反應(yīng)性熱塑性體系包括單體和/或低聚物（環(huán)狀或線性形式）的混合物，其通過(guò)加入引發(fā)劑和活化劑而轉(zhuǎn)化為聚合物。由于其低分子量，單體和低聚物表現(xiàn)出類(lèi)水粘度，并且可以容易地浸漬干增強(qiáng)體，從而克服了復(fù)合材料制造中熱塑性基體的主要問(wèn)題。

由于其低粘度，反應(yīng)性熱塑性塑料可用于液體復(fù)合材料模塑技術(shù)，如熱塑性樹(shù)脂轉(zhuǎn)移模塑（T-RTM）或真空灌注。反應(yīng)性熱塑性塑料在原位聚合，即在模具中聚合。目前，可獲得許多適用于原位聚合的反應(yīng)性熱塑性塑料，包括熱塑性聚氨酯-polyurethanes,和聚酯-polyesters、聚酰胺-PA- polyamides、聚碳酸酯-polycarbonates 和聚甲基甲基丙烯酸酯-polymethylmethacrylates 。這些聚合物中最有前途的是 PA-6。

以下是歐洲“可持續(xù)流動(dòng)復(fù)合材料”項(xiàng)目研發(fā)報(bào)道。

 

圖片來(lái)源：從DLR項(xiàng)目視頻中提取的靜態(tài)圖像

“可持續(xù)流動(dòng)復(fù)合材料”項(xiàng)目由Faurecia Clean mobility（法國(guó)南特）于2018年啟動(dòng)，旨在開(kāi)發(fā)一種智能熱塑性復(fù)合材料樹(shù)脂轉(zhuǎn)移模塑（T-RTM）工藝，該工藝使用綜合傳感器網(wǎng)絡(luò)，包括智能模具的數(shù)據(jù)以及注塑機(jī)和熱壓機(jī)的機(jī)器數(shù)據(jù)。該項(xiàng)目將于2021年底完成，CosiMo的合作伙伴已經(jīng)獲得了閉環(huán)控制的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)，該閉環(huán)控制將實(shí)時(shí)傳感器數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)和模擬數(shù)據(jù)中的材料參數(shù)相結(jié)合。CosiMo由巴伐利亞州經(jīng)濟(jì)事務(wù)、區(qū)域發(fā)展和能源部在校園碳4.0計(jì)劃中資助。

該演示部件長(zhǎng)1100毫米，寬530毫米，由Faurecia Clean Mobility位于德國(guó)奧格斯堡的研究中心設(shè)計(jì)。目標(biāo)是探索材料和工藝限制，包括金屬和泡沫芯、復(fù)雜的幾何形狀、2.5至10毫米不等的各種半徑和厚度。奧格斯堡紡織技術(shù)研究所（ITA）提供的玻璃纖維無(wú)紡布高達(dá)1000克/平方米。研究了玻璃纖維無(wú)卷曲織物和碳纖維單向帶的局部補(bǔ)強(qiáng)性能。玻璃纖維材料允許使用來(lái)自報(bào)廢復(fù)合材料部件的回收纖維。

 

DLR ZLP 正在拆除的 T-RTM 演示電池箱蓋挑戰(zhàn)部件

根據(jù) Faurecia Clean Mobility的零件設(shè)計(jì)和奧格斯堡制造的預(yù)成型工具，CosiMo的T-RTM工藝使用了KraussMaffei（德國(guó)慕尼黑）3K（三部件）注塑機(jī)。該工藝是Tecnalia（西班牙Donostia San Sebastián）專(zhuān)利的 2K工藝的衍生物，KraussMaffei 在2016年德國(guó)杜塞爾多夫 K 展上展示了該工藝。3K注塑機(jī)與4400千牛頓Wickert（德國(guó)普法爾茨的Landau）熱壓機(jī)相結(jié)合，其中安裝了鋼RTM工具。RTM工具由德國(guó)迪特福特的Siebenhurst制造。

 

CosiMo 項(xiàng)目合作伙伴和主要研究領(lǐng)域

該項(xiàng)目的主要目標(biāo)是研究使用傳感器 RTM 模具和熱壓的單步 T-RTM 工藝的完全自動(dòng)化和基于傳感器的過(guò)程控制。德國(guó)航空航天中心（DLR）輕型生產(chǎn)技術(shù)中心（ZLP，Augsburg）在該項(xiàng)目中制造了大約100個(gè)演示零件。DLR ZLP的CosiMo制造項(xiàng)目負(fù)責(zé)人Jan Faber表示：“這些零件由不同的增強(qiáng)材料制成，質(zhì)量高，再現(xiàn)性強(qiáng)。”

