Koridion可膨脹材料與感應加熱模具相結合，在幾分鐘內以40%的材料和90%的能量制造出高質量、復雜形狀的零件，為設計和生產帶來了新的可能性。

使用Corebon感應加熱模具（左上），將其Koridion可膨脹芯（右上）應用于生產A級碳纖維增強聚合物(CFRP)罩，該罩具有整體風道和復雜的幾何形狀。

Koridion是由創新公司Alia Mentis（意大利蒙特貝魯納）開發的碳纖維復合材料零件的可膨脹芯和工藝。它在JEC World 2023上推出，展出了各種零件，包括帶有整體風道和A級透明碳纖維涂層的一體式引擎蓋該演示部件也有助于成熟一種新的成型工藝，該工藝使用Corebon（瑞典馬爾默）的壓條（ pressclave）和配備感應加熱的工具將Koridion膨脹芯模集成在一起。

Alia Mentis首席執行官朱塞佩·帕羅內托（Giuseppe Paronetto）指出：“（在JEC上展示的）汽車引擎蓋是使用Koridion膨脹芯模在15分鐘內制成的，沒有像制造商目前那樣將結構與外殼粘合。”。“但多虧了Corebon和我們新的集成壓條系統，同樣的汽車引擎蓋可以在8分鐘內完成，能耗降低了90%。”他指出，該系統使用輕質薄殼工具作為高科技模具。“在Corebon感應技術的支持下，我們將其與Koridion膨脹芯模相結合，實現了高效快速的生產過程，能夠可靠地生產出質量毫不妥協的復雜幾何形狀零件，這些零件來自制造商告訴我們不可能或太貴的CFRP零件。”

Alia Mentis的營銷經理帕特里克·卡塞利（Patrick Caseley）表示：“我們3-4年前開始與汽車制造商合作開發的零件現在正在投入生產。”該公司不僅與原始設備制造商和一級供應商合作，還與全球領先的預浸料生產商和材料供應商合作。“他們已成為我們的合作伙伴，利用他們的材料知識，在深層次上利用我們可定制的芯模來開發樹脂系統和紡織品的性質，從而改變碳纖維復合材料的制造方式——這是一個更容易、更簡單、更可持續的工藝。”

Koridion膨脹芯模（Active core）成型

Alia Mentis開發材料科學創新，包括新工藝和范式，以幫助設計師和制造商在醫療、航空航天、汽車、體育和工業等一系列行業徹底改變他們的產品。

卡塞利解釋說，Koridion膨脹芯模的開發始于11年前，“作為如何避免CFRP轉換過程中的限制問題的新答案。”這些限制包括如何制作更復雜的形狀，同時避免使用熱壓罐、真空袋、充氣袋來產生局部壓力以及相關的問題和成本。

該水翼展示了Koridion膨脹芯模技術如何形成內部加強件，有助于將CFRP層減少30-40%，從而實現非常輕便耐用的高性能結構。

帕羅內托說：“Koridion膨脹芯模技術實現了傳統CFRP工藝無法制造的一次性結構。”。“我們將預浸料和預成型的Koridion膨脹芯模放入壓縮模具中，固化會激活Koridion材料膨脹，從而在整個腔體中施加均衡的壓力。這會將纖維移動到模具的正確位置，并在一步中形成內部加強件。”

復合材料領域有句老話：“壓力解決了很多問題”。Alia Mentis展示了如何在Koridion膨脹芯模工藝中證明這一點。帕羅內托說：“我們讓一名技術人員做了一個非常糟糕的鋪放。”。“你可以看到到處都是皺紋、切割不良和分層。這個零件本來是廢品，但使用我們的工藝，Koridion膨脹芯模在均衡的壓力下將干涉、重疊和錯誤的形狀推到了正確的位置。最終零件中的所有邊緣、下切口和圓角區域都完美地形成，表面沒有印痕。”

此外，同時形成內部加強件的能力不僅可以實現無需固化和粘合多個部件的集成結構，還可以減少所需的CFRP量。卡塞利說：“你可以在我們制造的風箏板水翼中看到這些內部元素的力量。”。“當人們開始用這些產品跳浪時，它們會受到巨大的力。傳統上，這些產品會出現斷裂問題，這種集成結構在減輕重量的同時幾乎消除了斷裂。”

