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第五十一届JEC复合材料展创新产品奖概览

发布:2016-06-02 10:41:59 来源:本站 作者:admin
第51届JEC全球复合材料展于2016年3月8日至10日在巴黎举行。该展会是全球最大的复合材料专业展览会,展出面积达到62000平方米,参展商超过1300家,其中中国参展商达到118家。在所有参展商中,装备类展商占32%,原材料类展商占22%,制品类展商占17%,参观人数达35000余人。当今复合材料的发展凭借其雄厚的技术背景不断征服新的应用领域,据JEC提供的数据显示,从1996年到2016年的二十年间,全球复合材料市场价值(包括最终部件加工)每年以5%的速率增长,到2015年达到610亿欧元,到2020年预计达到830亿欧元。这同期二十年间复合材料的产量增长了4倍,从400万吨增长到1200万吨,预计到2020年将达到1500万吨。
行业的增长依赖于行业创新的强度,近些年汽车行业出现了大量创新,从今年的JEC复合材料展看全球复合材料行业的发展与创新,其不同于往年之处在于,汽车领域对复合材料的应用有加速扩展的趋势,其设计与制造工艺向纵深发展,众多知名汽车厂商深度参与,创新出各种新材料与新工艺满足不同部件对工艺、性能及用途的要求,复合材料的应用向车体、车身、内外饰、轮毂等各个部件结构延伸,有遍地开花的感觉,足以说明未来复合材料应用的市场发展趋势;形成
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这种趋势的主要原因,其一为欧洲是追求环保与减排最积极的区域。在中美还在为减排指标权衡本国的行业承受力时,欧洲议会及委员会自
2009年就开始为汽车行业在法律层面设定了严格而具体的减排期限及指标,并且不断修订,其为道路交通减排设定的目标为:到2020年欧洲小汽车二氧化碳排放95克/千米,轻型商用车147g/千米,而达到这一目标的最快途径莫过于通过汽车轻量化达到燃料的节省,这也迫使欧洲主流汽车制造商不得不进行材料与工艺的不断创新;其二,复合材料作为近年崛起的行业,迫切需要寻找到类似风能产业这样能够大规模使用复合材料制品应用的行业,汽车行业是最适合的行业,许多复合材料企业也从产品研发上努力满足汽车行业的需求,从这次获奖的产品及技术上可以看出,其实一些应用在汽车行业的复材制造技术及部件在几年前就已经推出,经过OEM及汽车制造商几年的试验及不断改进,技术及市场日趋成熟,目前到了推向市场并批量生产的阶段。
JEC展会近年最大的变化是来自于最终用户的关注。JEC展会最初是以材料展起源,大部分展商为树脂及纤维原材料供应商,观众基本上是来购买材料的制造商,到了本世纪的十几年,新概念、新设计、新形状、新织物不断涌现,大批来自各个行业的专业人士来寻找复合材料解决方案。今年的JEC创新奖共评出了26个奖项,这些奖项从工艺技术、产品应用、外观设计、环保回收等各方面代表了当今复合材料产业创新的最高水平,也指明了未来复合材料行业的发展方向与趋势,分别展示在汽车、航空、可持续、运动四个区域,引导专业观众去亲身体验与探索。下面我们对本届JEC创新产品奖获奖产品进行逐一介绍。
分类:热固性树脂
获奖产品:1分钟内成型并媲美热压罐成型质量的结构环氧部件
获奖单位:Huntsman先进材料(瑞士)
合作伙伴:Compose SA (法国),INDAC AG (瑞士),THERMOFLUX (法国)
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全新的快速固化Araldite®环氧树脂化学品和新的模压成型工艺的结合使得生产结构复合材料部件变得简单化。制作周期缩短为1分钟以内,且不需要任何进一步的后续固化处理。对于诸如汽车等规模化应用来说,可以实现通过热固性技术来经济有效地生产高性能结构件。
该新型快速固化Araldite®环氧系统不仅固化快,而且展现了更高的玻璃化温度(Tg),从而可以使得操作温度达到150℃。所有这些因素加起来能够实现140℃条件下30秒固化,这就意味着1分钟内实现压力成型是有可能的,并且部件无需后固化处理。
全新的模压成型工艺可消除对复杂纤维预成型件的需求,并且能轻松实现部件超过60%的纤维含量。该工艺提供了设计方面高度的灵活性,包括复杂的深冲部件。与传统模压成型相比,材料浪费极少。
该新工艺同样保证了很低的孔隙率,可以媲美RTM或热压罐-预浸料工艺的质量。装有模具的压机可按照每分钟一个部件的速度连续生产高质量的部件,即使是使用重丝束工业碳织物也不例外。
在市场方面,最初的重点被放在了交通领域,尤其是汽车。然而,消费品领域也能受益于该创新。总之,高纤维含量以及低孔隙率提供了优秀的机械性能。这对于通过CFRP部件的量产实现金属材料的轻量化替换来说,是非常理想的。
分类:产业用纺织品
获奖产品:生产尾板部件用的低成本、高效裁制无褶纤维织物技术
获奖单位:韩国碳技术融合研究院(KCTECH)
合作伙伴:德国纤维技术研究院(ITA),韩国Ssangyong Motor公司
