(迪芬巴赫復合材料事業部總經理郭志偉)

以下為演講實錄,在不改變原意的情況下有所調整:

尊敬的王院長,各位嘉賓,國創中心的同事們、朋友們大家好,我是迪芬巴赫公司復合材料事業部總經理郭志偉。很高興參加由國創中心舉辦的2021新能源汽車材料產業創新峰會,我想利用這個平臺與大家一起學習分享一下我對連續纖維復合材料成型技術的一些看法。

首先,開始我的演講之前,我想給大家做一個簡單的分類。復合材料分為熱固性復合材料和熱塑性復合材料。熱塑分為長纖維和連續纖維,熱固也分為長纖維和連續纖維。

今天我們主要講連續纖維復合材料的發展趨勢,主要介紹一下迪芬巴赫公司在這方面的創新和見解。開始之前,我先介紹一下迪芬巴赫公司。它是一家德國家族企業,隸屬于迪芬巴赫家族集團,有150年歷史,一直致力于復合材料成型設備的研發與制造。我們從上圖可以看到他的歷史沿革。

上圖是一張航空飛機復合材料圖,從這張圖可以看到,航空業的起飛重量和航程起飛重量比越來越長,飛機飛得越遠,這是因為飛機越輕了。剛剛說到,復合材料分為熱固和熱塑。熱固有各種工藝,比如有SMC或者是HP-RTM。這里我澄清一下,注塑是把大于0.5mm作為長纖維的標準。但是作為長纖維復合材料,長度至少要達到25mm,這是最基本的要求。如果沒有達到這個長度的話,增強作用就會消失。連續纖維就像是我們蓋房子的鋼筋一樣,從頭至尾,這也是未來復合材料的發展方向。所以說有了熱固的UD帶,鋪層技術使用在我們未來的產品中,都是很好的一個未來應用方向。

那么,接下來我們可以看到熱固和熱塑在工藝上的要求是有所不同的。熱固要求相對平衡穩定,保證產品均勻一致,表面質量;而熱塑則講求速度,重點即快、快、快,即成型工藝快、速度快、生產節拍快。那么當然相應的壓力更大一些,這是工藝的特點。那么有創新的工藝要求,迪芬巴赫就開發了相應創新的設備。

另一個,我們重點介紹一下熱塑性復合材料發展歷史,大家都知道最初因為浸潤的原因,熱塑比熱固浸潤要困難,就有了半成品,由GMT工藝制成了連續纖維粘熱塑復合材料板材,加熱冷卻,制品廠再經過一次加熱冷卻,這樣的一個過程形成一個產品。那么在這樣的一個工藝過程中,迪芬巴赫就想能不能直接消除半成品,直接從原料廠,比如說化工廠的PP,薄纖廠的薄纖直接生成最終的三維產品,這就是我們創新工藝,經過一段時間開發,研究出了相應的設備。

LFT-D工藝是雙階擠出,而不是單階擠出,我們的產品更高效,避免了半成品的物流,成本更低,配方更容易調節,因為可以在線的調節,機械性能更好,流動性更好,可以在線回料再利用,成本更低。該工藝在幾十年來有很多的應用。比如汽車的底護板、備胎艙、甚至是前端框架。另一個比如像smart的這種內飾,也可以做到。還可以用于外飾件 ;當然我們更強調,我這里個人經驗更強調用在結構件,半結構件,這樣一個應用領域,因為比較適用于高強度的產品 。注塑能滿足的,我們不搶市場,因為我們纖維長度大于25mm,我們可以做強度要求高的結構件,甚至承重件。最好的優勢是纖維長度長、機械性好、流動性好、表面質量高;那么這里我更強調,因為你是直接在線,一次加熱,材料的原料損害小,產品更穩定。