采用Koridion變形膨脹芯模制成的CFRP風箏板和水翼結構，具有集成加強筋。

帕羅內托說：“Koridion膨脹芯?？梢詼p輕機翼、汽車引擎蓋、車頂和各種結構框架的重量。”。“至少可以去除30-40%的碳纖維增強塑料層，這節省了很多錢，但也節省了時間、勞動力和能源。”他指出，節省勞動力很容易達到50%。“碳纖維作為一種材料目前是不可持續的——每公斤碳纖維增強塑料（CFRP）會產生30-35公斤二氧化碳當量。這也是通過使用更少的材料所消除的。由此產生的Koridion膨脹芯模也使輕型車輛成為可能，這可以在更少的燃料和排放下走得更遠。”

帕羅內托總結道：“Koridion膨脹芯模生產的高性能零件減少了碳纖維和二氧化碳排放量。”。但芯模材料本身不會增加重量嗎？“它是可溶的，所以你可以將其去除。但在每立方米23公斤的情況下，最好留下來并最大限度地提高抗屈曲性。”這只是其他輕質芯的一小部分。例如，用于海洋和賽車運動應用的輕質Nomex蜂窩可以低至48公斤/立方米（3磅/立方英尺），而用于復合材料的再生PET和Corecell泡沫芯通常從60-90公斤/立方米開始。

定制膨脹材料

帕羅內托指出，Koridion膨脹芯模不應與泡沫芯混淆，也不應與已經使用了幾十年的復合泡沫和環氧樹脂混淆。“可膨脹材料并不新鮮，”他表示贊同。“但我們的材料不同，因為我們生產量身定制的配方，考慮了每個項目成型過程中的關鍵參數。”

第一個參數是壓力。帕羅內托解釋說：“要形成復雜的形狀，你必須在樹脂的膠凝點之前壓實疊層。”。“我們開發了芯模的化學配方，以匹配樹脂的粘彈性行為，從而在正確的時間產生所需的壓力和壓實度。”據報道，Koridion膨脹芯模在成型過程中可以施加高達12巴的壓力。然而，這種行為也必須與疊層的厚度和幾何復雜性相匹配。

“我們還將匹配樹脂系統的固化周期，”他補充道。“我們調整了Koridion膨脹芯?；瘜W配方，以匹配樹脂制造商推薦的工藝，其中還包括固化時間。我們可以容納在130°C下1小時內固化的典型樹脂，或在230°C下加工并在幾分鐘內固化的快速固化樹脂。”

帕羅內托說：“這就是為什么我們的結果沒有在其他可擴展系統中實現。”。“因為碳纖維增強塑料成型非常復雜，真的不可能只有一種化合物能滿足所有需求。所以，Koridion膨脹芯模沒有目錄，而是根據每個零件的優化工藝變量，在每個零件的體積內提供均衡的壓力。”

與熱固性塑料和熱塑性塑料的兼容性

Koridion膨脹芯模是一種熱塑性材料，目前用于環氧樹脂和預浸料。帕羅內托說：“這一直是我們的目標，因為我們主要開發了體育、高端汽車和軍事領域的應用。”。“但是Koridion膨脹芯模也可以與酚醛樹脂和聚酯樹脂兼容。我們現在正在與主要的預浸料生產商合作，開發與熱塑性預浸料兼容的配方。”

他指出，使用熱塑性材料時，零件的形狀是通過加熱形成的，必須在冷卻過程中保持不變。“這是材料有收縮風險的時候，但我們不希望這樣。因此，這是我們用材料開發的專有技術的一部分，我們還對全球主要品牌的熱固性和熱塑性預浸料和樹脂系統進行了一系列非常廣泛的實驗和實驗室測試。”

帕羅內托說：“我們希望繼續使Koridion膨脹芯模成型工藝更容易、更可持續。”。“為了實現這一目標，必須深入挖掘樹脂、紡織品和Koridion膨脹芯模的性質。因此，我們正在與復合材料市場的主要參與者合作，開發具有良好集成水平的高科技解決方案。”

