摘要：增强热塑性复合材料料：大型欧洲业务：目前，热塑性材料在欧洲复合材料制造中的作用比世界其他地方更大。荷兰的一组热塑性塑料专业知识将这种材料推向了许多航空航天应用。TenCate是一家关键供应商，其热塑性预浸料机之一如图所示。

对于这个荷兰财团来说，与原始设备制造商、材料和设备供应商成员合作，使热塑性材料的可制造性成熟是目标。

增强热塑性复合材料料：大型欧洲业务：目前，热塑性材料在欧洲复合材料制造中的作用比世界其他地方更大。荷兰的一组热塑性塑料专业知识将这种材料推向了许多航空航天应用。TenCate是一家关键供应商，其热塑性预浸料机之一如图所示。

聚焦但意义深远：位于荷兰恩斯赫德的热塑性复合材料研究中心（TPRC）设施的内部视图，毗邻特文特大学校园。尽管它很紧凑，但该中心拥有设备和工作站，可以支持波音公司和其他主要原始设备制造商和供应商支持的一系列材料研究项目。

机器人铺设：这个科里奥利胶带铺设机器人放置热塑性浸渍胶带。

自动运输：Pinette Emidecau的这个工作站可以自动将材料送入和送出加热的压缩模具

碳纤维热塑性塑料是优先事项：尽管传统的玻璃纤维织造已外包给另一家供应商，但TPRC成员TenCate的Nijverdal工厂仍在继续织造碳纤维织物（见下图）

碳纤维增强预固结板材：TenCate的碳纤维织物最终在Nijverdal工厂用热塑性树脂预浸，在三台大型压机之一中成为CETEX热塑性板材产品。

实现机器人功能：技术人员引导科里奥利热塑性胶带铺设机器人通过一个平面演示面板。机器人头可以配置为铺设热塑性或热固性浸渍或干燥的胶带，并且可以配备正确的加热元件，并能够施加适合每种材料的压缩力。

零件原型和测试：除了TPRC活动外，科里奥利还为客户提供原型、测试和设计服务，包括使用机器人设置进行零件叠层试验，如图所示。

热塑性塑料永远保持5年的成熟期。

CW的前身《高性能复合材料》杂志于1994年发表了一篇关于复合材料应用中热塑性基体的更新文章，其中记录了一位业内人士的这句话，20多年后仍然适用。

然而，已经取得了进展。热塑性复合材料在结构应用中的份额越来越大，其许多优点在欧洲比其他任何地方都更接近成熟。一个原因是热塑性复合材料研究中心（TPRC，荷兰恩斯赫德），这是一个由波音公司（美国伊利诺伊州芝加哥市）和一系列令人印象深刻的工业供应商支持的著名热塑性塑料财团，以及特文特大学、萨克逊大学和代尔夫特理工大学，它们都位于荷兰。TPRC总经理哈拉尔·海林克（Harald Heelink）表示：“人们对坚固、耐用、轻质的材料有着巨大的需求，以降低能耗。”。但他指出，“过去，人们对热塑性复合材料有一些巨大的期望，但这些期望从未得到完全满足。其中一个根本原因是人们对这些材料普遍缺乏深入的了解。”

CW有机会参观了TPRC和附近的几个TPRC成员的设施，并了解到该中心、其合作伙伴公司和欧洲其他地区的主要热塑性塑料重点团体（见本文末尾的“欧洲财团，太多了！”旨在改变这种模式。联盟成员正在进行一系列研究项目，旨在最终改善整个热塑性塑料价值链，包括复合材料零件的加工方法。

知识学院

为什么欧洲是热塑性塑料发展的温床？一个非常强烈的动机是，欧洲国家已经制定了严格的汽车报废目标，因此，他们青睐热塑性塑料的可回收性。Fokker Aerostructures（荷兰Hoogeveen）研发总监阿任特·欧夫润嘎（Arnt Offringa）表示，另一个原因是，他的公司和欧洲的其他公司，包括TenCate（荷兰Nijverdal）和DSM（荷兰Heerlen），25年来一直投资于热塑性塑料技术，现在正在从中获益。欧夫润嘎指出：“即使在20世纪90年代中期航空航天业的严重衰退期间，这项投资也得到了保持。”

