機器人注射成型低成本地實現復合材料部件的功能化

文/ CompositesWorld GINGER GARDINER(本刊編譯）

通過在Kuka機器人上安裝C型末端執行器，Anybrid公司開發出緊湊的機器人注射成型裝置，使得將混合注射成型或二次成型靈活地且低成本地應用于小批量生產或較大型部件的生產之中成為可能。

德國Anybrid 公司起源于德累斯頓工業大學輕量化工程與聚合物技術研究所（以下簡稱ILK）。ILK與工業界合作，開發主要采用增強聚合物復合材料的創新輕量化技術。

“兩年前，我們為生產混合材料的部件而開發了機器人注射成型機?！盇nybrid公司首席商務官及聯合創始人Michael Stegelmann介紹說，混合材料的部件指的是對一種結構進行功能化，比如，針對復合材料的管子或者金屬的電動汽車底盤，通過注射成型塑料，來創造局部的連接點和加強肋等。

這項工藝被稱作二次成型或混合注射成型，在過去的5～6年中已廣受關注，但成型方式比較傳統：在一臺采用額外注射單元的成型機中使用鋼模進行生產。現在，Anybrid 基本上將這一裝置縮小成安裝在Kuka機器人上的C型末端執行器（圖1所示的紅色和黑色），結果是革命性的，它使得拉擠成型或擠出成型的產品在到達模頭出口處時就能得到二次成型，或者，大型結構在流水線上移動時就能實現功能化。

圖1 Anybrid將用于二次成型或混合注射成型的裝置縮小成安裝在Kuka機器人上的C型末端執行器（圖中的紅色和黑色）

ROBIN

ROBIN是機器人注射成型（robotized injection molding）的簡稱，在于2019 年舉行的德國K展中被首次推出。“我們于2020年

圖2 由碳纖維增強聚合物制成的C形框架減輕了ROBIN 末端執行器的重量成立了Anybrid公司，現在正與客戶合作，利用這一裝置建立試點生產線。”Stegelmann介紹說，此概念是為了通過使用小型注射單元和緊湊并可快速更換的低成本模具，來使注射機輕量化。

如圖2所示，ROBIN末端執行器包括一個由碳纖維復合材料制成的C形框架，在它的外表面是一個鋁框架。Stegelmann解釋說：“框架上含有輕量化的鎖緊系統，能夠在注射成型期間處理高達12 t的承載力，將力從模具上側帶到下側?！盧OBIN還可以延伸到一個1 m長的懸臂上，以橫跨大型結構?！斑@是ILK 內部的know-how，即如何以正確的方式使用碳纖維和輕量化材料?！?/p>

傳統的注射成型方法需要大型機器和昂貴的成型模具，因此而局限于大批量的生產。相比之下，ROBIN 使得小批量生產或者在較大型的部件上完成多種不同的成型成為可能（如圖3所示）?！拔覀兊臋C器有很大的靈活性，幾乎可以對任何復合材料的部件或結構進行功能化?！盨tegelmann說道。

圖3 Anybrid的移動式注射成型方法為在復合材料的管子、型材、板材甚至更大的結構上實現各種各樣的功能，如緊固嵌件和LED燈、局部加強以及訂制的端部配件等，提供了成本可接受的手段，為未來制造提供了所需要的靈活性

“我們努力減小模具尺寸來降低成本，所以，制?；ㄙM僅需幾千歐元?！盨tegelmann 解釋道，“這樣，就能使用一個集成的快速換模系統，因為只有很小的模具區域需要改變。這個想法就是，你可以在流水線上快速更換模具，并能在流水線的兩側同時為部件添加不同的功能元素。你既可以使用兩個ROBIN系統，也可以使用一個ROBIN系統，并能夠快速更換模具，所以，你具有很高的靈活性。”

尺寸的減小限制了可以二次成型的面積。“此時，注射量被限制在50～60 g?！盨tegelmann解釋說，“我們將ROBIN開發成只有140 kg，這使得采用更小型的經濟上負擔得起的自動化系統成為可能。現在，我們的重點是對管子和型材進行功能化，以及將較小的元素添加到較大的結構上?！?/p>

在二次成型中實現良好結合

“這就是我們的背景。在過去的10年或15年中，我們在很多項目中都是這么做的：組合不同的材料，找到正確的粘接。組合不同的材料總是很有挑戰性，你總需要為粘接而作一些額外的準備，比如等離子處理或激光處理，以改變表面微觀結構，特別是將塑料或增強塑料粘接到金屬上時。復合材料比較容易處理，因為你可以將復合材料中的聚合物基體與注射成型中的材料和基體進行匹配?！盨tegelmann說道。

比如，針對圖4所示的二次成型的管子，位于德國杜塞爾多夫的三井化學歐洲公司提供了碳纖維增強聚丙烯單向帶，位于德國黑爾福德的INOMETA公司使用這些材料生產出復合材料的管子，然后，Anybrid 公司采用ROBIN對這些管子進行二次成型?！肮δ芑玫牟牧吓c管子材料是一樣的?！盨tegelmann介紹說，“我們采用未經增強的聚丙烯和碳纖維增強的聚丙烯這兩種材料來對它進行二次成型，但也可以采用玻璃纖維增強材料。利用ROBIN，你可以使用市場上任何一種熱塑性塑料進行生產?！?/p>

圖4 采用ROBIN對CFRP和其他材料制成的管子進行功能化

正是因為ROBIN允許使用市場上任何一種熱塑性塑料，所以Anybrid會幫助其客戶進行測試?！拔覀兊挠行┛蛻舨淮_定他們的材料是否能粘接在一起，我們就請他們送給我們一些材料，然后做一些小的簡單結構進行測試?！盨tegelmann說，“我們有一副小型模具，可以將加強肋注射成型到不同的板子上。比如，如果客戶送給我們一些復合材料板材樣品，我們可以用他們的注射成型材料在這些板材上進行二次成型，這是第一步，我們會對不同材料的結合行為進行可行性研究。此后，我們可以做一些分析，并提出優化建議。”

潛在應用

Stegelmann說：“我們的一個想法是，依次將不同的結構添加到這些連續的可能非常長的形狀上。這在航空領域可能也很有意思，你可能需要對剛性進行不同程度的增強，也可能需要添加附件之類的功能。采用我們的技術，可以確保高度的自動化水平，從一個部件到下一個部件，只需要改變你正在功能化的元素即可。”

“大型部件也很有應用潛力。”Stegelmann接著說，“過去多年來，我們在ILK開展的工作是，采用鋼、塑料和復合材料開發了許多不同的混合材料部件，我們發現，在結構框架和底盤上使用二次成型的夾子進行組裝是合理的。隨著汽車向電氣化和氫能源系統方向轉變，我們認為，盡可能提高裝配生產線和工藝過程的靈活性非常重要。采用ROBIN，你可以輕松地調節用于裝配的局部加強件，也可以調節結構的剛性。我們的想法是，要讓小型公司能夠用得起，并使這項混合技術能夠在其他領域和其他應用中實現小批量的應用?！?/p>