熱塑復材技術
增強熱塑性復合材料料：大型歐洲業務：目前，熱塑性材料在歐洲復合材料制造中的作用比世界其他地方更大。荷蘭的一組熱塑性塑料專業知識將這種材料推向了許多航空航天應用。TenCate是一家關鍵供應商，其熱塑性預浸料機之一如圖所示。
聚焦但意義深遠：位于荷蘭恩斯赫德的熱塑性復合材料研究中心（TPRC）設施的內部視圖，毗鄰特文特大學校園。盡管它很緊湊，但該中心擁有設備和工作站，可以支持波音公司和其他主要原始設備制造商和供應商支持的一系列材料研究項目。
機器人鋪設：這個科里奧利膠帶鋪設機器人放置熱塑性浸漬膠帶。
自動運輸：Pinette Emidecau的這個工作站可以自動將材料送入和送出加熱的壓縮模具
碳纖維熱塑性塑料是優先事項：盡管傳統的玻璃纖維織造已外包給另一家供應商，但TPRC成員TenCate的Nijverdal工廠仍在繼續織造碳纖維織物（見下圖）
碳纖維增強預固結板材：TenCate的碳纖維織物最終在Nijverdal工廠用熱塑性樹脂預浸，在三臺大型壓機之一中成為CETEX熱塑性板材產品。
實現機器人功能：技術人員引導科里奧利熱塑性膠帶鋪設機器人通過一個平面演示面板。機器人頭可以配置為鋪設熱塑性或熱固性浸漬或干燥的膠帶，并且可以配備正確的加熱元件，并能夠施加適合每種材料的壓縮力。
零件原型和測試：除了TPRC活動外，科里奧利還為客戶提供原型、測試和設計服務，包括使用機器人設置進行零件疊層試驗，如圖所示。
熱塑性塑料永遠保持5年的成熟期
CW的前身《高性能復合材料》雜志于1994年發表了一篇關于復合材料應用中熱塑性基體的更新文章，其中記錄了一位業內人士的這句話，20多年后仍然適用。
然而，已經取得了進展。熱塑性復合材料在結構應用中的份額越來越大，其許多優點在歐洲比其他任何地方都更接近成熟。一個原因是熱塑性復合材料研究中心（TPRC，荷蘭恩斯赫德），這是一個由波音公司（美國伊利諾伊州芝加哥市）和一系列令人印象深刻的工業供應商支持的著名熱塑性塑料財團，以及特文特大學、薩克遜大學和代爾夫特理工大學，它們都位于荷蘭。TPRC總經理哈拉爾·海林克（Harald Heelink）表示：“人們對堅固、耐用、輕質的材料有著巨大的需求，以降低能耗。”。但他指出，“過去，人們對熱塑性復合材料有一些巨大的期望，但這些期望從未得到完全滿足。其中一個根本原因是人們對這些材料普遍缺乏深入的了解。”
CW有機會參觀了TPRC和附近的幾個TPRC成員的設施，并了解到該中心、其合作伙伴公司和歐洲其他地區的主要熱塑性塑料重點團體（見本文末尾的“歐洲財團，太多了！”旨在改變這種模式。聯盟成員正在進行一系列研究項目，旨在最終改善整個熱塑性塑料價值鏈，包括復合材料零件的加工方法。
知識學院
為什么歐洲是熱塑性塑料發展的溫床？一個非常強烈的動機是，歐洲國家已經制定了嚴格的汽車報廢目標，因此，他們青睞熱塑性塑料的可回收性。Fokker Aerostructures（荷蘭Hoogeveen）研發總監阿任特·歐夫潤嘎（Arnt Offringa）表示，另一個原因是，他的公司和歐洲的其他公司，包括TenCate（荷蘭Nijverdal）和DSM（荷蘭Heerlen），25年來一直投資于熱塑性塑料技術，現在正在從中獲益。歐夫潤嘎指出：“即使在20世紀90年代中期航空航天業的嚴重衰退期間，這項投資也得到了保持。”
海林克說，荷蘭的熱塑性塑料研發項目在2007年引起了波音公司的關注，這導致了波音公司、TenCate、Fokker Aerostructures和特文特大學在熱塑性結構方面的初步合作。2008年，該小組在謝菲爾德大學先進制造研究中心（英國謝菲爾德AMRC）的最佳實踐協助下，開展了兩個關于材料、連接和粘合的聯合研究項目。海林克說：“這項工作發現了許多需要大量基礎研究的主題。”。這導致了2009年成立TPRC的協議，該協議實質上創建了波音GlobalNet研究中心網絡的新成員，該網絡的存在是為了為飛機制造商提供材料和技術的創新和開發。
