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与众不同的PvP预成型技术更高效、更灵活

   日期:2020-09-09     来源:PT塑料网    浏览:139    评论:0    
核心提示:为了不断降低碳纤维复合材料的加工成本并使其更好地适应大批量的汽车生产需求,帝人集团的子公司——帝人碳纤维欧洲有限公司开发了一种名为“part-via-preform”的工艺技术(简称PvP),保时捷赛车是第一个使用PvP技术的车辆。
      为了不断降低碳纤维复合材料的加工成本并使其更好地适应大批量的汽车生产需求,帝人集团的子公司——帝人碳纤维欧洲有限公司开发了一种名为“part-via-preform”的工艺技术(简称PvP),保时捷赛车是第一个使用PvP技术的车辆。

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PvP工艺的第一个商业化应用是用于固定保时捷911 GT3 Cup II轿车上的大型扰流板/翼子板的大型安装支架(图片来自保时捷公司)

PvP工艺专为汽车行业应用而设计,是一种采用粘结剂改性的碳纤维粗纱快速制造近净形状预成型件的方法。制备好的预成型件随后被灌注环氧树脂或聚氨酯树脂,再利用树脂传递模塑成型(RTM)工艺或高压RTM (HP-RTM)工艺最终成型。据介绍,当综合使用RTM/HP-RTM工艺时,整个生产过程还实现了对材料的优化使用,减少了浪费,提高了设计的灵活性。利用通常使用的设备,既可以生产结构件,也可以生产外观件(汽车A级表面),而且与采用其他织物或预浸料的生产相比,还减少了生产步骤、人工、浪费和成本。目前,帝人只是销售利用PvP工艺生产的成品部件,并不授权这项技术。

优化设计和材料铺放

PvP工艺是采用含粘结剂的碳纤维粗纱(粘结剂已到位的Tenax粘合纱)取代基于织物的更昂贵、劳动密集型的技术。将这些粗纱切碎,然后喷撒到预成型模具中。在此模具中,粗纱固结、粘结剂固化。随后,将预成型件修剪成近净形状。由于预成型件是干的,因此可以立即将其移送到HP-RTM压机中对其灌注树脂并最终成型。PvP工艺使得灌注和成型前的一些工作被取消,如采购干织物、添加粘结剂、切割织物以及固化粘结剂以制成预成型件,该工艺还取消了采购、切割、铺放和成型预浸料的步骤。

这种含粘结剂的粗纱通常是在被切碎后,采用一种随机纤维铺放(简称RFP)技术将其喷撒到模具中,与相对刚性的连续纤维织物相比,它更适合成型出复杂的三维形状。由于纤维短且树脂在HP-RTM模具中流动,部件可以达到相当高的各向同性水平,尤其是在力学性能方面。该工艺还允许使用不同规格和性能的丝束来满足应用要求。到目前为止,已实现了50%的纤维体积百分比(FVF),尽管帝人表示,甚至更高的 FVFs也有可能做到。

虽然纤维是随机铺放的,但这项工艺却能生产出相当均匀的部件。为了验证这一点,帝人的研究人员们做了一个研究,采用PvP预成型件生产出一个复杂的RTM部件。他们共生产了55个直径25mm的试样,然后在整个结构上打孔并对它们称重,试样的平均重量为537mg,标准偏差±53mg,差异系数9.8%。

如果一个部件需要在特殊的位置拥有更高的力学性能,可以在生产预成型件的过程中,利用定向纤维铺放技术添加单向补强片(可以采用带材、织物或更长的粘结纱形式)来增强局部的各向异性。PvP工艺具有多功能性,可以将随机铺放的纤维与定向排列的纤维结合起来,并能实现复杂的形状,以及允许局部厚度发生变化,同时保持在严格的公差范围之内。

RTM/HP-RTM工艺还提供了更大的设计灵活性,它能制造出拥有重要几何特征的复杂部件,包括肋、凸台、嵌件、通孔以及拥有变厚度的部件,同时还最大程度地减少了孔隙。采用RTM/HP-RTM工艺能够制造真正的三维部件,相比之下, 模压成型工艺只能生产出2D或2.5D的板材。

“PvP是一项能够实现最佳设计和最佳材料铺放的技术,不会导致材料使用过量或者不足。”帝人有限公司复合材料业务单元汽车业务全球供应链助理业务经理Yasunari Hotani解释道,“这使它成为能够平衡性能与成本的理想工艺,它代表着对CFRP(碳纤维增强塑料)部件的优化制造。”

快速、高效而经济

当采用标准的环氧树脂或聚氨酯树脂系统时,依据部件的厚度,HP-RTM的循环时间可能需要4~6min。如果使用快速固化树脂,循环时间甚至会更短。

PvP工艺的另一个好处是,当使用模内涂层工艺时,正确设计和成型的部件无需模后再加工。模内涂层过程发生在成型周期将要结束的时候:即随着部件的固化/冷却,略微打开模具,在部件的A面与模具之间浇注液体涂层,然后压机重新闭合,使得涂有涂层的部件饰面在部件被顶出前得以固化/冷却。这样,从压机中出模的部件表面已涂有底漆,这为喷漆或涂透明涂料作好了准备,从而显著减少了模后的表面喷涂步骤。如果部件较小,还可以通过采用多型腔的套模进一步提高生产效率。