由于部件的复杂性,目前的复合材料部件生产技术仍然缺乏经济可行性。面对复合材料部件规模化生产,KCTECH、Ssangyong Motor公司和ITA使用了裁制无褶织物技术(TNCF)。该技术提供了高效的生产率,具有局部增强、局部调整后的悬垂性,以及大量纤维层,从而减少了后续预成型工艺的处理步骤。
为获得局部增强,喂料装置被整合在TNCF设备中。喂料装置配有几个织物结构,这些织物结构在被应用于基体织物之前就已经被裁剪好。不同高度的织物可以通过一个弹性连续压棒织成。为获取局部调整的悬垂性,针织样式的参数可以沿着制作方向进行调整。由于具有局部调整后的悬垂性,织物预成型可以很容易的通过冲压工艺来实现目标几何形态。针织样式良好的悬垂性效果得以体现,从而在生产部件的时候达到与尾板复杂边缘表面非常相似的几何形态。评估显示,使用TNCF柱形编织结构比起用经编结构在预成型处理方面可以获得更好的效果。复杂的表面可以在无任何缺陷的情况下被制作出来,由此可以保证纤维的朝向。与现有的金属板材生产(7个部件,15kg重)方式相比,TNCF技术使得部件数量减少70%、重量减少35%成为可能。
传统的无褶纤维技术(NCF)通常适合于在辊子上高效生产织物半成品,然后进一步加
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工成更复杂的织物预成型件。进一步加工那就意味着预切割、叠放以及将织物连成上面提到的复杂的织物预成型件。
分类:拉挤
获奖产品:采用多半径拉挤工艺规模化生产纤维增强型材
获奖单位:Thomas Technik + Innovation公司(德国)
拉挤工艺产生于60年前,如今已是生产纤维增强部件正真意义上的系列工艺。然而,它仅限于直线类型的型材,因此,直到2009年, 其应用仅限于少数几个可选择的领域。尽管在2009年弧形拉挤工艺拓宽了其能力范围,然而,也只能仅限于有限的常规半径之内。而新的方法在很大程度上将弧形拉挤工艺的可能性进一步朝着“移动模成型”的方向发展。在“移动模成型”过程中,一个具有弹性的模具以很小的幅度在纤维和液态基体上移动。每移动一步,成品型材(通过模具后面的夹子夹住)也同时被释放。在每一步期间,模具在固定的纤维预浸料上摆动,从而形成型材的截面形态。接着,固化是在一个闭模中完成。因此,该方法能够实现和传统拉挤工艺一样快的速度。面对的挑战包括:型材处于局部形态时的固化、有形部分区域的结构形态、以及形成精确的、已被定义的所需几何体形态。该新工艺总体上对拉挤技术来说很重要,因为它不仅开启了已被验证的系列技术的新局面,而且对于整个纤维复合材料行业来说也是如此。作为一种连续性工艺,其效率非常高。
分类:RTM工艺
获奖产品:CAVUS技术:使用规模化生产工艺制造复杂空心复合材料结构
获奖单位: KTM技术公司(澳大利亚)
合作伙伴: H2K 矿物公司(德国),Teufelberger复合材料公司(澳大利亚),巴斯夫聚氨酯公司 (德国)
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CAVUS—变革成型工艺的技术
该项目的主要目的是通过规模化生产技术生产复杂的空心复合材料结构件。唯有通过该技术才能将部件和复杂的几何形态相统一。因此,采用了可溶于水、可重复利用、通过增材制造技术生产的芯材,并通过沙作为填充。采用全自动编织技术作为预成型方式,可保证实现部件复杂的形状。部件生产采用高压树脂传到模塑工艺,并选择用聚氨酯系统。该材料的机械性能特点突出,其特点被融入部件中,如抗疲劳强度高、耐损性强。这次展示选择了功能完善的自行车车把。这些完善的特点可以被进一步提升从而用于规模化生产工艺。其主要功能除了作为结构件,还可以用来生产汽车的A柱,以及其它汽车应用。
CAVUS技术可以制作复杂的空心部件。尽管其几何形态复杂,但在制作内部结构的过程中不需要胶黏剂。归功于连续的纤维路径,这些内部结构提升了机械性能。自动编织工艺使载荷方向适用于轻量化生产,以及实现在部件上几乎100%的纤维铺放。新开发的芯材的形状可以通过增材制造技术或者砂芯吹射工艺来实现,芯材可溶于水但不产生任何有毒物质。芯材分离并溶解后还能重复利用。此外,基于所有工艺步骤都是自动化的事实,整个工艺可以被进一步应用于规模化成批生产,但该工艺也可以为少数部件生产原型。工艺的重点好处很明显:即快速、稳定、已被认可。灵活、自动化、成本竞争优势、环保、可持续、材料利用率以及规模化潜力只不过是其优点的一部分。
分类:测试
获奖名称:评估纤维-基体相互间表面性能的新测试系统
获奖者:Textechno Herbert Stein公司(德国)
合作伙伴:德莱斯顿莱布尼兹聚合物研究院(德国),布莱梅费舍尔研究院(德国) 5
每个人都可获取的“实验室”,可减少20倍测试时间