特文特大學教授、TPRC技術總監雷姆科·阿克曼（Remko Akkerman）表示，三年后，TPRC的設施在特文特本科校園附近投入運營：“我們能夠建立一個擁有合適設備的基地來進行研究。這是一個基于波音聯盟模式的‘知識研究所’，價值鏈上的成員幫助制定我們的研究活動路線圖。”
財團的成員可以是“全額”一級或二級，這涉及較少的貨幣承諾。一級成員包括波音公司、?？撕娇战Y構公司、TenCate、美鋁緊固系統和環公司（美國加利福尼亞州托蘭斯）、特文特大學和薩克遜應用科學大學，在荷蘭有多個校區，包括恩斯赫德。目前，二級成員包括科里奧利復合材料公司（法國奎文）、DAHER公司（法國南特）、Pinette Emideau Industries公司（法國沙隆蘇爾索恩）、英斯特朗公司（美國馬薩諸塞州諾伍德）、KVE復合材料集團（荷蘭海牙）、Aniform公司（荷蘭恩斯赫德）、荷蘭熱塑性部件公司（荷蘭阿爾梅勒DTC）和代爾夫特理工大學（代爾夫特工業大學）。此外，海林克解釋說，還有十幾個“雙邊”項目成員，他們通過收費來開展熟悉熱塑性材料的項目，但不是財團成員。目前，大多數雙邊參與者是汽車行業的原始設備制造商及其一級供應商。
TPRC的建筑內設有疊層臺、由Italmatic Presse e Stampi Srl（意大利卡西納·德佩奇）制造的實驗室規模熱壓罐、Pinette Emidecau的自動化高速壓縮成型工作站以及科里奧利公司提供的帶有單絲束頭的機器人自動鋪帶（ATP）系統。材料測試實驗室、辦公室、會議室和材料倉庫完成了建筑內約1000平方米的建筑面積。海林克解釋說，除了成員支付的費用外，該財團還獲得歐洲和地區的資金，用于資助設備和研究工作。具體項目由TPRC的財團委員會和技術咨詢委員會選擇和指導。該工廠開發的新技術通過子公司歸TPRC所有。海林克說：“我們擁有知識產權”，但強調“一級成員對該知識產權擁有自動使用權。”他說，與一級成員一樣，二級成員也可以參與所有項目，但二級成員對知識產權的使用“必須得到一級成員的批準”。
“這里的一個重點是開發更多更好的工程設計工具，包括軟件和材料性能數據庫，用于熱塑性塑料，以幫助工程師進行零件設計，” 阿克曼補充道，他在創立AniForm方面發揮了重要作用，AniForm提供了一個求解器，用于模擬復合材料在成型過程中的行為。其他正在進行的TPRC研究包括對以下內容的調查：
- 包覆成型（結構纖維增強復合材料元件成為注塑部件的一部分)。
- 沖壓形成。
- 激光輔助熱塑性膠帶放置。
- 回收方法。
海林克補充說，聯盟成員也在研究增材制造方法和材料。
成員公司優勢
與TPRC有關聯的公司可以從創新研究中受益，并將其應用于自己的運營中。CW此前曾報道過在Daher Socata為空中客車（法國圖盧茲）A350 XWB采用高速熱塑性零件生產工藝，并將在今年晚些時候發布工廠參觀，以突出?？撕娇战Y構公司成功的熱塑性航空航天零件制造。
一級TPRC成員TenCate Advanced Composites自1704年以來一直是紡織品生產商，是航空航天熱塑性復合材料的主要制造商。幾公噸的TenCate CETEX熱塑性塑料每年用于空客和波音機隊系列的1500多種發動機、內飾和主要飛機結構應用。TenCate Advanced Composites EMEA運營總監羅布·布格特(Rob Boogert)表示，其母公司TenCate也是人造草、土工合成織物和個人防護織物的制造商：“我們的優勢在于我們的多樣性和滿足客戶需求的能力。”雖然熱塑性塑料是一個主要焦點，但布格特指出，TenCate最近收購Amber Composites（英國蘭利工廠）擴大了其在歐洲的熱固性專業知識，并補充了TenCate在美國的預浸料業務。該公司幾乎參與了所有主要航空航天項目的復合材料供應。