海林克说，荷兰的热塑性塑料研发项目在2007年引起了波音公司的关注，这导致了波音公司、TenCate、Fokker Aerostructures和特文特大学在热塑性结构方面的初步合作。2008年，该小组在谢菲尔德大学先进制造研究中心（英国谢菲尔德AMRC）的最佳实践协助下，开展了两个关于材料、连接和粘合的联合研究项目。海林克说：“这项工作发现了许多需要大量基础研究的主题。”。这导致了2009年成立TPRC的协议，该协议实质上创建了波音GlobalNet研究中心网络的新成员，该网络的存在是为了为飞机制造商提供材料和技术的创新和开发。

特文特大学教授、TPRC技术总监雷姆科·阿克曼（Remko Akkerman）表示，三年后，TPRC的设施在特文特本科校园附近投入运营：“我们能够建立一个拥有合适设备的基地来进行研究。这是一个基于波音联盟模式的‘知识研究所’，价值链上的成员帮助制定我们的研究活动路线图。”

财团的成员可以是“全额”一级或二级，这涉及较少的货币承诺。一级成员包括波音公司、福克航空结构公司、TenCate、美铝紧固系统和环公司（美国加利福尼亚州托兰斯）、特文特大学和萨克逊应用科学大学，在荷兰有多个校区，包括恩斯赫德。目前，二级成员包括科里奥利复合材料公司（法国奎文）、DAHER公司（法国南特）、Pinette Emideau Industries公司（法国沙隆苏尔索恩）、英斯特朗公司（美国马萨诸塞州诺伍德）、KVE复合材料集团（荷兰海牙）、Aniform公司（荷兰恩斯赫德）、荷兰热塑性部件公司（荷兰阿尔梅勒DTC）和代尔夫特理工大学（代尔夫特工业大学）。此外，海林克解释说，还有十几个“双边”项目成员，他们通过收费来开展熟悉热塑性材料的项目，但不是财团成员。目前，大多数双边参与者是汽车行业的原始设备制造商及其一级供应商。

TPRC的建筑内设有叠层台、由Italmatic Presse e Stampi Srl（意大利卡西纳·德佩奇）制造的实验室规模热压罐、Pinette Emidecau的自动化高速压缩成型工作站以及科里奥利公司提供的带有单丝束头的机器人自动铺带（ATP）系统。材料测试实验室、办公室、会议室和材料仓库完成了建筑内约1000平方米的建筑面积。海林克解释说，除了成员支付的费用外，该财团还获得欧洲和地区的资金，用于资助设备和研究工作。具体项目由TPRC的财团委员会和技术咨询委员会选择和指导。该工厂开发的新技术通过子公司归TPRC所有。海林克说：“我们拥有知识产权”，但强调“一级成员对该知识产权拥有自动使用权。”他说，与一级成员一样，二级成员也可以参与所有项目，但二级成员对知识产权的使用“必须得到一级成员的批准”

“这里的一个重点是开发更多更好的工程设计工具，包括软件和材料性能数据库，用于热塑性塑料，以帮助工程师进行零件设计，” 阿克曼补充道，他在创立AniForm方面发挥了重要作用，AniForm提供了一个求解器，用于模拟复合材料在成型过程中的行为。其他正在进行的TPRC研究包括对以下内容的调查：

海林克补充说，联盟成员也在研究增材制造方法和材料。

成员公司优势

与TPRC有关联的公司可以从创新研究中受益，并将其应用于自己的运营中。CW此前曾报道过在Daher Socata为空中客车（法国图卢兹）A350 XWB采用高速热塑性零件生产工艺，并将在今年晚些时候发布工厂参观，以突出福克航空结构公司成功的热塑性航空航天零件制造。

