连续胶带，D-LFT 在新的压缩成型工艺中相遇

一项由德国联邦教育和研究部 (BMBF) 监督的多年公共资助研究计划，称为电动汽车的系统集成多材料轻量化设计 (SMiLE)，将复合材料和有色金属相结合，以减少电动汽车的质量和成本纯电动汽车 (BEV) 的整个白车身 (BIW) 结构。后地板模块的设计使用两种类型的热塑性复合材料以及金属型材和插件。 （在CW中了解更多信息 2018 年 12 月 专注于设计。 ) 为了快速、经济地生产这种承载地板，开发了一种新的一步压缩成型子工艺，并使用了一种新技术来快速加热和固化热塑性胶带。

UD 胶带 + D-LFT

混合复合材料后载地板使用单向 (UD) 热塑性胶带和直接长纤维热塑性 (D-LFT) 复合材料。热塑性胶带在轻薄的结构中提供高刚度/强度，能够在碰撞中抵抗高屈曲载荷； D-LFT 提供了形成复杂几何形状、功能集成/零件整合的能力以及插入模具金属附件特征的能力。使用具有 40-wt% 玻璃纤维增​​强的 Ultramid B3K 聚酰胺 6 (PA6) D-LFT 和具有 60-wt% 玻璃纤维的八层 Ultratape B3WG12 PA6，均来自 BASF SE（德国路德维希港）。

尽管 D-LFT 可以注塑或压缩成型，并且胶带层压板可以注塑包覆成型，但这两种材料通常都是压缩成型的——这是一种广为人知的汽车工艺，在本地和全球拥有足够的装机容量，可支持 SMiLE 计划的目标，即每天 300 辆汽车.

UD 胶带和 D-LFT 通常以以下两种方式之一组合在同一部件中：在需要更好机械性能的主要 D-LFT 结构中，有选择地将任一胶带添加到负载路径——一种称为定制 D-LFT 的技术，它也可以使用连续纤维粗纱代替胶带或与胶带结合使用——或者胶带和 D-LFT 用于覆盖零件的相对侧。在第一种技术中，可流动的 D-LFT 在包覆成型期间很容易将薄胶带推出位置之外，需要在工具内使用夹子或其他硬件来保持胶带位置。虽然在主要为 D-LFT 的结构中选择性地使用胶带成本较低，但此类部件不如使用较高胶带与 D-LFT 比率的部件坚固或轻便。使用第二种技术，在部件的相对侧应用胶带和 D-LFT，在 D-LFT 侧实现更好的功能集成/部件整合，在 UD 胶带侧实现更高的刚度/强度（参见“混合热塑性塑料成型：增韧汽车复合材料”），但由此产生的结构仍然相对较重，并没有达到应有的刚度和强度。

鉴于车辆负载地板的安全关键性质，以及 SMiLE 研究人员希望使用整个热塑性复合材料后负载地板来吸收碰撞能量（不仅仅是将金属型材安装在传统全金属或新型混合材料的轴向侧面）复合承载地板），使后承载地板尽可能坚硬和坚固非常重要。由于研究人员需要减轻重量和成本以达到项目目标，希望在避免碰撞过程中弯曲的同时保持负载地板薄，还希望在关键位置（例如，第二排安全带的连接点）增加功能，他们开发了一种新的 D-LFT/压缩成型子工艺，其中大部分承重地板是热塑性胶带（在成型前预固化成层压板），D-LFT 仅选择性地应用于需要肋条和复杂几何形状的地方，但不可能用胶带层压板成型一个人。

该团队还决定尝试在一个步骤中生产 1.3 x 1.3m 的后承重地板 压模机内。为了实现所有这些目标， 该团队需要将有趣且创新的工具与顺序成型过程相结合。

本地高级定制LFT

后承重地板的最终设计是一种薄壳、近净形结构，通过预加固成层压板的 UD 胶带制成。沿部件纵轴的大波纹可在低质量和低厚度下实现高强度。然而，研究人员知道这些波纹很难在大型层压板中成型。为确保良好的悬垂性，我们使用模拟来设计模具以验证波纹（高 50 毫米，宽 115 毫米）的可重复成型，并最大限度地减少起皱。如果他们弄错了并且波纹没有正确成型，层压板可能会起皱或偏离平面，并且与 D-LFT 的粘合强度会很差。虚拟原型设计预测最佳成型顺序是从内部/中心向外向两侧，类似于典型的手糊成型。在一个成型步骤中（其中层压板不在主压力机外进行预成型），顺序成型过程的唯一方法是使用工具操作（滑块）。

滑轨在非常复杂的注塑工具中很常见。虽然它们在压缩成型中并非闻所未闻，但它们不太常见，并且在使用时往往不那么复杂。研究人员设计了具有六个可移动空腔（使用四个滑块）的工具，以在层压板中形成波纹和其他结构，而不仅仅是在 D-LFT 中对它们进行二次成型，否则会显着增加零件的质量和厚度。

早期对层压板/D-LFT 肋条接头处的界面强度的研究表明，如果在二次成型之前，层压板保持至少 130°C 的温度（低于 PA6 基体的熔点）和 D -LFT 在 280°C 时交付到工具中，高于 PA6 的熔点。为了防止层压板在放置 D-LFT 电荷之前过快冷却到工具上，研究人员将其放置在工具腔侧完全伸展的顶针上。随着两个 D-LFT 装料的交付，顶针下降，模具开始关闭。接下来，四个滑块 - 其中三个使用机器的液压系统操作，第四个通过弹簧作用操作 - 依次延伸以形成层压板，包括其深波纹。一旦压力机完全关闭，就形成了 D-LFT 肋结构（在复杂的 X 形格子中）。研究人员将这种连续成型技术称为本地先进的定制 LFT。