汽車引擎蓋演示器

Alia Mentis正在與Corebon合作的行業參與者之一，旨在實現更高效的供暖和制冷。Corebon的研發主管肯尼斯·弗羅格納（Kenneth Frogner說：“他們通過一個共同的聯系方式聯系了我們，需要快速循環工具。”。帕羅內托解釋說，感應加熱以效率和節能而聞名。“問題是如何經濟可靠地將其與復合材料一起使用。”

汽車引擎蓋演示器，具有高水平的外觀處理（頂部），完成的引擎蓋底部（中心）和復雜幾何形狀的特寫（底部）。

兩家公司開始合作，使Corebon的感應加熱工具和壓板適應Koridion膨脹芯模的材料和工藝。其中一項成果是在JEC 2023上展示了一款汽車引擎蓋演示器，其Koridion膨脹芯模和感應加熱CorePlate Adapt工具。

為什么是汽車引擎蓋？卡塞利說：“這是一個很容易識別的部分，但很難制作。”。“制造汽車的人走過來說，‘你是怎么做到的？’他們知道他們目前無法制造出如此大或復雜、質量如此高的引擎蓋。它具有復雜的邊緣幾何形狀和一體式風道，由該零件一次性制成。它還非常輕便堅固，具有高度的裝飾性。”

弗羅格納補充道：“引擎蓋是用一種非常輕便的金屬外殼工具制成的。”。他解釋說，輕質碳纖維增強塑料模具可以用預浸料制成，“但這是一種用于壓縮成型的模具，包括感應加熱。”這可以在開場圖像和Koridion膨脹芯模在線視頻（了解更多）中看到，其中上部和下部是栓接在一起的。卡塞利補充道：“它的制作是為了在整個過程中保持相同的厚度，這樣感應系統就能非?？焖俚丶訜崴?。”

弗羅格納說：“我們共同開發了汽車引擎蓋演示器的模具，并提供了為多功能性提供通用解決方案的設備?，F在，我們正在討論如何采取下一步行動，針對真正需要高速的應用，以及在哪里可以優化工具以減少質量，這進一步縮短了循環時間，這樣我們就可以在產量和可能的不同零件數量方面進行擴展。”

K1工藝

K1工藝。將帶有Koridion膨脹芯模的預浸料預成型件放入感應加熱模具中。將兩個半模合上并放入CDG壓機（頂部），固化周期在幾分鐘內完成（中心），包括用水和/或其他方式冷卻。然后取出膨脹芯模并打開，零件脫模（底部）。

汽車引擎蓋演示器也是推進Alia Mentis稱之為“K1”的新處理系統的一種手段。該過程使用Corebon感應加熱的工具和CDG（意大利卡雷）壓機中的壓棒系統，該壓機具有多種冷卻方式，包括噴水和浸沒的方法，并將其應用于能夠簡單經濟地管理它的系統中的3D殼模。”

弗羅格納說：“這種組合為生產復雜零件提弗羅格納說：“這臺機器將熱壓罐的好東西和加熱壓機的好東西結合在一起。”。“首先，我們正在尋找一種能夠接收殼模并保持幾何形狀控制的自動系統。其次，我們希望找到最好的方法來避免使用墊片和密封系統，同時仍然保證真空作用以抽出空氣—因此，被集成到壓機中。第三，我們正在尋求使用Corebon系統提供的感應加熱的最佳和最安全供了一種新方法。”。“我們有一個高效快速的工藝，可以可靠地控制零件尺寸、形狀和表面質量。此外，我們可以自由設置加熱和冷卻的速度。對于薄鋼殼模具，加熱速度可以達到每分鐘50°C。但你可以設置得更慢，也可以定制冷卻。”