一级TPRC成员TenCate Advanced Composites自1704年以来一直是纺织品生产商，是航空航天热塑性复合材料的主要制造商。几公吨的TenCate CETEX热塑性塑料每年用于空客和波音机队系列的1500多种发动机、内饰和主要飞机结构应用。TenCate Advanced Composites EMEA运营总监罗布·布格特（Rob Boogert）表示，其母公司TenCate也是人造草、土工合成织物和个人防护织物的制造商：“我们的优势在于我们的多样性和满足客户需求的能力。”虽然热塑性塑料是一个主要焦点，但布格特指出，TenCate最近收购Amber Composites（英国兰利工厂）扩大了其在欧洲的热固性专业知识，并补充了TenCate在美国的预浸料业务。该公司几乎参与了所有主要航空航天项目的复合材料供应。

布格特与工程经理温恩·科克（Winand Kok）和欧洲、中东和非洲航空航天部门销售经理玛莉·科肯伯格（Marlie Koekenberg）在CW最近的访问中展示了TenCate业务发生的演变，从其传统的织造室开始，这些织造室采用英式锯齿玻璃屋顶，使织物免受阳光直射，同时允许无阴影的光线——这是评估纺织品质量的最佳光线。直到最近，许多自动织机还生产商品玻璃纤维和芳纶织物。科克解释说，这些现在是由赫氏（Hexcel-美国康涅狄格州斯坦福德和法国Les Aveniers）根据合同制造的。五股缎纹碳纤维织物，通常为125厘米宽，将继续在高速、自动化的Lindauer DORNIER GmbH（德国林道）剑杆织机上由内部制造，使用Toray carbon Fibers Europe（法国巴黎）提供的3K碳纤维丝束。

为了将其技术碳纺织品转化为热塑性复合材料，TenCate使用了多种工艺，并与多家聚合物供应商合作，包括Victrex USA股份有限公司（英国兰开夏郡Cleveleys）、Arkema（法国Colombes）和Celanese Corporation（美国德克萨斯州欧文和德国Oberhausen）。

对于福克航空结构公司用于在空客A380飞机机翼上形成J型机翼固定前缘的玻璃纤维/聚苯硫醚（PPS）材料，在加热层压过程中，将PPS薄膜应用于八股缎纹（重新定尺寸）玻璃纤维织物的两侧，形成科克所说的半预处理产品。对于通常用于飞机地板和内饰的半预浸料，编织碳、玻璃或芳纶纤维在溶剂涂层工艺中用聚醚酰亚胺（PEI）浸涂。但科克解释说，半预浸料也可以通过粉末涂层工艺制造，从而消除了形成热塑性层压膜的成本。该过程使用TenCate内部设计的机器。

他说：“我们多年来一直在完善这一过程，目前正在为空客公司进行资格认证”，以证明其与胶片和溶剂基预浸料的等效性。粉末涂布机可以快速地将任何热塑性树脂分配到织物上，然后织物通过加热的辊和烤箱，根据需要熔化和结晶聚合物。“我们可以实现非常严格的厚度公差，” 科克补充道，并解释说，如果需要更厚的产品，材料可以通过机器两次输送两层树脂。

TenCate著名的CETEX热塑性片材由三台大型加热压机全天候运行制成。工人们按照客户的规格，在1至24层厚的任何纤维结构中铺设热塑性预浸料，形成3.6米乘1.2米的片材。科克说，聚苯硫醚是最常见的基质，他解释说，叠层被转移到压机中，在加热、压缩和冷却过程中被加热和固结，这取决于板材厚度、树脂类型和所需的树脂结晶度。预固结的硬质板材产品几乎没有空隙——所有CETEX板材在客户发货前都经过C扫描检查，以验证质量和厚度。

