欧洲热塑性复合材料技术

    热塑性复合材料正在结构应用中获得增长，而且目前增长的优势在欧洲要比在世界其他地区更接近于成熟。一个原因是，一家知名的热塑性塑料联盟——位于荷兰恩斯赫德的热塑性复合材料研究中心（简称“TPRC”）在此方面开展的工作,该研究中心得到了波音公司以及一个由行业供应商与荷兰的特文特大学、萨克逊大学和代尔夫特理工大学组成的重要团体的支助。“市场对于能够降低能耗的强韧、耐久且轻质材料的需求是巨大的。”TPRC的总经理 Harald Heerink说。但他同时指出，“过去，对热塑性复合材料一直抱有巨大的期望，这从未完全得到满足，一个根本原因是普遍缺乏对这些材料的深入认识。”
 

    一个知识机构
       
    为什么为热塑性塑料提供如此成长温床的是欧洲？一个非常强烈的动机是，欧洲国家已经采取了严厉的车辆报废目标，因此，支持热塑性塑料是基于它们的可回收性。另一方面，是由于许多欧洲公司已连续25年持续投资于热塑性塑料技术的研究，而且目前正在获得回报。
      
    2007年，荷兰的热塑性塑料研发项目引起了波音公司的重视，从而引发了波音公司、TenCate、Fokker Aerostructures和特文特大学为开展热塑性塑料结构的研究而展开了早期合作。2008年，该团队着手于两个有关材料、连接和粘接的联合研究项目，得到了来自谢菲尔德大学先进制造研究中心的最佳实践帮助。“这一努力使我们发现了许多课题，要求我们开展相当数量的基础研究工作。”Heerink说，这最终导致在2009年达成组建TPRC的协议。
      
    3年后，TPRC的设施开始运行。它是建立在波音联盟模式基础之上的一个知识研究机构，成员都来自于价值链。
      
    TPRC拥有铺层工作台、实验室级别的热压罐、自动化的高速模压加工单元以及一台机器人、配有单路丝束头的自动铺带（简称“ATP”）系统。此外，还拥有一个材料测试实验室以及材料储存室。除了由成员支付费用外，该联盟接受欧洲层面的以及地区的资助，以为购买设备及研究工作提供资金。在其设施上开发的新技术归TPRC所有，但一级成员对这些知识产权拥有使用权,而二级成员对知识产权的使用，必须要得到一级成员的许可。
 

    成员公司的收益
       
    隶属于TPRC的公司可获得创新研发带来的好处，他们能够将研发成果应用于自身的业务中。例如，Daher-Socata 公司已将高产量的热塑性塑料部件生产工艺用于空中客车公司的A350 XWB宽体飞机的制造中。
      
    TPRC的一级成员TenCate先进复合材料公司自1704年起就是一家织物生产商，是为航空领域提供热塑性复合材料的一家重要制造商。每年，数吨的TenCate CETEX热塑性材料被用于空客和波音的发动机、内饰和飞机主承力结构的1500多种应用中。
      
    直到最近，该公司仍在生产商品级的玻璃纤维和芳纶纤维织物。为了将其技术型碳纤维织物转变成热塑性的复合材料，TenCate先进复合材料公司采用了几种工艺，并与几家聚合物供应商合作，包括威格斯公司、阿科玛公司和塞拉尼斯公司。
 

    碳纤维热塑性塑料优先：尽管TPRC 的成员——TenCate的Nijverdal工厂已将传统的玻璃纤维编织业务外包给了另一家供应商，但仍在继续编织碳纤维织物
 

    为使Fokker Aerostructures公司采用玻璃纤维/聚苯硫醚（PPS）材料成型出固定在空客A380飞机机翼前缘的J型鼻翼，在一个加热的层压过程中，一种PPS胶膜被应用于一种八缎纹编织的玻璃纤维织物的两面，以形成一种半浸润产品。作为通常用于飞机地板和内饰的半浸润材料，编织的碳纤维、玻璃纤维或芳纶纤维是在溶剂涂布过程中被浸涂上聚醚酰亚胺（PEI），但半浸润也能在粉末涂敷工艺中得以实现，这样可消除形成热塑性层压胶薄的成本。
      
