(迪芬巴赫復(fù)合材料事業(yè)部總經(jīng)理郭志偉)

以下為演講實(shí)錄,在不改變原意的情況下有所調(diào)整:

尊敬的王院長,各位嘉賓,國創(chuàng)中心的同事們、朋友們大家好,我是迪芬巴赫公司復(fù)合材料事業(yè)部總經(jīng)理郭志偉。很高興參加由國創(chuàng)中心舉辦的2021新能源汽車材料產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新峰會(huì),我想利用這個(gè)平臺(tái)與大家一起學(xué)習(xí)分享一下我對連續(xù)纖維復(fù)合材料成型技術(shù)的一些看法。

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

今天我們主要講連續(xù)纖維復(fù)合材料的發(fā)展趨勢,主要介紹一下迪芬巴赫公司在這方面的創(chuàng)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(yè),隸屬于迪芬巴赫家族集團(tuán),有150年歷史,一直致力于復(fù)合材料成型設(shè)備的研發(fā)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(jī)復(fù)合材料圖,從這張圖可以看到,航空業(yè)的起飛重量和航程起飛重量比越來越長,飛機(jī)飛得越遠(yuǎn),這是因?yàn)轱w機(jī)越輕了。剛剛說到,復(fù)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(biāo)準(zhǔn)。但是作為長纖維復(fù)合材料,長度至少要達(dá)到25mm,這是最基本的要求。如果沒有達(dá)到這個(gè)長度的話,增強(qiáng)作用就會(huì)消失。連續(xù)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(fù)合材料的發(fā)展方向。所以說有了熱固的UD帶,鋪層技術(shù)使用在我們未來的產(chǎn)品中,都是很好的一個(gè)未來應(yīng)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(wěn)定,保證產(chǎn)品均勻一致,表面質(zhì)量;而熱塑則講求速度,重點(diǎn)即快、快、快,即成型工藝快、速度快、生產(chǎn)節(jié)拍快。那么當(dāng)然相應(yīng)的壓力更大一些,這是工藝的特點(diǎn)。那么有創(chuàng)新的工藝要求,迪芬巴赫就開發(fā)了相應(yīng)創(chuàng)新的設(shè)備。

另一個(gè),我們重點(diǎn)介紹一下熱塑性復(fù)合材料發(fā)展歷史,大家都知道最初因?yàn)榻�潤的原�?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(xù)纖維粘熱塑復(fù)合材料板材,加熱冷卻,制品廠再經(jīng)過一次加熱冷卻,這樣的一個(gè)過程形成一個(gè)產(chǎn)品。那么在這樣的一個(gè)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(chǎn)品,這就是我們創(chuàng)新工藝,經(jīng)過一段時(shí)間開發(fā),研究出了相應(yīng)的設(shè)備。

LFT-D工藝是雙階擠出,而不是單階擠出,我們的產(chǎn)品更高效,避免了半成品的物流,成本更低,配方更容易調(diào)節(jié),因?yàn)榭梢栽诰�的調(diào)節(jié),機(jī)械性能更好,流動(dòng)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(yīng)用。比如汽車的底護(hù)板、備胎艙、甚至是前端框架。另一個(gè)比如像smart的這種內(nèi)飾,也可以做到。還可以用于外飾件 ;當(dāng)然我們更強(qiáng)調(diào),我這里個(gè)人經(jīng)驗(yàn)更強(qiáng)調(diào)用在結(jié)構(gòu)件,半結(jié)構(gòu)件,這樣一個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域,因?yàn)楸容^適用于高強(qiáng)度的產(chǎn)品 。注塑能滿足的,我們不搶市場,因?yàn)槲覀兝w維長度大于25mm,我們可以做強(qiáng)度要求高的結(jié)構(gòu)件,甚至承重件。最好的優(yōu)勢是纖維長度長、機(jī)械性好、流動(dòng)性好、表面質(zhì)量高;那么這里我更強(qiáng)調(diào),因?yàn)槟闶侵苯釉诰�,一次加熱,材料的原料損害小,產(chǎn)品更穩(wěn)定。

下圖代表了我們對復(fù)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(qiáng)度,注塑件成型容易,強(qiáng)度弱;熱塑性強(qiáng)度更好,因?yàn)槔w維長度更長,成型困難。能不能解決這個(gè)問題,在工藝上,迪芬巴赫做了一個(gè)最佳的選擇和取舍 。我們可以看到,連續(xù)纖維長度控制在20-40mm之間時(shí),其性能最優(yōu)異。

