熱塑性帶材的加工新技術

實驗裝置的鋪帶頭上集成了視頻光學測量系統來確定帶材的實際位置（來源：恩格爾）

加工熱塑性纖維復合增強材料的基礎技術正在持續發展。有機板材在汽車和體育用品行業占據著主導地位，并且系列產品已實現大批量生產。在帶材層鋪領域，熱固性加工工藝正嶄露頭角。現在，作為預浸料的預浸漬、軋制和單向增強纖維復合材料已趨于成熟。以PA、PP、PE、PC+ABS、PPS和PEEK為基材的熱塑性帶材近期才受到關注。它們的加工速度更快，但確是完全不同的加工技術，而這反倒與有機板材的加工存在明顯的相似之處。

有機板材包含一個或多個織物層，并且可以用水刀切割成適用于不同產品的毛坯。為了進行后續加工，有機板材只能在紅外烘箱中進行受控加熱，然后放入注塑模具中進行成型、固化和功能化。搬運和夾緊加熱易彎的有機板材是個挑戰。此外，還必須找到確保子零件充分粘合的工藝參數。

碳纖維和玻璃纖維增強的單層帶材的厚度僅為0.14-0.30mm。但是，單層帶材無法滿足大多數應用的需求。因此，疊層一般由多層甚至是20層帶材層疊組成。通過這一方式，由碳纖維帶材制成的零件壁厚可達約3mm。

疊層設計是零件設計規范的一部分。其目的首先是以最少的材料來獲得最高的性能，其次是通過疊層設計盡可能少的產生廢料并保持較少的帶材層數。輕量化和經濟性通常無法完美結合。雖然最佳的結構機械設計可以層鋪許多小型帶材，但出于經濟性考慮，帶材數量和負載優化排列必須限制在可控的數量范圍內。

圖1 帶材層鋪所需的層鋪操作次數（帶材：PA-CF，厚度：0.14mm，密度：1.46g/cm3）可通過零件重量、帶材比重和帶材版式進行估算（來源：恩格爾）

因此，在該工藝的開發過程中還考慮到了生產單元的整體生產率。預期的零件重量和帶材在成品零件中的比例估算（圖1）是帶材層鋪單元的性能指導。層鋪單元的輸出必須與加工機械的生產周期相匹配。如果帶材層鋪所需時間比加工階段更多，這一工序將成為整個生產鏈的限制因素。為了確保整個生產單元的有效運行，層鋪操作的數量必須適當控制，并且應設定最小的帶材版式。此外，若要達到可觀的減重效果，還應考慮到整個零件結構的大部分必須由帶材組成。

以250克的零件重量為例，帶材坯料的平均表面積應達到300cm2。為了確保通過20-30層的層鋪操作產生100-200克的層疊重量，這一點極有必要。這也相當于帶材占總零件重量的40-80%。

與加工同步的帶材層鋪

假定注塑成型階段的周期時間約為60秒，它對帶材層鋪單元的關鍵要求是每3秒層鋪并點焊一個寬達300x450mm的帶材。奧地利的恩格爾公司采用的一種概念方法滿足了這些要求，它主要基于拾放原理。

帶材層鋪的方式取決于技術和經濟要求。關鍵的設計參數包括：

◆最少的廢料

◆盡可能大的帶材坯料

◆最有利于帶材層鋪的結構機械排列

準備階段可輕松自動化并作為帶材層鋪單元不可或缺部分來實施。預裁好的帶材就可放入層鋪單元中。

帶材坯料也可在先導工序中制備，如：帶材卷的斜切或直切、彎曲輪廓或幾乎其他任何形狀的沖壓成形以及帶材的超聲切割，以便帶材坯料在料倉中的存儲或立即加工。

轉軸專用碳纖維帶材

恩格爾的e-pic機器人有兩個版本：作為拾放單元的e-pic Z和取料頭的e-pic B。前者是一個改良的線性機器人，使用傳統的z軸在模具和注塑機上方的料箱之間移動。取料頭的e-pic B使用了旋轉軸而不是z軸，因此能夠向下移動至機器的后方。兩個版本的機器人都沿著y軸向下移動至模具或料箱，y軸也是傳統的線性軸。e-pic系列的特色在于x軸，它被設計為含連接桿的旋轉軸（圖2）。

圖2 e-pic機器人使用旋轉軸而不是傳統的x軸，對空間要求極低（來源：恩格爾）

該系統關鍵優勢之一是空間要求極低，這對小型加工機器來說尤其實用。機器人的開發過程中遇到的主要挑戰之一是如何降低機械臂的重量，從而進一步提升其性能數據。通過恩格爾開發的用于帶材加工的拾放程序，這一目標成為可能。憑借創新的制造技術，機器人旋轉軸的重量減少了37%。通過這一方式，機器人的運動速度明顯加快，能耗更低。

