羅賓（ROBIN）機器人用于二次注塑
使用CCM制作的功能化PEI零件。Anybridge與REHAU Innovation Group合作，展示了其羅賓(ROBIN)自動化注塑系統的使用，將Böllhoff Hitsert金屬插入件二次成型到使用連續壓縮成形(CCM)工藝制造的Xelis玻璃纖維/PEI Ω 型材中，旨在實現可能的航空航天應用。
隨著全球行業和市場對可持續性的需求不斷增加，Anybridge（德國德累斯頓）的羅賓（ROBIN）注塑機器人等新型自動化系統為復合材料部件的功能化提供了一種方法，消除了粘合并促進了輕量組裝。
Anybridge 的管理合伙人Michael Stegelmann表示：“我們在 2019 年開發了這種機器人注塑機，用于生產混合組件。”。“混合組件”是指用注塑聚合物對結構進行功能化，以形成局部連接點、加強筋等。這種二次成型工藝在復合材料中獲得了吸引力，但通常使用傳統的注塑機。
Anybridge已經將該工藝小型化，以安裝在機械臂末端執行器內，例如，使拉擠能夠在線二次成型或使成型結構在機器人工作站內功能化。Anybridge 最近完成了一系列演示，以突出其技術可以提供的新功能，包括：
- 二次成型連接/緊固插入件，具有使用連續壓縮成型（CCM-continuous compression molding）制成的壓縮成型聚酰胺（PA）復合型材和聚醚酰亞胺（PEI）復合桁條；
- 結合 3D 打印和二次成型；
- 與新工藝和材料的混合，如反應性熱塑性拉擠和木聚合物復合材料。
- 汽車、航空的功能化外形
Stegelmann解釋道：“復合材料在結構應用中連接給使用帶來了特殊的挑戰。”“羅賓（ROBIN）可以添加到生產線中，以集成插件，從而實現附件和方便組裝（圖1）。Anybridge 在與REHAU Industries創新集團的兩個項目中證明了這一點 REHAU 為建筑、汽車和工業應用生產基于聚合物的解決方案，包括汽車外部、保險杠和風道系統的窗戶型材和部件。REHAU還在研究使用復合材料的各種創新，包括天然纖維和生物基復合材料。”
REHAU創新集團復合材料技術部經理Ahmad Al- Sheyyab博士指出，“我們的使命是檢查每一個想法的相關性，并使有時看起來不可能的事情成為可能。”
Anybridge 羅賓（ROBIN）自動化注塑系統
正如REHAU德國網站上所解釋的那樣，當Al Sheyyab團隊的研究化學家Stephan Sell博士在2019年的K交易會上第一次看到Anybridge 的羅賓（ROBIN）技術時，他可以在 REHAU看到很多機會。Sell說：“他們成功地將原本靜止的注塑機改造成了可以在太空中自由移動的移動機器。”。“這意味著，密封件、金屬插件、連接元件或肋條等功能元件可以改裝為現有的成型零件、型材、半成品和金屬混合復合材料。”
圖 1. 功能化的汽車型材。Anybridge 與REHAU 創新集團合作，通過與 GF/PA6 化合物二次成型，將螺紋插入件集成到 GF/PA6型材中，包括功能化，如防扭曲功能（頂部）。模具的小尺寸使羅賓（ROBIN）能夠到達歐米茄型材（底部）后側的壁之間。
2021，Al-Sheyyab 和他的團隊開始與 Anybrid 就熱塑性擠壓件、復合型材和模塑件進行廣泛研究。到 2022年底，他們已經成功地離線二次成型了型材，但也將羅賓（ROBIN）工作站集成到了 REHAU 技術中心的生產線中，在那里對型材進行了原位二次成型。
兩個團隊的專業知識在這些發展中都很重要。“擠出成型的參數必須與注塑成型的參數結合在一起，”Sell說。將生產線的速度與待二次成型零件的速度相匹配很重要。例如，必須考慮二次成型元件的冷卻時間對于汽車應用，演示使用 Lanxess Bond Laminates（Brilon，Germany）Tepex 102-RG600 PA6 和 47%玻璃纖維粗紗進行壓縮成型。然后使用 Lanxess’對所得復合型材進行二次成型 （德國科?。㏄A6 阻燃 Durethan BKV60 和 BKV30，分別含有 60%和 30%的短切玻璃纖維。對于該應用，羅賓（ROBIN）用于將 Böllhoff（德國比勒費爾德）的螺紋緊固件集成到狹窄的 Ω 形輪廓中（圖 1）。
Stegelmann 解釋了相關步驟：“首先，我們將金屬插入件放置在羅賓（ROBI）N 機器內的小型注塑模具內（圖 2）接下來，將羅賓（ROBIN）系統與輪廓對準，然后閉合模具并包覆成型緊固件。由于模具非常小，羅賓（ROBIN）甚至能夠到達該型材背面的高墻和具有抗扭曲性或集成密封的二次成型緊固件之間。”
