僅用2分鐘的循環時間，

 

即在一個生產單元中，

 

實現了無需粘合劑的混合復合材料部件的功能化生產。

 

    一個生產單元，多種工藝路線：OPTO-Light項目為通過熱塑性塑料的二次成型實現環氧CFRP部件的功能化而開發了不同的工藝路線。采用激光燒蝕的工藝路線1和消除激光以利于共固化的工藝路線2，都通過50個示范部件而得到了驗證（圖片來自亞琛工業大學AZL）

    就在初始工藝的優勢被記錄在案的時候，OPTO-Light團隊意識到，可以取消激光預處理。

   這種兩步工藝只能部分固化這種環氧預浸料外殼，以及利用環氧樹脂中的剩余反應性來實現與二次成型的熱塑性塑料的連接。

 

在未固化的環氧樹脂與PA6之間，有3種潛在的鍵合機制：

 

?反應性環氧環與PA胺基之間的共價鍵合；

 

?以胺氫作供體、環氧氧作受體的氫鍵；

 

?由擴散效應引起的半互穿網絡，可通過PA分子鏈的高溫遷移率實現。

    Schares表示：“這種兩步法工藝的優勢是，你可以越過預處理，但所需的過程控制更具挑戰性，而且表面沒有那么高質量的光澤度。然而，通過簡化生產來進一步降低部件成本，這非常具有吸引力。”

    這項工藝路線的關鍵是過程監控。“你必須了解預浸料模壓成型工藝，因為為了實現與熱塑性二次成型的良好結合，必須確保對固化狀態的了解。”他解釋道。

    對這種固化狀態的監控是通過采用模內壓力溫度傳感器以及模內直流電阻率（DCR）和介電（DEA）分析傳感器實現的。

DCR和DEA在復合材料固化監控方面有很好的應用。

    在OPTO-Light項目中，DCR/DEA過程控制采用一個由Synthesites Innovative Technologies公司（希臘Piraeus）提供的Optimold系統，它含有一個耐用的16mm DCR傳感器和 Optiview 軟件。Optimold以1Hz的采樣率監測樹脂的電阻以及高達210℃的溫度和90bar的壓力。

    由Netzsch Gerätebau公司（德國Selb）提供的DEA288 Epsilon 分析設備包括一個4mm的陶瓷單電極和Proteus軟件。

    Kistler Instruments公司（瑞士Winterthur）的DataFlow注射成型優化軟件是另一個重要組成部分。

    通過DCR/DEA傳感器信號，描述了“從在模具中固定預浸料預成型件開始，到從二次注射成型型腔中頂出為結束”的整個過程。這些數據對于在固化和二次成型之前確定模壓成型的最佳固化時間是至關重要的。 這些傳感器有助于在加工過程中表征材料的特性從而獲得最佳部件質量。

    未來，通過DEA和DCR傳感器信號來觸發工藝的轉動，使得這一過程可以是自適應的和智能的。

    采用第二個更短的OPTO-Light工藝路線所作的初步試驗，顯示出了9 N/mm2的拉脫強度和更高的環氧樹脂-PA6連接剪切強度。為提高這種連接強度，正在努力做的工作包括更多地使用過程監控。

    該團隊還在探索一種一步法的工藝，其中，水平預浸料模壓成型不再是一個單獨的過程，而是與包覆成型同時實現。

    OPTO-Light項目獲得了2017 AVK創新獎的研究和科學類獎項，這使其所帶來的顛覆性潛力得到了認可。

    該項目在2018年的最終報告中聲稱，為了使復合材料在大批量的汽車生產中實現與金屬同等的成本效益，不僅要在部件中最大程度地整合功能，而且還要集成用于制造這些部件的所有工藝。

    OPTO-Light項目已開發了一系列技術，包括基于光子學的計量學、表面處理以及熱塑性塑料/熱固性塑料的成型。這些技術還為進一步的混合工藝打開了大門，如用于加強注塑成型的激光加工。

    “通過在成型單元中集成開發的激光工具，現在可以在加工聚合物之前、之間或之后，在注塑機內部進行激光消融、切割、預處理或加熱。”Schares解釋說，“這擴展了未來部件的功能。”

    將多種制造工藝整合到單獨一個加工單元中，這一思路正在復合材料領域獲得發展。比如，許多數控機床制造商現在提供整合了增材制造和減法CNC加工的生產單元。

    MF Tech公司（法國Argentan）已整合了3D長絲纏繞和CNC加工，而聯合創始人Emanuel Flouvat則證實了進一步的整合：機器人能夠將末端執行器切換到超聲波或激光焊接機上，用于連接熱塑性塑料；或者切換到一個自動化的纖維鋪放頭上，以在局部應用單向帶補強。

    “通過集成機器人引導的激光系統，為進一步在線組合技術而定義的‘工具箱’得到了擴展。”Schares表示，這是向自動化、多工藝復合材料制造邁進的又一重要一步。毫無疑問，不久，電子組件就會被集成到最終產品中。

    OPTO-Light項目在整合方面帶來的最后一條經驗是合作伙伴關系。

    “管理該項目最有趣的挑戰是，如何選擇所有不同的合作伙伴（每一家合作伙伴都有其獨特的專業經驗，比如光子學、反應聚合物、注塑成型和計量學），以及使他們對每項操作的效果有共同的理解并加以發展和推進，以此確保這一單一的工藝鏈取得成功。”Schares表示。

 

他強調了由幾個合作機構提供的專業知識和支持的重要性：

?IKV提供了注塑成型經驗和反應聚合物；

?ISF提供了焊接和連接技術；

?弗勞恩霍夫IPT實現了激光集成；

?弗勞恩霍夫ILT提供了替代的激光源。

 

    “該項目展示了跨學科開發在有效解決低成本復合材料生產的技術難題方面所具有的能力。”Schares表示，它還為進一步的顛覆性創新奠定了基礎。