摘　要：纤维增强塑料(FRP)的可持续生产方法是现代生产技术的关键挑战之一，特别是对比了成熟的过程链如金属加工。在塑料加工中，通过整合短纤维和长纤维，热成型和注塑被用于大批量的连续生产中。使用连续纤维增强热塑性(FRTP)复合材料坯料越来越多。载荷优化的混杂或多材料结构采用不同纤维的组合，如玻纤或碳纤，在经济效益和降低材料与能源消耗上很有前途。

　　当增强纤维的取向适应于零部件的载荷状况时，就可以达到佳的轻量化设计。使用具有恒定壁厚的常规热塑性复合材料片材，会导致具有大应力区域的外部过大，并造成一个不利的应力分布。这引起了材料消耗和零部件重量的增加。
　　对于几种应用，一种能达到经济性和技术性有效解决的合适方法可能是大批量可相容织物基复合材料片材的局部增强，通过采用单向高性能纤维增强材料和高纤维体积含量的热塑性带来实现。壁厚降低局部增强的坯料还提高了下游热成型过程的经济平衡性，因为加热和冷却的周期时间与两者的功率成正比，与壁厚成正比。(图1)

　　经济性分析得出结论：用于热成型的局部增强坯料相对于标准坯料在4500套批量下达到它们的盈亏平衡点。正如在引用的分析中，当考虑激光辅助带铺放代替热气体辅助带铺放时，大批量连续生产目的的好处增加明显，因为变动成本由于铺层速度的增加、废料边角料的减少和能耗的降低而大幅下降。

1　评估用激光辅助带铺放生产的定制多材料坯料

　　对激光辅助带铺放和热成型的协同作用的探索和评估是纤维链(FibreChain)项目的一个目标。在该项目中，分析了图2显示的生产路径。正如图3中所强调的一样，复合材料片材和部件可以在成型过程前后通过激光辅助带铺放有效地增强，以获得定制的混杂和多材料零部件。

　　已证明在激光辅助带铺放中，复合材料铺层结合不同种类纤维(如碳纤或玻纤)、增强材料(如织物或单向带)、基体系统(如PA6、PA66或PAl2)和带有各种颜色或光学吸收性能的材料，可以使用一种二极管激光系统进行加工。基础复合材料铺层和铺放的增强材料带之间熔合区域的质量用图4中显示的芯模剥离试验进行评估。增强材料以每秒300毫米的铺层速度生产。

　　图5总结了增强材料试验的结果。“++”记号表示非常好的熔合强度，超过了在测试载荷状况下带的层内性能。“+”记号表示带和坯料之间良好的粘接性。层间性能和在测试载荷状况下所用带的层内性能相似。“一”记号表示低的胶接强度。还列出了剥离带所需的临界能量。正如预期，两个相同材料的结合确实导致了高的熔合强度，因为粘合对象有相似的化学、热和光学性能。当粘合不同的基体材料时，重要的是确保所选择的工艺温度适合两个粘合的对象。更具热稳定性的材料需要被融合，不会降解热稳定性较差的粘合对象。当使用光加热，所用材料对于激光系统波长的吸收性能是重要的。不同的纤维增强材料会导致不同的光吸收性能。通过适当设置激光角度来调节激光功率的分布，该工艺可以被适用于粘合两种不同光学性能的材料。事实上，PA66／GF坯料不能用给定的试验计划进行粘合，是由于它在近红外光谱中低的吸收度，加上高焊接温度，高铺层速度和有限的激光功率。采用相同的工艺条件，可以比较容易的在PA66／CF坯料上焊接PA66／CF带，因为两个粘合对象在表面附近吸收85％到90％所用的激光能量。
　　通过减少铺层速度或使用更多的激光功率，可以获得一个好的接头。在层压聚合物中为了更大的吸收使用炭黑粒子也是一种选择。在FiberChain中也研究了把CO₂激光系统用于带铺层，由于其较长的波长，GFRP吸收激光辐射更高，甚至没有炭黑粒子。为了使这种方法更有效，作为FiberChain的一部分，开发了一种kW范围的新q-转变纳米秒脉冲CO₂激光系统，它能以一种连续波长模式操作。因而，这种系统可被用于粘合，带铺放和切割操作。

2　混合成型和功能化过程

　　激光辅助带铺层生产的定制热塑性复合材料片材可以采用一种热成型工艺成型为终形状。热塑性复合材料的冲压成型是一种快速工艺，周期时间小于1分钟，因而适合于大批量生产。Fraunhofer IPT小组把热成型和一个同时功能化工艺相结合。嵌件和紧扣件可以在热成型过程中被整合(图6)。

　　当热塑性基体材料在热成型过程之前熔融时，嵌件可以通过一种局部的成型工艺被整合入结构中。这种整合的主要好处之一是整合插嵌件通常所需的附加的工艺步骤变成多余。此外，成型中的接头力学性能优于打孔的接头，因为纤维没有被损坏，而是挤压到了接头区域的边缘区。与注塑成型或热塑性焊接相比，承载不仅通过基体材料而且通过纤维来进行。增加的接头强度在Fraunhofer IPT针对织物基热塑性复合材料和单向带制成的复合材料片材被验证。而且，在热成型过程中，可以获得复杂的几何形状如倒陷，这样适当的嵌件可以导致更高的接头强度。
　　在完成嵌件整合并且基体材料被冷却至熔融温度以下后，可以对CFRTP结构进行模内修边。因此，传统的过程链成型、修边和粘合可以被缩短至一个整合的工艺步骤。

3　生产过程和系统的开发和实施

   　 除了研究活动外，Fraunhofer IPT还开发和实施生产过程及系统，用于自动制造轻量化纤维增强热固性和热塑性零部件。今年夏天将推出一种新的激光辅助纤维铺放系统(图7)。

　　“hybridTLK”(hybridAFP)是一种激光辅助纤维铺放系统，它可以在不同的制造单元中，作为一种末端操纵装置加到摇臂和线型台架式工业机械手。它使操作不同种类纤维增强产品如热塑性带、热固性预浸料和干纤维铺放材料成为可能。材料的储存和导向装置需要根据不同的材料性能进行调节，如它们必须被冷却以防止热固性预浸料的粘连。可以处理不同的带宽度。模块化结构和模块化软件架构对于建造这种一体化激光辅助热塑性带、热固性预浸料和干纤维铺放设备是必要的。模块化安装方便瓜摄像机的整合，它可以产生许多在尖点区域中有关热分布的有价值的数据。通过高温计它可以被延伸，高温计测量一个单一的点，但在测量速度和成本上有较大的优势。
　　在带铺放系统中，每个过程参数随着时间被有序记录，用于先进的数据管理软件对该过程进行控制并用于重复动作。热塑性带、热固性预浸料和干纤维铺放设备是专用于帮助SME完成更换材料的指令，不需要不同的铺放设备。

4　结　论

　　通过质量和成本优化设计纤维增强塑料，可以达到轻量化设计潜力的佳运用。
　　Fraunhofer IPT开发和实施了经济且批量化生产热塑性纤维增强复合材料的方法，结合碳纤和玻纤获得载荷、质量和成本优化的混杂或多材料结构。激光辅助带铺放和热成型的结合能够降低周期时间，整合功能化元件，并获得一个经济且全自动化的过程链。