這下圖可以看到,連續(xù)纖維在50mm是最好的一個(gè)強(qiáng)度要求,再高的話,有研究把連續(xù)纖維的UD帶放在熱塑性復(fù)合材料短切纖維成型的產(chǎn)品,去做到局部增強(qiáng),可以稱之為連續(xù)纖維局部增強(qiáng)熱塑性復(fù)合型材料,把好剛剛在刀刃上。那么這樣我們可以認(rèn)為連續(xù)纖維成型的熱塑性復(fù)合材料可以用碳纖維來做,而且我們確實(shí)用了碳纖維,量最少、強(qiáng)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(dòng)的設(shè)備,自動(dòng)的在線配料,自動(dòng)的回收再利用,自動(dòng)在線添加配方。這樣對于一個(gè)配料商來講,我們可以把原材料成本降到最低,因?yàn)樗�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(shè)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(chǎn)品里的保證。

另一個(gè),我們對工藝的一個(gè)設(shè)計(jì)研究,包括對汽車工業(yè)的研究,我們做了雙傳送帶,這樣我們對產(chǎn)品的形狀及生產(chǎn)線的適應(yīng)性可以有一個(gè)很大的提高,可以做各種各樣的部件;另一個(gè)對我們工藝的研究,做了一個(gè)客戶的調(diào)查,我們創(chuàng)新了出料口伺服電機(jī)調(diào)節(jié)技術(shù),這個(gè)技術(shù)的好處是什么呢?可以優(yōu)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(dòng)距離,減少纖維的定向。你要有這樣的研究,才能理解復(fù)合材料的特點(diǎn)。

那么給大家看一下我們復(fù)合材料整個(gè)生產(chǎn)線的規(guī)劃,這是荷蘭的工廠的規(guī)劃。我們對工藝要有研究,例如原料在磨具中流動(dòng)的過程狀態(tài),通過這樣的研究才知道我們的工藝及設(shè)備需要怎么樣的參數(shù)。

從這里可以看到迪芬巴赫的壓機(jī)比較大,我們在交付給客戶的產(chǎn)品說明中有一個(gè)要求,間壓的時(shí)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(chǎn)品。壓機(jī)壓力從0到3000噸,那么怎么才能滿足呢?你不能像發(fā)動(dòng)機(jī)一樣把油門踩到底,加到3000噸,料可能已經(jīng)冷卻了,這樣成型的產(chǎn)品是不均勻一致的。迪芬巴赫創(chuàng)新的儲(chǔ)能系統(tǒng),是通過高壓氮?dú)鈱Ξa(chǎn)品進(jìn)行加壓,而不是通過液壓泵,這樣也滿足了0.5秒以內(nèi)間壓的時(shí)間。更創(chuàng)新的是短行程壓機(jī),傳統(tǒng)的行程需要加壓的油缸較長,迪芬巴赫創(chuàng)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(xiàng)的技術(shù),我們每年就可以節(jié)約88%的用油量,我們測算了一下,LFT-D工藝滿負(fù)荷生產(chǎn),按照中國工業(yè)用電的電費(fèi),每年光電費(fèi)就可節(jié)約100萬,這是它最大的優(yōu)勢。

另一個(gè),它在工藝上,因?yàn)閷Ξa(chǎn)品有要求,有一個(gè)四位主動(dòng)動(dòng)平衡技術(shù)的應(yīng)用,它是在整個(gè)成型過程中能一直加壓、調(diào)平。那么它的好處在哪里呢?好處就是復(fù)合材料成型,是開模成型,屬于從開放狀態(tài)下到閉模狀態(tài)下的一個(gè)成型,整個(gè)的調(diào)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(shè)備能保證一致的工藝,最終的產(chǎn)品才能是均勻一致的。我們產(chǎn)品纖維的分布是均勻一致的。成型產(chǎn)品的厚度也是均勻一致的。

