[新闻] 一文解读德国弗劳恩霍夫ICT

位于德国慕尼黑的弗劳恩霍夫应用研究促进协会(Fraunhofer-Gesellschaft)，是欧洲最大的应用研究机构，拥有员工24500人，主要是科学家和工程师。

该协会70%以上的年预算(高达20亿欧元)来源于与行业以及与公共资助研究项目的合约研究，研究内容覆盖了科学范畴。

虽然机构庞大，但这个庞大的组织却并不特别引人注目，其超过65个科研单位遍布德国，有34家地处偏远之地，弗劳恩霍夫化学技术研究所(Fraunhofer ICT，以下简称“弗劳恩霍夫ICT”)就是其中之一。

弗劳恩霍夫ICT创建于德国西南部的巴登-符腾堡州，处在莱茵河上的一座城市——卡尔斯鲁厄以东不远处的卡尔斯鲁厄技术学院(简称“KIT”，与弗劳恩霍夫一直保持紧密的合作关系)所在地。

弗劳恩霍夫ICT位于Pfinztal山村的一个陡峭山坡上，这里拥有庞大的建筑群，涵盖了新式和旧式建筑，周围是森林和农田。

弗劳恩霍夫ICT于1959 年创建时是化学推进剂研究所，位于一个废弃的采石场附近，以便于开展火箭燃烧试验。

1964年，该研究所搬迁到目前的所在地并启用了现在的名称。20世纪70年代，军民客户为其带来了合约研究项目。

1994年，聚合物工程被添加到研究范畴之中。今天，弗劳恩霍夫ICT已拥有500多名员工，年营业额达3650万欧元。

弗劳恩霍夫ICT 的聚合物工程部门主要在高性能纤维复合材料、纳米复合材料、热塑性加工、热固性加工、微波和等离子加热技术、泡沫和配混/挤出等研究领域较为活跃，所有业务由该部门负责人、弗劳恩霍夫ICT副所长Frank Henning博士领导。

这里风光旖旎，其业务及开展的研究项目对整个复合材料行业带来了深远的影响。

最近，记者亲临Pfinztal山村，亲身体验了弗劳恩霍夫ICT带来深远影响的丰富的科学内涵。

双边合作






参观是从大型多层的90号楼开始的，这里汇集了弗劳恩霍夫ICT大量的复合材料相关业务。

负责弗劳恩霍夫ICT聚合物工程热塑性技术相关业务的Alexander Roch介绍说，该园区主要有5个研究中心：两个涉及含能材料(energetic materials),主要(但不是唯一)为德国国防部工作，另外3个分别开展聚合物工程、环境工程(包括回收研究和风化，以及其他主题)和应用电化学(集中在电池和燃料电池)方面的研究。

弗劳恩霍夫ICT的预算组成是：1/3来自德国，1/3来自合约研究的行业合作伙伴，1/3来自欧盟和德国的公共补助金。

弗劳恩霍夫ICT的聚合物工程研究中心与汽车OEMs及一级供应商建立了强大的合作伙伴关系。其所在之地巴登-符腾堡州拥有成熟的工业基础，毗邻保时捷、戴姆勒、梅赛德斯-奔驰和奥迪等公司。

弗劳恩霍夫与其行业合作伙伴之间保持严守秘密的“双边合作”关系，OEMs需要为机器时间、测试及其与研究所员工的磋商付费。

与机器和系统供应商们建立的密切合作关系，包括与克劳斯玛菲和迪芬巴赫的合作，确保了为研究提供所需的最佳设备。

“我们不允许以营利为目的去制造部件，制造的部件只是用于原型和验证研究。”Roch解释道。

在90号楼中庭的陈列柜玻璃板上，展示了弗劳恩霍夫ICT的广泛业务，比如：

● 与住友酚醛塑料株式会社北美有限公司高性能业务单元(简称“SBHPP”)一起承担的一个项目，采用了弗劳恩霍夫ICT的热固性注塑成型工艺和SBHPP的玻璃纤维增强酚醛树脂(55%纤维含量)颗粒，只用了45s的循环时间就注塑成型了一个发动机气缸套。

● 其他展品还包括：长纤维增强的聚氨酯注塑成型件、由生物树脂和生物基纤维制成的复合材料部件，以及采用迪芬巴赫的RELAY技术(最初由FiberForge公司开发)制成的复杂带肋件，随后它得到包覆注塑成型。