下圖代表了我們對復合材料成型工藝的研究,縱軸可以看到是形狀的代表,橫軸代表強度,注塑件成型容易,強度弱;熱塑性強度更好,因為纖維長度更長,成型困難。能不能解決這個問題,在工藝上,迪芬巴赫做了一個最佳的選擇和取舍 。我們可以看到,連續纖維長度控制在20-40mm之間時,其性能最優異。

這下圖可以看到,連續纖維在50mm是最好的一個強度要求,再高的話,有研究把連續纖維的UD帶放在熱塑性復合材料短切纖維成型的產品,去做到局部增強,可以稱之為連續纖維局部增強熱塑性復合型材料,把好剛剛在刀刃上。那么這樣我們可以認為連續纖維成型的熱塑性復合材料可以用碳纖維來做,而且我們確實用了碳纖維,量最少、強度最好、成本反倒沒有明顯增加。

為了滿足這樣的工藝要求,我們有自動的設備,自動的在線配料,自動的回收再利用,自動在線添加配方。這樣對于一個配料商來講,我們可以把原材料成本降到最低,因為所有都是一手原材料。我們掌握了所有配料的配方。可以看到我們設備的第一階擠出的混料, 包覆玻纖,包覆薄纖就是最大限度的減少玻纖的損傷,這樣做到纖維長度在最終產品里的保證。

另一個,我們對工藝的一個設計研究,包括對汽車工業的研究,我們做了雙傳送帶,這樣我們對產品的形狀及生產線的適應性可以有一個很大的提高,可以做各種各樣的部件;另一個對我們工藝的研究,做了一個客戶的調查,我們創新了出料口伺服電機調節技術,這個技術的好處是什么呢?可以優化胚料,做一些異形件。我們可以做到擠出的料塊有高有低,這樣比較適合于減小纖維的流動距離,減少纖維的定向。你要有這樣的研究,才能理解復合材料的特點。

那么給大家看一下我們復合材料整個生產線的規劃,這是荷蘭的工廠的規劃。我們對工藝要有研究,例如原料在磨具中流動的過程狀態,通過這樣的研究才知道我們的工藝及設備需要怎么樣的參數。

從這里可以看到迪芬巴赫的壓機比較大,我們在交付給客戶的產品說明中有一個要求,間壓的時間小于0.5秒,它的保證從哪里來呢?這是很重要,尤其是熱塑性的產品。壓機壓力從0到3000噸,那么怎么才能滿足呢?你不能像發動機一樣把油門踩到底,加到3000噸,料可能已經冷卻了,這樣成型的產品是不均勻一致的。迪芬巴赫創新的儲能系統,是通過高壓氮氣對產品進行加壓,而不是通過液壓泵,這樣也滿足了0.5秒以內間壓的時間。更創新的是短行程壓機,傳統的行程需要加壓的油缸較長,迪芬巴赫創新的短行程油缸,在前期近似自由落體的下壓,只有在合模的瞬間,才使用液壓油加壓,僅這一項的技術,我們每年就可以節約88%的用油量,我們測算了一下,LFT-D工藝滿負荷生產,按照中國工業用電的電費,每年光電費就可節約100萬,這是它最大的優勢。

另一個,它在工藝上,因為對產品有要求,有一個四位主動動平衡技術的應用,它是在整個成型過程中能一直加壓、調平。那么它的好處在哪里呢?好處就是復合材料成型,是開模成型,屬于從開放狀態下到閉模狀態下的一個成型,整個的調平過程是不能停止的,平衡是相對的,不平是絕對的。只有在設備能保證一致的工藝,最終的產品才能是均勻一致的。我們產品纖維的分布是均勻一致的。成型產品的厚度也是均勻一致的。

