碳 - SMC 的零废料设想

无论在汽车、航空、电子、建筑还是技术应用中，不同行业都需要更轻的设计和更高的部件性能。但使用复合材料往往会因为其回收利用存在问题而丧失其原有的显著优势。三家公司——奥地利圣瓦伦丁的恩格尔奥地利公司、奥地利米尔斯的AlpexTechnologies公司以及美国康涅狄格州斯坦福德的HexcelCorporation，正与位于奥地利林茨的JohannesKeplerUniversity（约翰内斯开普勒大学）携手，共同研究解决方案。

实验组件由恩格尔开发的全自动SMC制造单元制造，配备了恩格尔 v-duo 700机器和easix KR35 关节机器人 ©恩格尔

研究工作主要集中在通过热压成型制备碳纤维增强片状模塑材料，简称碳-SMC，或C-SMC技术。在全自动和半自动生产技术中，一步法工艺被认为特别具备成本效益。利用纤维增强预浸料，按照荷载路径对关键区域进行局部增强。

该项目由奥地利研究基金会（FFG）赞助，在各个层面进行运作。它涉及到回收材料的使用、减少碳纤维废料量、优化制造成本以及提高材料效率。目标是仅在负载和安全要求所需的地方使用增强材料。

从理念到汽车组件

研究人员首先在实验室水平对以零浪费为核心的纤维复合材料解决方案的制造理念进行了验证，包括回收的碳纤维和SMC边角废料。为了实现量产，从一开始就优先选用全自动压制成型。本文针对汽车变速器横梁的案例研究，有效地说明了创新的可行性及其市场潜力（图1）。

图1 案例研究，变速器横梁展示了零废料开发 的市场潜力。C-SMC件（如图所示）的重量仅 为铝质件的一半©Engel

研究人员在零废料的前提下，采用碳-SMC生产出传统上由铝制造的结构件。零部件规格由领先的OEM提供，并根据材料优化了组件设计。在产品开发过程中，研发伙伴们开发了过程和结构仿真手段。他们能够通过试验组件提前确定基本的工艺数据，从而减少了开发工作量并提高了过程可靠性。

由于在项目开始即对组件拓扑进行了优化，因此，主要优先事项是使新工艺适应材料的特殊性能。研究人员使用了Hexcel的不同SMC半成品材料，其中一些仍处于开发阶段。他们还应用了各种夹层结构。对照材料为HexMC-i2000，一种市面有售的碳-SMC型号。总共采用四种不同的材料对整个可行性进行评估（图2）：

图2 这些试验采用不同的 材料进行，参考材料为 HexMC-i 2000，一种市面 有售的碳-SMC类型（来 源 ： J o h a n n e s K e p l e r University；图片： ©Hanser）

◆HexMC-i2000被命名为初级C-SMC。由从连续碳纤维增强单向（UD）碳纤维预浸料上切下的矩形切片（50x8mm）组成。切片在片状模塑料中呈随机取向。

◆rC-SMC被命名为次级C-SMC，包含来自美国供应商CarbonConversions的再生碳纤维，在Hexcel的预浸料生产线上用环氧树脂浸渍。碳纤维具有不规则的结构，类似于传统的GF-SMC。

◆从初级单向碳纤维预浸料中获得环氧树脂基UD带，并用于由同一材料制成的HexMC-i2000的局部增强。

◆C-SMC预浸料副产品来自UD预浸料HexPlyM77（汽车部件工业化批量生产的边角废料）。交付时为带状，按50mm的间距切割。

这种材料让切片能以特定的纤维取向集成到组件架构中。

所有材料均以相同的环氧树脂（型号：HexcelM77）预浸渍。该树脂体系在150℃下固化约2分钟，因此特别适合于汽车应用。

SMC制造单元的全自动化过程

图3 在优化的C-SMC压制成型中，材料的实际压制是在大约15秒的压缩阶段之后完成的（来源：Engel；图片：©Hanser）

实验组件（图3）由恩格尔开发的全自动SMC制造单元制造，它是一台具有模压功能的注塑机（型号：Engelv-duo700），配备关节机器人（型号：EngeleasixKR35）（标题图）。板材在数控切割台上制备，通过重量调节并与紧固点的铝嵌件一起导入模具（图4）。模具由为复合材料零部件制造商提供工具系统的Alpex提供。

图4 采用UD带对零废料夹层结构在紧固点进行局部增强，并在模具中引入铝嵌件（来源：Johannes Kepler University；图片：© Hanser）

施加5000kN的锁模力对碳-SMC进行压制。由此产生的模腔压力介于200到300bar之间。组件厚度为8mm，最大尺寸为520x340x100mm，测得的零部件重量为1270至1280g。循环时间为180秒。材料的实际压制成型是在8bar模腔压力下经过15秒压缩阶段后完成的。UD带在叠层插入模具之前放置就位。

