2024复合材料在工业领域的应用

      下面的案例表明，由于对更高性能和更长使用寿命的需求，复合材料在工业领域的应用正在增长。制造商们正在不断地寻求使用更快的生产工艺来降低成本，这可能导致对重量更轻从而移动速度更快或者拥有更强承载力、耐磨损以及/或者耐更高温度的设备的需求。其他的应用则要求提高对湿气和化学品等的环境耐受性。工业用复合材料通常由玻纤增强材料与低成本的热固性或热塑性聚合物基体组成，但也可以使用碳纤维，而且，随着低成本的再生碳纤维材料变得越来越可用，碳纤维的应用正在增加。增材制造/3D打印也推动了复合材料在工业领域应用的增加。

      一个重要的动态是，用于自动化加工设备的复合材料在工业领域的应用有所增加。比如，自动纤维铺放（AFP）设备的供应商们注意到，近年来，热塑性复合材料带材的可用性和质量有所提高，供应商们关注的不仅是航空航天材料，还关注更实惠的工业材料。

      由陶瓷纤维增强的陶瓷基（CMC）材料已越来越多地被用于工业热处理领域。这是因为，更高的温度可以提高效率，而 CMC 能使零部件在更高的温度下具有更长的使用寿命。比如，用于蒸汽裂解碳氢化合物的原型CMC反应釜，就比以前的金属反应釜提高了50%-60%的耐久性。位于德国斯图加特附近的Walter E.C. Pritzkow Spezialkeramik公司是氧化物纤维增强的氧化物CMC（商标为 Keramikblech OCMC）的专业公司，该公司使用由 Nextel 610 和Nextel 720 纤维制成的织物以及手工铺层工艺来制造各种零部件。“我们主要与工业公司合作，如林德和巴斯夫，但也与从事金属铸造和热处理的公司合作。”Pritzkow表示，“我们生产数量在10-100 个的小批量部件，但也生产较大的部件，如燃烧器系统，我们每年交付 2000-5000 个零部件。”

CMC零件有助于提高效率，实现能源转型。由 Keramikblech 氧化物纤维/氧化物基体（OCMC）制成的燃烧器喷枪的使用寿命是蒸汽裂解装置中使用的金属合金燃烧器喷枪的 10 倍（上图）。混合式OCMC炉管（氧化铝衬管、金属嵌件、OCMC外护套）已在电动蒸汽裂解示范中取得了成功（左下）。巴斯夫已在路德维希港安装了全球首座大型电加热蒸汽裂解装置，可减少 90% 的碳排放（右下）（图片源自Walter E. C. Pritzkow Spezialkeramik）

     Pritzkow认为，OCMC部件在未来具有巨大的潜力。“越来越多的应用正在开发之中。”他说，“一开始，我们与专业公司合作开展一些小众应用，而现在与那些希望在更高的温度下运行热工艺的大公司合作。”他补充道，如果德国引入新的生产，使得氧化物纤维成本降低，这将进一步增长。“我们将有更多的机会来取代因焦化和腐蚀而在数周和数月内即损坏的金属部件。OCMC部件提供了更长的使用寿命，比如，我们的火焰管的使用寿命长达4年。有人说，我们的部件太贵了，但像巴斯夫这样的公司却发现，我们的部件在维护、停机和零件更换方面所带来的降本是显著的。停产浪费的时间甚至更加昂贵。现在，这些公司可以在更高的温度下运行更长的时间，因此他们的整体效率确实提高了很多。”

      管材的自动化生产正在增长。“我们的长期愿景是，实现热塑性复合材料管的商品化。”Alformet的董事总经理Lucas Ciccarelli解释道。该公司由AFP系统供应商 Advanced Fibre Placement Technology（简称AFPT，德国Dörth）创立，专门制造零部件，市场包括体育用品、电动工具、用于汽车的泵和某些零件、海上管道和自动化机器。“我们的产品非常广泛且复杂，每个行业的要求各不相同。”Ciccarelli 说道。