基于載荷的零件優化設計

在設計旋轉軸時，其目標是獲得輕質機械結構，同時盡可能降低模具的復雜程度。開發人員選擇的概念是，零件由兩個經過帶材強化的相同半殼組成，在總裝過程中形成封閉的外形。恩格爾僅用壓鑄鋁零件與伺服電機連接，因為零件的形狀非常復雜，并且距樞軸的距離原因，該區域的轉速較低（圖3）。

圖3 旋轉軸設計為由碳纖維增強帶材和連接伺服電機的壓鑄鋁的組裝而成（來源：恩格爾）

為了滿足較高的剛度要求，大部分帶材沿著旋轉軸的縱向被插入。此外，數層帶材與縱軸±45°和90°角放入。在FEM算法的輔助下（圖4），Prime aerostructure公司考慮了各種的初始條件以及載荷條件，最終確定了最優設計。該設計工作的結果記錄在Plybook中，它也是帶材層鋪的指南。

圖4 旋轉軸的負載優化設計基于FEM算法（來源：Prime aerostructures）

其他項目合作伙伴包括供應碳纖維帶材的塞拉尼斯有限公司以及供應成型裝置和組裝設備的Sch?fer公司。除了帶材層鋪工序，制造轉軸的其它工藝過程還包括固化、預加工帶材疊層的后續加熱和成型、切割和接合工序（圖5）。

圖5 含碳纖維帶材的轉軸制造工藝包括六道工序（來源：恩格爾）

無基體槽的精確層鋪操作

轉軸需要四種不同的帶材版式。每個半殼由32個獨立的單向增強帶材組成。為了在層鋪操作期間獲得所需的高靈活性，可使用高速關節臂機器人（型號：Agilus KR 6，制造商：Kuka Roboter GmbH）。按實際層鋪操作需要將帶材從料倉中取出，因此機器人的層鋪速度不會因緩慢的移取運動而降低。

層鋪質量主要取決于帶材的定位精度。如果帶材交疊層鋪，則會在固化期間發生嚴重的纖維移位，即纖維側向移動以對帶材層鋪厚度的局部偏差進行補償。如果帶材隔開層鋪，則會在固化期間產生無纖維的線性區域，從而降低剛度和強度。與熱固性帶材層鋪不同，帶材之間的間隙在固化期間經常不完全消失，因為熱塑性基體的粘度比含環氧樹脂等的基體高若干數量級。因此，即使在高速層鋪時，帶材也應精確層鋪。通常情況下，層鋪精度要求最大間隙不得超過1.0mm，有時甚至要求低于0.5mm。

帶材層鋪期間的尺寸偏差部分是因為坯料偏差或沖壓精度誤差造成的。此外，大量帶材無法在料倉中精確地對齊，并且通過帶材頭在帶材移取期間可能導致額外的定位誤差。尤其是，即使是極致精度也無法對坯料的尺寸偏差進行補償。因此，該設備必須進行多次檢測和糾正失誤，以確保帶材互相完全平行。此外，獲得最小的間隙寬度或交錯范圍比精確的帶材疊層外輪廓更加重要。

利用光學測量技術提高精度

利用高分辨率的高速光學測量系統，帶材的層鋪精度可顯著提升（標題圖）。帶材取料位置（下料之后）或帶材頭的位置都必須固定。因此，在取料位置或帶材頭上必須有特征作為參考點，且該位置與機器人的坐標系精確匹配。帶材的數字圖像被采集并將圖像通過Otsu閾值分割法進行分段并轉換。然后再計算出帶材的邊界和中心以便于對齊到參考坐標系。

圖6 在成像期間提供直接和間接照明：照明是精確的邊緣檢測的關鍵因素之一（來源：恩格爾）

通過測量計算出每個帶材位置和角度的校正值。這些數值隨后被傳送到機器人控制系統，并在層鋪過程中予以修正。能夠精確測量邊界的關鍵因素之一是在拍攝圖像時恰當的照明（圖6）。

第一層帶材通過抽真空被固定在層鋪臺適當的位置。隨后各層被點焊到相應的下層。帶材通過超聲波焊接或電加熱模在0.2秒內粘合。加熱模的主要優勢在于更緊湊的設計——一個層鋪頭可安裝多個加熱模。

結語

利用光學圖像處理和拾放程序來進行帶材層鋪更加柔性化并且不受特定帶材寬度的限制。事實上，帶材坯料幾乎適用于任何外形。

圖像處理可檢測并有效修正帶材生產或切割過程中產生的偏差，從而生產出高質量的帶材疊層以進行后續加工。利用拾放程序加工帶材疊層與注塑機的時間周期平行，若能精確匹配零件形狀，則后續的固化、紅外烘箱中加熱以及在注塑模中成型和功能化等加工工序就可立即進行，而無需額外調整或切邊加工。