热塑性塑料带缠绕：缩短进入市场的时间
01. February 2022 | 博客
INOMETA和帝人公司分析了激光辅助卷绕过程中高性能热塑性塑料带的基本制造参数，以便为即将到来的市场需求进行快速和透明的部件开发。胶带缠绕是解决更高的生产力、降低成本和实现自动化生产方式的目标的一个推动因素。
碳纤维增强热塑性塑料（CFRTP）经常被一口气命名为耐化学性、强度重量比、耐久性、冲击行为、系列能力和可持续性等优点。在航空航天领域，低重量、性能和可加工性都是关键因素，全球对热塑性材料的需求正在上升。这些材料可以发挥主导作用，大幅降低飞机的终生燃料消耗，延长其飞行距离，大幅减少排放，并为未来的回收周期做好准备，此外，还可以使飞机制造更具有成本效益。作为其高性能产品组合的一部分，帝人开发了一系列Tenax™热塑单向（TPUD）预浸材料。这些带子通常以专门开发的碳纤维为基础，与聚醚醚酮（PEEK）、低熔点聚芳醚酮（LM-PAEK）或聚苯硫醚（PPS）相结合，使最终部件和应用的机械性能得到快速加工。
INOMETA是一家领先的合同制造商，在使用铝和复合材料的轻质结构方面具有专长，它开发了一种新的和优化的激光辅助卷带生产技术，为加工上述高性能卷带进行了优化。胶带缠绕可以实现胶带的就地加固，使后续的加工步骤变得过时。因此，高性能磁带和绕带的结合是解决更高的生产力、降低成本和实现自动化生产方法的一个有利因素。
INOMETA和帝人注意到，基于缠绕工艺的热塑性复合材料是一个相对较新的工业应用领域。一方面，市场面临着高度的新颖性（工艺和材料），这导致客户对这些新机会缺乏了解和经验。另一方面，工业市场使用基于热固性或金属材料的既定部件解决方案，因此，部件和原材料制造商必须在短期内提供可靠的CFRTP解决方案，以支持其客户的决策。对于这些客户来说，开发时间非常短。INOMETA和帝人公司就解决这种情况的技术合作达成了一致。 为了显著缩短上市时间，他们考虑到具体的使用案例，详细分析了关键的材料和工艺参数。
上市时间
上市时间（TTM）是指产品创意开发到市场成熟之前的时间，以便新产品可以投放市场，或者现有产品可以使用增强型热塑性塑料替代品进行替换。在产品开发过程中，关键的影响因素是证明基本工艺和材料的适用性，以及通过减少部件数量或提高部件性能提出有趣的商业案例。之后，工艺的稳健性、可靠的材料数据和特定部件的性能指标都是重点。帝人和INOMETA通过一个迭代过程来解决这些开发问题，以确定可接受的基本参数。这些参数被用于联合客户项目，大大减少了客户的具体开发时间和成本。
对于大多数客户来说，热塑性 UD 胶带和激光辅助绕带是一个未知的领域。因此，建立信任对客户来说也是一个重要因素，也是合作的一个目标。总的来说，INOMETA和帝人的初步评估工作为客户提供了有关加工速度、材料特性和部件价格的必要信息，而没有耽误从头开始的漫长开发时间。在项目早期为客户提供关于材料和工艺的有价值的见解是快速进展和缩短TTM的基本要求。很多时候，客户对探索其应用的未知领域感到好奇。大多数应用已经在使用，所以热塑性塑料与现有的材料、工艺和供应概念相竞争。第一步是建立信任。客户希望在热塑性塑料中看到类似的现有用例，并确定工艺稳健性、零件质量和材料成熟度为系列应用做好准备。提供解决这些问题的弹性数据是INOMETA和帝人公司的一个关键目标，因为这在开始时可能是延长TTM的一个障碍。
第二步是提供现实的经济数据。太过保守会导致对客户来说没有吸引力的商业案例，即使仍然可以获得价格/性能方面的好处，因为在转换现有的和正在使用的材料概念时，总会有风险厌恶。在经济假设方面过于雄心勃勃，会抵消第一步建立的信任，当宣布先前预测的放置速度或零件质量无法实现时。尽管有了这些初步的工作，在TTM期间，总会有一些针对客户的方面需要涉及。这包括根据客户的最终几何形状及其层压结构调整确认，优化材料选择（如胶带宽度），以及对试样甚至部件进行特定应用测试，因为使用热塑性复合材料的动机因行业而异。为提供所讨论的信息而进行的基本初步工作分为两个工作包。第一个是针对制造试验本身。其目的是确定不同心轴直径和带子铺设的可接受加工窗口，以及优化经济参数，如卷绕速度。第二个工作包旨在量化卷绕过程（加工温度和卷绕速度）和质量参数（结晶度和巩固质量）之间的相互作用。通过这种方式，将确定一个经济的加工窗口，同时保持良好的零件质量。
更深入地了解材料和工艺
工业应用中加速的开发周期抑制了新材料和部件概念与已建立的应用的整合。没有时间去寻找理想的工艺和材料设置，会导致不合格的解决方案，使新概念没有足够的吸引力。这种不合格的解决方案的常见方面是在材料方面和工艺方面：
- 材料：非常短的开发时间伴随着短的材料选择过程。有时过于保守会导致过度工程化，在选择经济的材料（如PPS）时选择PEEK材料会更好。不正确地选择适当的纤维（如HT或IM）和理想的胶带宽度也是常见的错误。
- 过程：尽可能生产最好的原型可能会导致选择保守的放置速度。由于没有时间在零件质量和工艺参数（贴装速度、胶带宽度和胶带厚度）之间找到一个良好的平衡，使得经济潜力被忽视。
克服这些缺陷是这次合作的主要目标。基于机器人的绕线过程提供了一个理想的基础，因为影响零件质量的关键机器参数被不断地测量。这不仅可以跟踪哪一批胶带用于哪一个零件，还可以跟踪每一层胶带的参数，如卷绕速度、压区温度或固结压力是否在可接受的阈值范围内。追踪这些参数，结合对缠绕部件的目视检查，以评估表面质量和所选择的间隙/重叠设置，可以为未来使用高端帝人材料的项目确定一个良好的特定材料基线设置。使用这种良好的基线方案，可以在明显缩短的可接受的时间内适应客户的层压结构/几何形状。
INOMETA和帝人最初工作的一部分是分析不同放置速度下的不同卷绕角度。到目前为止，分析检查是基于显微镜截面、热分析（DSC）和纤维体积测量。显微镜截面用于评估固结质量和检查层压板的可见缺陷，如孔隙（层间）、胶带内的空隙或系统加工缺陷，如重叠或缝隙。这些类型的缺陷会对机械性能产生不利影响。
接下来的步骤
取样和分析工作不仅针对帝人的CF/PEEK材料，还针对CF/PPS和CF/LM-PAEK进行。迄今为止，双方合作的一个关键成果是为帝人的材料组合创建了预评估表，以捕捉上述的基线情况。对材料和工艺之间的相互作用的基本了解，以及对所选择的使用案例的经济效率的了解，有助于在越来越多的市场上建立热塑性缠绕复合材料解决方案，提供性能和价格优势。在未来几个月，将进行机械测试和其他试验，进一步提高缠绕速度，从而提高经济潜力。双方合作的第一批成果已经在使用帝人胶带材料的联合客户项目中得到应用。