2024復合材料終端市場：工業
下面的案例表明，由于對更高性能和更長使用壽命的需求，復合材料在工業領域的應用正在增長。制造商們正在不斷地尋求使用更快的生產工藝來降低成本，這可能導致對重量更輕從而移動速度更快或者擁有更強承載力、耐磨損以及/或者耐更高溫度的設備的需求。其他的應用則要求提高對濕氣和化學品等的環境耐受性。工業用復合材料通常由玻纖增強材料與低成本的熱固性或熱塑性聚合物基體組成，但也可以使用碳纖維，而且，隨著低成本的再生碳纖維材料變得越來越可用，碳纖維的應用正在增加。增材制造/3D打印也推動了復合材料在工業領域應用的增加。
一個重要的動態是，用于自動化加工設備的復合材料在工業領域的應用有所增加。比如，自動纖維鋪放（AFP）設備的供應商們注意到，近年來，熱塑性復合材料帶材的可用性和質量有所提高，供應商們關注的不僅是航空航天材料，還關注更實惠的工業材料。
工業應用的陶瓷基復合材料（CMC）
由陶瓷纖維增強的陶瓷基（CMC）材料已越來越多地被用于工業熱處理領域。這是因為，更高的溫度可以提高效率，而 CMC 能使零部件在更高的溫度下具有更長的使用壽命。比如，用于蒸汽裂解碳氫化合物的原型CMC反應釜，就比以前的金屬反應釜提高了50%-60%的耐久性。位于德國斯圖加特附近的Walter E.C. Pritzkow Spezialkeramik公司是氧化物纖維增強的氧化物CMC（商標為 Keramikblech OCMC）的專業公司，該公司使用由 Nextel 610 和Nextel 720 纖維制成的織物以及手工鋪層工藝來制造各種零部件。“我們主要與工業公司合作，如林德和巴斯夫，但也與從事金屬鑄造和熱處理的公司合作。”Pritzkow表示，“我們生產數量在10-100 個的小批量部件，但也生產較大的部件，如燃燒器系統，我們每年交付 2000-5000 個零部件。”
CMC零件有助于提高效率，實現能源轉型。由 Keramikblech 氧化物纖維/氧化物基體（OCMC）制成的燃燒器噴槍的使用壽命是蒸汽裂解裝置中使用的金屬合金燃燒器噴槍的 10 倍（上圖）。混合式OCMC爐管（氧化鋁襯管、金屬嵌件、OCMC外護套）已在電動蒸汽裂解示范中取得了成功（左下）。巴斯夫已在路德維希港安裝了全球首座大型電加熱蒸汽裂解裝置，可減少 90% 的碳排放（右下）（圖片源自Walter E. C. Pritzkow Spezialkeramik）
Pritzkow認為，OCMC部件在未來具有巨大的潛力。“越來越多的應用正在開發之中。”他說，“一開始，我們與專業公司合作開展一些小眾應用，而現在與那些希望在更高的溫度下運行熱工藝的大公司合作。”他補充道，如果德國引入新的生產，使得氧化物纖維成本降低，這將進一步增長。“我們將有更多的機會來取代因焦化和腐蝕而在數周和數月內即損壞的金屬部件。OCMC部件提供了更長的使用壽命，比如，我們的火焰管的使用壽命長達4年。有人說，我們的部件太貴了，但像巴斯夫這樣的公司卻發現，我們的部件在維護、停機和零件更換方面所帶來的降本是顯著的。停產浪費的時間甚至更加昂貴。現在，這些公司可以在更高的溫度下運行更長的時間，因此他們的整體效率確實提高了很多。”
增加復合材料管的產量
管材的自動化生產正在增長。“我們的長期愿景是，實現熱塑性復合材料管的商品化。”Alformet的董事總經理Lucas Ciccarelli解釋道。該公司由AFP系統供應商 Advanced Fibre Placement Technology（簡稱AFPT，德國Dörth）創立，專門制造零部件，市場包括體育用品、電動工具、用于汽車的泵和某些零件、海上管道和自動化機器。“我們的產品非常廣泛且復雜，每個行業的要求各不相同。”Ciccarelli 說道。
Alformet公司的成立是為了生產熱塑性復合材料的管和壓力容器（圖片源自Alformet）