零废料概念的验证

为了验证零废料概念，根据OEM的技术规范，研究人员在实验室的伺服液压试验机（型号：MTS阻尼器试验系统；制造商：MTSSystemsCorporation，美国明尼苏达州伊甸草原）上对结构件进行了机械试验。部件试验台模拟了连接点与实际车身的连接。力的加载由模拟传输器的活塞完成。位移和反作用力则由荷载传感器测定。

表1 通过对压铸铝和碳-SMC的材料和工艺比较，证实了零废料概念的成功 （来源：Engel）

研究人员以2mm/min的试验速度，通过Z方向临界载荷路径，研究了单调静态载荷下的部件特性。为了估计使用条件下的预期寿命，在临界Z方向进行了循环疲劳试验（图5）。这些试验在正弦载荷（5Hz）下进行，对位移和外力进行了双重控制。

图5 根据OEM制造商 的规范，在伺服液压试验机上对结构件进行机械试验。Z 被明确为临界载荷方向（© Johannes Kepler University）

优化压制成型

初期的研究已经对优化新型SMC加工技术的加工流程提供了帮助。与传统的碳-SMC工艺相比，纤维以切片而非成束或切割粗纱的形式结合，大大改变了加工性能。只有在规定的加热时间后，基体的粘度才会下降到让切片可以相对滑动的水平。因此，在优化工艺中，在实际压制成型之前，系统承受约8bar的低压约15s，直到料芯温度达到至少60°C。此外，提高压力，使材料在随后的压制过程中流动。

固化期间的型腔压力曲线通过图形列出来。对照材料以绿色显示，回收材料以橙色显示（图6）。在加热期间，模腔压力仍然很低。在平行控制压制成型中，尽管精确控制了5000kN的恒定锁模力，但仍会出现压力最大值，并再次迅速减小。在这里，液体树脂在压力传感器处转化为坚硬的固体成分会影响测量结果。在固化反应的持续过程中，压力再次升高，这主要归因于C-SMC的热膨胀。到循环结束时，由于基体材料相同，压力曲线趋于一致。

图6 在变速器横梁的制造过程中测量整个固化期间的型腔压力（来源：Engel；图片： ©Hanser）

不同材料的基准

在另一系列实验中，研究人员对四种受测材料结构进行了相互比较。部件试验在传输模拟试验台上进行。从准静态组件测试获得的用于比较的读数包括线性刚度、最大力下的割线刚度和断裂载荷（图7）。

图7 在另一系列的实验中，研究人员对四种受测材料结构进行了相 互比较。比较的读数是线性刚度、破坏载荷（Fmax）以及最大力下的割线刚度（来源：Johannes Kepler University；图片：© Hanser）

尽管用于技术表征的测量值仅适用于对应于零部件的试验配置，但它们可以在试样和材料变体之间进行比较。其结果根据材料配置HexMC-i2000（其所有三个特征值均为1，即100%）进行标准化（图2a）。

通过在初级C-SMC层状结构中使用再生碳纤维（图2b），或来自工业UD预浸料边角废料的次级C-SMC（图2d），可获得至少与初级参考材料HexMC-i2000（图2a）相同的性能。零废料概念的一个重要目标就这样实现了。以这种方式，可以大幅减少碳纤维废料量，而不会造成组件性能的显著损失。

通过使用UD带（图2c）和控制切片方向（图2d），可以增加刚度，并将其标准偏差降低至一半以下。然而，这些措施并未能提高组件的强度。断裂强度主要取决于锁模条件和焊缝强度（如存在）。在这种情况下，会发生严重的发散（变化系数从10%到20%），这与替代层结构或过程控制中的变化几乎没有关联。

重量减轻约50%

所有试样均满足特定应用所要求的21kN的破坏荷载，最大值超过26kN，如与一个变速器横梁试样所进行的材料及技术比较所示（表1）。初级C-SMC材料以及回收的C-SMC均符合汽车制造商的准静态部件规范（刚度、强度）。因此，零废料的概念可对提高承重组件中的回收物含量发挥作用。

组件试验表明，临界荷载方向上的断裂荷载远高于21kN的规定值。对变速器横梁的动态耐久性试验表明，在300万次循环后，C-SMC材料未出现任何损坏，这充分说明该材料在车辆结构应用中的潜在适用性。但集成铝嵌件的过程仍需进一步优化。与铝合金件相比，C-SMC的重量减轻了50%左右。

压缩功能至关重要

测试样件的制造有赖于Engelv-duo700机器压缩功能的成功应用，它的加热、加压阶段实现了精确的受力与平行控制，从而带来了重复可现的高组件质量，充分彰显了这类材料的潜力。

原创声明：

本站所有原创内容未经允许，禁止任何网站、微信公众号等平台等机构转载、摘抄，否则荣格工业传媒保留追责权利。任何此前未经允许，已经转载本站原创文章的平台，请立即删除相关文章。

本文翻译自KUNSTSTOFFEINTERNATIONAL杂志