Textechno公司的开发团队已经将莱布尼兹聚合物研究院开发的嵌入和拉出技术转化为商业测试系统,该系统能让纤维容易并且可再生的嵌入所有基体材料中,并进行快速有效的拉出测试。拉出测试在Textechno公司的单纤维测试机Favimat+上进行。其杰出的力学分析(精确到1微牛顿)保证了测量的精确行。除此之外,Favimat+能够测量关键的纤维性能,如线密度、直径、拉伸性能和模量等,这对客户来说,Textechno的解决方案是一种有效的选择。通过使用更高的测试速度和直接夹住的方式,拉出测试操作所需的总时间比原来实验室里的单元设备要缩短20倍。Fimatest作为一种全新的测试系统,可以检测纤维——基体间表面的性能,该测试系作为第一个(据公司所知)拉出测试商业系统已被开发并且可以在市场上获得。与现有原型系统相比,Fimatest在很大程度上有助于测试,加快了测试速度,并且能让研究机构和行业客户对测试结果无比满意。最后,Fimatest可以通过直接评估影响复合材料性能的关键因素来帮助改进复合材料:即纤维和基体间的粘合状况。
分类:回收
获奖产品:采用聚酰胺和再生碳纤维注射成型的中控台
获奖者:BMW(德国)
合作伙伴:Grammer公司(德国),Akro-Plastic公司(德国)(Feddersen集团成员)
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减少生产废料,回收废料
在生产大量碳纤维增强塑料(热固性)时会产生一定量的废料。为了将碳纤维的利用率最大化,开发出了特殊的热塑性颗粒和作为增强材料的再生碳纤维(与选择好的公司合作)。采用的热塑性树脂包括PA、PP、PPA、PBT/PET等。除了改进的机械性能之外,尤其拉伸模量和拉伸强度,相对于玻纤增强材料,还可以为每一个部件减重。
此外,这种新材料还可以有其它的一些应用,如进气消音器、引擎盖、离合器踏板、轴承座等。几种热塑性再生碳纤维增强材料早已被成功开发出来,并且已经应用于批量生产。Mini Clubman汽车已经采用了通过该技术生产的中控台。
分类:建筑
获奖产品:高性能复合材料墙体单元
获奖公司:Solutions Composites(法国)
该系统采用高性能复合材料拉挤型材生产,每根型材独立成为块状单元,内部可添加任意种类的保温材料(包括粒料、再生材料等),外部可贴合任意种类的功能性或修饰性面板。此外,其内部空间还可容纳水、电、空调、通讯等线路。该系统先在工厂预制成型,而后在施工现场进行建简易拼装。
不同块状单元再拼装,面板间的结合处采用非常轻薄的设计,与传统木材、混凝土、石砖相比,大大减少了热桥效应的发生。这种创新的设计适用于任何建物,包括办公楼、住宅、工业建筑、商用建筑等等。与此同时,利用块状单元拼装组成的墙体强度很高,足以支撑数个楼层的重量。 7
每个块状单元都是采用热固性玻纤增强复合材料生产,内部填充保温材料,每平米的重量还不到20kg。
由于重量足够轻,该系统还可以在一些特殊的建筑领域发挥作用,譬如给现有建筑增高楼层以及其他对轻质有特殊要求的施工作业。
该系统具有极大的设计自由,块状单元的高度可根据客户要求灵活调整。每个单元宽度为600mm,可与外壁覆层(cladding)或细木工板(joinery)配合使用,包括光伏板、绿植墙板、层压板、瓷砖、木板条,同时亦可以用于凉亭、遮光板、阳台。在进行以上全部应用时,均不会产生热桥效应。
该系统被划分为M1级(耐火复合材料)和F0级(无烟无毒), 不受天气变化因素影响、不受水气双向渗透影响(包括雨、渗透水、冷凝水、雪、冰等等)。由于外墙面和内部单元的分离式设计,该系统成功地解决了抗渗透性的问题,是一款出色的防水保温墙体系统。
分类:基础设施(一)
获奖产品:全复合材料灯塔
获奖公司:Acciona Infrastructures(西班牙)
合作伙伴:Autoridad Portuaria de Valencia (西班牙)
Siegristy Moreno (西班牙)
Dow(意大利)
Owens Corning(西班牙)
SAERTEX GmbH(德国)
Huntsman Advanced Materials(瑞士)
Hempel(西班牙)
这是世界上首次利用全复合材料生产的海洋灯塔,直径4.5米,采用通常的八角形外观设计,胶接结构,拥有以PV太阳能电池板为基础的自照明系统,抗腐蚀性强。首座灯塔将部署在西班牙Valencia海港。因为复合材料轻质的特性,灯塔结构总重不超过20吨,整个安装过程耗时仅6个小时,极为简便。
该灯塔的问世,标志着数个技术难题的攻克。其一,在型材拉挤的过程中,需耗费超过5000卷碳丝,铺设10层1250gsm的五轴向碳纤维织物。要保证孔隙率不超过3%,24小时内吸水率不超过0.5%,意味着所有碳纤维和和织物的预浸过程必须保持高度的同一性。其二,关于树脂浸渍系统的选用,Acciona公司进行了一组对比测试,先是采用开放式的树脂槽进行预浸,发现有少量毛丝混入树脂;于是再测试树脂注入系统,结果部分区域等不到充分浸渍,而且生产速度比较慢。于是Acciona公司结合两种方法的优点,开发了自有专属的树脂浸渍系统,生产出零瑕疵的最终成品。其三,为了实现充分的减重,降低维护成本,达
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到充分的美观设计,获得充分的抗腐蚀性能,