“這也符合我們與Koridion膨脹芯模的可持續發展理念，”他補充道。“我們希望模具中的材料最少，只在需要的地方使用。”這減少了熱質量和加熱和冷卻工具所需的能量，增加了使用Corebon感應技術已經大幅減少的量。弗羅格納說：“與傳統的碳纖維增強塑料工藝相比，我們可以將能耗降低90%。”。“我們對汽車引擎蓋進行了計算，我們可以將每個零件的成本從40歐元降低到1.6歐元。”這包括壓棒與熱壓罐的加工時間，以及真空裝袋的勞動力和這些耗材與壓條的成本。“多虧了這種新的集成工藝，”他補充道，“同樣的汽車引擎蓋可以在8分鐘內成型。”

A類預成型件、3D打印模具

弗羅格納說，Alia Mentis也在與預浸料生產商合作，研究如何制備帶有嵌件的疊層作為預成型件，這些嵌件可以放置在感應加熱模具中并快速成型，同時仍能達到A級表面。“我們正在與一些原始設備制造商和一級供應商一起準備首次生產復雜零件，例如，一個周期約為20分鐘的發動機罩或車頂。從模具中取出這個零件后，只需將一個新的預成型件放入模具中，再次關閉它并激活壓力機即可重新裝載，以制造另一個零件。”

卡塞利指出，上述弗羅格納提到的這些3D殼模實際上正在開發為3D打印。“這變得非常有趣，因為我們通過將鋁塊打印到正確的厚度，大大減少了將鋁塊加工成模具的時間和浪費。”但你仍然需要為A類零件加工模具嗎？“是的，但和目前的模具制造相比，這只是時間和成本的一小部分，”他說。“然后，我們將Corebon感應技術集成到K1壓條系統中。”

革命性的系統，未來的零件

高分辨率部件。該CFRP方向盤的X射線分析將Koridio變形芯模成型零件（左）與傳統的真空袋裝零件（右）進行了比較。

怕羅內托說，Alia Mentis將于2025年在JEC World上展示這一革命性的系統。“我們還將推出由Corebon提供動力的新一代外殼模具，以及Alia Mentis的新模具制造部門，該部門將生產這些3D成型模具，以滿足已經對這些新系統有需求的市場。” 弗羅格納補充說，這些將實施Corebon的新自動電感器設計和制造概念。他解釋說：“這也將是每月生產大量零件的關鍵技術。”。

帕羅內托說：“我們將在今年夏天和秋天向原始設備制造商進行實時演示。”。“我們的第一個目標是與關鍵的原始設備制造商完成驗證過程，然后將新的零件制造系統應用于一級生產線。”

這種新工藝在未來能夠從根本上改變什么樣的部件？卡塞利說：“我們花了將近12年的時間，但現在汽車制造商想在開始設計汽車之前與我們談談。”。“他們可以制造出以前從未有過的新形狀。這是一場純粹與工業設計相關的對話，我們正在討論這種新材料和工藝的能力。然后我們一起研究如何最好地實施它。所以，這是一種全新的心態。”

他繼續說道：“無人機和無人機制造商也在與我們聯系，電氣化的發展推動了減輕重量的需求。也有公司生產各種類型的客機。但你可以將其應用于任何類型的結構。這不是最便宜的技術，但它為高性能產品提供了很好的價值。”

帕羅內托說：“我們開發了Koridion變形芯模，以不同的方式將碳纖維轉化為高性能CFRP部件。”。“我們終于打破了瓶頸，實現了新的、更復雜的形狀，同時減少了材料、重量和能耗。但這不僅僅是這些好處。這是一種開發復合材料零件的全新方式，它釋放了設計和生產的自由度以及可能性。”

Corebon為MentisAlia的碳纖維增強聚合物（CFRP）汽車引擎蓋演示器配備了一個帶有定制電感線圈的金屬模具，該線圈與其CorePower逆變器一起使用，可提供快速、均勻的熱量并縮短成型周期。

Corebon（瑞典馬爾默）為使用熱固性和熱塑性聚合物（包括高端航空航天材料）制造和組裝纖維增強復合材料提供生產解決方案。Corebon的R&I主管肯尼思·弗羅格納（Kenneth Frogner）表示：“我們的解決方案基于專有的感應技術，該技術使用高效的非接觸式加熱。”。“這為成型復合材料零件提供了獨特的機會。”

