为大批量生产钢与纤维增强塑料混合的轻质部件而开发的组合工艺


作者:本刊编译 日期:2019/04/08 来源:PT塑料网

为降低重量从而节省能源和资源,近年来,交通运输行业对更轻质部件的需求急剧增加。采用纤维增强塑料进行局部功能化的钢制混合材料部件,以较轻的重量实现了高力学性能。因此,汽车行业对有利于低成本大批量生产的生产工艺的需求正在迅速增加。在“ComMUnion”欧盟研究项目中,弗劳恩霍夫生产技术研究所(简称“IPT”)和弗劳恩霍夫激光技术研究所(简称“ILT”)协同来自行业以及研究和学术界的14家合作伙伴,正在为汽车和航空应用开发工业化的生产工艺和解决方案,以实现组合钢和聚合物基复合材料的混合轻量化设计。

这种新的混合生产工艺,是基于激光纹理(laser texturing)与激光辅助带铺放的结合:为此目的,首先采用激光对部件进行预处理,以提供专门开发、定义的粗糙表面结构。这种纹理表面允许连续纤维增强的热塑性轻质材料(该材料随后起加强作用)直接与钢部件连接。这种结合是机械的,无需额外的预处理措施或额外的粘接促进剂,如粘合剂。

采用一种带铺放工艺,可将热塑性纤维增强塑料制成的加强件(用于承受预期负载)连接到钢部件上。激光在与钢连接区域的局部加热热塑性带材,基体材料熔化并流入激光刻蚀的纹理槽中,当熔化材料凝固后,嵌入单向纤维的带材即与钢部件的粗糙表面结合在一起。

适合大批量生产的组合工艺

当需要局部提高部件的力学性能、同时又不希望显著增加部件重量的时候,组合这两种激光工艺的优势就显现出来。由于没有更多的后处理步骤,比如在带铺放结束后需要固结材料的固化操作,因此该工艺特别适合大批量的生产。此外,精确的局部加热,减少了连接两种材料时发生的变形和残余应力。由弗劳恩霍夫ILT开发的这种激光纹理工艺,也能以一种可重复的方式,精确地应用于金属表面需要纹理的位置。此外,激光不会遭受任何工具的磨损。

第一个混合材料的汽车车身部件亮相JEC World 2019

为了以概念证明的方式验证这项工艺的适用性,这些合作伙伴已经完成了由高强钢和单向纤维增强热塑性带材制成的第一个示范部件:弗劳恩霍夫的两名研究人员——来自弗劳恩霍夫ILT的Kira van der Straeten 和来自弗劳恩霍夫IPT的Tido Peters,制成了一种混合材料的轻质门槛板,用于测试和证明这项工艺组合的功能。

该项目的合作伙伴在JEC World 2019展会中展示了该部件。

混合材料

门槛板这种混合材料的门槛板的一部分,采用激光辅助带铺放工艺实现了局部功能化(图片来自弗兰恩霍夫IPT)