Acciona公司放弃使用金属紧固件,并为此开发出创新的紧固系统。该系统不仅满足了前述的各项目标,而且不超预算。
除此以外,该灯塔其他方面的创新设计也足以令人称道,譬如采用了轻质的GFRP地板,特制的楼梯,以及特殊设计的胶接结构。
该灯塔的成功研制,标志着Acciona公司实现了如下目标:1. 制造大尺寸的抗风结构;2. 机械性能、耐化学性能突出;3. 使用寿命长,维护费用低;4. 设计自由;5. 部件可在工厂预制,现场安装方便。
分类:基础设施(二)
获奖产品:碳纤维复合材料ILS系统下滑台指示塔
获奖公司:Exel Compoistes PLC(芬兰)
依据国际民航组织规定,为保证操作安全,机场的仪器降落系统(ILS)所采用的任何高层结构都必须具备高度的稳定性和易碎性。
本产品是一款新型的机场下滑台指示塔,其塔身格栅结构和固定牵杆均采用碳纤维复合材料制造。因为刚度较高,一旦在紧急状况下遭受冲击,塔身主梁和固定牵杆会迅速肢解散落,完全符合国际民航组织对易碎性的要求。
同时,借助碳纤维复合材料轻质的特性,本产品可以迅速安装并投入使用。而且对于机场运营者来说,碳纤维复合材料耐久性能出色,免于维护,可以显著降低机场的建设和维护成本。
分类:终端产品
获奖产品:全复合材料轻质升降电梯(LACE)
获奖公司:Composyst GmbH(德国)
合作伙伴:Wittur Holding GmbH (德国)
Stauss Processform (德国)
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该电梯内部尺寸为1.1m* 1.4m*2.05m,包括舱门和电梯门在内,采用全复合材料制造。其中,地板和天花板均采用槽型外观设计,采用CFRP三明治板材。4根角棱柱也采用CFRP三明治板材制造;三块墙板采用半透明的GFRP板材制造。通过这样的设计,天花板所承受的全部垂直载荷可以通过4根角棱柱传导到地板上。
为配合纤维材料的使用,电梯所有部件均进行了优化设计。4根角棱柱的外侧面全部覆盖了极薄的银色GFRP片层,以获得优美的视觉外观。另外,所有部件均采用了真空辅助工艺生产。同样为配合复合材料的使用,舱体和绳索系统采取了有别于传统电梯的分离式设计。独立于舱体外有一块底盘,底盘上系有绳索,共4根。通过这样的设计,舱体可以免于承受升降过程中从绳索传来的各类噪声和冲击力。此外,舱体与电梯井之间安装了四根导轨(传统是两根),这一方面利用了复合材料的承重性能,另一方面减少了电梯的建造空间。同时,电梯井进行了最小化设计,在市场上也是独一无二的。
分类:直升机
获奖产品:轻质节能CFRP叶片模具—LEEToRB
获奖公司:Qpoint Composites GmbH(德国)
合作伙伴:Technische Universitat Munchen(德国)
Airbus Helicopters Deutschland GmbH (德国)
Fraunhofer Institute for Chemical Technology (ICT)(德国)
这是一款装有内置电加热系统的CFRP直升机螺旋桨叶片模具系统,配合RTM工艺进行生产。该系统包含钢架结构和置于其中的CFRP壳体。钢架结构的使用是为了保证模具与RTM压机的稳定联结。CFRP壳体中层内置有电加热系统,与壳体表面保持固定不变的间距。这套模具系统的主要性能包括:采用闭模工艺,模具长5米,宽1米,最高工作温度180摄氏度,最大加热速率每分钟10摄氏度。众所周知,模具是CFRP部件生产的重要组成部分。
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与其他固体材料的生产过程不同,
CFRP部件由纤维和树脂两种材料在模具中加热固化成型, 因此模具本身的材料和设计会直接影响铺层质量和最终产品的形位公差(Geometrical Tolerance)。
采用CFRP作为模具自身的生产材料和加热层材料,其优势在于:1. 模具和部件保持同步热膨胀;2. 模具质量轻,使得加热更快、能耗更少、模具管理更加便利、综合使用成本下降。
这套创新的RTM工艺用CFRP叶片模具的面世,为高性能复合材料部件的批量生产提供了新的可能。它实现了1. 模具和部件的同步热膨胀;2. 均匀的模具表面热传导;3. 更方便的模具温控。在这些优势下生产出的大尺寸部件,即便形位公差较大,仍可充分满足航天工业的标准。 而且与传统钢铁模具、铝模具、镍铁模具相比,CFRP模具制造成本更低。此外,因为质量轻,它在生产环节中更易于移动。即便在没有压机的条件下,也可以独立进行生产。综合看来,使用该模具的初始投资非常低,运营成本也相对低廉,是一款创新的模具。
分类:航天
获奖产品:采用三维正交编织预制件生产的新一代运载火箭用CFRP级间环
获奖公司:Sonaca S.A. (比利时)
Bally Ribbon Mills (美国)
这是一款应用于新一代运载火箭的CFRP级间环,直径为4.3m,采用三维正交编织预制件、环氧树脂,和RTM工艺生产。与传统铝材料相比,采用复合材料大幅减轻了产品重量,同时使产品展现出的精确的几何外观。