与传统压缩工具设计的另一个不同之处在于，模具仅在 D-LFT 流向零件边缘的部分构造有剪切边，以便将可流动的 D-LFT 的精选装料与构成大部分的不可流动的胶带层压板成型结构。

辐射诱导真空固结技术

确保最终零件具有可重复的成型行为和高机械性能的一个重要工艺步骤是胶带固结。通过在成型前快速加热热塑性带堆叠，可以消除层内和层之间的空隙，并实现出色的固结/纤维浸渍。为了避免成为限速步骤，该过程与自动热塑性胶带铺设的速度相匹配——使用了来自 Dieffenbacher GmbH（德国埃平根）的 Fiberforge RELAY 胶带铺设机——以及压缩的成型周期压机，一台同样来自迪芬巴赫的 3,600 吨 Compress Plus DCP-G 3600/3200 AS 压机，用于形成后部负载底板。

在 SMiLE 之前，弗劳恩霍夫化学技术研究所（F-ICT，Pfitztal，德国）——在更大的 SMiLE 项目中领导了前后负载地板的开发，并帮助开发了当地先进的定制 LFT 顺序成型工艺与其他项目合作伙伴 - 开发了一种称为辐射诱导真空加固技术的创新工艺，用于将 UD 胶带堆叠快速加固成层压板，随后用于生产后部热塑性负载地板。此后，迪芬巴赫​​使用名为 Fibercon 的机器将其商业化。该工艺旨在修复胶带中的浸渍缺陷，从而可以使用成本较低的胶带，同时最大限度地减少最终部件中的空隙。它涉及将大量红外 (IR) 热量施加到层堆叠的顶层和底层（传输是通过层堆叠放置在其上的红外透明玻璃板），同时将整个堆叠保持在真空下。这会去除空气，使树脂流动并填充胶带内部和之间的间隙。热量只施加很短的持续时间，使胶带能够相互粘合并快速固化，而不会将层板移出原位。它还旨在快速、均匀地将层板堆叠成具有高且始终一致的性能的层压板，使成型行为可重现且更易于模拟，并确保最终部件的高机械性能。另一个问题是如何保持固结层压板的热量途中 压机，以确保良好的成型性能，而不会浪费能量在成型前重新加热层压板。一旦固结，现在熔合的层压板在从机器中取出并迅速移动到压机进行成型之前会被快速重新加热。

最终流程

后载货地板的最终工艺顺序在四台设备上进行，其中三台在工作单元中同时运行。

首先，使用通过 Fiberforge RELAY 铺带系统通过模拟确定的方向自动铺放带。分度台可以轻松地将胶带以几乎任何方向铺设在层堆的每一层上。每层上的单独胶带通过点焊轻轻粘在下面的层上，底层在铺设过程中通过真空固定到位。由于胶带是针对每一层的每一块单独切割的，因此浪费最少，并且需要最少的模具后修整。该系统还可以通过在固定前修剪胶带边缘在堆叠中设置孔/窗口，从而减少模具后修剪并进一步减少废料和成本。

接下来，将叠层从 Fiberforge RELAY 机器移至 Fibercon 机器并设置在该装置的玻璃板之间。当装置关闭时，在堆叠上抽真空，IR 热量通过顶板和底板在短时间内投射，将 PA6 基体迅速加热到其熔点（~230°C）以上，使树脂流动并去除空隙。然后将层压板冷却到树脂结晶温度（~180°C）以下，将单个胶带合并为单个层压板。

在现在打开的压缩压力机中，刚刚推出了之前的零件，顶出销被排除在外，研究人员在等待下一轮材料到达的同时，手动将两个铝型材和几个金属插件装入工具的上部/核心侧。

Fibercon 中仍然很热的层压板再次加热到 PA6 的熔点以上，打开装置并将层压板转移到打开的压缩机中。由于空气是比钢更差的热导体，因此将层压板放置在工具腔侧的完全伸出的顶针上，以帮助在 D-LFT 电荷到达之前将热量保持在层压板中。

在铺设和加固胶带的同时，附近的 D-LFT 材料正在使用两台挤出机（迪芬巴赫的 In-Line Compounder 系统）进行复合。第一台挤出机将树脂和添加剂混合，而第二台将纤维短切至所需长度，然后将树脂/添加剂与纤维混合，制成完全混合、预称重的热 D-LFT 装料，然后将其输送到压机。在负载地板的情况下，当通过缩回顶针将层压板降低到工具上时，在层压板上放置了两个 D-LFT 电荷。

随着较热的 D-LFT 装料放在较冷的层压板上，随着四个滑块依次展开以在完全工具闭合之前对层压板进行预成型，压机开始关闭。随着 3D 特征（包括波纹）的形成，载玻片的顺序应用可防止层压板起皱。一旦上部工具关闭，胶带层压板就完全成型，热的 D-LFT 装料在 1,430 MT 的压力下成型为肋状格子结构。然后在压力机打开后弹出带有完全集成金属嵌件的完整零件。

在生产环境中，所有材料处理都将使用配备针爪的龙门机器人完成，但对于 SMiLE 研究计划，则是手动完成的。对于研究计划，总成型周期为 240 秒，通过成型承载地板的厚肋而减慢。研究人员认为，在生产环境中，他们可以通过进一步修改工具将循环时间缩短到 100 秒以下，如果层压板在放入印刷机之前进行预成型，他们可以将循环时间降低得更低。