摘　要：纖維增強塑料(FRP)的可持續生產方法是現代生產技術的關鍵挑戰之一，特別是對比了成熟的過程鏈如金屬加工。在塑料加工中，通過整合短纖維和長纖維，熱成型和注塑被用于大批量的連續生產中。使用連續纖維增強熱塑性(FRTP)復合材料坯料越來越多。載荷優化的混雜或多材料結構采用不同纖維的組合，如玻纖或碳纖，在經濟效益和降低材料與能源消耗上很有前途。

　　當增強纖維的取向適應于零部件的載荷狀況時，就可以達到佳的輕量化設計。使用具有恒定壁厚的常規熱塑性復合材料片材，會導致具有大應力區域的外部過大，并造成一個不利的應力分布。這引起了材料消耗和零部件重量的增加。
　　對于幾種應用，一種能達到經濟性和技術性有效解決的合適方法可能是大批量可相容織物基復合材料片材的局部增強，通過采用單向高性能纖維增強材料和高纖維體積含量的熱塑性帶來實現。壁厚降低局部增強的坯料還提高了下游熱成型過程的經濟平衡性，因為加熱和冷卻的周期時間與兩者的功率成正比，與壁厚成正比。(圖1)

　　經濟性分析得出結論：用于熱成型的局部增強坯料相對于標準坯料在4500套批量下達到它們的盈虧平衡點。正如在引用的分析中，當考慮激光輔助帶鋪放代替熱氣體輔助帶鋪放時，大批量連續生產目的的好處增加明顯，因為變動成本由于鋪層速度的增加、廢料邊角料的減少和能耗的降低而大幅下降。

1　評估用激光輔助帶鋪放生產的定制多材料坯料

　　對激光輔助帶鋪放和熱成型的協同作用的探索和評估是纖維鏈(FibreChain)項目的一個目標。在該項目中，分析了圖2顯示的生產路徑。正如圖3中所強調的一樣，復合材料片材和部件可以在成型過程前后通過激光輔助帶鋪放有效地增強，以獲得定制的混雜和多材料零部件。

　　已證明在激光輔助帶鋪放中，復合材料鋪層結合不同種類纖維(如碳纖或玻纖)、增強材料(如織物或單向帶)、基體系統(如PA6、PA66或PAl2)和帶有各種顏色或光學吸收性能的材料，可以使用一種二極管激光系統進行加工?；A復合材料鋪層和鋪放的增強材料帶之間熔合區域的質量用圖4中顯示的芯模剝離試驗進行評估。增強材料以每秒300毫米的鋪層速度生產。

　　圖5總結了增強材料試驗的結果?！?+”記號表示非常好的熔合強度，超過了在測試載荷狀況下帶的層內性能?！?”記號表示帶和坯料之間良好的粘接性。層間性能和在測試載荷狀況下所用帶的層內性能相似?！耙弧庇浱柋硎镜偷哪z接強度。還列出了剝離帶所需的臨界能量。正如預期，兩個相同材料的結合確實導致了高的熔合強度，因為粘合對象有相似的化學、熱和光學性能。當粘合不同的基體材料時，重要的是確保所選擇的工藝溫度適合兩個粘合的對象。更具熱穩定性的材料需要被融合，不會降解熱穩定性較差的粘合對象。當使用光加熱，所用材料對于激光系統波長的吸收性能是重要的。不同的纖維增強材料會導致不同的光吸收性能。通過適當設置激光角度來調節激光功率的分布，該工藝可以被適用于粘合兩種不同光學性能的材料。事實上，PA66／GF坯料不能用給定的試驗計劃進行粘合，是由于它在近紅外光譜中低的吸收度，加上高焊接溫度，高鋪層速度和有限的激光功率。采用相同的工藝條件，可以比較容易的在PA66／CF坯料上焊接PA66／CF帶，因為兩個粘合對象在表面附近吸收85％到90％所用的激光能量。
　　通過減少鋪層速度或使用更多的激光功率，可以獲得一個好的接頭。在層壓聚合物中為了更大的吸收使用炭黑粒子也是一種選擇。在FiberChain中也研究了把CO₂激光系統用于帶鋪層，由于其較長的波長，GFRP吸收激光輻射更高，甚至沒有炭黑粒子。為了使這種方法更有效，作為FiberChain的一部分，開發了一種kW范圍的新q-轉變納米秒脈沖CO₂激光系統，它能以一種連續波長模式操作。因而，這種系統可被用于粘合，帶鋪放和切割操作。