2013年研发团队开始甄选三维预制件生产技术,标志着该项目正式启动。该团队先对试样进行了力学性能的测试,以取得设计应许值。然后经过细致的研究,对RTM模具工艺进行了优化,进而生产出四分之一个级间环(90°)并对其进行了静载荷试验至其破损,借以验证性能是否达到了设计参数。最后重新制作4个四分之一级间环,拼装成为完整的4.3m最终制品。
该产品主要优点在于:轻质、美观、机械性能提升(耐冲击、横断面的热电传导等)。
分类:航空
获奖产品:利用创新3D净成型铺放工艺生产的CFRP飞机舱门门框
获奖公司:Premium AEROTEC (德国)
合作伙伴:Airbus Operations GmbH (德国) 11
Fraunhofer ICT-FIL (德国)
Coriolis Composites GmbH (德国)
该项目于2009年启动,受空客和德国飞机零部件制造商Premium AEROTEC资助。两家公司认为,飞机客舱门和货舱门的门框及周边区域通过结构优化和材料替换,有较大减重和降本的潜力。项目中,空客担负复合材料门框的设计任务;Premium AEROTEC公司作为知名的航空部件一级供应商,贡献了在工程制造领域的丰富经验,承担了研发过程中所有与生产相关的环节。在德国联邦航空研究计划Luftfahrtforschungsprogramm-IV框架下,项目研究小组研发出一种创新的3D净成型铺放技术,结合最新的应用技术和压制技术,生产出CFRP飞机舱门门框结构件。这种3D净成型铺放技术是一种自动纤维铺放工艺,将航空级别的预浸料在计算机软件的引导下,依照精确计算的载荷轨迹铺放成为非常规纤维取向的部件产品。
在技术研发过程中应用了FEM软件,将纤维的取向参数、小件样品以及1:1原型样品的力学性能测试结果导入其中。最后,CFRP成功替代了金属钛成为飞机舱门门框的制造材料。这其中最具创新之处在于,CFRP门框设计之复杂,是由许许多多小部件组成。 为了实现力学性能、热力学性能和成本之间的兼顾和平衡,共有超过20个的小部件被替换采用CFRP制造。由此造成的结果是,最终生产出的门框大部分由CFRP部件构成,这为后续的组装,譬如钻孔、打铆等过程提供了不少便利。
该复合材料飞机舱门框的问世是一次重要的技术进步。其在减重、降本和性能提升方面表现突出,已经为其赢得了空客A350-900客机的订货。正式供货预计将在2018年开始。
分类:汽车外饰部件(一)
获奖产品:复合材料可视部件一次成型
获奖者:Faurecia Automotive Exteriors(法国)
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该公司团队独立开发了一套针对汽车市场的创新工艺。该工艺的重点在于热塑性编织有机片状胚材的准备,将其切割成最终的形状,以最小化废料的产生,并避免在二次成型前的热成型之后进行机加工。随后胚材再被加热到最优化的温度并相应堆叠。
下一步用一个特别的夹子快速将胚材传递并铺放进模具内。经过合模,使用一种经模拟试验证实的、独特的注射工艺,将熔化的有机片材(聚丙烯+40%玻纤)进行二次成型,最终部件即是净形部件。
该工艺完全由Faurecia公司开发,从早期的工程到最终部件的验证全部在室内进行,研发团队包括设计、CAE、材料、制造及实验室。该项目2014年4月开始,目前基本完成。对产品及工艺两项都进行了大部分的验证程序。
该项目主要针对的目标是汽车工业。首先涉及的部件是后举升门和后挡板,但是前端模块支架、座椅及任何可见或不可见的结构部件也将能从此创新中受益。以往的三个部件被整合成了一个部件,同时由于改进了增强物与二次成型的注射材料间的界面而节省了重量。
分类:汽车外饰部件(二)
获奖产品:低成本轻质行李箱盖
获奖者:CSP公司(美国大陆结构塑料公司)
合作伙伴:Owens Corning(美国),
Compose Tooling Expert(法国)
Altair Engineering (法国)
PPE/Composite Integrity by Institut de Soudure Groupe(法国)
Hexion(美国)
Brandolph(意大利)
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轻质行李箱盖概念是作为一项对比研究的一部分开发出来的,即用钢或铝制成的行李箱盖与多材料方式的比较(在这一项目中是复合材料及碳纤维RTM工艺),降低涉及碳纤维应用的生产周期也是一个关键要求,Lincoln MKS的行李箱盖使用了材料结合,美国CPS公司使用韧性A级的片状模塑料TCA Ultra Lite及碳纤维RTM工艺,重量比铝质减轻了13%,并且成本具有竞争力。该部件还加入了尼龙(聚酰胺或PA)多轴向玻纤带行李箱盖支架,该支架比钢质部件减重50%。
