汽車供應商Boge Elastmetall采用局部增強纖維復合材料制造與安全相關的結構部件。以制動踏板的為示例，Boge Elastmetall介紹了開發和制造過程。合作伙伴包括塞拉尼斯公司（材料供應商），Cevotec公司（負責結構設計），M.A.i公司（負責自動化生產技術）。
系列組件中的UD帶
混合設計將具有不同特性的材料組合在一個組件中，并可以降低部件的重量的同時也使得成本得以有效控制。根據在組件部件級別的正確位置使用正確材料的原則，這可以將組件性能要求細化到局部。因此，纖維增強塑料越來越多地取代金屬構件的區域，車輛結構部件中塑料的比例正在增加。對于汽車制造商而言，具有短且連續的纖維增強熱塑性塑料的經濟輕量化設計是非常有前景的應用。
連續纖維增強熱塑性材料由纖維和基質組成。纖維特有的材料特性提供了高輕量化設計潛力，如圖1所示，而熱塑性基質加工時間短，因此可以實現大批量。有機薄片和帶之間有所區別：如果纖維主要沿一個方向排列并以薄層形式提供，則它們被稱為單向帶（UD帶）。然而，如果纖維結構是多維的，例如通過經線和緯線或通過將不同的纖維取向彼此縫合，則這些是所謂的有機片。
為了表示有機片中的不同纖維取向，使用紡織技術。例如，纖維在不同方向上編織或鋪設，并在用熱塑性塑料浸漬之前縫合。相比之下，UD帶直接由纖維粗紗制成。粗紗可以從線軸上展開并直接通過熱塑性熔體拉制。這種縮短的工藝流程使得半成品成本得到有效控制，使得半成品UD帶具有吸引力。
隨著件數的增加，零件成本接近材料成本并減少加工費用的比例。因此，只要保證了帶材層壓材料生產中的質量通過量,使用有機片材或帶材的決定因素取決于體積方案。但對于大批量生產而言，UD帶僅在經濟上是可行的，因為還沒有用于快速堆疊UD帶的設施或裝置，使其可以批量生產。
當在系列產品中使用UD帶時，這就會帶來嚴重的問題。應對這種挑戰并生產基于UD帶的系列組件是Boge Elastmetall牽頭下的合作伙伴在材料、產品、制造工藝和相關系統工程開發中的主要任務。該開發是使用制動踏板的例子實現的，圖3。
纖維氈復合材料的制造工藝途徑
有機板的壁厚是根據殼體最大載荷的現有技術水平設計的。在周邊地區，外殼尺寸過大。如果纖維復合材料含量可以適應殼體的局部要求，例如通過纖維的局部取向，局部纖維體積含量或局部壁厚，則會更好。按照這種方法，有機板的尺寸過小，使得它承受大面積的應力，并通過應用載荷路徑定向帶局部加固，如圖4所示。
這導致有機板和用于殼的UD帶的混合構造，其中有機板對應于殼體積的主要部分（質量流速）和局部的，多向（MD）應用的纖維帶加強殼體。它們在本地面向負載路徑。該方法提高了纖維效率，降低了壁厚，從而降低了部件重量以及懸垂和再固結期間的循環時間。
制造過程分為兩個階段：第一，由有機板和纖維帶制成的定制坯料，即所謂的定制性能空白。有機板坯作為穩定的基座，UD帶的條帶根據負載路徑自動連接到該基座。隨后，這種定制的坯料也被自動加熱，覆蓋，固結并用注塑料注塑成型。
預處理工藝
在該技術可以應用于批量生產之前，除了開發自動化技術之外還有許多其他問題需要回答，可以分為不同的開發級別，如圖5所示。
當有機片材和UD帶以聯合方法加工時，必須使UD帶在所有操作條件下（例如溫度和濕度）承受靜態和動態載荷。且UD帶不能分層或撕裂。為此，必須確保表面與表面的粘合劑粘合。這需要適當高的基質壓力和高于熔點的溫度。