其中的一個市場是電動機中的轉子套筒，它需要非常薄的結構，降本的要求意味著要縮短生產時間。與此同時，Alformet的母公司AFPT正在制造激光輔助的帶纏繞（LATW）/AFP機器，該機器每年能生產50萬個或更多的部件。這些機器通常使用5個軸進行纏繞，設計為每天24小時運行，控制系統能處理復雜的形狀，同時保持恒溫。“我們必須使這些系統可靠且易于使用。”Ciccarelli表示，“因為我們正在與那些以前從未使用過AFP或纏繞工藝的公司合作開辟新的市場。”
XCell機器人被用于AFP 和纖維纏繞（上圖）（圖片源自Carbon Axis）
另一家致力于將AFP推向工業領域的AFP公司是 Carbon Axis（法國拉羅謝爾），該公司制造的XCell機器人被用于使用XPlace AFP頭來生產最大1米×0.5米×0.5米的部件。該公司還推出了更大的XCell-M機器人，用于采用其新的XPlace2 AFP頭來生產大約2.5米×1.5米的部件。這些系統的模塊化設計使標準、緊湊的機器具有多種選擇，包括熱固性、熱塑性和干的纖維帶。“我們還可以集成纖維繞線頭和軸，以及用于修剪預成型件的超聲波切割。”聯合創始人 Chiemi Avila Mori說道。“我們想要一個標準的框架，在此框架中，你可以決定放入哪些模塊，以及放入多少模塊。”聯合創始人 Pavel Perrotey 補充道，“您可以使用緊湊的雙線軸頭來生產更復雜的部件，也可以使用4線軸配置來進行寬幅鋪放。”他補充說，目標是將AFP從航空航天應用領域引入到體育/娛樂，賽車運動、醫療和工業領域。“這就是為什么我們的目標是開發多材料、多工藝的機器，其成本比傳統的大型機器人AFP系統低10倍。我們能夠研發和生產許多不同的部件，這些部件擁有復雜的層壓結構，在手動生產時會產生大量的廢料。我們的機器能耗也非常低，因為這變得非常重要。”
拉擠和拉纏的復合材料管
隨著醫療業務部門的不斷壯大，ABM Composite認識到生物基和可生物降解的聚合物還能用于廚具、餐具和其他家居用品。“在這方面，與石油基塑料相比，這些可生物降解聚合物的機械性能通常較差。”Rosling說道，“但我們可以用我們的可降解玻璃纖維來增強這些材料，使它們實際上成為化石基商用塑料的良好替代品而適用于廣泛的技術應用領域。”
Exel Composites 生產各種拉擠和拉纏的復合材料部件，用作卷簾門和遮陽篷系統的軸，以及梯子的梯級等（圖片源自Exel Composites）
在復合材料管的生產中，另一種使用越來越多的工藝是拉擠成型。2023年，已報道過拉擠復合材料技術的公司包括Avient Corp.（美國俄亥俄州埃文湖）和Exel Composites（芬蘭萬塔），該公司宣布，其拉擠的桿子被制造商Umbrosa（比利時Roeselare）用于戶外雨傘和遮陽傘系統。Umbrosa的產品被用于海邊和叢林等環境中，意味著它們長期暴露在鹽水、雨水、大風和紫外線中，而復合材料有助于提供長期使用的耐久性而不會受損。
Exel還專注于拉纏工藝，該公司解釋說，盡管該工藝涉及將纖維拉過樹脂浴以及加熱模具進行固化，但通過先將纖維纏繞在心軸上，它具有按不同方向交叉纏繞纖維的能力。在這種高度自動化和可重復的加工中，可以使用纖維混合物來大批量地生產具有成本競爭力的復合材料產品，特別適用于薄壁、中空的復合材料產品，包括需要高環箍強度的伸縮桿應用。拉纏還有助于防止用于卷簾門或遮陽篷系統的軸出現變形，并可用于生產長方形的復合材料梯級。
用于復合材料管的FRP襯管
用于拉擠復合材料組件的 Cyrco FRP 襯管（圖片源自Cyrco Inc.）