作為“HAP 3-智能工裝”工作包的項(xiàng)目負(fù)責(zé)人， DLR ZLP 還提供了“HAP 1-定制非織造布”和“HAP 2-反應(yīng)系統(tǒng)”工作包中基本材料特性與“HAP 4-數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)過(guò)程控制”之間的關(guān)鍵接口。

傳感器網(wǎng)絡(luò)

70多個(gè)傳感器集成到鋼制RTM模具中，以監(jiān)測(cè)樹(shù)脂注射和原位聚合過(guò)程中的工藝參數(shù)。該網(wǎng)絡(luò)包括各種傳感器，包括 Kistler（瑞士溫特圖爾）的組合壓力/溫度傳感器、Netzsch（德國(guó)塞爾布）的介電傳感器和奧格斯堡大學(xué)開(kāi)發(fā)的超聲波傳感器。后者基于廣泛使用的商用壓電傳感器的概念，但針對(duì)熱塑性復(fù)合材料加工的高溫和模內(nèi)集成要求進(jìn)行了修改。iba AG（德國(guó)Fürth）提供的中央數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)收集、處理材料、工藝和機(jī)器數(shù)據(jù)，然后將其發(fā)布到機(jī)器學(xué)習(xí)平臺(tái)。

過(guò)程模擬和優(yōu)化

傳感器網(wǎng)絡(luò)能夠監(jiān)測(cè)樹(shù)脂流動(dòng)和聚合，并跟蹤復(fù)雜工具幾何結(jié)構(gòu)中的零件參數(shù)。使用溫度和壓力等工藝參數(shù)實(shí)時(shí)分析樹(shù)脂填充和聚合行為。

 

DLR ZLP 的 Wickert 熱壓和 T-RTM 設(shè)備設(shè)置

來(lái)自傳感器的過(guò)程參數(shù)數(shù)據(jù)也用于優(yōu)化過(guò)程模擬模型。基于先前定義的制造演示器，使用ESI PAM復(fù)合材料軟件（ESI Group，Rungis，F(xiàn)rance）對(duì)零件制造的子過(guò)程（如樹(shù)脂填充模擬）和聚合部件的特性（如變形模擬）進(jìn)行建模。DLR ZLP 將這些模擬結(jié)果與實(shí)際工藝數(shù)據(jù)進(jìn)行了比較， 以優(yōu)化 T-RTM 工藝， 作為 HP3 Workpackage 活動(dòng)的一部分。

該項(xiàng)目隨后開(kāi)發(fā)了基于機(jī)器學(xué)習(xí)方法的自動(dòng)化和模擬數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的過(guò)程控制。奧格斯堡大學(xué)軟件與系統(tǒng)工程研究所（ISSE，教授Reif）生成了機(jī)器學(xué)習(xí)訓(xùn)練數(shù)據(jù)，并開(kāi)發(fā)了人工智能（AI）模型，預(yù)測(cè)聚合狀態(tài)、聚合所需時(shí)間以及樹(shù)脂注射、填充和聚合子過(guò)程中的潛在問(wèn)題。這是與該項(xiàng)目的另一個(gè)關(guān)鍵合作伙伴 Kuka（德國(guó)奧格斯堡）合作完成的。

奧格斯堡大學(xué)材料資源管理研究所（MRM）開(kāi)發(fā)了一個(gè)描述聚合過(guò)程的動(dòng)力學(xué)模型。Netzsch 也是一個(gè)關(guān)鍵的合作者，將其熱固性過(guò)程監(jiān)測(cè)的知識(shí)轉(zhuǎn)移到熱塑性過(guò)程監(jiān)測(cè)中，以幫助建立預(yù)測(cè)人工智能模型預(yù)測(cè) PA6 聚合應(yīng)在何時(shí)完成以及聚合狀態(tài)的能力。