科克总结道：“我们一直在努力开发性能更高的新产品。例如，PEI具有良好的防火/防烟/毒性特性，但它不能很好地抵抗液压油，因此PPS或PEEK是湿应用的更好选择。”。“最近产品开发的一个例子是碳纤维布/PEI预浸料，用作空客飞机发动机吊舱的进气口衬里。”他补充道，“我们参与TPRC使我们能够跟上热塑性塑料的进展，并在那里开展我们自己的产品研究项目，同时让其他合作伙伴熟悉我们的产品。”

机器人+热塑性塑料=新市场

快速加工热塑性塑料是TPRC使命的另一个关键组成部分。自动化工作站，如Tier 2成员Pinette Emidecau生产的工作站，可以加速相对简单零件形状的毛坯热成型。对于更复杂的形状，纤维放置和自动胶带放置技术有望实现。TPRC成员和机器人纤维铺放专家科里奥利复合材料公司着眼于为复合材料行业带来更大的自动化。首席技术官兼公司联合创始人亚历山大·哈姆林（Alexandre Hamlyn）表示：“TPRC为与关键参与者进行公开讨论以及在保密环境中试验新材料和设备提供了机会，这对我们来说是一个真正的好处。”。“我们赞赏只关注热塑性塑料，这使研究保持了重点。”

科里奥利使用现成的机器人元件，并将其与公司设计的头部和软件集成，形成客户特定的交钥匙工作站。机器人手臂通常由Kuka Robotics Corp.（德国奥格斯堡）提供，最多有八个运动轴。“中型”落地式机械臂的有效载荷能力为250公斤，而“大型”选项允许500公斤的有效载荷，并可以支撑相应更大的头部。可选的是由Güdel SAS（法国米卢斯）提供的旋转“定位器”或头架和尾架零件。机器人运动由西门子PLM软件股份有限公司（德国慕尼黑）的西门子840D控制器软件控制。

科里奥利公司制造和组装的机头可以配置为铺设热固性丝束、热塑性胶带或干燥胶带，并为所选材料制定适当的加热策略，宽度从6.4毫米到12.7毫米不等。哈姆林解释说，客户可以在较大的机头中指定单个或多个（4、8、16甚至32个同时）丝束。最小纤维铺设长度为90毫米，速度可达每秒1米，铺设速度可达每小时40公斤材料。该公司机头设计的一个关键特征是，丝束或胶带在非常低的张力下，从单独的成型塑料导管内的筒子架和多绞车张力控制器移动到机头。他指出：“我们发现，这些管子，再加上每条丝束上较低的张力，效果更好，因为它可以加快放置速度，减少桥接或纤维变形以及断裂的机会。”。

该公司声称，一个大约50公斤的小型科里奥利头是市场上最紧凑、最轻的，它足够小，可以用于凹模工具叠层，也足够轻，可以将纤维放置在蜂窝芯上而不会压碎。然而，哈姆林说，头部仍然可以提供每带宽10 N/mm的压缩力，这是波音和空客的行业标准。该公司开发了一种专利方法，可以将纤维放置在45°的尖角或半径上，这对于自动化飞机机翼翼梁叠层来说是一个优势。他补充道：“我们实际上有20项专利，涵盖了各种机器元件。”。

科里奥利工程师开发了控制头和纤维放置功能的软件。CADFiber和CATFiber与机器无关，可通过科里奥利的子公司软件公司用于任何AFP或ATL机器。CADFiber可用于设计纤维放置的零件，而CATFiber可以对自动纤维放置单元进行编程。这两个软件包都直接与达索系统（法国Velizy-Villacoublay）的CATIA/DELMIA或西门子SNX接口。客户可以在科里奥利技术中心试用软件和实际机器，并对项目的可行性进行评估，该中心有两个机器人和一个由12名工程师组成的团队可供研发合作。