在第二組演示中，團隊使用了 Xelis （德國 Bermatingen）使用 CCM 工藝生產的連續玻璃纖維/PEI型材。與商業航空中使用的 Ω 形桁條類似，Böllhoff 的 Hitsert 螺紋插入件通過與 SABIC（沙特阿拉伯利雅得）的玻璃纖維/PEI 材料二次成型集成在一起。Stegelmann指出：“這些零件展示了我們使用經批準用于航空航天的高溫材料進行二次成型的能力。”。
Sell 說：“我們看到了在各種連續工藝線中使用 Anybridge 的移動注射成型的巨大潛力。”，“例如，熱塑性擠出、拉擠或 CCM，用于生產用于運輸或工業應用的復合材料零件。它可以實現單材料系統-由相同聚合物基質組成的產品。消除了粘合等步驟。這使生產更快，產品更容易維修或回收。”
圖 2. 插入輔助總成。金屬插入件可以放置在模具內（紅色圓圈，頂部），然后將羅賓（ROBIN）放置在型材上，關閉模具并對插入件進行二次成型。這種功能化的型材能夠實現快速組裝，例如這種使用ULTEM PEI復合型材和集成的航空認證Böllhoff 插件的外殼演示器。
他指出，羅賓（ROBIN）還節省了成本。“使用小型注塑機器人可以省去昂貴的大型工具。由于型材不再需要移動到注塑機上，物流工作也減少了。我們已經證明，我們的擠出生產線可以降低成本，提高生產率和靈活性。”
Stegelmann 說：“移動注射成型使我們能夠根據需要將重復出現的元素以高度的靈活性應用于型材或大型部件。”。他指出了一個外殼演示器（圖 2），“我們在其中展示了通過二次成型的歐米茄型材，您可以實現非?？焖佟⒑唵蔚慕Y構，以實現輕質、高強度的組件。”REHAU 和 Anybridge 計劃繼續開發，著眼于復合材料零件的擠壓和連接技術之外的工藝。
結合3D打印和二次成型
為了證明 3D 打印零件的功能化能力，Anybridge與德國德累斯頓工業大學輕量化工程與聚合物技術研究所（ILK）合作。Stegelmann 指出：“大規模/大尺寸增材制造（
LSAM/LFAM-large-scale/large-format additive manufacturing）的使用正在增長。”。“這項技術已經被證明是非常有能力和成本效益的，但這些大型機器的問題是，它們可以以高沉積率打印，但不能以高分辨率打印，因此，精細的細節是不可能的。這是我們可以提供幫助的地方，因為羅賓(ROBIN)可以在打印過程中過度成型詳細的功能元件。”
圖3. 二次成型和3D打印。Anybridge展示了羅賓（ROBIN）在由大幅面3D打印機制成的纖維素纖維/PLA 面板上包覆成型GF/PP功能的能力。
Anybridge 和ILK使用ILK內部開發和建造的8×2×2 米高的“Supertooler”LFAM 在八軸 Kuka Robotics（德國奧格斯堡）系統上進行了演示。材料包括由 UPM Biocomposites（芬蘭赫爾辛基）UPM Formi（芬蘭拉赫蒂）部門提供的用纖維素纖維增強的生物基聚乳酸（PLA-polylactic acid）。然后使用由 Mitsui Chemicals（Tokyo，Japan）提供的具有 30%玻璃纖維的聚丙烯（PP）對印刷的結構進行二次成型。Stegelmann 說：“黑色PP化合物使我們能夠看到材料流到 3D 打印的 PLA 子結構上。”。“我們使用紅外加熱器快速預熱 3D打印表面，然后將羅賓（ROBIN）模具合到面板上，對零件表面進行熱成型。由于打印材料的珠粒尺寸較大，因此需要進行這種熱成型。”
盡管每個打印的打印珠是恒定的，但它可以是4-24 毫米寬和1-5毫米高。這種粗糙的表面造成了在二次成型過程中為羅賓（ROBIN）模具實現良好密封和注射材料跳動的問題。Stegelmann 說：“熱成型提供了一個光滑的表面，我們還實現了二次成型和基底材料之間的良好連接。”（圖 3）。
3D打印面板上二次成型的計算機斷層掃描（CT）顯示聚合物系統的擴散和互鎖。
使用計算機斷層掃描（CT-computed tomography）對這種聯系進行了研究。Stegelmann 說：“我們可以清楚地看到兩種聚合物系統之間的擴散，這產生了機械聯鎖。”。“在優化加工溫度方面仍然存在一些挑戰，但我們看到了用局部插入件、密封件、夾子等原位功能化 3D 打印零件的真正機會。我們的下一步是通過海洋行業的技術組件來展示這一潛力。我們可以看到，未來大容量 3D 打印設施將配備我們的移動注塑系統作為標準，因為它可以為其零件打開。”
新型工藝、材料
