碳纖維零部件大批量生產(chǎn)的生產(chǎn)線設(shè)計(jì)

文/袁國，徐國強(qiáng)，徐漢·東風(fēng)設(shè)計(jì)研究院有限公司

汽車材料產(chǎn)業(yè)的規(guī)律是，當(dāng)一種材料壟斷已經(jīng)形成，后來者就很難完全顛覆，只有等待下一次產(chǎn)業(yè)革新的浪潮。如今，隨著電動(dòng)汽車時(shí)代的加速到來，為了滿足同樣電池?cái)?shù)量的電動(dòng)汽車行駛更遠(yuǎn)的距離，或者同樣續(xù)航里程的電動(dòng)汽車安裝更少數(shù)量的電池，因此使得碳纖維復(fù)合材料在電動(dòng)汽車上的應(yīng)用前景更為廣泛。

碳纖維材料的大規(guī)模使用將改變傳統(tǒng)汽車行業(yè)。“如果說福特創(chuàng)建流水線生產(chǎn)，是汽車行業(yè)的第一次革命，那么碳纖維+新能源可能是第二次汽車革命”。碳纖維生產(chǎn)的車身不需要傳統(tǒng)的沖壓、焊接、涂裝工藝，而是變成了模壓成形、粘結(jié)、涂裝或塑料外殼。輕量化碳纖維車身如圖1所示。

一個(gè)全新的、充滿想象空間的汽車車身用材料市場正在開啟，碳纖維復(fù)合材料正迎來一個(gè)前所未有的歷史黃金期。

圖1 輕量化碳纖維車身

工藝要求

碳纖維在航空航天、軍工及風(fēng)電行業(yè)應(yīng)用較多，由于這些行業(yè)相對特殊，對產(chǎn)能要求不高，決定了碳纖維原有的成形工藝不能滿足大批量的生產(chǎn)，這給汽車產(chǎn)業(yè)的應(yīng)用帶來很大的挑戰(zhàn)。

傳統(tǒng)的碳纖維成形工藝（例如手糊、熱壓罐、袋壓等工藝）均無法保證產(chǎn)品的連續(xù)性生產(chǎn)，且上述離散型的生產(chǎn)方式造成產(chǎn)品性能質(zhì)量、產(chǎn)品一致性無法保證、人力資源投入大、生產(chǎn)效率低等一系列問題，無法滿足汽車工業(yè)的需要。

傳統(tǒng)的碳纖維成形技術(shù)只有滿足汽車行業(yè)生產(chǎn)節(jié)拍短、生產(chǎn)效率高、制造質(zhì)量穩(wěn)定可靠、單位生產(chǎn)成本低、配套環(huán)節(jié)成熟等要求，才能實(shí)現(xiàn)大規(guī)模應(yīng)用。

目前，為滿足碳纖維材料在汽車行業(yè)大批量應(yīng)用，國外已經(jīng)出現(xiàn)了能大大減少樹脂注入和固化時(shí)間的樹脂體系，為碳纖維的連續(xù)規(guī)模化生產(chǎn)創(chuàng)造了先決條件。國際上開發(fā)了HP-RTM成形工藝（圖2），并應(yīng)用于寶馬量產(chǎn)車上，其通過預(yù)成形體、鋼模，真空輔助排氣，高壓注射和在高壓下完成樹脂的浸漬和固化工藝，實(shí)現(xiàn)了低成本、短周期、大批量、高質(zhì)量的生產(chǎn)。

因此，如何用HP-RTM工藝，設(shè)計(jì)一條能快速、連續(xù)、高效生產(chǎn)出性能穩(wěn)定的碳纖維零部件的生產(chǎn)線，就顯得尤為重要。

生產(chǎn)線設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)構(gòu)思

該生產(chǎn)線在自動(dòng)化方式的前提下，依據(jù)工藝流程及節(jié)拍，通過合理的布局，保證設(shè)備利用率，提高生產(chǎn)效率，實(shí)現(xiàn)整線的全自動(dòng)快速連續(xù)生產(chǎn)。

將生產(chǎn)線上的預(yù)成形區(qū)和HP-RTM區(qū)布置在移動(dòng)式機(jī)器人的導(dǎo)軌兩側(cè)，兩條線上不同工序間，零件的上下料采用移動(dòng)式機(jī)器人來實(shí)現(xiàn)，其中機(jī)器人軌道貫穿于整個(gè)工藝流線，使得整條生產(chǎn)線上中間零存儲，從而實(shí)現(xiàn)了連續(xù)快速生產(chǎn)的作業(yè)方式。

設(shè)計(jì)方案

該HP-RTM連續(xù)生產(chǎn)線依流程設(shè)置開卷裁剪區(qū)、預(yù)成形區(qū)、HP-RTM區(qū)、修整區(qū)，還包括貫穿開卷裁剪區(qū)、預(yù)成形區(qū)、HP-RTM區(qū)，以及修整區(qū)的移動(dòng)式轉(zhuǎn)運(yùn)裝置，如圖3所示。

