，重量轻和环氧类碳纤维增强塑料（CFRP）的低蠕变与热塑性包覆成型的设计和低循环时间高自由度。但是，这仅仅是无数潜在的复合材料行业破坏者该项目已经取得了一个，其中包括：

• 激光预处理的发展用于接合热塑性到3D热固性表面;
• 的三种技术的集成 - 反应聚合物加工，激光加工和包覆模制 - 成一个单一的，快速循环时间制造单元;
• 水平预浸料压塑成型，其中材料被用于在标准注射模制加工机竖直地附着（HPCM）
• 单个旋转模具的开发，集成为所有要求的预浸料压塑和 热塑性包覆成型;
• 光学部分来引用方法用于激光预处理的严格的对准和沿自由形式3D表面包覆模制;
这个过程的
• 示范生产地板面板的三维结构部分为BMW I3 电动车辆的寿命模块用2分钟的循环时间。

事实上，该项目的2018年4月最终报告声称，这种技术可以采用湿法压缩成型和剪辑（见图2）单onserts的粘接达汽车CFRP部分成本降低到30％对当前的生产。

的热塑性热固性伙伴的

为什么要加入热塑性塑料包覆成型的热固性复合材料部件？ “用环氧树脂制成热固性CFRP部件能够为车身应用的最佳特性，”断言AZL研究工程师理查德Schares。包覆成型热塑性复合材料的肋增加了零件的设计刚度（截面模量），从而减少碳纤维的所需的量。 “使用肋厚度等于CFRP壳，具体弯曲OPTO-光示范部分的刚度可以被两倍，”他增加。包覆模制通过提供可进一步降低部件成本模制附接夹或突起部，用于螺钉，同时提供隔离，以防止碳纤维和金属紧固件之间的电偶腐蚀。

因此，目标被定义，但问题是如何两种材料在一个单一成型细胞结合。 Schares介绍了如何选择的行业合作伙伴。 “宝马曾与批量生产的CFRP零部件最有体会。克劳斯玛菲在创建组合的技术，如它的ColorForm多组分注射模制机和FiberForm混合成型机非常积极主动。”

的OPTO-光示范的部分是一个470毫米长的由317毫米宽的由BMW的130毫米的深部的 I3 生命模块地板，包括在轮井的端壁。 “该组件的负载情况下需要在发生碰撞的情况下，良好的刚度和强度特性，” Schares解释。 “我们也希望形状的复杂性和悬垂证明出水平预浸料压缩成型，激光烧蚀和沿自由曲面包覆模制。”

为什么光子？

德国资助了一个长期战略，继续因为在制造的目前全球数字化转型的关键作用itplays的发展光子技术。复合材料工业应注意到，因为光子不仅可以使先进的处理，诸如自动纤维铺放，热塑性材料，加工精度和各种3D印刷方法的激光焊接，而且对计量，过程监测和在线检查传感器和视觉通信。在OPTO-灯，近红外（NIR）激光被用于预处理表面，用于包覆成型;此外，各种基于激光的传感器，用于过程控制和在线质量保证（QA）提供的数据。

最后四OPTO光强的合作伙伴是德国光子系统供应商。第一，阿尔杰什（Wackersdorf的），在用于激光加工的3D扫描仪的专家。 “它通常开发创新激光扫描系统，定位和偏转激光在工业材料加工和医疗应用梁，说：” Schares。 “一个阿尔杰什双光束单位用于消融和加热显影。 PRECITEC（嘉格纳）供给的干涉传感器，用于测量在消融和部分引用在整个过程中使用的距离。 Sensortherm（苏尔茨巴赫）提供了辅助工艺控制高温计（温度传感器），和卡尔蔡司Optotechnik（原德国Steinbichler，Neubeuern的）贡献为QA的T-扫描激光扫描仪。 “这措施的一部分的几何形状和检测潜在的变形，” Schares解释。 “它会显示缺陷，如包覆模制肋没有完全接合到CFRP壳”。所有这些系统被集成到多功能激光扫描器 （图2），其安装在一个六轴库卡（德国Augsburg）机器人臂的端部。