使用复合材料的价值在于展现重量的减轻,可直接导致燃料效率提高并降低排放。在这项创新中,TCA Ultra Lite制成的外部件重3kg,碳纤维RTM内部件重量只有2.1kg,行李箱盖的全部重量为5.5kg,相比于铝质行李箱盖轻了0.8kg。碳纤维RTM结构内部件代表了使用回收的碳纤维材料在经济可行的系列生产中的突破。该行李箱盖是CSP公司与OEM及供应商伙伴一直努力的结果,它具有成本竞争力的、效果显著的减重效果。此行李箱盖紧跟着CSP公司的TCA Ultra Lite 成功发布而来,TCA Ultra Lite目前用于Chevrolet C7 Covrvette轿车。之后合作团队转向使用碳纤维获取额外的、经济上可行的减重。CSP与其合作伙伴开发了系列碳/混合纤维基RTM材料,正如通过合作伙伴Altair Engineering的CAE分析所展示的,这种材料比铝材设计可以持续地提供车身板更轻、更经济的性能要求。这一概念被示范用于Lincoln MKS的行李箱盖设计中。
分类:汽车内饰件
获奖产品:短切SMC片材结合专利模压技术获取的汽车A级表面部件
获奖者:兰博基尼汽车公司(意大利)
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短切复合材料第一次广泛用于汽车工业的美学目的,不仅具有轻质的特性,这次碳纤维变成了美丽的王后。“兰博基尼”(Lamborghini)拥有使用短切SMC材料获得A级表面的专利技术。兰博基尼的这款Huracan 车型的碳纤维不再使用传统的2X2的斜纹织物预浸料,改用C-SMC和专利的制造工艺获取A级表面。兰博基尼公司的目的是改变客户的观念模式,直到碳纤维外观被关注。兰博基尼公司2010年在其概念新车Sesto Elemento推出时首次发布了其专利产品Forged Compoiste材料概念,本来限于结构件应用,而今兰博基尼的工程师使用此种Forged Compoiste材料工艺获得了符合汽车标准的A级表面要求。(注:兰博基尼开发的一种低成本高产率成型方式Forged Composite®,其原料是片状模塑料SMC,Forged Composite®是高压常温成型的,可以制造复杂结构和受力复杂的部件,之所以叫forged是因为其成型过程和铝、钛等金属的类似。)
其面临的主要挑战是边缘涡旋的减少(按照兰博基尼的质量标准,这是不可接受的)、成型后的表面质量、部件的可喷涂性及在一步成型工艺中固定系统的一体化。2014年,所有的测试成功进行并且材料准备用于兰博基尼的新车型:Huracan carbon package.
这项创新最大的成就在于,由于模压成型工艺的使用,碳纤维的应用被扩展到大规模的生产。尽管兰博基尼传统上是低产量的车型,但这项技术具有一天生产超过500件的能力。另外,C-SMC工艺比传统的预浸料工艺便宜。考虑到环保的压力,尤其令人感兴趣的一点是再回收的纤维可以被用于原材料的准备中。
分类:汽车结构件
获奖产品:用热塑性复合材料制作的卡车结构模块 15
获奖者:Solvay(法国)
合作伙伴:HBW Gubesch(德国)
此项目应用重点为卡车驾驶室的前结构件。基于高流动性的聚酰胺6(PA6)/玻纤方格布的热塑性复合材料制成大尺寸的有机片材(2X1.2m),其开发目的是为达到超强的积层强度和刚度。Solvay与其OEM一起设计了所有的热塑复合材料防火结构部件。Solvay还对模拟实验提供了数字定律,并为其Evolite复合材料(注:Solvay的聚酰胺连续纤维增强材料专利系列产品)使用一个先进的材料数据库,其组成为PA6/短玻纤材料/胶粘剂,同时也对复合材料及其组装进行先进的模拟,预测其强度、刚度及断裂初始区域。为了验证所有上述数字定律,Solvay制作热塑复合材料原型模并在动态条件下进行测试,使其与真实相关联。
最终,制造环节使用了一种由德国HBW Gubesch公司开发的创新工艺。这种一次成型的工艺结合了冲压工艺(对有机片材)和单压工艺(对肋状结构),确保了较短的制造周期。
为了解决这些挑战,一个工业团体加入进来合力进行设计、制造并验证复合材料防火性能(针对卡车驾驶室前结构件),最终在性能没有妥协的条件下,比金属设计减重25%,部件数量少了一半。
分类:汽车白车身
获奖工艺:ultra-RTM,一种低成本、高效的高性能热固型纤维复合材料制造工艺
获奖者:Audi AG(德国)
合作伙伴:LiteCon GmbH(奥地利), Evonik Industry AG(奥地利), Benteler-SGL(奥地利)
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过去数年,Audi公司研发了一种经济上更合算且高性能的热固性纤维复合材料工艺技术。其目的是针对大尺寸及复杂纤维增强塑料结构部件,将高产量生产工艺与一体化的夹芯结构结合起来。通过与奥地利的LiteCon GmbH公司 及Evonik Industry AG公司合作,这一目标作为其几个先进开发项目的一部分而成功实现了。