⑴開卷裁剪區(qū)。由開卷機(jī)、裁剪機(jī)、掃碼機(jī)、以及加熱裝置構(gòu)成，整套設(shè)備沿生產(chǎn)線方向依次依序排列，碳纖維卷料開卷、裁剪、鋪層后進(jìn)行激光打碼，來實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品信息的可追溯性，加熱裝置通過式紅外加熱實(shí)現(xiàn)，加熱后的鋪層坯料通過AGV小車或移動(dòng)機(jī)器人運(yùn)送到預(yù)成形區(qū)。該區(qū)域均通過自動(dòng)化設(shè)備完成，不需人工輔助作業(yè)。

圖2 HP-RTM工藝流程圖

圖3 HP-RTM連續(xù)生產(chǎn)線示意圖

⑵預(yù)成形區(qū)。預(yù)成形壓機(jī)平行相對布置，壓機(jī)之間留有機(jī)器人轉(zhuǎn)運(yùn)通道，移動(dòng)式機(jī)器人開卷后的坯料放置在預(yù)成形壓機(jī)內(nèi)，制備預(yù)成形體，成形后的預(yù)成形體由移動(dòng)式機(jī)器人轉(zhuǎn)運(yùn)到下一工序。

預(yù)成形的目的是為制造一個(gè)由織物增強(qiáng)材料制成的預(yù)制件，預(yù)成形體在加熱加壓下制備是為了保證在后續(xù)高壓注入樹脂的條件下，使預(yù)成形體能保持高的抗沖刷性。

⑶HP-RTM成形區(qū)。HP-RTM壓機(jī)平行相對布置，其后方兩側(cè)分別設(shè)置注射機(jī)。通過移動(dòng)式機(jī)器人將預(yù)成形體放入HP-RTM壓機(jī)的模具內(nèi)，閉合模具，在真空輔助排氣的情況下，將專用樹脂注入到閉模中浸漬預(yù)成形體，通過樹脂系統(tǒng)以及部件的尺寸和工藝設(shè)計(jì)，按照合適的注射速度在一個(gè)閉環(huán)過程中，對樹脂和固化劑進(jìn)行精確計(jì)量，并在高壓下進(jìn)行混合，得到反應(yīng)性混合物，固化完成后零件將被送往修整區(qū)沖孔修邊。

⑷修整區(qū)。在轉(zhuǎn)運(yùn)通道兩側(cè)，分別布置修整區(qū)及零件存放區(qū)，通過移動(dòng)式機(jī)器人將零件坯體放入修整區(qū)，進(jìn)行激光切割，按零件的設(shè)計(jì)尺寸要求整形，并通過移動(dòng)式機(jī)器人下線后，送往零件存放區(qū)，至此整個(gè)工藝流程完成。

設(shè)計(jì)要點(diǎn)

⑴采用流水線的方式設(shè)計(jì)生產(chǎn)線，改變了傳統(tǒng)島式布局方案，島式布局能實(shí)現(xiàn)局部工序的自動(dòng)化，但存在大量的物流轉(zhuǎn)運(yùn)環(huán)節(jié)。

⑵成形壓機(jī)采用雙開工作臺方式，實(shí)現(xiàn)了快速換模，避免了需要等待作業(yè)事件的發(fā)生，也提高了整線的生產(chǎn)節(jié)拍。

⑶將該生產(chǎn)線占用工時(shí)較長的預(yù)成形區(qū)的預(yù)成形壓機(jī)和HP-RTM區(qū)的HP-RTM壓機(jī)設(shè)置為對稱平行布置，采用了雙線并行的設(shè)計(jì)，使得整條生產(chǎn)線設(shè)計(jì)精巧，結(jié)構(gòu)簡單，實(shí)現(xiàn)了碳纖維HP-RTM工藝工業(yè)化、規(guī)模化的生產(chǎn)方式。

⑷本設(shè)計(jì)綜合考慮工藝進(jìn)步對生產(chǎn)線的影響，依據(jù)快速固化樹脂的發(fā)展趨勢，樹脂固化的時(shí)間越來越短，當(dāng)高壓成形固化的節(jié)拍匹配預(yù)成形的節(jié)拍時(shí)，也將實(shí)現(xiàn)單條線一個(gè)流的自動(dòng)化連續(xù)生產(chǎn)方式。

結(jié)束語

此生產(chǎn)線的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了碳纖維零部件從離散生產(chǎn)升級到連續(xù)批量化生產(chǎn)，為碳纖維在汽車工業(yè)大規(guī)模應(yīng)用提供了技術(shù)支撐，也促進(jìn)了碳纖維在汽車行業(yè)的快速發(fā)展。