    多年来，TenCate先进复合材料公司一直在完善这项工艺，而且正在争取获得空客的认可。其使用的粉末涂敷机能够快速地将任何热塑性塑料分布到织物上，然后按照要求使织物通过加热的辊子和一个烤箱，以使该聚合物熔化并结晶。
      
    TenCate高性能复合材料公司知名的 CETEX热塑性塑料板，是在3台昼夜不停运行的大型热压机上被制成。 此外，该公司还在不断研发拥有更高性能的新产品，如碳纤维织物/PEI 预浸料。通过参与TPRC，使得该公司能够跟上热塑性塑料的发展步伐,并指导其自身的产品研究。

    增强热塑性塑料——大欧洲的事业：目前，热塑性材料在欧洲复合材料制造领域发挥的作用要比世界其他地区更大。一个荷兰的热塑性塑料专业团体已经推动这一材料进入许多航空航天应用中。TenCate凭借其热塑性预浸料设备（此图所示）而成为一家重要的供应商
      
    TPRC的建筑中拥有铺层工作台、由Italmatic公司(意大利Cassina de’ Pecchi)制造的实验室级别的热压罐、由Pinette Emidecau提供的一台自动化的高速模压加工单元以及由Coriolis 提供的一台机器人、配有单路丝束头的自动铺带(简称“ATP”)系统。此外，该建筑中还拥有一个材料测试实验室、诸多办公室、会议室以及占据大约1000m2的材料储存室。Heerink解释说，除了由成员支付的费用外，该联盟接受欧洲层面的以及地区的资助，以为购买设备及研究工作提供资金。对于特殊的项目，主要由TPRC的联盟董事会和技术咨询委员会进行选择并给予指导。在其设施上开发的新技术归TPRC所有。“我们拥有知识产权。”Heerink说, 但同时也强调，“一级成员对这些知识产权拥有使用权。”与一级成员一样，二级成员也可以参与所有的项目，但二级成员对知识产权的使用，必须要得到一级成员的许可。“一个主要焦点是开发出更多、更好的工程设计工具，包括自动化的输送：这台来自Pinette Emidecau公司的工作单元自动地为加热好的模压模具送进和取出材料碳纤维热塑性塑料优先：尽管TPRC 的成员——TenCate的Nijverdal工厂已将传统的玻璃纤维编织业务外包给了另一家供应商，但仍在继续编织碳纤维织物部件原型及试制：除了参与TPRC的研究外，Coriolis还为其客户提供原型制造、试制和设计服务，包括此图所示的采用一个机器人装置完成铺层的部件试制用于热塑性塑料的软件和材料特性数据库，以为从事部件设计的工程师提供帮助。”Akkerman补充道，他在开发AniForm的过程中发挥了作用，AniForm为模拟复合材料在成型过程中的行为提供了解决方案。
      
    TPRC正在进行中的其他研究还包括：
       1.包覆成型(即一个纤维增强复合材料结构组件成为一个注塑成型部件的一部分)；
       2.冲压成型；
       3.激光辅助的热塑性带料铺层；
       4.回收方法。
       Heerink补充说，该联盟成员还在研究增材制造方法和材料。     成员公司的收益
       
    隶属于TPRC的公司可获得创新研发带来的好处，他们能够将研发成果应用于自身的业务中。例如，Daher-Socata 公司已将高产量的热塑性塑料部件生产工艺用于空中客车公司(法国图卢兹，以下简称“空客”)的A350 XWB宽体飞机的制造中。
      
    TPRC的一级成员TenCate先进复合材料公司自1704年起就是一家织物生产商，是为航空领域提供热塑性复合材料的一家重要制造商。每年，数吨的TenCate CETEX热塑性材料在空客和波音的飞机系列中被用于发动机、内饰和飞机主承力结构的1500多种应用中。其母公司TenCate也是一家人造草、土工织物和个人防护织物的制造商。TenCate先进复合材料公司负责欧洲、中东和非洲业务的运营总监Rob Boogert说：“我们的优势是多样化以及满足客户需求的能力，而热塑性塑料是一个重点。”Boogert指出，TenCate新收购的Amber Composites(英国Langley Mill)已在欧洲扩展了其在热固性塑料方面的专长，同时还补充了TenCate的 US 预浸料业务。该公司为几乎所有主流的航空项目提供复合材料。
      