Alformet公司的成立是为了生产热塑性复合材料的管和压力容器（图片源自Alformet）

      其中的一个市场是电动机中的转子套筒，它需要非常薄的结构，降本的要求意味着要缩短生产时间。与此同时，Alformet的母公司AFPT正在制造激光辅助的带缠绕（LATW）/AFP机器，该机器每年能生产50万个或更多的部件。这些机器通常使用5个轴进行缠绕，设计为每天24小时运行，控制系统能处理复杂的形状，同时保持恒温。“我们必须使这些系统可靠且易于使用。”Ciccarelli表示，“因为我们正在与那些以前从未使用过AFP或缠绕工艺的公司合作开辟新的市场。”

XCell机器人被用于AFP 和纤维缠绕（上图）（图片源自Carbon Axis）

      另一家致力于将AFP推向工业领域的AFP公司是 Carbon Axis（法国拉罗谢尔），该公司制造的XCell机器人被用于使用XPlace AFP头来生产最大1米×0.5米×0.5米的部件。该公司还推出了更大的XCell-M机器人，用于采用其新的XPlace2 AFP头来生产大约2.5米×1.5米的部件。这些系统的模块化设计使标准、紧凑的机器具有多种选择，包括热固性、热塑性和干的纤维带。“我们还可以集成纤维绕线头和轴，以及用于修剪预成型件的超声波切割。”联合创始人 Chiemi Avila Mori说道。“我们想要一个标准的框架，在此框架中，你可以决定放入哪些模块，以及放入多少模块。”联合创始人 Pavel Perrotey 补充道，“您可以使用紧凑的双线轴头来生产更复杂的部件，也可以使用4线轴配置来进行宽幅铺放。”他补充说，目标是将AFP从航空航天应用领域引入到体育/娱乐，赛车运动、医疗和工业领域。“这就是为什么我们的目标是开发多材料、多工艺的机器，其成本比传统的大型机器人AFP系统低10倍。我们能够研发和生产许多不同的部件，这些部件拥有复杂的层压结构，在手动生产时会产生大量的废料。我们的机器能耗也非常低，因为这变得非常重要。”

    随着医疗业务部门的不断壮大，ABM Composite认识到生物基和可生物降解的聚合物还能用于厨具、餐具和其他家居用品。“在这方面，与石油基塑料相比，这些可生物降解聚合物的机械性能通常较差。”Rosling说道，“但我们可以用我们的可降解玻璃纤维来增强这些材料，使它们实际上成为化石基商用塑料的良好替代品而适用于广泛的技术应用领域。”

Exel Composites 生产各种拉挤和拉缠的复合材料部件，用作卷帘门和遮阳篷系统的轴，以及梯子的梯级等（图片源自Exel Composites）

      在复合材料管的生产中，另一种使用越来越多的工艺是拉挤成型。2023年，已报道过拉挤复合材料技术的公司包括Avient Corp.（美国俄亥俄州埃文湖）和Exel Composites（芬兰万塔），该公司宣布，其拉挤的杆子被制造商Umbrosa（比利时Roeselare）用于户外雨伞和遮阳伞系统。Umbrosa的产品被用于海边和丛林等环境中，意味着它们长期暴露在盐水、雨水、大风和紫外线中，而复合材料有助于提供长期使用的耐久性而不会受损。

      Exel还专注于拉缠工艺，该公司解释说，尽管该工艺涉及将纤维拉过树脂浴以及加热模具进行固化，但通过先将纤维缠绕在心轴上，它具有按不同方向交叉缠绕纤维的能力。在这种高度自动化和可重复的加工中，可以使用纤维混合物来大批量地生产具有成本竞争力的复合材料产品，特别适用于薄壁、中空的复合材料产品，包括需要高环箍强度的伸缩杆应用。拉缠还有助于防止用于卷帘门或遮阳篷系统的轴出现变形，并可用于生产长方形的复合材料梯级。