布格特與工程經理溫恩·科克（Winand Kok）和歐洲、中東和非洲航空航天部門銷售經理瑪莉·科肯伯格（Marlie Koekenberg）在CW最近的訪問中展示了TenCate業務發生的演變，從其傳統的織造室開始，這些織造室采用英式鋸齒玻璃屋頂，使織物免受陽光直射，同時允許無陰影的光線——這是評估紡織品質量的最佳光線。直到最近，許多自動織機還生產商品玻璃纖維和芳綸織物。科克解釋說，這些現在是由赫氏(Hexcel-美國康涅狄格州斯坦福德和法國Les Aveniers)根據合同制造的。五股緞紋碳纖維織物，通常為125厘米寬，將繼續在高速、自動化的Lindauer DORNIER GmbH(德國林道)劍桿織機上由內部制造，使用Toray carbon Fibers Europe（法國巴黎）提供的3K碳纖維絲束。
為了將其技術碳紡織品轉化為熱塑性復合材料，TenCate使用了多種工藝，并與多家聚合物供應商合作，包括Victrex USA股份有限公司(英國蘭開夏郡Cleveleys)、Arkema(法國Colombes)和Celanese Corporation(美國德克薩斯州歐文和德國Oberhausen)。
對于?？撕娇战Y構公司用于在空客A380飛機機翼上形成J型機翼固定前緣的玻璃纖維/聚苯硫醚（PPS）材料，在加熱層壓過程中，將PPS薄膜應用于八股緞紋（重新定尺寸）玻璃纖維織物的兩側，形成科克所說的半預處理產品。對于通常用于飛機地板和內飾的半預浸料，編織碳、玻璃或芳綸纖維在溶劑涂層工藝中用聚醚酰亞胺（PEI）浸涂。但科克解釋說，半預浸料也可以通過粉末涂層工藝制造，從而消除了形成熱塑性層壓膜的成本。該過程使用TenCate內部設計的機器。
他說：“我們多年來一直在完善這一過程，目前正在為空客公司進行資格認證”，以證明其與膠片和溶劑基預浸料的等效性。粉末涂布機可以快速地將任何熱塑性樹脂分配到織物上，然后織物通過加熱的輥和烤箱，根據需要熔化和結晶聚合物。“我們可以實現非常嚴格的厚度公差，” 科克補充道，并解釋說，如果需要更厚的產品，材料可以通過機器兩次輸送兩層樹脂。
TenCate著名的CETEX熱塑性片材由三臺大型加熱壓機全天候運行制成。工人們按照客戶的規格，在1至24層厚的任何纖維結構中鋪設熱塑性預浸料，形成3.6米乘1.2米的片材?？瓶苏f，聚苯硫醚是最常見的基質，他解釋說，疊層被轉移到壓機中，在加熱、壓縮和冷卻過程中被加熱和固結，這取決于板材厚度、樹脂類型和所需的樹脂結晶度。預固結的硬質板材產品幾乎沒有空隙——所有CETEX板材在客戶發貨前都經過C掃描檢查，以驗證質量和厚度。
科克總結道：“我們一直在努力開發性能更高的新產品。例如，PEI具有良好的防火/防煙/毒性特性，但它不能很好地抵抗液壓油，因此PPS或PEEK是濕應用的更好選擇。”。“最近產品開發的一個例子是碳纖維布/PEI預浸料，用作空客飛機發動機吊艙的進氣口襯里。”他補充道，“我們參與TPRC使我們能夠跟上熱塑性塑料的進展，并在那里開展我們自己的產品研究項目，同時讓其他合作伙伴熟悉我們的產品。”
機器人+熱塑性塑料=新市場