此技术通过与Benteler SGL Composite Technology GmbH(本特勒汽车与SGL的合资企业)的合作,成功地首次运用在Audi的模块化运动车系统(MSS)的底盘平台。MSS是即将问世的Audi R8及Lamborghini Huracane的最新的底盘平台。未来,新一代的R8 Spyder的后架及B柱的内增强物将作为一体化的增强夹层结构部件生产。这种部件制造的创新方法被业内认知为Audi的“超极RTM” (ultra-RTM) 技术,包括以下关键部分:纤维及快速固化树脂(1-2分钟的固化时间)的材料开发、具有功能一体化(嵌入)及低密度泡沫芯材(小于150g/l)的夹层技术、自动预成型及预成型件组装、大尺寸(大于5-10kg)碳纤维复合材料结构部件的工艺开发(ultra-RTM)。
此项技术的关键优势在于结合所有上述技术于一体的可能性,使应用不同结构优势于高产量汽车生产成为可能,并具有轻量及硬壳结构一体化设计(小系列)的潜在性能优势。由于同在一个小的加工窗口下,低密度泡沫芯材、嵌入件及树脂体系造成了该工艺面对的主要挑战是复杂部件的渗透,成功的关键在于树脂注射阶段用模内传感器控制工艺流程。
分类:城市运输
获奖产品:模块化、自支持、全复合材料的大巴车体
获奖者:Nanotechnology Center of Composites (俄罗斯)
Evopro group(匈牙利) 17
该项目获奖点在于模块化、自承重的全复合材料公共交通大巴车体,其动力系统可以采用柴油发动机、有轨电车、CNG、混合动力或全电动引擎。
用于车体的玻璃纤维增强夹芯复合材料是一层薄薄的、自承重的结构,也可以承受车内的全部载荷。由于车体是模块化结构,能够以经济可行、较高的批量生产复合材料部件,并且更为引人注目的是,不同长度的车体可以用相同长度的部件进行组装。
首辆概念车2014年诞生,目前第一个具有50个部件的系列车型的生产正在进行中。2015年10月,25辆完整大巴车体建造完成,等待最后的组装。五辆完整的大巴车(其中2辆电动、1辆混合动力、1辆CNG、1辆有轨电车)目前正运行在匈牙利布达佩斯的街道上。该项目还在进一步开发改进中,以提高产量。
此项目的益处多多:轻质车体、低排放及低燃料消耗、防腐蚀车体及低维修费用。由于模块化的车体结构、成本经济及快速RTM技术制造,此车对传统金属大巴车体具有极大的竞争力。
分类:医疗
获奖产品:可消除脑外科伪影的碳纤维血管夹
获奖单位:德国凯泽斯劳胜粘接材料研究所(IVW)
合作单位:西班牙Neos外科医院、德国Adete公司、比利时安特卫普大学医院 18
动脉瘤是一种血管局部充血凸出物。若血管瘤破裂,将会大出血,危及生命。通常处理方法是,将动脉瘤用夹钳从根部夹闭,根据需要进行排空。目前,市面上的动脉瘤夹为金属材质,影响术后进行的CT和MRI影像检查。新型X射线透明动脉瘤夹为碳纤维复合材料(CFRP)材质。CFRP可减弱X射线或MRI成像时的伪影现象,使病人复查更快速、更高效、更安全。此外,碳纤维夹钳可进行自动化生产,效率高,比手工制作的金属钳费用要低。
在过去三年开发阶段,由多学科组成的团队共同工作。德国Adete公司的FE计算机辅助设计专家、德国IVW研究所的CFRP材料和工艺专家以及西班牙Neos医疗设备公司组成的团队与比利时安特卫普大学医院的两名神经外科医生一起参与开发此项目。首先进行设计和模拟,再做出原型,然后进行特定的体外实验。碳纤维夹钳的基本功能得到了验证。
碳纤维夹钳长16mm,宽2mm。其中两个夹柄为碳纤维PEEK材质,采用注射模塑生产工艺;两个片簧各向同性,材质为PEEK碳纤维带。
这种设计可明确限定碳纤维夹钳的夹紧力度,以防变性血管破裂。
分类:美好生活
获奖产品:轻质复合材料双足步行器
获奖单位:日本Uchida株式会社
合作单位:日本国家残疾人康康中心、日本索尼计算机科学实验室、日本Exiii株式会社 19
本创新项目是世界上首个跟轮椅相结合的碳纤维复合材料(CFRP)步行装置。在日常生活中,人的移动灵活性以其步行能力为基础。使用者通过轮椅可实现转向,通过步行器可增加平时的移动灵活性,轮椅和步行器有助于减轻他们的心理压力。
自首次开发双足步行器后,其在设计和材料方面20年内未曾尝试过任何明显的创新。在日前的双足步行器装置上,其金属部件存在问题,如易弯曲或扭曲、断裂和腐蚀。
几十年来,碳纤维复合材料(CFRP)由于其优异的机械性能,在汽车和航天领域已引起大家深厚的兴趣。在双足步行器方面,创新性地使用碳纤维复合材料(CFRP)是由于其轻质、耐用、低效的步行动作。同时,碳纤维复合材料(CFRP)使设计和生产更复杂的双足步行器成为可能。
使用者从床上起来后可登上步行器,然后直接移进轮椅中。使用者穿带步行器后,能按照自己的想法进行站立和行走,使他们过上相对正常的生活。
今后,这种新型双足步行器完全有可能用于步行康复治疗,在医院和其他方面得到应用。
分类:运动休闲
获奖产品:悬臂鞍架:轻质热塑复合材料与创新设计的完美结合
获奖单位:爱尔兰Eire复合材料公司
合作单位:爱尔兰LAM技术公司
这种创新型BUA鞍可使马和骑手在各种步态下均能轻松地自由运动。鞍架原料是玻纤/聚丙烯(GF/PP)的混纺织物,玻纤/聚丙烯以斜纹方式进行混纺,织物在经、纬方向上具有完全相同的性能。织物剪成模板,多层叠加并相互粘结。之后,将预制件放进模腔内,加热至聚丙烯熔点以上,保持温度至玻纤完全浸润。然后模具冷却,取出部件。去除其边废料后,就变成了最终鞍架产品。玻纤增强热塑性复合材料(GRTP)能提供耐用性和疲劳性能的较好平衡。此外,鞍架仅重4kg,有效改善马和骑手的舒适度。 20