    Boogert与该公司的工程经理 Winand Kok以及欧洲、中东和非洲的航空领域区域销售经理Marlie Koekenberg，从传统的、有着英国特色的锯齿形玻璃屋顶(这种屋顶可使织物免受太阳光的直射但允许无阴影的光照——这是用于评价织物质量的最佳光线)的编织室开始，证明了TenCate业务中的革命性变化。直到最近，该公司的许多自动织布机仍在生产商品级的玻璃纤维和芳纶纤维织物。现在这些织物是按照与赫氏公司(美国康涅狄格州斯坦福德和法国Les Aveniers)签订的合同制造的。典型的125cm宽的五缎纹编织碳纤维织物将在Lindauer DORNIER的高速自动化剑杆织机上、采用由东丽碳纤维欧洲公司(法国巴黎)提供的3K碳纤维丝束而连续不断地被制造出来。为了将其技术型碳纤维织物转变成热塑性的复合材料，TenCate先进复合材料公司采用了几种工艺，并与几家聚合物供应商合作，包括威格斯公司(英国兰开夏Cleveleys)、阿科玛公司(法国科隆布)和塞拉尼斯公司(美国德克萨斯州Irving和德国奥伯豪森)。
       
    为使Fokker Aerostructures公司采用玻璃纤维/聚苯硫醚(PPS)材料成型出固定在空客A380飞机机翼前缘的J型鼻翼，在一个加热的层压过程中，一种PPS胶膜被应用于一种八缎纹编织的玻璃纤维织物的两面，以形成Kok所说的一种半浸润产品。作为通常用于飞机地板和内饰的半浸润材料，编织的碳纤维、玻璃纤维或芳纶纤维是在溶剂涂布过程中被浸涂上聚醚酰亚胺(PEI)，但半浸润也能在粉末涂敷工艺中得以实现，Kok对此解释说，这样可消除形成热塑性层压胶薄的成本。这一工艺采用由TenCate高性能复合材料公司自行设计的机器来完成。
      
    “多年来，我们一直在完善这项工艺，而且目前正在争取获得空客的认可。”他说，目的是要显示胶膜预浸料与溶剂预浸料的等效性。这种粉末涂敷机能够快速地将任何热塑性塑料分布到织物上，然后按照要求使织物通过加热的辊子和一个烤箱，以使该聚合物熔化并结晶。“我们能够实现非常严格的厚度公差。”Kok补充并解释说，如果需要更厚的产品，可将材料两次送入机器以获得两个树脂涂层。TenCate高性能复合材料公司知名的 CETEX热塑性塑料板，是在3台昼夜不停地运行中的大型热压机上被制成。工人们铺放热塑性预浸料材料，以形成3.6m×1.2m的板，根据客户要求，可提供从1层到24层厚度的任何纤维层次。PPS是最通用的基体材料，Kok解释说，这一层合材料被送到压机上，在一个加热、加压和冷却(根据板的厚度和树脂类型，以及希望的树脂结晶度而定)的过程中得到加热和固结。这种预先固结的硬质板产品几乎无孔隙——所有的CETEX板在发运给客户前都要接受C型(超声)扫描检测以验证质量和厚度。
      
    “我们正在不断研究以开发拥有更高性能的新产品。比如，PEI拥有良好的火/烟气/毒性特性，但却不能很好地耐受液压油，因此PPS或PEEK对于湿法应用是更好的选择。”Kok总结说，“一个最新的产品开发例子是碳纤维织物/PEI 预浸料，它被用作几架空客飞机上的发动机进气衬套。”他补充说，“通过参与TPRC，使我们能够跟上热塑性塑料的发展步伐,并指导我们自己的产品研究课题——同时还允许其他的合作伙伴了解我们的产品。”