HP-RTM到预浸带

初始想法是使用C-RTM，一种高压树脂传递模塑（HP-RTM），也称为间隙浸渍，通过塑料加工的IKV研究所开发的环氧CFRP部件。然而，在这段时间内，基于磁带自动化过程开始挑战非卷曲织物（NCF）的液体模制，提供报道切削废料减少了30％。卡扣固化液体环氧树脂也被扩展到预浸料，使压缩成型有吸引力的，具有一到两分钟的电位的周期时间。

四个单向预浸料的示威者的外壳进行了评价。这些转化成网形，2D使用Broetje的自动化的（Rastede，德国）STAXX胶带放置细胞拼焊板。

模制壳CFRP然后将使用朗盛（科隆，德国）的Durethan BKV 30 H2.0 901510.甲克劳斯玛菲CXW-200-380 / 180 SpinForm注射30％的短玻璃纤维增​​强的聚酰胺6（GF / PA6）包覆模制成型机被选择作为用于OPTO-灯制造单元的基础，并在AZL安装。它具有开发使多组分注射模制旋转压板技术。

附连到旋转台板将模具用来形成用于两个不同的过程的两个不同模腔 - 型环氧预浸料坯压塑和热塑性注塑包覆成型。 “之前没有人创造了这样一个工具，” Schares指出。 BMW和克劳斯玛菲花费许多周最后确定所有的要求为两个过程，其中包括由于不同的温度区域的公差，转动准确度和密封的热固性树脂，以及用于注射成型工具的标准的信息。

激光烧蚀和部分参考的

从该压缩成型方法得到的环氧CFRP壳必须热塑性包覆模制之前进行处理，以实现所述不同的材料之间的足够的接合强度。激光烧蚀报价相比机械或化学预处理环境友好的，单步工艺，并能够精确消融深度和路径，非常适合于结合肋零件沿着3D表面。消融方法需要通过局部地去除环氧树脂的顶端10微米厚的层暴露所述碳纤维。此清洁的表面，并产生一个微结构，其允许包覆成型化合物以润湿和渗透到暴露的纤维。

多功能激光扫描仪发出与在纳秒脉冲1.064纳米的波长的激光束。 “你需要高强度和脉冲最有效地实现了这一点，” Schares解释。 “我们尝试连续波激光器，但它引入了过多的热应力到接合区下方的复合层压材料，降低了纤维 - 环氧树脂的粘附性。发现可用于远程处理在工业环境中的处理，合适的束源是不容易的。”

因为包覆成型肋必须经预处理的区域匹配，则该消融过程需要高的定位精度。包覆模制的玻璃纤维/ PA6复合材料的随后的放置严格受模具限定。因此，一个必要组成部分引用的方法是由AZL开发。 “预处理的几何形状和包覆模制化合物之间的偏移应小于300微米。因此，准确度为激光扫描场（工具中心点）的中心点必须在相对于基准点150微米。能做到这一点，以及少于两分钟，使激光预处理的周期时间。 “非常重要的是由德国弗劳恩霍夫生产技术研究所（IPT）的前期工作，开发路径生成机器人和激光束 - 这是不平凡的，说：” Schares。该系统确实证明其气概 - 试验结果表明27兆帕的GF / PA6包覆成型和环氧CFRP基板

更短的工艺路线

即使作为初始过程的好处正在证明，光电，光团队意识到这是可以消除的激光预处理。这两个步骤的过程将仅部分地固化所述环氧树脂预浸料壳和使用剩余的反应性的环氧树脂，以实现与热塑性包覆成型附接。

• 反应性环氧环和PA胺基团之间的共价键合;
• 氢键与胺的氢作为供体和环氧树脂的氧作为受体;
• 半互穿通过扩散效果，可能由PA分子链的高温流动性网络。

这两个步骤的优点，说Schares，“就是，你可以跳过预处理，但需要过程控制更具挑战性，表面质量并不高光泽。然而，在部件成本进一步降低由生产的简化是非常有吸引力的。”