这种复合织物有助于提高鞍架的机械性能。这种鞍架结实耐用,同时有助于马和骑手的运动。这是BUA鞍架的独特之处。
这种织物有较高的耐冲击强度,较好的耐磨性和优异的抗水性。这些性能至关重要,尤其当马鞍在室外相关环境下使用。鞍架已经过严格的机械测试,有较好的耐疲劳性能。这得益于包含在聚丙烯(PP)基体中的连续玻璃纤维。由于马鞍有几百万次的使用次数,因此制作材料的疲劳强度非常重要。这种材质的整套马鞍重约4kg,而传统材质的马鞍重达10kg。
分类:日用消费品
获奖产品:模压热塑性复合材料的咖啡机装饰面板
获奖单位:瑞士Nestle Nespresso公司
合作单位:法国RocTool公司、Flextronics 制造(中国)公司 (伟创力)
本项目采用特殊模压工艺,产品应用在Nespresso全新Pixie Clips系列咖啡机上。这种模压技术能制作诸如牛仔斜纹棉布、杜邦Cordura布、木质和碳纤维材质。
此项创新技术可使最终产品有独特的外观和感受,增大用户对咖啡机面板的选择性,提高咖啡机本身质量。
Pixie Clips系列咖啡机,可以根据面板不同进行定制。复合材料的应用增加了咖啡机选择的多样性。投放市场后,大家对此热情很高。对Nespresso而言,好处就是能为客户提供新材料和新产品,加大Nespresso在这一创新方面的应用。
分类:奢侈品
获奖产品:为Richard Mille(理查德·米勒)表开发的独特超蔳层合石英纤维复合材料表壳
获奖单位:瑞士North Thin Ply Technology公司(NTPT)、瑞士Richard Mille公司
合作单位:法国圣戈班石英纤维公司、英国Reichhold公司(雷可德)
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此项复合材料产品的创新点是其独特的超蔳层合(52g/m2)石英纤维预浸料,牌号为TPT® quartz,这种材料首秀于西班牙网球选手Rafael Nadal在2015年5月法网公开赛的RM 27-02 Rafael Nadal表上。
Richard Mille以推动新材料和新设计在制表业的应用而著称。
为能实现手表的新颖外观和质地,同时具备良好的机械性能,Richard Mille不断寻求创新材料,目前重点转向石英纤维预浸料。瑞士NTPT公司跟法国圣戈班石英纤维公司合作,共同开发TPT石英纤维预浸料。在此项目中,法国圣戈班石英纤维公司供应Quartzel® 熔融石英纤维增强材料,Reichhold公司开发ADVALITE热熔无单体乙烯混合树脂基体,Richard Mille来设计实现最终产品。为突出其在Richard Mille表中的独特性,新型预浸料需要满足更多方面的性能需求,包括材料的比强度等。项目团队需要论证这种材料在使用过程中无过敏反应,在太阳紫外线下不会变黄,耐多种化学性。预浸料也需要确保复杂形状的表壳能够质量轻、防水,具有优良的耐冲击强度。
这是石英纤维在超蔳层合(<100g/m2)预浸料方面的首次应用。这种预浸料可制成非常复杂的形状,而不会产生脱层,这就意味生产出的最终产品是防水的。这种轻质复合材料在太阳紫外线下不会变黄,不会有过敏反应,有较高的耐化学性能,同时具有较高的强度和耐冲击性。这种预浸料为无毒白色复合材料层板,具有独特的外观。
分类:JEC复合材料杂志特别奖 22
获奖产品:大尺寸增材制作技术(BAAM),一种聚合物和复合材料结构制造全新平台
获奖单位:美国橡树岭国家实验室
合作单位:美国Cincinnati公司、美国Dassault Systèms公司
大尺寸增材制造(BAAM, Big Area Additive Manufacturing)系统是一种全新的聚合物和复合材料结构制造平台。BAAM系统包含多种大规模3D打印关键创新技术。其中主要改进是采用螺杆挤出技术来沉积,类似在注射模塑工艺中的应用。
通过BAAM系统3D打印方式,任意几何形状的组件均能以比其他商业系统大10倍以上的规模进行。采用螺杆挤出技术,BAAM系统能以比其他系统快200多倍的速度进行材料沉积。BAAM系统也是首次采用碳纤维增强塑料的粒料进行沉积,可使组件的强度加倍,提高刚度4-7倍。端到端的建模/模拟软件能很轻松地实现将设计灵感转化为现实。简言之,Cincinnati公司和Dassault公司的BAAM系统能够使大尺寸结构3D设计和打印费用更低,速度更快,比以往更好。
分类:终身成就奖
获奖人:韩国韩阳大学,Sung Ha教授
Sung Ha博士是韩国韩阳大学机械工程学院的教授、韩阳结构和复合材料实验室主任。他于1989年在美国斯坦大学获得机械工程博士学位。目前他的研究领域包括热固性和热塑性复合材料结构件的创新设计、短周期快速生产和多尺度强度和疲劳生命预测,涉及汽车部件、风机叶片和飞机机翼。他还是斯坦福大学的客座教授,斯坦福复合材料设计团队主要成员