    机器人+热塑性塑料=新的市场
       
    快速加工热塑性塑料是TPRC使命的另一个重要组成部分。例如，由二级成员Pinette Emidecau制造的自动化加工单元，对于相对简单的部件形状而言，能够加快坯料的热成型速度。对于更复杂的形状，纤维铺放和自动化的带料铺放技术则更具有前景。TPRC的成员、机器人纤维铺放技术的专业公司Coriolis已将其目光放在“为复合材料行业提供更大的自动化能力”上。“TPRC为与关键的参与者展开开放式的讨论，以及为在保密环境下完成新材料与设备的试制提供了机遇，这对我们而言是实实在在的好处。”该公司首席技术官、合伙创建人Alexandre Hamlyn说，“我们很看重研究的重点只集中在热塑性塑料上，这可以确保研究工作的聚焦性。”
      
    Coriolis采用便于获取、现成买来的机器人组件，与其自身设计的头部及软件组合在一起，从而形成客户订制的交钥匙的工作单元。机械手臂专门由库卡公司(德国奥格斯堡)提供,拥有多达8个轴的运动。安装在地面的中等规格的机械手臂拥有250kg的负载量，而大型选项的负载量可达500kg，并能够支撑一个相对更大的头部。可以选配的是由Güdel SAS(法国牟罗兹)提供的旋转定位器，或头座和尾座部件。机器人的运动采用西门子公司(德国慕尼黑)的840D CONTROLLER软件进行控制由Coriolis制造并组装的头部能够通过配置而用于铺放热固性丝束预浸带、热塑性预浸带或干带。
      
    针对所选用的材料，可采取适当的加热方式，宽度从6.4mm到12.7mm。Hamlyn解释说，客户能够在较大的机器人头部中设定是单股丝束还是多股丝束(可同时为4股、8股、16股或者甚至32股)，最小的纤维铺放长度是90mm,速度可达1m/s,每小时可铺放40 kg的材料。该公司设计的机器人头部，其主要特色是，丝束或带料是从纱架并在塑料管道内(单独成型)Multiwinch 张力控制器的控制下、以非常低的张力移动到头部。“我们已经发现，管子连同作用在每股丝束上的较低的张力是良好的，因为它允许实现较快的铺放速度，并减少了桥联或纤维变形和破损的机会。”他指出。一个小的 Coriolis头大约50 kg，是市场中最紧凑、最轻的机器人头部。该公司声称，它小到足以适用于阴模铺层，轻到足以将纤维放到蜂窝芯材上而不会出现挤压。的确，Hamlyn说，该机器人头部还能够提供每带宽度10 N/mm 的压紧力，这是波音和空客采用的一项行业标准。该公司已经开发了一种专利的方法来将纤维铺放到尖角部位或45°半径处, 其一大优势是，有利于对飞机的翼梁进行自动铺层。“我们实际上拥有20项专利，覆盖了各种机器元件。”他补充说。
      
    控制机器人头部和纤维铺放功能的软件由Coriolis的工程师开发。CADFiber和 CATFiber是独立于机器的，并可通过Coriolis的软件子公司而适用于任何AFP或ATL机器。CADFiber可用于对纤维布局进行设计,而CATFiber能够为自动化的纤维铺放单元编程。两个软件包直接与Dassault Systèmes(法国Velizy-Villacoublay)的CATIA/DELMIA 或与SiemensSNX连接。客户
们能够在Coriolis的技术中心试用软件和实际的机器，并评价项目的可行性。在此，两台机器人和12名工程师组成的团队可为研发合作项目提供支持。
      