Cyrco公司（美國北卡羅來納州格林斯博羅）是一家修理、重建和建造冷卻塔的公司，該公司開發了纖維增強聚合物（FRP）襯管，可與“由螺栓連接的復合材料管和型材組成的結構”一起使用。當這種結構遭遇風和其他載荷（振動、交通等）時，它們可能彎曲，引起移動和螺栓摩擦，從而影響到FRP管中的鉆孔。隨著時間的推移，反復的移動導致螺栓孔尺寸增大。Cyrco 的 FRP 襯管包裹住螺栓的“銼狀”螺紋并防止孔磨損。將這種FRP襯管預先組裝到位，使工人能夠引導螺栓穿過入口和出口孔，從而縮短建造時間。它們還可以防止螺栓扭矩不足或扭矩過大。北卡羅來納州A&T州立大學納米科學與納米工程聯合學院所作的拉伸強度測試表明，Cyrco的FRP襯管產生了超過6.0的剪切服務系數。根據 Cyrco 公司的說法，這是美國冷卻塔協會（CTI）制定的最低標準3.0的兩倍多。
包覆成型復合材料管與型材
對拉擠/拉纏的型材半成品進行功能化。Epsilon Composite 與注射成型合作伙伴 Somocap 為其熱固性復合材料管開發了一種熱塑性復合材料的注射包覆成型工藝并申請了專利（圖片源自Epsilon Composite）
Epsilon Composite（法國蓋蘭梅多克）沒有用螺栓將拉擠成型的產品連接在一起，而是開發了一種替代工藝。該公司專業從事中到大批量的高性能碳纖復合材料部件的拉擠和拉纏生產。對于許多用其型材和管材制成的最終用途部件（如飛機支柱、工業部件和技術滾輪等）而言，金屬或塑料的端部配件以及嵌件，通常是用粘合劑或螺栓來連接的，以添加功能或為其他部件提供連接點。2012 年，Epsilon Composite 開始嘗試替代方法，并決定使用復合材料注射包覆成型。然而，Epsilon 拉擠的型材是由環氧樹脂或其他熱固性樹脂制成的，而注射包覆成型則是使用熱塑性基體材料、在高溫高壓下注射成型。
工業應用是Epsilon的核心終端市場之一，如機械或機器人的臂，這是其注射包覆連接工藝的第一個應用領域（圖片源自Epsilon Composite）
Epsilon Composite 與其注射成型合作伙伴 Somocap（法國 Jatxou）密切合作，開發了一種技術，用來生產與熱塑性配件包覆成型的混合的熱固性復合材料拉擠產品。首先，通過拉纏或拉擠工藝生產出空心管狀的熱固性復合材料型材；然后，對型材的端部進行加工，以便與所連接的端部配件的形狀相匹配，為型材的連接提供粗糙的表面積；接著，將工具/塞子放入置于注射機中的型材內，在特定的熱量和壓力下，將熱塑性塑料注射到型材和端部配件的周圍，使它們連接在一起。從成本相對低的玻纖填充PA6，到性能更高的材料如玻纖或碳纖增強的聚醚醚酮（PEEK）、聚苯硫醚（PPS）或聚醚酰亞胺（PEI），已有一系列的材料得到了應用，也可以使用未增強的樹脂系統。
與粘接或機械緊固等其他方法相比，據說，包覆成型可以降低成本、減輕重量并提高沖擊耐受性。如果用熱塑性塑料取代金屬，還可以消除腐蝕風險。該技術的第一個商業用例是2015年與一家美國公司合作，該公司生產用于工業機器人的拉擠桿。Epsilon Composite 還將該技術用于飛機支柱和農業機械的生產中，與客戶合作，用 50 米寬的拉擠復合材料臂取代了工業拖拉機的鋼制噴臂。該技術已成為該公司為終端市場大批量生產部件的首選方案。“我們已經零故障地生產了數以萬計的部件。”Epsilon Composite銷售總監 Romain Coullette表示。
機器人包覆成型
Anybrid的機器人包覆成型工藝可以與拉擠、擠出和類似工藝一起使用，以添加緊固件、加強筋、燈、傳感器或其他功能（圖片源自Anybrid）
對復合材料拉擠件進行包覆成型以使其功能化從而適合工業應用的另一種方案是 Anybrid（德國德累斯頓）的機器人注射成型 （ROBIN） 工藝。“我們在 2019 年開發了這種機器人注射機來生產混合部件。”Anybrid 的管理合伙人 Michael Stegelmann 說道。所謂混合部件，是指使用注射成型聚合物來對結構功能化，以創建局部連接點、加強筋等。Anybrid已將其注射成型工藝小型化，以適合機器人臂的末端執行器，使拉擠件能夠在機器人單元中得到在線包覆成型，或模制出功能化的結構。Anybrid與創新集團REHAU Industries（德國Rehau）合作證明了這一點，該集團為建筑、汽車和工業應用生產基于聚合物的解決方案，包括窗型材和用于汽車外飾、保險杠和氣管系統的組件。兩家公司使用 ROBIN 工藝將螺紋緊固件集成到一個狹窄的歐米茄形狀的型材中，該型材由47%玻纖粗紗增強的PA6制成，然后用類似的材料包覆成型。