盡管 Anybridge 使用各種標準材料，但該技術的創新性使其對開發新材料和工藝的公司具有吸引力。其中一家合作伙伴是結構熱塑性復合材料型材供應商CQFD Composites（法國馬爾豪斯）。CQFD Composites成立于 2006 年，開發了一種反應性熱塑性拉擠系統。該技術使用低粘度己內酰胺單體的原位聚合來生產具有高玻璃纖維含量（高達 85%重量）的 PA6 拉擠型材。
CQFD 將這些材料稱為“超級核心”（Supercore），并聲稱其具有其他優勢，包括 50-62 千兆帕斯卡的模量，大約是傳統玻璃纖維復合材料型材的 1.5 倍剛度，以及 2.0 克/立方厘米的密度。與使用鋁（2.7 克/立方厘米）制成的型材相比，使用單向（UD）玻璃纖維（GF）制成的 CQFD 型材提供了更高的比剛度。此外，由于這些型材是熱塑性復合材料，因此可以熱成型、重塑和二次成型。
圖4. 混合反應性熱塑性復合材料拉擠成型。Anybridge展示了羅賓（ROBIN）在CQFD使用其反應性熱塑性拉擠工藝（頂部）制造的高纖維含量（高達 85%重量）GF/PA6面板（底部）上包覆成型的能力。圖片來源（頂部）：CQFD
Stegelmann 說：“我們想展示一個工藝鏈，在這個過程鏈中，CQFD 的反應拉擠工藝可以與我們的自動化注塑生產線相結合。”。第一次演示使用了 CQFD 的內部 GF/PA6 型材和 Lanxess提供的帶有 30%玻璃纖維的黑色 PA 化合物進行二次成型。二次成型特征（圖 4）是 Anybridge 創建的一種形狀，用于展示羅賓（ROBIN）可能帶來的復雜性。它還為測試二次成型和基底之間的粘附性提供了良好的基礎。
CQFD 創始人兼首席執行官 Frank Chauzu 表示：“由于 CQFD 復合材料的創新成分和正確的工藝參數，現在即使使用高度纖維填充的復合材料，也可以與包覆成型的 PA6 插件獲得優異的粘合性。”。“Supercore型材也可與 PP 等其他材料組合兼容。為了達到這種兼容性，型材經過 CQFD 開發的特殊處理，以促進 PA6和 PP 材料之間的粘合。”
Stegelmann 指出，CQFD的測試產生了一種具有優異附著力的單材料系統。二次成型也使用三井化學的聚丙烯材料進行了演示。Stegelmann 說：“我對使用聚丙烯的第一次試驗的良好粘合質量感到驚訝。”
Stegelmann 和 Chauzu還強調，可以在反應拉擠過程中使用工藝熱，而不是像通常必要的那樣預熱型材進行二次成型。他們解釋說，這將實現更好的工藝和能源效率。Stegelmann 說：“例如，PA 復合材料可能會被加熱到 180至200°C，而不是讓型材冷卻，我們可以在拉擠離開系統時進行二次成型，以實現良好的連接，從而節省時間和工藝步驟。同樣，二次成型并不是新的，我們只是讓它直接成為工藝線的一部分，但具有更大的靈活性和更低的成本。”
Chauzu補充道，“由于 Anybridge 技術的巨大靈活性，與我們的熱塑性拉擠技術相結合，導致了許多有趣的應用程序可以一起開發。”
在另一項試驗中，Anybridge 能夠證明羅賓（ROBIN）一種新型可持續生物基材料相結合的潛力。Stegelmann 說：“我們遇到了 Dongnam Realize（韓國大田），當時他們在去年巴黎的復合材料展上贏得了 JEC 創業大賽的冠軍。”。“他們的 CXP 材料使用了一種由廢木制品制成的纖維素基聚合物。”Dongnam Realize網站指出，纖維素交聯聚合物（CXP-cross-linkedpolymer）可以由鋸末、木屑、廢棄蔬菜甚至入侵物種制成，例如某些蘆葦和水葫蘆。
Anybridge二次成型面板由天然復合木材（木質素基質中的纖維素纖維）和JEC獎得主Dongnam Realize的纖維素交聯聚合物（CXP）制成。
Stegelmann 說：“Dongnam 向我們發送了一些他們的造粒材料，我們使用羅賓（ROBIN）進行了二次成型測試。”。“這些材料加工得非常好，為生產用于家具或消費品的功能化生物復合材料創造了全新的可能性，從而消除了對石油基塑料的需求。我們看到未來將羅賓（ROBIN）與這些纖維素聚合物一起使用有很大的潛力。”
Anybridge 的羅賓（ROBIN）技術生產各種更可持續的復合材料零件的機會似乎非常廣泛，如果不是無限的話。Stegelmann 表示：“問題在于說服公司超越已知和熟悉的領域。”。“二次成型已經得到了很好的證明，并在復合材料中得到了越來越多的應用。我們只是讓這一過程變得更靈活，以提供真正未來的解決方案，現在可以為制造商創造價值。”
注：原文見：《 Robotized system makes overmolding mobile,flexible 》2023.4.25