这一工艺路线的关键是过程监控。 “你必须寻找预浸料模压成型过程中，因为对治疗的状态知识必须为了达到良好的一定要与热塑性塑料注塑成型加盟，”他解释说。这种硫化状态监视通过使用模压力和温度传感器，以及在模直流电阻（DCR）和介电分析（DEA）传感器来实现的。

DCR和DEA是公建立了治愈composites.In OPTO-光监控，DCR / DEA过程控制包括从Synthesites一个Optimold系统（于克勒，比利时），包括耐用16毫米DCR传感器和的OptiView软件。 Optimold监视树脂的电阻和温度高达210℃，90巴与1Hz的采样率的压力。自NetzschGERÄTEBAU（Selb的，德国）的DEA288小量分析设备包括一个4毫米陶瓷monotrode和Proteus软件。奇石仪器（Winterthur，瑞士）的数据流的软件用于注射成型的优化是另一个重要组成部分。

的过程中，与模具内的预型件的预浸料的固定开始并且以从注射包覆成型模腔喷出结束，由DCR / DEA的传感器信号进行说明。这些数据是用于确定枢轴到注射成型为固化完成和包覆模制之前在压缩成型时的最佳硫化时间是至关重要的。这些传感器有助于获得最佳质量部分在处理过程中表征材料。在未来，该过程可以是自适应的和智能的，与处理由DEA和DCR传感器信号枢转触发。

初始测试显示的9 N /毫米 ² 拉脱强度 和更高的剪切强度为环氧PA6加入使用该第二较短OPTO-光工艺路线。目前正在开展工作，以提高这个连接强度，包括进一步使用过程的监控。该小组还探索一步法工艺，其中水平预浸料压模不再是一个单独的过程，而是与包覆模制同时实现。

杂交以供将来破坏

OPTO-光对破坏潜力与AVK创新奖确认了在2017年的研究和科学类项目的2018最终报告称，复合材料以获得与系列金属汽车生产成本平价，这是必要的，不仅最大限度地在零件的功能，而且过程的集成整合用来制造那些部件。 OPTO-灯已开发的技术的阵列，包括光子学为基础的计量，表面处理和热塑性/热固性成型，能够使两者。这些技术也开门进一步混合过程，如激光加工，以增加注射成型。 “通过集成在模制单元中的发达激光工具，现在有可能在注塑成型机内进行激光烧蚀，切割，预处理或之前加热，之间或者之后聚合物的过程，”解释Schares。 “这扩大的未来部件的功能。”

多个制造工艺组合成一个单一的工作单元的想法是蓄势待发的复合材料。例如，许多的数控机床制造商现在提供结合了添加剂生产和消减数控加工单元。 MF科技（阿尔，法国）结合了的 3D长丝缠绕 和数控加工，和共同创始人以马内利Flouvat确认进一步杂交，用能够末端执行切换出的超声波或激光焊接机用于接合热塑性塑料，或自动纤维铺放头施加单向带的局部小片的机器人。 “通过集成的机器人引导的激光系统中，‘工具箱’以进一步直列组合技术的定义被扩展，说：” Schares。这是向前在该预先朝向自动化，多进程的复合材料制造方法，其将电子无疑很快集成到成品另一个显著步骤。

在杂交的最后一课OPTO-光明提供在其合作伙伴关系。 “在管理这个项目中最有趣的挑战是如何把所有的不同的合作伙伴，每个都有其独特的专长 - 例如，光电子，反应的聚合物，注塑成型，计量 - 并让他们发展和推进的作用有共同的理解为了使这种单一的工艺链成功的每一个操作的，” Schares说。他强调的专业技术和支持促成五个伙伴机构的重要性 - IKV注塑，IKV反应的聚合物，ISF用于焊接和连接，IPT弗劳恩霍夫激光集成和Fraunhofer ILT替代激光源。 “这个项目证明了这种跨学科发展的能力，为降低成本的复合材料生产高效地解决技术难题，说：” Schares。它还奠定了甚至进一步破坏性创新。

在观看的https://youtu.be/b9HmgnuGQY0 OPTO-光的视频集成处理。