接着，记者来到了弗劳恩霍夫ICT的多个实验室及工作区，许多创新的材料和工艺就是在此实现的。

一系列的聚合物工艺

离开中庭向前几步，便是配混和发泡车间，工人们正在此尝试采用纯树脂来挤出泡沫型材和形状。

“我们正在利用一台双螺杆挤出机，研究从通用塑料到工程树脂直至高性能塑料的所有材料，以及加工工艺本身。”Roch介绍说，“我们尤其在寻找一系列的泡沫颗粒，包括生物基泡沫, 并正在对拥有订制性能和尺寸的微珠以及更好的成型方法进行试验。”

这种聚合物的微珠经预处理(包括压力加载和预发泡)后，在一台实验室规模的“蒸汽室”成型机上加工，以将泡珠(foamed beads)焊接在一起——这项加工最常见的制品是Styrofoam泡沫塑料杯。

这种实验室规模的机器，允许生产出测试使用的拥有精确密度的样品，比如，为工业和消费应用而测试力学性能和热性能，或焊接性能。

由德国艾伦巴赫公司提供的一台较大型的蒸汽室成型机被用于部件生产。

Roch展示了两个样品：一个由生物基泡沫颗粒成型的自行车头盔原型，以及一个汽车遮阳板。

许多面向市场的泡沫颗粒项目正在研究之中，包括在一个单独的部件中创造订制的聚合物组合，通过计量给料来产生更大的泡沫颗粒，以及聚合物与金属泡沫的组合。

作为为一家签订保密协议的客户所作研究的一部分，为建筑行业挤出发泡绝缘板的项目也正在进行之中。

毗邻的一个宽敞工作区，专门开展对注塑成型工艺的研究和优化工作，特别是长纤维注塑成型(长纤维增强的热塑性塑料或LFRT)、发泡注射成型(FIM)以及采用热固性粒子的热固性注射成型。

弗劳恩霍夫ICT从克劳斯玛菲购买的最新设备——一台多功能的GX 系列注塑机，适用于上述所有的3种工艺。作为模块化的机器，通过更换注射单元的料筒就可以适应不同的聚合物和短切纤维长度的加工。

针对酚醛树脂等热固性粒料的成型，弗劳恩霍夫ICT有其特殊的螺杆。

一台与机器集成在一起的机器人用于操作材料和预成型件，以及为模具上料并从模具中取出最终制品。

为支持聚合物加工方面的研究，弗劳恩霍夫ICT的生产车间共有6台双螺杆挤出机和6台注塑机。

一台设备用于制造局部连续增强的部件，也就是说，围绕载荷引入点缠绕连续的碳纤维或玻璃纤维粗纱，或带材，然后采用长纤维增强的热塑性树脂进行包封，这一概念被弗劳恩霍夫ICT称作“订制的LFT”。从Roch展示的一个示范汽车部件可以看出围绕金属嵌件(作为支撑点)缠绕的纤维长丝。

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“目前，对纤维或带材的缠绕是由手工完成的，但不久我们将采用机器人缠绕。”Roch介绍说，对连续纤维的应用要尽可能少，只在最高载荷的区域使用，部件的其余地方则由通用的热塑性塑料制成，这为部件带来了均匀的应力分布。与未采用连续纤维增强的塑料部件相比，断裂强度明显更高。

接下来的工作区包含有一个原型固结站，一名博士研究生目前正在用其开发一种新的方法，以将热塑性带坯快速地热焊在一起。

这种被称作“辐射诱导的真空固结(RVC)”方法，其细节目前尚处在专利保密之中，但Roch指出，这种方法可以满足巨大的需求。

“热塑性带材的铺放是一项伟大的技术，特别是采用RELAY机器方法，但材料的固结却一直是个障碍。我们希望这些经验将成为低成本加工带材的推动者。”

穿过大厅，在一台制造小型部件(比如用于测试聚合物的样条等)的新的注塑机旁，是一台恩格尔奥地利公司的大型duo 700 pico combi M 注塑机，用于标准注塑成型，包括直接长纤维热塑性塑料(D-LFT)的成型，或采用美国Trexel公司的MuCell微孔发泡工艺对LFT粒料进行发泡注塑成型。

这台700t的注塑机拥有两个背靠背的注射单元，可实现共注射。一副叠模的内模部分，被安装在一个垂直转模板上，可以转动180°，允许从两侧注射。

Roch指出：“这种直接LFT技术，允许采用的纤维长度要比配混商提供的更长，从而实现订制配混，同时可以节省20%～30%的预制颗粒成本。”