    据介绍，许多重要的航空项目将Coriolis的设备用于自动化的生产，包括在空客的几台机器、在德国施塔德的4台机器以及在法国南特的一台机器，所有这些机器都在制造A350 XWB宽体飞机的部件。Stelia Aerospace公司(法国Mérignac，由Aerolia和Sogerma合并而成)的两台设备生产A350 XWB 的门;DassaultAviation公司(法国Saint-Cloud)在其位于法国比亚里茨的工厂中拥有一台设备，用于生产Falcon 5X复合材料部件;而Bombardier公司(加拿大魁北克蒙特利尔)正在采用两台机器生产CSeries 机身尾部部件和后压力框;飞机引擎制造商Safran公司(法国巴黎)采用一台Coriolis机器，在确定的发动机模型上，对机舱内部的固定结构进行自动铺层。除了这些成功的信号外, Hamlyn阐明了热塑性塑料部件的质量这一观点。在由Hamlyn与几名空客的工程师合著的最新SAMPE欧洲报告中, 他们对非热压罐固化的热固性碳纤维复合材料部件与采用激光加热并快速部分固化的自动化生产的碳纤维/PEEK部件进行了比较。热塑性复合材料部件在得到边缘制袋密封后，被放入炉中固化1h,即完成了最终的固化。对热固性部件和自动化生产的PEEK部件所做的试验表明，在部件质量和性能方面毫无差别。此外，研究表明，热塑性的复合材料能够被快速方便地引入到生产线中，而且拥有与热固性预浸料一样的产率。
      
    “我们的目标是，使得自动化的复合材料成型工艺随着时间的推移，其成本越来越低，以将这项技术提供给一级和二级供应商，用于越来越多的次结构。”Hamlyn说。基于几家潜在的汽车客户的需求，一种为汽车部件而开发的特殊热塑性基体材料可能会出现。他补充道，它将使废料降低至最低，并采用工业级别的50K丝束去降低成本。在一条成长的轨道上随着复合材料行业的持续扩张，热塑性复合材料正在蓬勃发展。Fokker的Offringa指出，一些当前合格的且正在飞行中的热
 

    塑性航空部件已得到了提升，包括：空客A400M的驾驶舱地板、空客A340-500/600和A380的固定前缘、阿帕奇战斗直升机的电子设备舱罩盖板，以及湾流G4、G5和G6的地板，达索FalconF5X的方向舵和升降舵。“这些部件中的一些,特别是用于空客和波音商用飞机的部件，它们的产量随着制造速度的提高将达到空前的水平。”他声称。Concludes Heerink总结说, “我们与我们的合作伙伴利用工具和共同的资金，成功地开发出热塑性塑料技术，以满足大型OEMs的创新速度要求。我预见到了在这个中心会得到不断发展，并将与更多的行业展开合作，包括汽车、土木工程等行业。”
      
    众多的欧洲热塑性复合材料联盟还有更多的由私人企业、大学和政府实体组成的欧洲联盟团体,在共同承担“探究复合材料及其制造方法”的发展目标，包括采用热塑性基体的复合材料。于2009年在荷兰发起的The Thermoplastic Affordable Primary Aircraft Structure(简称“TAPAS”)联盟，其目标是为空中客车公司(法国图卢兹，以下简称“空客”)的飞机结构应用开发新的热塑性复合材料及工艺方法。该联盟正在启动其第二阶段的材料及应用开发,而且其成员们希望，到2017年，将热塑性复合材料的机身和抗扭盒概念推向市场，以证明热塑性塑料应用于商用飞机结构的可行性。除空客外，TAPAS联盟还包括：项目领头者Fokker Aerostructures(荷兰霍赫芬)、航空技术中心和Kok & Van Engelen(两者都位于荷兰海牙)、Dutch Thermoplastic Components(荷兰阿尔克马尔)、TechnobisFibre Technologies(荷兰厄伊特海斯特)和TenCate Advanced Composites(荷兰奈弗达尔)，以及KE-works、CoDeT和代尔夫特理工大学(三者都位于荷兰代尔夫特)、特文特大学(荷兰恩斯赫德)和位于荷兰首都阿姆斯特丹的国家航空实验室。Dutch Thermoplastic Components、Kok & VanEngelen、国家航空实验室、TenCate Advanced Composites与VIRO(荷兰Hengelo)正在欧洲热塑性汽车复合材料联盟中展开合作。
      