用于拉挤复合材料组件的 Cyrco FRP 衬管（图片源自Cyrco Inc.）

      Cyrco公司（美国北卡罗来纳州格林斯博罗）是一家修理、重建和建造冷却塔的公司，该公司开发了纤维增强聚合物（FRP）衬管，可与“由螺栓连接的复合材料管和型材组成的结构”一起使用。当这种结构遭遇风和其他载荷（振动、交通等）时，它们可能弯曲，引起移动和螺栓摩擦，从而影响到FRP管中的钻孔。随着时间的推移，反复的移动导致螺栓孔尺寸增大。Cyrco 的 FRP 衬管包裹住螺栓的“锉状”螺纹并防止孔磨损。将这种FRP衬管预先组装到位，使工人能够引导螺栓穿过入口和出口孔，从而缩短建造时间。它们还可以防止螺栓扭矩不足或扭矩过大。北卡罗来纳州A&T州立大学纳米科学与纳米工程联合学院所作的拉伸强度测试表明，Cyrco的FRP衬管产生了超过6.0的剪切服务系数。根据 Cyrco 公司的说法，这是美国冷却塔协会（CTI）制定的最低标准3.0的两倍多。

对拉挤/拉缠的型材半成品进行功能化。Epsilon Composite 与注射成型合作伙伴 Somocap 为其热固性复合材料管开发了一种热塑性复合材料的注射包覆成型工艺并申请了专利（图片源自Epsilon Composite）

      Epsilon Composite（法国盖兰梅多克）没有用螺栓将拉挤成型的产品连接在一起，而是开发了一种替代工艺。该公司专业从事中到大批量的高性能碳纤复合材料部件的拉挤和拉缠生产。对于许多用其型材和管材制成的最终用途部件（如飞机支柱、工业部件和技术滚轮等）而言，金属或塑料的端部配件以及嵌件，通常是用粘合剂或螺栓来连接的，以添加功能或为其他部件提供连接点。2012 年，Epsilon Composite 开始尝试替代方法，并决定使用复合材料注射包覆成型。然而，Epsilon 拉挤的型材是由环氧树脂或其他热固性树脂制成的，而注射包覆成型则是使用热塑性基体材料、在高温高压下注射成型。

工业应用是Epsilon的核心终端市场之一，如机械或机器人的臂，这是其注射包覆连接工艺的第一个应用领域（图片源自Epsilon Composite）

      Epsilon Composite 与其注射成型合作伙伴 Somocap（法国 Jatxou）密切合作，开发了一种技术，用来生产与热塑性配件包覆成型的混合的热固性复合材料拉挤产品。首先，通过拉缠或拉挤工艺生产出空心管状的热固性复合材料型材；然后，对型材的端部进行加工，以便与所连接的端部配件的形状相匹配，为型材的连接提供粗糙的表面积；接着，将工具/塞子放入置于注射机中的型材内，在特定的热量和压力下，将热塑性塑料注射到型材和端部配件的周围，使它们连接在一起。从成本相对低的玻纤填充PA6，到性能更高的材料如玻纤或碳纤增强的聚醚醚酮（PEEK）、聚苯硫醚（PPS）或聚醚酰亚胺（PEI），已有一系列的材料得到了应用，也可以使用未增强的树脂系统。

      与粘接或机械紧固等其他方法相比，据说，包覆成型可以降低成本、减轻重量并提高冲击耐受性。如果用热塑性塑料取代金属，还可以消除腐蚀风险。该技术的第一个商业用例是2015年与一家美国公司合作，该公司生产用于工业机器人的拉挤杆。Epsilon Composite 还将该技术用于飞机支柱和农业机械的生产中，与客户合作，用 50 米宽的拉挤复合材料臂取代了工业拖拉机的钢制喷臂。该技术已成为该公司为终端市场大批量生产部件的首选方案。“我们已经零故障地生产了数以万计的部件。”Epsilon Composite销售总监 Romain Coullette表示。