Stegelmann 解釋了所涉及的步驟：首先，將金屬嵌件放置在 ROBIN 機器內的小型注射模具中；接著，將ROBIN系統與型材對齊，然后合模，對緊固件進行包覆成型。由于模具非常小，ROBIN甚至可以到達“該型材背面上的高壁與具有抗扭或集成密封的包覆緊固件”之間。
REHAU的研究化學家Stephan Sell博士說：“我們看到了在各種連續生產線中使用Anybrid的移動注射成型的巨大潛力，如熱塑性擠出、拉擠或CCM（連續模壓成型），用于為運輸或工業應用生產復合材料部件，它使得單一材料的系統即由相同聚合物基質制成的產品成為可能，省去了膠接等步驟。這使得生產速度更快，產品更易于修復或回收。”他表示，ROBIN還節省了成本。“使用小型的注射成型機器人可以省去大型、昂貴的模具。由于不再需要將型材移入到注射機中，因而減少了物流。我們已經在我們的擠出生產線上證實了可以降低成本、提高產率和靈活性。”
用于機械臂末端工具（EOAT）的復合材料
Zero Tolerance LLC（美國密歇根州克林頓鎮）是一家模具制造商，專門為各行各業制造高度復雜的、公差要求嚴格的中小型注射模具。該公司購買了幾臺3D 打印機，包括一臺來自 Markforged（美國馬薩諸塞州沃爾瑟姆）的 X-7 工業級別的連續碳纖維復合材料打印機和另外兩款FDM/FFF Markforged機型：一臺onyx One 不連續碳纖維打印機和一臺Mark Two 連續碳纖維打印機。最初，Zero Tolerance 利用其打印機為使用聚酰胺（PA）和聚乳酸（PLA）的客戶生產原型并進行概念驗證。最近，該公司生產了人工操作的末端工具（EOAT）用來協助成型操作。
聚合物/復合材料增材制造（AM）的設計自由度，使得 Zero Tolerance LLC 更易于為自己和客戶的成型操作設計用于前向/嵌件固定（中左和右）和后向/手柄版本（右）的不同的爪式手動 EOAT。左中為等待嵌件的未加載 EOAT，右中為預加載的嵌件。與使用機器人相比，3D打印的手動EOAT不僅大大降低了成本，而且與手動將嵌件放入熱模腔中相比，還提高了操作員的安全性并縮短了有效循環時間（圖片源自Credit Zero Tolerance LLC）
另一家使用這種方法的公司是 Savage Automation LLC（美國猶他州法明頓），該公司專門開發和生產堅固的EOAT和夾具，以幫助注射成型商解決問題并簡化安裝和操作。“我們生產了大量高度復雜的高價值的一次性產品，花費了大量的設計時間，因此增材制造非常適合這種小批量/高混合的工作。創始人Richard Savage說道，“基本上，我們認為增材制造可以生產任何成本高或需要很長時間加工的東西。”成型商們通常會向 Savage Automation 發送模具設計和零件圖紙，團隊使用這些圖紙來設計末端執行器、夾具或其他制造輔具。接著，該團隊在Markforged Inc.的onyx One FDM/FFF打印機上生產原型輔具，該打印機可以打印純PA6或不連續碳纖維增強的PA6。
3D打印的EOAT的兩個視圖：面向部件一側的氣動夾具和吸盤（左）以及面向機器人一側的連接（右）（圖片源自Savage Automation LLC）