快速加工熱塑性塑料是TPRC使命的另一個關鍵組成部分。自動化工作站，如Tier 2成員Pinette Emidecau生產的工作站，可以加速相對簡單零件形狀的毛坯熱成型。對于更復雜的形狀，纖維放置和自動膠帶放置技術有望實現。TPRC成員和機器人纖維鋪放專家科里奧利復合材料公司著眼于為復合材料行業帶來更大的自動化。首席技術官兼公司聯合創始人亞歷山大·哈姆林（Alexandre Hamlyn）表示：“TPRC為與關鍵參與者進行公開討論以及在保密環境中試驗新材料和設備提供了機會，這對我們來說是一個真正的好處。”。“我們贊賞只關注熱塑性塑料，這使研究保持了重點。”
科里奧利使用現成的機器人元件，并將其與公司設計的頭部和軟件集成，形成客戶特定的交鑰匙工作站。機器人手臂通常由Kuka Robotics Corp.（德國奧格斯堡）提供，最多有八個運動軸。“中型”落地式機械臂的有效載荷能力為250公斤，而“大型”選項允許500公斤的有效載荷，并可以支撐相應更大的頭部?？蛇x的是由Güdel SAS（法國米盧斯）提供的旋轉“定位器”或頭架和尾架零件。機器人運動由西門子PLM軟件股份有限公司（德國慕尼黑）的西門子840D控制器軟件控制。
科里奧利公司制造和組裝的機頭可以配置為鋪設熱固性絲束、熱塑性膠帶或干燥膠帶，并為所選材料制定適當的加熱策略，寬度從6.4毫米到12.7毫米不等。哈姆林解釋說，客戶可以在較大的機頭中指定單個或多個（4、8、16甚至32個同時）絲束。最小纖維鋪設長度為90毫米，速度可達每秒1米，鋪設速度可達每小時40公斤材料。該公司機頭設計的一個關鍵特征是，絲束或膠帶在非常低的張力下，從單獨的成型塑料導管內的筒子架和多絞車張力控制器移動到機頭。他指出：“我們發現，這些管子，再加上每條絲束上較低的張力，效果更好，因為它可以加快放置速度，減少橋接或纖維變形以及斷裂的機會。”
該公司聲稱，一個大約50公斤的小型科里奧利頭是市場上最緊湊、最輕的，它足夠小，可以用于凹模工具疊層，也足夠輕，可以將纖維放置在蜂窩芯上而不會壓碎。然而，哈姆林說，頭部仍然可以提供每帶寬10 N/mm的壓縮力，這是波音和空客的行業標準。該公司開發了一種專利方法，可以將纖維放置在45°的尖角或半徑上，這對于自動化飛機機翼翼梁疊層來說是一個優勢。他補充道：“我們實際上有20項專利，涵蓋了各種機器元件。”
科里奧利工程師開發了控制頭和纖維放置功能的軟件。CADFiber和CATFiber與機器無關，可通過科里奧利的子公司軟件公司用于任何AFP或ATL機器。CADFiber可用于設計纖維放置的零件，而CATFiber可以對自動纖維放置單元進行編程。這兩個軟件包都直接與達索系統(法國Velizy-Villacoublay)的CATIA/DELMIA或西門子SNX接口。客戶可以在科里奧利技術中心試用軟件和實際機器，并對項目的可行性進行評估，該中心有兩個機器人和一個由12名工程師組成的團隊可供研發合作。
據報道，許多重要的航空航天項目正在采用科里奧利設備進行自動化生產。其中包括空中客車公司的幾臺機器，德國斯塔德有四臺機器，法國南特有一臺機器，都在加工A350 XWB零件。其中兩家位于Stelia Aerospace North America（法國塞德克斯梅里納克，由Aerolia和Sogerma合并而成），生產A350 XWB艙門。達索航空公司（法國Saint-Cloud Cedex）在其位于法國比亞里茨的Falcon 5X復合材料零件工廠擁有一臺機器，而龐巴迪股份有限公司（加拿大蒙特利爾QC）正在使用兩臺機器生產C系列后機身零件和后壓力艙壁。航空發動機制造商賽峰集團（法國巴黎）正在使用科里奧利機器對某些發動機型號的機艙內部固定結構進行自動疊層。
