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如何大批量生产复合材料制品 复合材料 大批量生产
工业化生产几乎是每一个产业的发展方向，额定时间内生产出批量的、质量稳定的复合材料制品，是生产商所需要的，目前复合材料工艺和设备的发展，正体现如何采用现有的工艺和材料来满足大批量生产的需求，特别是针对关键的结构性大型制件。
图 1，自动化的应用能够大幅提高复合材料制品的生产效率
早在多年前，一些改进的技术就已进入试制阶段，目前已实现了量产化。例如，使用机器人完成复合材料游泳池和浴缸的自动化成型生产。此外，还可采用一些方法来省略工艺步骤，减少人工用量，使成型过程更简单，如“一步喷射”单向玻纤的热塑性或热固性复合材料成型工艺。其中，一些新技术已在小型、简单制品的生产中得到了商业化应用，并正向大型、复杂制件的方向拓展。
机器人的多样化应用
在过去的5年里，法国Matrasur Composites已将机器人和自动化系统应用于复合材料的成型生产中，一般，独立的机器人工作单元可以完成一些专项任务，如喷射、修边和粘接等，但是Matrasur新的生产设施则将多个机器人与其他的自动化系统整合到了一起。该公司安装在法国南部一家工厂中的第一套此类设施，集成了大型传送带、2个机器人和4个操作员，能够在8h内喷射成型6个游泳池（10m×4m），也就是说，每个游泳池只需花费5.33个人工时，而在集成自动化系统之前，同样的生产设施需要花费26个人工时才能完成一个游泳池的制造。
2年前，Matrasur在法国的第二套全自动化的生产设施渴望能够节省更多的人工成本。该生产设施被一家大型厂商用于卫浴制品的生产，于2008年9月开工。它有2条平行的生产线，7个机器人（多数是6轴机器人）和一个操作员能在24h内生产出200多个浴缸和淋浴槽。
在这家工厂中，首先由热成型设备生产出聚丙烯板材的产品外壳，然后由机器人将此外壳移送到传送带上，再由传送带将其输送到喷射工位。在喷射工位处，另一些机器人将短切玻纤和聚酯树脂喷射到外壳上，经室温固化后，再由机器人将其送到修边工位，由另一个机器人完成修边和打孔工作。最后，一个机器人将制品放到传送带上进入包装程序。据说该制造商本来计划将其生产转移到劳动力便宜的国家，但机器人的使用则帮助其保持了竞争力。目前，Matrasur已经开发出了用于干法碳纤维预浸料铺层的机器人系统。
图 2，Torque 5切割头主轴转速可达24 000 r/min，是真正的高速机械头。
意大利CMS公司推出的一款不同寻常的五轴机械头，被称作“Torque 5”，该公司是一家复合材料的热成型及修边设备制造商。CMS表示，Torque 5是第一款由伺服马达直接驱动的机械头。该公司用Fanuc的伺服马达取代了通常的齿轮箱伺服马达，其优点是，可提供更高的速度和更精确的定位。其中，切割头主轴转速可达24 000 r/min。
随着聚氨酯复合材料应用的持续增长，意大利Sirtek公司推出了“机器人PUR喷涂围房”，该设备是Sirtek与意大利的聚氨酯设备供应商Cannon SpA 和CMA Robotics SpA合作开发的，其中的6轴和7轴“自教式”机器人可实现喷涂作业。该机器人系统使用了低VOC排放的PUR树脂，该树脂也由Sirtek生产。
瞄准大型制品的一步法工艺
总部位于英国的ACG公司（美国分部位于俄克拉荷马的图尔萨）研发出了可变复材系统（DForm)，一种可通过短切纤维的相互滑移、可选择间隙弥补的多层预浸单向带材料。每个间隙允许很小的移动，在压力作用下，这种组合可使长纤维变形以适应复杂形状。据介绍，这一特性需结合一专用工具与模具一起来实现。其强度接近织物的强度，但可避免织物花纹的印出。这种材料可制作具有A级表面的轻质高强的汽车车身部件。
英国Aeroform公司是一家使用热压罐工艺的复合材料成型商。该公司为大型部件开发了一种新的碳纤环氧树脂预浸料，能与RTM展开竞争。其在工艺中使用了连续热片材悬垂成型技术（continuous hot-drape forming technology），该技术是Aeroform公司于2004年收购了Hampshire Laminating之后获得的，其特点是：将定向碳纤维增强预浸料进行多层铺放，以形成制件叠层，然后使用可移动的加热灯对其进行加热，以获得预成型的半固化态制件。通常的加热灯是以176－212℉（80－100℃）的操作温度对预浸料叠层进行加热，然后完成真空成型，但Aeroform将用于HDF（Hampshire Drape Forming）工艺的加热灯的操作温度提升到了180℃，这一热量足以使环氧树脂预浸料达到半固化态，从而缩短了其在热压罐中的成型周期。
波音和空中客车两家飞机制造商都使用了HDF工艺，用于复合材料机翼部件的成型，制品长度达16m。目前，人们甚至在讨论使用更大型的悬垂成型设备来生产长达32m的机翼梁或机架制件，该成型工艺也被用于轻量化的汽车部件的试生产中。
此外，使用特制纤维增强材料生产更大型制品的另一种成型工艺是球胆成型工艺，该技术由澳大利亚Quickstep Technologies公司于2001年推出。Quickstep的液体灌注球胆成型工艺的首要应用市场，是大型薄壁热固性和热塑性复合材料制品，如快艇和皮艇部件。现在Quickstep公司正在其Dayton试验工厂中，采用真空袋压技术来固化成型很厚（达50.8mm）的环氧树脂预浸料。
这一由聚烷撑二醇填充的球胆，能够被加热至400℉（204.4℃），据说其加热速率比在标准热压罐中快66%。然后，球胆中的热流体快速转换成室温状态下的流体，对制品进行快速冷却，使制品在固化中所产生的热量被迅速带走。其整个成型周期约为8h，而通常的热压灌成型则需要大约24h。Quickstep技术的目标是取代传统的热压灌技术，用于飞机部件的大批量生产。该公司期望能在今年获得批准，以在欧洲和澳大利亚使用该技术生产直升机的地板和机架。
法国Nidaplast Composites对外展示了一种新的、用于大型夹层板的浸渍成型概念，即Rovipan。该技术可将带有流体介质的玻纤增强材料与Nidaplast的8RI（8mm树脂浸润）PP蜂窝芯层材料结合在一起，其设计特点是，树脂不会浸润到蜂窝孔内。2007年，真空浸渍的Rovipan夹层板首次被商业化应用于卡车地板的制造中。目前，Rovipan已经将该技术用于风力涡轮机舱的试制中。
Gurit为其Sprint产品线引进了2种新的带有功能层的预浸料，以降低材料成本和成型周期。SprintIPT内置一层胶膜，从而无需单独上胶（the separate application），并省略了模内胶层（in-mold gel coat）的固化过程。SparPreg是一种极重的高密度材料（1000~1800 g/m2），被设计用于风机叶片的结构梁。据说由它生产的层压板具有非常低的孔隙率，一般只有1％－2％，而标准的用于风能主梁的材料，其孔隙率通常会达到6％－10％。因此，该材料能够采用标准的真空成型工艺进行生产，且无需压实处理。由于具有良好的透气性，因此该材料不必采用干纤维来排除空气，从而节约了人工和材料成本。
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