Savage表示，使用傳統EOAT時，不容易找到位置來放置空氣/真空管路，因此工具最終會有一堆由拉鏈綁在一起的管線。“通過增材制造，我們只需打印出整體通道，即可使空氣管路穿過部件主體，而且每個連接只有一條連接線，且有清晰的標簽。安裝夾具或吸盤也是如此——你只需將它們打印到主體上，就不必擔心螺絲松動以及墊子或夾爪脫落。隨著我們對3D打印了解的越多，我們改變設計方法的另一種方式是，巧妙地處理部件的延展性和邵氏硬度。我們不是通過改變聚合物，而是通過改變我們打印晶格的方式和我們的打印機方向來實現的。當改變晶格及其厚度時，也就更改了幾何形狀的靈活性，這對你控制夾持力以便操作精密部件是非常有用的。”
Rapid Robotics Inc.（美國加利福尼亞州舊金山）也在其位于美國密歇根州諾維的工廠中設計并制造全自動的協作機器人單元。這兩個工廠的工程團隊在FDM/FFF打印機上為EOAT和其他生產輔具制作概念原型。一旦設計完成、生產準備就緒，耐用組件就會在Markforged碳纖維復合材料打印機上被制造出來。“我們設計和打印的產品，很大程度上取決于我們試圖實施的自動化任務類型。”Rapid 品牌代言總監 Forest Lee 說道，“雖然可以找到能夠使用的現成的部件拾取器和夾具，但標準產品通常尺寸不合適，或者它們不夠耐用，無法在熱的或多塵的環境中使用，或者它們比我們自己能夠打印的更重。重量很重要，因為它會影響我們的協作機器人的運行速度，進而影響我們試圖實現的自動化加工的循環時間。因此，我們使用了很多專門打印的組件。通過增材制造，我們有了極大的靈活性，可以更快、更高效地制作原型和生產部件，這使我們能夠構建JIT（準時生產）系統。”
3D打印模具
最后，復合材料增材制造還可用于制造工業領域使用的各種模具和工裝。2023 年，一些突出的公司和技術包括：
1. Massivit 3D（以色列洛德）及其獲得專利的雙頭凝膠點膠打?。℅DP），用于制造工業使用的各向同性的環氧樹脂模具，該模具可用于生產全尺寸部件（1.2米×1.5米×1.8米）。該系統不僅可以制作環氧樹脂模具，還可以制作熱成型、樹脂傳遞模塑（RTM）成型和反應注射成型（RIM）使用的模具。使用 Massivit 專利的直接澆注（CIM）技術，可以為復合材料部件制造訂制模具，以實現各向同性模具的自動化生產，并將纖維增強聚合物（FRP）模具的制造時間縮短80%，從而將勞動力相關成本降低 90%。
圖片源自Massivit 3D
2. CEAD（荷蘭代爾夫特）是一家全球性的大型3D打印公司，提供CFAM 龍門式單元和基于機器人的靈活且可擴展的Flexbot系統，以及一系列擠出機，這些擠出機被用于諸如現有的數控機床和 BEAD 混合機器中。后者是與Belotti（意大利Suisio）合作制造的，整合了大型增材制造和CNC加工。2023年，Airtech International（美國加利福尼亞州亨廷頓海灘）在其位于田納西州斯普林菲爾德的增材制造卓越中心安裝了一臺 CEAD 機器。Airtech稱，CEAD Flexbot擁有3米×1米的構建空間、CNC 銑削能力和動態流量控制，使其成為適合精密制造的一體化先進解決方案，有助于Airtech繼續開發用于3D打印的樹脂并探索在不同市場的應用。
安裝在Airtech工廠中的CEAD Flexbot（圖片源自Airtech）
3. 2023年，Caracol（意大利巴爾拉西納）在德克薩斯州奧斯汀開設了美國總部。該公司表示，這項戰略投資將使其能夠直接在美國生產和組裝集成硬件和軟件的LFAM平臺、Heron AM。
圖片源自Thermwood
4. 在 CAMX 2023展會上，Thermwood Corp.（美國印第安納州戴爾）展示了其LSAM增材打印機系統，該系統擁有一個固定的單龍門、一個5英尺×10英尺的移動工作臺，最大打印高度為4英尺，最高打印溫度為450°F。來自普渡大學LSAM研究實驗室的Additive3D仿真模塊也得到了展示。
原文鏈接：
https://www.compositesworld.com/articles/composites-end-markets-industrial-(2024)