半成品的所有公差范圍內保持高基質壓力和工藝參數，以便在覆蓋工具中合并所有層而無需中間步驟。因此，僅粘貼的UD帶和有機片一起加熱。
基于仿真的設計
如果UD帶現在可以在單一的一個工藝步驟中安全地應用于有機板，那么需要解決的問題就是以何種長度安置在組件中的什么位置，如圖6所示。
Cevotec通過計算機輔助模擬回答了這個問題。為此，需要材料屬性和參數：特別是，在實際應用條件（如濕度和溫度）下確定材料的應力-應變曲線。此外，樣品取自注塑料，并在有機板和有機板的組合中用UD帶進行測試，并與模擬結果進行比較以驗證模型。
另一個先決條件是連續纖維殼的單層模擬和優化注塑料拓撲結構的能力。在開發周期開始時，建立沒有UD帶的第一模型，并且基于經驗值使有機板的壁厚度變小。有機板的纖維取向通過運動垂直模擬來優化;肋結構的設計借助拓撲優化。施加在該坯料上的載荷提供有機板內的應力水平和分布。連續纖維殼的過載區域可以沿著主要的主應力方向連續地鋪設或堆疊帶。組裝的UD帶會改變連續的纖維外殼，從而影響外殼的剛度。這導致對拓撲優化的反饋，并因此導致對肋結構的反饋。如果在UD帶，有機板和注塑料的組合中滿足經濟和機械要求，則完成開發的模擬部分中的迭代。殼模型的開發近似于有機板的輪廓以及UD帶的數量，位置和方向。
自動化生產
根據工藝要求，合作伙伴MAi的設備包括兩個工廠：鋪帶（堆疊）制造單元，其中UD帶被切割成尺寸，鋪設或堆疊在有機板上并固定，以及制造單元用于處理定制的性能。
在第一個制造單元中，將用于定制性能坯料的膠帶和有機板組合在一起，放置了兩個半成品，圖6。有機板作為成型坯料的堆疊送入;UD帶增強件以卷的形式制造。兩個半成品都連接在一起，并創建了一個半成品，如圖5所示。
根據組件設計，UD膠帶被切割成一定尺寸并由相機系統在線測量，用于在機器人拾取膠帶之前獲得夾具手的基本幾何參數，例如長度，寬度和位置。同時，第二個相機系統監控有機板的輪廓和位置。磁帶和有機板坯的幾何數據是已知的，系統計算每個磁帶的放置位置。然后，放置在這些位置的UD帶在幾個點通過激光進行定位焊接。通過激光，磁帶定位或與磁帶長度相關的位置進行的焊接和用于圖像處理的系統都是可自由編程的，這使得該系統概念靈活且安全地處理。每個膠帶的定位焊點數，它們的位置和每個單獨的定位點都可以自由編程。
在第二步中，將定制的坯料加熱至高于基質的熔點，成形，覆蓋并重新固結。這在UD帶和有機板之間形成材料結合，并且與模具焊接工藝相當。將形成的部件冷卻至低于熔點的溫度并插入空腔中進行包覆成型。同時，殼在表面區域達到足夠的溫度，以在與注塑料接觸時產生永久性粘合。在注射成型工藝之后，可以去除成品部件。完成冷卻，組裝，包裝和交付。
總結
隨著產量的增加，部件成本漸近地接近材料成本，而部件成本是決定制造成的主要因素。因此，決定是否應用有機薄片或UD帶取決于單價方案。Boge Elastmetall與合作伙伴Celanese，Cevotec和M.A.i合作，成功制造了用于批量生產的安全部件的UD帶增強件，以滿足汽車行業的要求。結構仿真采用單層仿真方法結合運動垂直仿真和拓撲優化后塑料包覆成型的附加建模。批量生產基于兩階段工藝，具有扁平帶堆疊裝置和隨后的覆蓋，分別在一個工藝步驟中重新固結而無需中間固結。在隨后的工藝步驟中，可以使用Boge Elastmetall開發的組合工藝作為使用注塑料進行全自動成型，再固結和包覆成型的基礎。
作者：Daniel H?FFelin，Neven Majic，Sascha Bockelkamp.etal.