2　混合成型和功能化過程

　　激光輔助帶鋪層生產的定制熱塑性復合材料片材可以采用一種熱成型工藝成型為終形狀。熱塑性復合材料的沖壓成型是一種快速工藝，周期時間小于1分鐘，因而適合于大批量生產。Fraunhofer IPT小組把熱成型和一個同時功能化工藝相結合。嵌件和緊扣件可以在熱成型過程中被整合(圖6)。

　　當熱塑性基體材料在熱成型過程之前熔融時，嵌件可以通過一種局部的成型工藝被整合入結構中。這種整合的主要好處之一是整合插嵌件通常所需的附加的工藝步驟變成多余。此外，成型中的接頭力學性能優于打孔的接頭，因為纖維沒有被損壞，而是擠壓到了接頭區域的邊緣區。與注塑成型或熱塑性焊接相比，承載不僅通過基體材料而且通過纖維來進行。增加的接頭強度在Fraunhofer IPT針對織物基熱塑性復合材料和單向帶制成的復合材料片材被驗證。而且，在熱成型過程中，可以獲得復雜的幾何形狀如倒陷，這樣適當的嵌件可以導致更高的接頭強度。
　　在完成嵌件整合并且基體材料被冷卻至熔融溫度以下后，可以對CFRTP結構進行模內修邊。因此，傳統的過程鏈成型、修邊和粘合可以被縮短至一個整合的工藝步驟。

3　生產過程和系統的開發和實施

   　 除了研究活動外，Fraunhofer IPT還開發和實施生產過程及系統，用于自動制造輕量化纖維增強熱固性和熱塑性零部件。今年夏天將推出一種新的激光輔助纖維鋪放系統(圖7)。

　　“hybridTLK”(hybridAFP)是一種激光輔助纖維鋪放系統，它可以在不同的制造單元中，作為一種末端操縱裝置加到搖臂和線型臺架式工業機械手。它使操作不同種類纖維增強產品如熱塑性帶、熱固性預浸料和干纖維鋪放材料成為可能。材料的儲存和導向裝置需要根據不同的材料性能進行調節，如它們必須被冷卻以防止熱固性預浸料的粘連。可以處理不同的帶寬度。模塊化結構和模塊化軟件架構對于建造這種一體化激光輔助熱塑性帶、熱固性預浸料和干纖維鋪放設備是必要的。模塊化安裝方便瓜攝像機的整合，它可以產生許多在尖點區域中有關熱分布的有價值的數據。通過高溫計它可以被延伸，高溫計測量一個單一的點，但在測量速度和成本上有較大的優勢。
　　在帶鋪放系統中，每個過程參數隨著時間被有序記錄，用于先進的數據管理軟件對該過程進行控制并用于重復動作。熱塑性帶、熱固性預浸料和干纖維鋪放設備是專用于幫助SME完成更換材料的指令，不需要不同的鋪放設備。

4　結　論

　　通過質量和成本優化設計纖維增強塑料，可以達到輕量化設計潛力的佳運用。
　　Fraunhofer IPT開發和實施了經濟且批量化生產熱塑性纖維增強復合材料的方法，結合碳纖和玻纖獲得載荷、質量和成本優化的混雜或多材料結構。激光輔助帶鋪放和熱成型的結合能夠降低周期時間，整合功能化元件，并獲得一個經濟且全自動化的過程鏈。