该机器的一个注射单元被用于制造模内发泡的长纤维增强三明治部件。

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发泡剂可以是化学发泡剂，或者是氮气(MuCell工艺)。

此外，可以由机器人来操作加热的有机片材和预成型件，并与这台机器集成在一起，以实现包覆成型。

在恩格尔注塑机的旁边，摆放了几个生产好的半结构增强汽车发泡部件原型，包括一个车身底护板和为几家一级汽车供应商开发的仪表板骨架，还有一个展品是采用含30%玻纤的PA6制成的D-LFT结构件。

按照Roch的观点，汽车复合材料的未来将是：成形有机片材(连续纤维热塑性塑料)，然后在注射中实现包覆成型。

SMC、预成型和RTM

走出90号建筑，通过几栋办公楼，来到了聚合物工程小组的新的实验室和车间建筑。

这里是弗劳恩霍夫ICT开展长纤维增强热固性塑料研究(主要是与片状模塑料SMC相关的研究)的中心，安装了迪芬巴赫的3600t压机。

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穿过压机来到背面，可以看到一条SMC生产线。相邻的第二条SMC生产线，主要用于直接长纤维增强SMC(直接SMC)的研究，它在参观之后不久即被移走，取而代之的是一台新的RELAY铺带机。

RELAY铺带机与2017年8月安装的一台新的注塑设备结合，用于有机片材的热塑性共成型，所采用的有机片材由RELAY机器生产，既可以是织物，也可以是单向带。

下坡进入另一个实验室，这里主要开展高压树脂传递模塑成型(HP-RTM)方面的研究。

靠近门口的是一台预成型中心，它被摆放在安全防护罩内，所配备的机器人将材料从自动切割台传送到热成形模具中。

这台预成型设备类似于弗劳恩霍夫于2014年安装在加拿大安大略的一台迪芬巴赫的PreformCenter设备。

用于成形预成型件的模具能够在闭合期间完成复杂的顺序运动，允许生产出无褶皱的高度成形的预成型件。

在防护罩外面，摆放了一个为梅赛德斯-奔驰开发的结构件，由此可以看出，面密度相对较高的编织碳纤维斜纹织物毫无过拉或起皱现象。

向里走，是一台克劳斯玛菲的大型HP-RTM环氧树脂浇注设备，它带有一个适用于快速固化环氧树脂的混合头，与一台630t的迪芬巴赫压机相配。

弗劳恩霍夫ICT正在研究两种类型的HP-RTM：

● 一种是高压浇注树脂传递模塑成型，这项技术是在高压下将树脂浇注到完全闭合的模具中，树脂沿X和Y方向流遍预成型件的整个表面;

● 另一种是高压压缩树脂传递模塑成型，在此技术中，模具略微打开，树脂在低型腔压力下由模具间隙注入，然后模具完全闭合，向预成型件施加高压，这有助于树脂沿X、Y和Z 这3个方向填充预成型件，整个循环时间较短。

在另一台压机中成型之前，由德国Wickert Maschinenbau公司提供的一台大型加热设备，对单向热塑性带坯进行接触加热。

复合材料应用面临的挑战

最后参观的是14号楼，这里装有几台加工中心和更多的机器，主要开展较传统的聚合物复合材料相关研究。

虽然这些研究可能并不尖端，但对于生产汽车部件而言还是值得的。

比如，在一个生产单元的附近安装了一台克劳斯玛菲的聚氨酯RTM浇注设备，以采用聚氨酯树脂实现长纤维的注射成型。在该生产单元内，一台发那科机器人正在将切割好的材料送入加热的模具中，然后向模内喷涂PU。

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被Roch称作是“旧”的热塑性RTM工艺仍在得到应用，它包括一个用于反应性尼龙材料系统的注射单元，以在模内创造出PA6，同时浸润增强材料，最终创造出增强的TP部件。多年来，这项工艺一直受到了包括大众在内的多家汽车OEMs的关注。

参观结束，回到90号楼中庭，Roch说：“我们正在尝试开发自动化的工艺来减少复合材料生产中的人工操作，以为汽车部件的生产创造强大的基础设施。”

的确，弗劳恩霍夫ICT的研究及工艺开发业务跨越几大洲，而且一直在不遗余力地推动复合材料加工技术的进步。

作者：SARA BLACK

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