除了這些成功的跡象外，哈姆林還強調了熱塑性塑料零件的質量。哈姆林與幾位空客工程師共同撰寫了最近的SAMPE Europe演示文稿，比較了從熱壓罐中固化的熱固性碳復合材料零件與使用激光加熱和部分動態固化的機器人生產的碳/PEEK零件。然后將熱塑性零件邊緣裝袋并烘烤一小時以實現最終固結。熱固性零件和機器人生產的PEEK零件的測試結果顯示，零件質量和性能沒有差異。此外，該研究表明，熱塑性復合材料可以很容易地引入生產鏈，并且生產率與熱固性預浸料相同。
哈姆林表示：“我們的目標是隨著時間的推移，使復合材料成型的自動化過程變得越來越便宜，將這項技術帶給一級和二級供應商，以獲得越來越多的二級結構。我們的商業模式是以降低成本為基礎的。”
他補充道，隨著幾個潛在的汽車客戶的加入，一種用于汽車零件的特殊熱塑性塑料鋪放頭可能會出現，這種頭可以將廢品率降至最低，并使用工業級的50K絲束來降低成本。
在增長軌道上
隨著復合材料行業的不斷擴大，熱塑性復合材料正在上升。Fokker的Offringa指出了一些目前已經通過測試的合格飛行熱塑性航空航天零件：空客A400M的駕駛艙地板；空客A340-500/600和A380的固定前緣；阿帕奇戰斗直升機航空電子艙面板；灣流G4、G5和G6系列的地板；以及達索獵鷹F5X的舵和升降舵。他斷言：“隨著制造率的提高，其中一些零件的數量，特別是空客和波音商用飛機的零件，將增長到前所未有的水平。”
海林克總結道：“我們擁有工具，并與合作伙伴共同出資，成功開發熱塑性塑料，以滿足這些大型原始設備制造商所需的創新速度。我預計該中心將持續增長，以及未來與更多行業的合作，包括汽車和土木工程。”
歐洲財團，太多了！
還有更多的歐洲聯盟，包括私營企業、大學和政府實體，它們的共同目標是探索復合材料及其制造方法，包括使用熱塑性基質的復合材料：
2009年，荷蘭成立了熱塑性可負擔的主要飛機結構（TAPAS）聯盟，旨在開發用于空客（法國圖盧茲）飛機結構的新型熱塑性復合材料和工藝。該聯盟正在開始其材料和應用開發的第二階段，成員們希望到2017年將熱塑性復合材料機身和扭力箱概念推向市場，以證明熱塑性塑料在商業航空結構中的可行性。除了空中客車公司，TAPAS聯盟還包括項目負責人福克航空結構公司（Hoogeveen）、機載技術中心和Kok&Van Engelen復合材料結構公司（均位于海牙）、荷蘭熱塑性部件公司（Alkmar）、Technobis纖維技術公司（Uitgeest）、TenCate先進復合材料公司（Nijverdal）、KE工廠、CoDeT和代爾夫特理工大學（均位于代爾夫特）、特文特大學（Enschede）和阿姆斯特丹國家航空航天實驗室。
荷蘭熱塑性部件公司、Kok&Van Engelen、國家航空航天實驗室、TenCate Advanced Composites和VIRO（荷蘭亨耶洛）正在歐洲熱塑性汽車復合材料聯盟中合作。
機械制造商Pinette Emidecau（法國沙隆河畔）是一個由四家公司組成的財團的一部分，該財團將技術結合起來，提供自動化、高速的樹脂傳遞模塑（RTM）生產技術。這家總部位于法國Bellignat的多元化供應商將以Global RTM的名義，利用其另外三個法國合作伙伴的專業知識，構建和銷售交鑰匙生產系統：工具制造商Compose（Bellignat）、注射系統專家Isojet Equipements（Lyon）和過程控制/監控專家S.I.S.E.（Oyonnax）。目標是提供能夠每年生產多達150000個零件的交鑰匙系統（www.globalrtm.net）。