    由机器制造商Pinette Emidecau(法国Chalon-sur-Saône)、模具制造商Compose(法国Bellignat)、注射系统专业公司Isojet Equipments(法国里昂)和工艺控制/监控技术的专业公司S.I.S.E.(法国瓦约纳克斯)等4家公司组成的联盟，正在通过技术组合，来提供自动化的高速树脂传递模塑成型(RTM)生产技术。作为其中的一员，在Global RTM名下，总部设在法国Bellignat的Pinette Emidecau公司，将利用其他3家合作伙伴的经验，来制造并销售交钥匙的生产系统。其目标是，提供年产量达15万个部件的交钥匙生产系统。一项名为“WALiD”(即：采用具有成本效益的先进复合材料轻量化设计的风机叶片)的为期4年的项目, 得到了欧盟委员会第七框架计划的部分资助。该项目提出，结合工艺、材料和设计方面的创新，将一种热塑性复合材料的风机叶片引用到大型海上风力发电装置中。WALiD联盟将为该项目提供总计510万欧元的费用，它由11家欧洲成员组成，包括：来自德国的弗劳恩霍夫化学技术研究所(简称“ICT”，德国 Pfinztal)和WindradEngineering公司(德国Bad Doberan)，来自英国的SmithersRapra与Smithers Pira公司(英国Shrewesbury)，来自荷兰的TNO荷兰应用科学研究组织(荷兰海牙)、PPG工业公司玻璃纤维公司(荷兰Westerbroek)和 NEN(荷兰代尔夫特)，来自法国的Loiretech SAS(法国Mauves sur Loire)和 Coriolis CompositesSAS(法国Queven)，以及APT Archimedes PolymerTechnologies(塞浦路斯)、Norner AS(挪威斯塔特赫勒)和Comfil ApS(丹麦盖恩)。由Georg Kaufmann Tech-Center AG (简称“GK-Tech-Center”，瑞士Busslingen)设想的“轻量化集成工艺应用(简称‘LIPA’)”项目，寻求去开发一种工艺，用于成型以及“背部注射”热塑性的预浸料或组合好的热塑性织物(该团队称其为“有机板”)，以最终批量化地生产出纤维增强的轻量化热塑性塑料部件。
      
    该联盟中的多家公司包括：GK-Tech-Center 和瑞士的合作伙伴ASE Industrieautomation公司(瑞士Näfels)、奇石乐仪器股份公司(瑞士温特图尔)、Krelus公司(瑞士Oberentfelden)和Quadrant Plastic Composites 公司(瑞士伦茨堡)。该联盟在其位于瑞士Busslingen的新的LIPA开发中心，已经构建了一个专门设计的、灵活的制造单元。Stellar项目的目标是，开发一种制造工艺，用于将碳纤维、玻璃纤维和聚合物纤维增强的基体快速地铺放到一个复合材料结构的选定位置上。
      
    该项目将专注于开发自动化的带铺放(简称“ATL”)技术，用于选择性地将增强热塑性带料按3种制造模式进行铺放：对现有部件的选择性增强、对部件进行直接的增材制造以及用于模压成型的选择性增强订制料坯的制造。该联盟的合作伙伴包括：NetComposites公司(英国德贝郡Chesterfield)、丰田汽车欧洲公司(比利时扎芬特姆)、AirborneDevelopment公司(荷兰海牙)、HBW-Gubesch Thermoforming 公司(以前的Jacob Plastics 公司，德国Wilhelmsdorf)、AFPT公司(德国Dörth)、CGTech公司(英国伦敦)、ESI 集团(法国Mérignac)、Kunststoff TechnikLeoben(奥地利莱奥本)和Fraunhofer IPT(德国亚琛)。
      
    North Thin Ply Technology(简称“NTPT”，瑞士Penthalaz-Cossonay)已开始一项为期两年的新的研究课题，名为“TPCA”，即为航空应用提供增韧的薄铺层复合材料。TPCA得到了瑞士联邦技术与创新委员会(简称“CTI”)的部分资助。
      
    NTPT 与合作伙伴组成了联合力量，包括：亨斯迈公司(美国犹他州盐湖城和瑞士巴塞尔)、洛桑联邦理工学院(简称“EPFL”)、瑞士应用科技大学(简称“FHNW”)、RUAG Aerostructures(瑞士伯尔尼)和Decision SA(瑞士Ecublens)。这项研究的目标是，改善薄层复合材料的韧性，以满足或超越航空应用要求。