隨著我們汽車工業(yè)、工藝的一個(gè)要求,我們能不能往更高的要求去發(fā)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(qiáng)復(fù)合材料。如果用碳纖維做短切用分子間摩擦力來增強(qiáng)復(fù)合材料的話,就失去了碳纖維作為最好的最優(yōu)質(zhì)增強(qiáng)材料的應(yīng)用。那么能不能把連續(xù)纖維用在最終的復(fù)合材料上。這就是迪芬巴赫2016年創(chuàng)新研發(fā)的,找到了一個(gè)非常好的材料,就是UD帶,熱塑性單向帶,我們當(dāng)然知道在航空工業(yè)用了很多,但是生產(chǎn)節(jié)拍又比較慢,滿足不了汽車工業(yè)的要求,那么在這里我們更希望能不能有汽車復(fù)合材料用的低成本的碳纖維,滿足未來汽車工業(yè)的需求呢?迪芬巴赫創(chuàng)新的把UD帶和LFT-D技術(shù)及鋪層技術(shù)相結(jié)合,做我們的連續(xù)纖維局部增強(qiáng)熱塑性復(fù)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(gè)電池殼蓋和底盤,如果其承重能達(dá)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(xiàn)在的底盤都是鋁合金多,投資更大生產(chǎn)工藝更復(fù)雜,而且生產(chǎn)周期很長,而迪芬巴赫采用一模成型,這是我們復(fù)合材料的優(yōu)點(diǎn)。

下圖是迪芬巴赫經(jīng)過十五年開發(fā)的一個(gè)產(chǎn)品,其面向的是批量化的生產(chǎn)工藝,原理比較簡單,是將UD帶鋪放成您需要的形狀,這里強(qiáng)調(diào)一下,這是為了節(jié)約用量,用在最需要用的地方。這樣經(jīng)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(cè)如果成型一個(gè)長方形的形狀,左側(cè)的產(chǎn)品可以做到鏡形狀的成型,好處則是節(jié)省原材料。那么這就是我們作為大工業(yè)生產(chǎn),我們節(jié)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(dòng)化的生產(chǎn)線,如果輸入規(guī)定的形狀和原料,其會(huì)對原料進(jìn)行一個(gè)最大程度的匹配和最大限度的利用。另一個(gè)就是說,這樣的鋪層設(shè)備人工鋪是可以的,但不能保持精度,因?yàn)槠�車工業(yè)對精度有一定的要求。

連續(xù)纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料配合LFT-D生產(chǎn)線一起,最經(jīng)典的應(yīng)用就是汽車門內(nèi)板,眾所周知門內(nèi)板一般采用高強(qiáng)鋼制造,如果我們把碳纖維替代高強(qiáng)鋼做門內(nèi)板,會(huì)大大節(jié)約我們金屬?zèng)_壓的成本,模具成本也低,另一個(gè)運(yùn)用復(fù)合材料還可實(shí)現(xiàn)輕量化。

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

BASF采用了上述技術(shù)用復(fù)合材料來代替高強(qiáng)鋼。舉個(gè)例子,下圖可以看到調(diào)節(jié)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(gè)對粘形成一個(gè)高強(qiáng)度的產(chǎn)品,這是我們最新的應(yīng)用。那么另一個(gè)應(yīng)用,這次做一個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)底板,各種工藝融合的一個(gè)探討,短切纖維做加強(qiáng)筋,連續(xù)纖維做面,做增強(qiáng)材料,把鋁型材作為嵌件,一模成型的一個(gè)產(chǎn)品,它完全替代基礎(chǔ)沖壓的功能件。

這里我想做一個(gè)總結(jié),連續(xù)纖維復(fù)合材料的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢,首先說可以做成PP或者PA66,可以達(dá)到很高強(qiáng)度,碳纖維的強(qiáng)度是鋼強(qiáng)度的十倍。同時(shí)我們把連續(xù)纖維用在了強(qiáng)度最高的部分,這樣既節(jié)約成本又增強(qiáng)了產(chǎn)品要求,重量還會(huì)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?yàn)榱鲃?dòng)性好又能提供更好的產(chǎn)品。

在這里我想做一個(gè)廣告,在9月13號上海中國國際復(fù)合材料展,我們會(huì)展出我們用連續(xù)纖維、長纖維、碳纖維、連續(xù)長纖維、連續(xù)碳纖維、短切纖維等給保時(shí)捷做的座椅背板,從原材料到半成品最終產(chǎn)品的展示都會(huì)在迪芬巴赫的展臺(tái)。

最后,再次感謝國創(chuàng)中心的邀請,也謝謝大家的聆聽,我們上海見。