零件制造和測(cè)試

對(duì)于零件生產(chǎn)，將鋼制模具加熱至170°C，將反應(yīng)性己內(nèi)酰胺樹(shù)脂組分加熱至120°C。將預(yù)成型件放入模具中，然后將模具閉合。在短暫停留以使預(yù)成型體達(dá)到模具溫度后，注入己內(nèi)酰胺單體，這需要20-25秒。工藝模擬表明，注射后原位聚合需要5.7分鐘，轉(zhuǎn)化率為98.5%。在此之后，打開(kāi)壓機(jī)，在170°C下脫模。

 

DLR ZLP為CosiMo項(xiàng)目生產(chǎn)了大約100個(gè)高質(zhì)量的示范電池箱蓋挑戰(zhàn)部件。

通過(guò)紅外光譜、流變儀數(shù)據(jù)和聚合的 DEA 傳感器分析來(lái)確認(rèn)聚合度。使用包括顯微鏡、熱成像和空氣耦合超聲在內(nèi)的無(wú)損檢測(cè)對(duì)成品零件進(jìn)行評(píng)估。零件質(zhì)量與工藝傳感器數(shù)據(jù)相關(guān)，并與市場(chǎng)上類(lèi)似的玻璃纖維/熱塑性零件進(jìn)行比較。

未來(lái)發(fā)展

Faber說(shuō)，對(duì)于DLR ZLP來(lái)說(shuō)，這個(gè)項(xiàng)目是成功的。他說(shuō)：“我們已經(jīng)完成了我們的部分，并發(fā)展了許多關(guān)于使用傳感器實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料加工的全數(shù)字閉環(huán)控制的知識(shí)。” “對(duì)于工業(yè)批量生產(chǎn)，沒(méi)有人會(huì)安裝這么多傳感器，這不是我們所期望的。但對(duì)于這項(xiàng)研究調(diào)查，這個(gè)大型傳感器網(wǎng)絡(luò)非常精確，有助于我們?nèi)媪私夤に嚭筒牧闲袨椤Ｎ覀兛梢钥吹焦に囍幸蛄慵穸然蚣刹牧希ㄈ缗菽荆?rdquo;

他指出，這個(gè)項(xiàng)目已經(jīng)產(chǎn)生了很多知識(shí)，并認(rèn)為未來(lái)有潛力將其應(yīng)用于較慢的RTM和灌注工藝，在這些工藝中，零件質(zhì)量問(wèn)題的風(fēng)險(xiǎn)歷來(lái)非常高。Faber還將于周三在“己內(nèi)酰胺T-RTM生產(chǎn)中基于傳感器的原位聚合過(guò)程監(jiān)測(cè)”中介紹CosiMo項(xiàng)目的進(jìn)展和結(jié)果。

DLR ZLP 也是奧格斯堡人工智能生產(chǎn)網(wǎng)絡(luò)的三個(gè)關(guān)鍵合作伙伴之一，該網(wǎng)絡(luò)成立于2021年1月，還匯集了奧格斯堡大學(xué)和弗勞恩霍夫鑄造、復(fù)合材料和加工技術(shù)研究所。正如人工智能生產(chǎn)網(wǎng)絡(luò)主任Markus Sause博士所解釋的那樣，他也是CosiMo項(xiàng)目開(kāi)發(fā)超聲波傳感器的研究員，“我們將把 CosiMo項(xiàng)目中強(qiáng)調(diào)的合作藍(lán)圖擴(kuò)大到更大的規(guī)模，開(kāi)發(fā)人工智能技術(shù)用于生產(chǎn)，重點(diǎn)關(guān)注復(fù)合材料。我們位于奧格斯堡的5000平方米新工廠于2022年開(kāi)業(yè)，并在2022年全年配備各種機(jī)器，使公司能夠看到人工智能的演示生產(chǎn)環(huán)境中的真實(shí)流程。”

與此同時(shí)，F(xiàn)aurecia Clean Mobility將在內(nèi)部擴(kuò)展通過(guò)CosiMo項(xiàng)目獲得的知識(shí)，該項(xiàng)目與Faurecia的可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略和生態(tài)轉(zhuǎn)型完全一致。Faurecia還感謝巴伐利亞聯(lián)邦經(jīng)濟(jì)事務(wù)、區(qū)域發(fā)展和能源部為該研究項(xiàng)目提供的財(cái)政支持。

 

注：本文根據(jù)《CosiMo: Smart thermoplastic RTM process demonstrated for battery box cover challenge simulator》2021.9.24 和 網(wǎng)上其它資料匯編。