据报道，许多重要的航空航天项目正在采用科里奥利设备进行自动化生产。其中包括空中客车公司的几台机器，德国斯塔德有四台机器，法国南特有一台机器，都在加工A350 XWB零件。其中两家位于Stelia Aerospace North America（法国塞德克斯梅里纳克，由Aerolia和Sogerma合并而成），生产A350 XWB舱门。达索航空公司（法国Saint-Cloud Cedex）在其位于法国比亚里茨的Falcon 5X复合材料零件工厂拥有一台机器，而庞巴迪股份有限公司（加拿大蒙特利尔QC）正在使用两台机器生产C系列后机身零件和后压力舱壁。航空发动机制造商赛峰集团（法国巴黎）正在使用科里奥利机器对某些发动机型号的机舱内部固定结构进行自动叠层。

除了这些成功的迹象外，哈姆林还强调了热塑性塑料零件的质量。哈姆林与几位空客工程师共同撰写了最近的SAMPE Europe演示文稿，比较了从热压罐中固化的热固性碳复合材料零件与使用激光加热和部分动态固化的机器人生产的碳/PEEK零件。然后将热塑性零件边缘装袋并烘烤一小时以实现最终固结。热固性零件和机器人生产的PEEK零件的测试结果显示，零件质量和性能没有差异。此外，该研究表明，热塑性复合材料可以很容易地引入生产链，并且生产率与热固性预浸料相同。

哈姆林表示：“我们的目标是随着时间的推移，使复合材料成型的自动化过程变得越来越便宜，将这项技术带给一级和二级供应商，以获得越来越多的二级结构。我们的商业模式是以降低成本为基础的。”。

他补充道，随着几个潜在的汽车客户的加入，一种用于汽车零件的特殊热塑性塑料铺放头可能会出现，这种头可以将废品率降至最低，并使用工业级的50K丝束来降低成本。

在增长轨道上

随着复合材料行业的不断扩大，热塑性复合材料正在上升。Fokker的Offringa指出了一些目前已经通过测试的合格飞行热塑性航空航天零件：空客A400M的驾驶舱地板；空客A340-500/600和A380的固定前缘；阿帕奇战斗直升机航空电子舱面板；湾流G4、G5和G6系列的地板；以及达索猎鹰F5X的舵和升降舵。他断言：“随着制造率的提高，其中一些零件的数量，特别是空客和波音商用飞机的零件，将增长到前所未有的水平。”。

海林克总结道：“我们拥有工具，并与合作伙伴共同出资，成功开发热塑性塑料，以满足这些大型原始设备制造商所需的创新速度。我预计该中心将持续增长，

以及未来与更多行业的合作，包括汽车和土木工程。”

欧洲财团，太多了！

还有更多的欧洲联盟，包括私营企业、大学和政府实体，它们的共同目标是探索复合材料及其制造方法，包括使用热塑性基质的复合材料：

2009年，荷兰成立了热塑性可负担的主要飞机结构（TAPAS）联盟，旨在开发用于空客（法国图卢兹）飞机结构的新型热塑性复合材料和工艺。该联盟正在开始其材料和应用开发的第二阶段，成员们希望到2017年将热塑性复合材料机身和扭力箱概念推向市场，以证明热塑性塑料在商业航空结构中的可行性。除了空中客车公司，TAPAS联盟还包括项目负责人福克航空结构公司（Hoogeveen）、机载技术中心和Kok&Van Engelen复合材料结构公司（均位于海牙）、荷兰热塑性部件公司（Alkmar）、Technobis纤维技术公司（Uitgeest）、TenCate先进复合材料公司（Nijverdal）、KE工厂、CoDeT和代尔夫特理工大学（均位于代尔夫特）、特文特大学（Enschede）和阿姆斯特丹国家航空航天实验室（www.tapaproject.nl/en）。

荷兰热塑性部件公司、Kok&Van Engelen、国家航空航天实验室、TenCate Advanced Composites和VIRO（荷兰亨耶洛）正在欧洲热塑性汽车复合材料联盟中合作。