Anybrid的机器人包覆成型工艺可以与拉挤、挤出和类似工艺一起使用，以添加紧固件、加强筋、灯、传感器或其他功能（图片源自Anybrid）

      对复合材料拉挤件进行包覆成型以使其功能化从而适合工业应用的另一种方案是 Anybrid（德国德累斯顿）的机器人注射成型 （ROBIN） 工艺。“我们在 2019 年开发了这种机器人注射机来生产混合部件。”Anybrid 的管理合伙人 Michael Stegelmann 说道。所谓混合部件，是指使用注射成型聚合物来对结构功能化，以创建局部连接点、加强筋等。Anybrid已将其注射成型工艺小型化，以适合机器人臂的末端执行器，使拉挤件能够在机器人单元中得到在线包覆成型，或模制出功能化的结构。Anybrid与创新集团REHAU Industries（德国Rehau）合作证明了这一点，该集团为建筑、汽车和工业应用生产基于聚合物的解决方案，包括窗型材和用于汽车外饰、保险杠和气管系统的组件。两家公司使用 ROBIN 工艺将螺纹紧固件集成到一个狭窄的欧米茄形状的型材中，该型材由47%玻纤粗纱增强的PA6制成，然后用类似的材料包覆成型。

      Stegelmann 解释了所涉及的步骤：首先，将金属嵌件放置在 ROBIN 机器内的小型注射模具中；接着，将ROBIN系统与型材对齐，然后合模，对紧固件进行包覆成型。由于模具非常小，ROBIN甚至可以到达“该型材背面上的高壁与具有抗扭或集成密封的包覆紧固件”之间。

      REHAU的研究化学家Stephan Sell博士说：“我们看到了在各种连续生产线中使用Anybrid的移动注射成型的巨大潜力，如热塑性挤出、拉挤或CCM（连续模压成型），用于为运输或工业应用生产复合材料部件，它使得单一材料的系统即由相同聚合物基质制成的产品成为可能，省去了胶接等步骤。这使得生产速度更快，产品更易于修复或回收。”他表示，ROBIN还节省了成本。“使用小型的注射成型机器人可以省去大型、昂贵的模具。由于不再需要将型材移入到注射机中，因而减少了物流。我们已经在我们的挤出生产线上证实了可以降低成本、提高产率和灵活性。”

      Zero Tolerance LLC（美国密歇根州克林顿镇）是一家模具制造商，专门为各行各业制造高度复杂的、公差要求严格的中小型注射模具。该公司购买了几台3D 打印机，包括一台来自 Markforged（美国马萨诸塞州沃尔瑟姆）的 X-7 工业级别的连续碳纤维复合材料打印机和另外两款FDM/FFF Markforged机型：一台Onyx One 不连续碳纤维打印机和一台Mark Two 连续碳纤维打印机。最初，Zero Tolerance 利用其打印机为使用聚酰胺（PA）和聚乳酸（PLA）的客户生产原型并进行概念验证。最近，该公司生产了人工操作的末端工具（EOAT）用来协助成型操作。

聚合物/复合材料增材制造（AM）的设计自由度，使得 Zero Tolerance LLC 更易于为自己和客户的成型操作设计用于前向/嵌件固定（中左和右）和后向/手柄版本（右）的不同的爪式手动 EOAT。左中为等待嵌件的未加载 EOAT，右中为预加载的嵌件。与使用机器人相比，3D打印的手动EOAT不仅大大降低了成本，而且与手动将嵌件放入热模腔中相比，还提高了操作员的安全性并缩短了有效循环时间（图片源自Credit Zero Tolerance LLC）

      另一家使用这种方法的公司是 Savage Automation LLC（美国犹他州法明顿），该公司专门开发和生产坚固的EOAT和夹具，以帮助注射成型商解决问题并简化安装和操作。“我们生产了大量高度复杂的高价值的一次性产品，花费了大量的设计时间，因此增材制造非常适合这种小批量/高混合的工作。创始人Richard Savage说道，“基本上，我们认为增材制造可以生产任何成本高或需要很长时间加工的东西。”成型商们通常会向 Savage Automation 发送模具设计和零件图纸，团队使用这些图纸来设计末端执行器、夹具或其他制造辅具。接着，该团队在Markforged Inc.的Onyx One FDM/FFF打印机上生产原型辅具，该打印机可以打印纯PA6或不连续碳纤维增强的PA6。