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PvP工艺过程是:将帝人提供的经粘结剂改性的碳纤维粗纱切碎,然后喷撒到预成型模具中,待固结后将其修剪成近净形状的预成型件。立即将预成型件移送到压机中灌注环氧树脂或聚氨酯树脂,最终成型。当使用模内涂层技术时,正确设计和成型的部件从压机中出模时即拥有了良好的表面,能够立即喷漆或涂透明涂料(图片来自帝人有限公司)

PvP和RTM/HP-RTM两项工艺均可实现自动化,允许在部件开发与较大批量的生产之间灵活调整产量。一旦设计完成,集成自动化检测设备的能力还减少了对质量检查的需求,并确保了生产过程的稳定性。

不同于材料浪费高的织物预成型件或预浸料,采用PvP和RTM/HP-RTM工艺产生的废料很少,从而使成本平均降低了30%。另一个优势是,除了安装在RTM 或HP-RTM压机上的模具以及喷头和切碎器外,使用这项技术不需要专用设备。

PvP的一大缺点是,生产出来的部件呈现出随机分布的短切纤维外观。虽然可以用油漆或者一层真正的织物来遮盖,或者在涂透明涂料前在模内背部填充一层模拟织物的膜,但这可能并不符合所有潜在客户对审美的要求。另一个缺点是,成型商们暂时不能获得PvP技术,只能获得最终成型的产品。

Hotani表示:“如果对我们和客户都是合理的,我们会根据情况来提供预成型技术。”无论是授权这项工艺,还是作为大宗材料/服务采购的一部分而免费提供这项工艺,未来都会根据兴趣和其他参数来作出决定。

第一个商业化的应用:保时捷的安装支架

对PvP工艺的初始研究始于2012年,当时帝人正在评估“将其碳纤维业务向下游扩展至中间产品(预成型件)和部件生产”的机遇。2014年,该公司推出了PvP,以作为一种生产CFRP部件的高效率方法。2016年,该公司宣布,其已开发出一种组合了PvP与HP-RTM的一体化生产方法。随着对这项技术的研究向前推进,该公司开始寻找可以使用这项技术的客户和应用。

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2017年,帝人碳纤维欧洲有限公司生产了大型的安装支架,它跨越了保时捷911 GT3 Cup II 轿车的大型扰流板/翼子板的大部分宽度(图片来自SPE汽车部门)

第一个商业化的应用是2017生产的一个大型安装支架(装配托架),它横跨保时捷911 GT3 Cup II 轿车的大型后扰流板的大部分宽度。该支架用于将翼子板固定到车辆上。该扰流板提供了下压力,从而能在高速行驶期间提高稳定性和转向性能。这些限量版的高性能汽车既适合日间比赛,也满足街道行驶法规要求,因此在最大程度降低重量的同时,还要求提供最高的性能和安全性。

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该支架用于将翼子板固定到汽车上,它取代了之前采用真空灌注碳纤维织物生产的成本高且不能提供所需刚性的支架(图片来自帝人有限公司)

以前,该支架是采用碳纤维机织物、利用真空灌注工艺生产的。但是,要将较硬的织物悬垂成复杂的三维形状却面临着挑战,导致现有的部件成本高且缺乏所需的刚性,这带来了大量的织物浪费,从而进一步增高了成本。此外,灌注工艺属于劳动密集型技术,速度要比HP-RTM慢。

通过利用PvP和HP-RTM技术,采用标准的汽车级别的环氧树脂以及50mm的短切碳纤维(50% FVF)进行设计,位于德国Heinsberg的帝人碳纤维欧洲有限公司最终生产出了负载性能优异的高质量部件,满足了保时捷的所有性能要求。自动化的快速PvP/HP-RTM工艺结合模内涂层,使得成本显著降低,它减少了生产步骤和废料。与之前的基准支架不同,它无需模后加工来获得光滑的无针孔表面,这样部件可以直接喷涂透明涂层。

下一步

虽然保时捷的装配托架是一种短期生产的部件,但PvP技术并不只限于低产量的应用。帝人表示,这项技术已为工业4.0作好了准备,而且,根据部件的大小、厚度和预成型的时间,一套模具能够以5min的节拍每年生产出大约 50000个部件。此外,快速固化的树脂与套模一样,也有助于提高产能。

虽然最初的研究集中在环氧树脂和聚氨酯树脂基体上,但其他热固性树脂系统的应用也在探索之中。甚至有可能最终使用热塑性塑料(可能是反应聚合的系统),尽管目前还没有对这种聚合物进行研究。帝人还表示,这项技术已获得多项专利。

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标签: 复合材料
 
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