机械制造商Pinette Emidecau（法国沙隆河畔）是一个由四家公司组成的财团的一部分，该财团将技术结合起来，提供自动化、高速的树脂传递模塑（RTM）生产技术。这家总部位于法国Bellignat的多元化供应商将以Global RTM的名义，利用其另外三个法国合作伙伴的专业知识，构建和销售交钥匙生产系统：工具制造商Compose（Bellignat）、注射系统专家Isojet Equipements（Lyon）和过程控制/监控专家S.I.S.E.（Oyonnax）。目标是提供能够每年生产多达150000个零件的交钥匙系统（www.globalrtm.net）。

一个名为WALiD（使用成本效益高的先进复合材料轻质设计的风力叶片）的四年项目，部分由欧盟委员会在第七框架计划下资助，该项目提议将工艺、材料和设计创新相结合，并为大型海上风力涡轮机装置引入热塑性复合材料风力叶片。WALiD财团将向该项目承诺总计510万欧元（540万美元），由11个欧洲组织组成，其中包括来自德国的弗劳恩霍夫化学技术研究所（ICT，Pfinztal）和Windrad Engineering GmbH（Bad Doberan）；来自英国的Smithers Rapra（什里夫斯伯里）；荷兰、TNO荷兰应用科学研究组织（海牙）、PPG工业股份有限公司（Westerbroek）和NEN（代尔夫特）；来自法国、卢瓦尔河沿岸的Mauves）和科里奥利复合材料公司（Queven）；以及以下公司：APT阿基米德聚合物技术公司（塞浦路斯）、Norner as公司（挪威Stathelle）和Comfil ApS公司（丹麦Gjern）。访问www.eu-WALiD.com上的WALiD。

由Georg Kaufmann Tech Center AG（GK Tech Center，Busslingen，Switzerland）设想的轻质集成工艺应用（LIPA）项目旨在开发一种成型和“反向注射”热塑性预浸料或混合热塑性织物的工艺，该组织称之为“有机片材”，以生产纤维增强的轻质热塑性部件，用于最终的批量生产。该多公司财团包括GK技术中心和瑞士合作伙伴ASE Industriautomation GmbH（Näfels）、Kistler Instrumente AG（Winterthur）、Krelus AG（Oberentfelden）和Quadrant Plastic Composites AG（Lenzburg）。该财团在巴斯林根的新LIPA开发中心建造了一个专门设计的柔性制造工作站；www.lipa-series.com/lipa-project。

恒星项目的目的是开发一种制造工艺，在复合结构的选定位置高速放置碳、玻璃和聚合物纤维增强基体。该项目将侧重于开发自动铺带（ATL），以三种制造模式选择性地放置增强的热塑性胶带：选择性地增强现有组件；组件的直接增材制造；用于压缩成型的选择性增强定制坯料的制造(http://stellar-project.eu/). 合作伙伴包括NetComposites有限公司（英国德比郡切斯特菲尔德）、Toyota Motor Europe（比利时Zaventem）、Airborne Development BV（荷兰海牙）、HBW-Gubesch Thermoforming GmbH（前身为德国威廉斯多夫Jacob Plastics GmbH）、AFPT GmbH（德国Dörth）、CGTech（英国伦敦）、ESI Group（法国Mérignac）、Kunststoff Technik Leoben（奥地利Leoben）和Fraunhofer IPT（德国亚琛）。

anhchaofNorth Thin Ply Technology（NTPT，Penthalaz Cossonay，瑞士）启动了一项名为TPCA的航空航天应用增韧薄层复合材料新研究项目，为期两年。TPCA的部分资金来自瑞士联邦技术与创新委员会（CTI）。NTPT与合作伙伴Huntsman Advanced Materials（犹他州盐湖城和瑞士巴塞尔）、洛桑联邦理工学院（EPFL）、瑞士西北应用科学大学（FHNW）、RUAG Aerostructures（瑞士伯尔尼）和Decision SA（瑞士厄布勒斯）联手。本研究的目标是提高薄层复合材料的韧性，以满足或超过航空航天要求。

原文，《 Thermoplastic composites technology: A view from Europe 》 2015.1.6

杨超凡 2025.4.11

来源：复合材料前沿