3D打印的EOAT的两个视图：面向部件一侧的气动夹具和吸盘（左）以及面向机器人一侧的连接（右）（图片源自Savage Automation LLC）

      Savage表示，使用传统EOAT时，不容易找到位置来放置空气/真空管路，因此工具最终会有一堆由拉链绑在一起的管线。“通过增材制造，我们只需打印出整体通道，即可使空气管路穿过部件主体，而且每个连接只有一条连接线，且有清晰的标签。安装夹具或吸盘也是如此——你只需将它们打印到主体上，就不必担心螺丝松动以及垫子或夹爪脱落。随着我们对3D打印了解的越多，我们改变设计方法的另一种方式是，巧妙地处理部件的延展性和邵氏硬度。我们不是通过改变聚合物，而是通过改变我们打印晶格的方式和我们的打印机方向来实现的。当改变晶格及其厚度时，也就更改了几何形状的灵活性，这对你控制夹持力以便操作精密部件是非常有用的。”

      Rapid Robotics Inc.（美国加利福尼亚州旧金山）也在其位于美国密歇根州诺维的工厂中设计并制造全自动的协作机器人单元。这两个工厂的工程团队在FDM/FFF打印机上为EOAT和其他生产辅具制作概念原型。一旦设计完成、生产准备就绪，耐用组件就会在Markforged碳纤维复合材料打印机上被制造出来。“我们设计和打印的产品，很大程度上取决于我们试图实施的自动化任务类型。”Rapid 品牌代言总监 Forest Lee 说道，“虽然可以找到能够使用的现成的部件拾取器和夹具，但标准产品通常尺寸不合适，或者它们不够耐用，无法在热的或多尘的环境中使用，或者它们比我们自己能够打印的更重。重量很重要，因为它会影响我们的协作机器人的运行速度，进而影响我们试图实现的自动化加工的循环时间。因此，我们使用了很多专门打印的组件。通过增材制造，我们有了极大的灵活性，可以更快、更高效地制作原型和生产部件，这使我们能够构建JIT（准时生产）系统。”

      最后，复合材料增材制造还可用于制造工业领域使用的各种模具和工装。2023 年，一些突出的公司和技术包括：

     1. Massivit 3D（以色列洛德）及其获得专利的双头凝胶点胶打印（GDP），用于制造工业使用的各向同性的环氧树脂模具，该模具可用于生产全尺寸部件（1.2米×1.5米×1.8米）。该系统不仅可以制作环氧树脂模具，还可以制作热成型、树脂传递模塑（RTM）成型和反应注射成型（RIM）使用的模具。使用 Massivit 专利的直接浇注（CIM）技术，可以为复合材料部件制造订制模具，以实现各向同性模具的自动化生产，并将纤维增强聚合物（FRP）模具的制造时间缩短80%，从而将劳动力相关成本降低 90%。

图片源自Massivit 3D

      2. CEAD（荷兰代尔夫特）是一家全球性的大型3D打印公司，提供CFAM 龙门式单元和基于机器人的灵活且可扩展的Flexbot系统，以及一系列挤出机，这些挤出机被用于诸如现有的数控机床和 BEAD 混合机器中。后者是与Belotti（意大利Suisio）合作制造的，整合了大型增材制造和CNC加工。2023年，Airtech International（美国加利福尼亚州亨廷顿海滩）在其位于田纳西州斯普林菲尔德的增材制造卓越中心安装了一台 CEAD 机器。Airtech称，CEAD Flexbot拥有3米×1米的构建空间、CNC 铣削能力和动态流量控制，使其成为适合精密制造的一体化先进解决方案，有助于Airtech继续开发用于3D打印的树脂并探索在不同市场的应用。

安装在Airtech工厂中的CEAD Flexbot（图片源自Airtech）

      3. 2023年，Caracol（意大利巴尔拉西纳）在德克萨斯州奥斯汀开设了美国总部。该公司表示，这项战略投资将使其能够直接在美国生产和组装集成硬件和软件的LFAM平台、Heron AM。

图片源自Thermwood

      4. 在 CAMX 2023展会上，Thermwood Corp.（美国印第安纳州戴尔）展示了其LSAM增材打印机系统，该系统拥有一个固定的单龙门、一个5英尺×10英尺的移动工作台，最大打印高度为4英尺，最高打印温度为450°F。来自普渡大学LSAM研究实验室的Additive3D仿真模块也得到了展示。