他解釋說，感應可用于加熱所有類型的導電材料，包括鋼、因瓦合金、鋁和碳纖維。弗羅格納解釋說：“感應加熱小型金屬物體已經使用了大約一個世紀，但直到最近，除了一些例外情況，大型零件和復雜的幾何形狀一直是一個挑戰。”。“通過提供非常均勻的加熱和冷卻，Corebon可以幫助將模具的質量降至最低，僅受結構要求的限制，并在成型過程中抵抗壓力。這使得金屬模具能夠快速有效地進行溫度循環。”

紅外圖像顯示，使用Koridion變形芯模的CFRP罩演示器的感應加熱模具均勻加熱。

“雖然傳統的感應加熱受到尺寸和幾何限制，”他繼續說道，“線圈損失很大，但Corebon使用柔性電線和現代材料，與其他加熱方法相比具有更高的能效。例如，壁裝插座中90-95%的功率在模具內轉化為熱量。與傳統的復合材料工藝相比，我們通?？梢詼p少50-80%的能耗。然而，最大的節能來自模具熱質量的減少。”

在JEC 2023上用感應加熱外殼工具模制熱塑性復合小提琴箱的演示。

Corebon提供不同類型的工具解決方案，包括有或沒有支撐結構的金屬殼工具。“我們還可以適應厚度變化較大的工具，” 弗羅格納說。“外殼工具是最有效的，可能的加熱和冷卻速率超過100°C/分鐘，最適合批量生產。與每個零件需要定制工具的情況類似，每個感應加熱外殼工具都需要定制的感應器和冷卻配置。冷卻使用空氣、水或混合物，具體取決于應用要求。”

對于背面平坦的模具，Corebon提供了更通用的解決方案，可用于不同的模具幾何形狀。根據所使用的加熱和冷卻技術，這些CorePlates有三種格式可供選擇：

• 一體式是一個熱循環板，通常安裝在壓機中，加熱和冷卻通過輕質壓板傳遞到模具。
• 適配板使模具能夠通過感應直接加熱，有兩種不同的冷卻方式：在模具內或通過冷卻結構的傳導。
• Tailor是另外兩種方法的結合，針對特定幾何形狀量身定制，可以實現更快的加熱和冷卻速率。當需要高水平的優化和高生產率時，對于只有微小幾何變化的應用，使用這種方法。

Alia Mentis使用了一種經過修改的CorePlate Adapt工具，用于CFRP汽車引擎蓋，以展示其Koridion變形芯模成型工藝。

弗羅格納說，Corebon感應技術的核心是它的變頻器，它為加熱提供動力，并實現復雜的過程控制。“我們的逆變器是專門為復合材料開發的，”他解釋道。“它們易于操作，提供廣泛的功能，使其功能多樣。例如，我們的系統可用于感應焊接，也可輕松集成到熱壓罐或壓力系統中。”

Alia Mentis的CFRP發動機罩演示器（左下）使用Koridion變形芯模的多件感應加熱模具。保護板用于螺栓連接的模具組件的頂部和底部，以便插入壓力機。

CorePower逆變器是模塊化的，可以堆疊以用于更大的生產設置。它們還可以為多個區域供電，以在厚度和幾何形狀變化時保持非常均勻的溫度。“我們還具有能夠實時分析過程數據以改進過程控制的功能，” 弗羅格納說。

他指出，Corebon也在研究碳纖維結構的直接加熱。“碳纖維熱塑性塑料的感應焊接就是一個例子，但我們也為預浸料和干疊層的預成型提供原位加熱。”

“我們的目標是消除阻礙復合材料制造的限制，” 弗羅格納說。“因此，我們非常支持Alia Mentis及其Koridion膨脹芯模技術。Corebon作為合作伙伴，提供非?？焖佟蚀_的加熱和冷卻，從而縮短周期，減少能源消耗。”

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原文見，1. 《 Active core molding: A new way to make composite parts 》 2024.7.26

2. 《 Corebon induction heating 》 2024.7.26

楊超凡 2024.7.29