一個名為WALiD（使用成本效益高的先進復合材料輕質設計的風力葉片）的四年項目，部分由歐盟委員會在第七框架計劃下資助，該項目提議將工藝、材料和設計創新相結合，并為大型海上風力渦輪機裝置引入熱塑性復合材料風力葉片。WALiD財團將向該項目承諾總計510萬歐元（540萬美元），由11個歐洲組織組成，其中包括來自德國的弗勞恩霍夫化學技術研究所（ICT，Pfinztal）和Windrad Engineering GmbH（Bad Doberan）；來自英國的Smithers Rapra（什里夫斯伯里）；荷蘭、TNO荷蘭應用科學研究組織（海牙）、PPG工業股份有限公司（Westerbroek）和NEN（代爾夫特）；來自法國、盧瓦爾河沿岸的Mauves）和科里奧利復合材料公司（Queven）；以及以下公司：APT阿基米德聚合物技術公司（塞浦路斯）、Norner as公司（挪威Stathelle）和Comfil ApS公司（丹麥Gjern）。訪問www.eu-WALiD.com上的WALiD。
由Georg Kaufmann Tech Center AG（GK Tech Center，Busslingen，Switzerland）設想的輕質集成工藝應用（LIPA）項目旨在開發一種成型和“反向注射”熱塑性預浸料或混合熱塑性織物的工藝，該組織稱之為“有機片材”，以生產纖維增強的輕質熱塑性部件，用于最終的批量生產。該多公司財團包括GK技術中心和瑞士合作伙伴ASE Industriautomation GmbH（Näfels）、Kistler Instrumente AG（Winterthur）、Krelus AG（Oberentfelden）和Quadrant Plastic Composites AG（Lenzburg）。該財團在巴斯林根的新LIPA開發中心建造了一個專門設計的柔性制造工作站；
www.lipa-series.com/lipa-project。
恒星項目的目的是開發一種制造工藝，在復合結構的選定位置高速放置碳、玻璃和聚合物纖維增強基體。該項目將側重于開發自動鋪帶（ATL），以三種制造模式選擇性地放置增強的熱塑性膠帶：選擇性地增強現有組件；組件的直接增材制造；用于壓縮成型的選擇性增強定制坯料的制造(
http://stellar-project.eu/). 合作伙伴包括NetComposites有限公司（英國德比郡切斯特菲爾德）、Toyota Motor Europe（比利時Zaventem）、Airborne Development BV（荷蘭海牙）、HBW-Gubesch Thermoforming GmbH（前身為德國威廉斯多夫Jacob Plastics GmbH）、AFPT GmbH（德國Dörth）、CGTech（英國倫敦）、ESI Group（法國Mérignac）、Kunststoff Technik Leoben（奧地利Leoben）和Fraunhofer IPT（德國亞?。?/span>
anhchaofNorth Thin Ply Technology(NTPT，Penthalaz Cossonay，瑞士)啟動了一項名為TPCA的航空航天應用增韌薄層復合材料新研究項目，為期兩年。TPCA的部分資金來自瑞士聯邦技術與創新委員會(CTI)。NTPT與合作伙伴Huntsman Advanced Materials（猶他州鹽湖城和瑞士巴塞爾）、洛桑聯邦理工學院(EPFL)、瑞士西北應用科學大學（FHNW）、RUAG Aerostructures（瑞士伯爾尼）和Decision SA（瑞士厄布勒斯）聯手。本研究的目標是提高薄層復合材料的韌性，以滿足或超過航空航天要求。
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原文《 Thermoplastic composites technology: A view from Europe 》
楊超凡