隨著我們汽車工業、工藝的一個要求,我們能不能往更高的要求去發展。我們首先知道玻纖用的是短切長纖維,用分子間摩擦力來增強復合材料。如果用碳纖維做短切用分子間摩擦力來增強復合材料的話,就失去了碳纖維作為最好的最優質增強材料的應用。那么能不能把連續纖維用在最終的復合材料上。這就是迪芬巴赫2016年創新研發的,找到了一個非常好的材料,就是UD帶,熱塑性單向帶,我們當然知道在航空工業用了很多,但是生產節拍又比較慢,滿足不了汽車工業的要求,那么在這里我們更希望能不能有汽車復合材料用的低成本的碳纖維,滿足未來汽車工業的需求呢?迪芬巴赫創新的把UD帶和LFT-D技術及鋪層技術相結合,做我們的連續纖維局部增強熱塑性復合材料,UD帶的特性就比較明顯了,它的纖維含量高,適合做一些承重件,比如引擎蓋。那么我們未來是不是可以做到整個電池殼蓋和底盤,如果其承重能達到電池承重要求是完全可以替代鋁合金型材的,大家都知道,現在的底盤都是鋁合金多,投資更大生產工藝更復雜,而且生產周期很長,而迪芬巴赫采用一模成型,這是我們復合材料的優點。

下圖是迪芬巴赫經過十五年開發的一個產品,其面向的是批量化的生產工藝,原理比較簡單,是將UD帶鋪放成您需要的形狀,這里強調一下,這是為了節約用量,用在最需要用的地方。這樣經過加壓、超聲焊接,鋪成我們想要的形狀。這樣有一些例子,還有對角切割的功能,左側如果成型一個長方形的形狀,左側的產品可以做到鏡形狀的成型,好處則是節省原材料。那么這就是我們作為大工業生產,我們節約每一分的成本,最終的利潤都是我們的利潤。我們甚至有全自動化的生產線,如果輸入規定的形狀和原料,其會對原料進行一個最大程度的匹配和最大限度的利用。另一個就是說,這樣的鋪層設備人工鋪是可以的,但不能保持精度,因為汽車工業對精度有一定的要求。

連續纖維增強熱塑性復合材料配合LFT-D生產線一起,最經典的應用就是汽車門內板,眾所周知門內板一般采用高強鋼制造,如果我們把碳纖維替代高強鋼做門內板,會大大節約我們金屬沖壓的成本,模具成本也低,另一個運用復合材料還可實現輕量化。

下圖我們可以看一下BASF用我們設備做的一個對比,UD帶和連續纖維織物做的對比,可以看到連續纖維織物浪費是比較多的,迪芬巴赫從第一代設備到最新一代又做了一個升級,下圖是BASF給出的對比,用連續纖維織物的廢料率是34.9%,迪芬巴赫第一代設備的廢料率是10.6%,最新一代則是2.9%,這是非常大的進步。

BASF采用了上述技術用復合材料來代替高強鋼。舉個例子,下圖可以看到調節車身剛性的部件的成型工藝過程,從UD帶到LFT-D一起模壓成形,最后是對手件的一個對粘形成一個高強度的產品,這是我們最新的應用。那么另一個應用,這次做一個發動機底板,各種工藝融合的一個探討,短切纖維做加強筋,連續纖維做面,做增強材料,把鋁型材作為嵌件,一模成型的一個產品,它完全替代基礎沖壓的功能件。

這里我想做一個總結,連續纖維復合材料的經濟優勢,首先說可以做成PP或者PA66,可以達到很高強度,碳纖維的強度是鋼強度的十倍。同時我們把連續纖維用在了強度最高的部分,這樣既節約成本又增強了產品要求,重量還會減輕,簡單流程,減少了廢品率,回料是百分之百可以回收的,因為流動性好又能提供更好的產品。

在這里我想做一個廣告,在9月13號上海中國國際復合材料展,我們會展出我們用連續纖維、長纖維、碳纖維、連續長纖維、連續碳纖維、短切纖維等給保時捷做的座椅背板,從原材料到半成品最終產品的展示都會在迪芬巴赫的展臺。

最后,再次感謝國創中心的邀請,也謝謝大家的聆聽,我們上海見。