TEPEX® 热塑性复合材料

特性 – 服务 – 知识

特性

CAE

切割

生产

成形

可持续发展

TEPEX特性

Tepex® 是一组完全浸渍、固结并呈板状的复合半成品。它们由高强度连续纤维（在Tepex® flowcore 中为长纤维）和热塑性基体制成。这些复合板可以通过加热和随后的成型在短周期内加工成复杂的部件。连续纤维主要是玻璃纤维和/或碳纤维的织物、嵌体或其他半成品纺织品产品的形式。基体材料是热塑性塑料，如聚丙烯、聚酰胺6、聚酰胺66、聚酰胺12、聚碳酸酯、热塑性聚氨酯和聚苯硫醚。Tepex®的优势可以总结如下：

高刚度极高的强度由于密度低，具有高轻质结构潜力组件制造中的周期时间非常短热塑性基体可实现包覆成型和焊接出色的设计灵活性无溶剂可回收极好的能量吸收特性热膨胀系数低良好的尺寸稳定性以及耐化学性和耐腐蚀性

纤维-塑料复合材料的特点是具有出色的刚度和非常高的强度，同时具有非常低的密度。这些是理想的轻质结构材料的特性。下表展示了一些标准 Tepex® 牌号的关键参数：

Tepex®组件的计算机辅助工程（CAE）对于实现较短的开发时间、经济高效的生产流程和针对负载工况优化的组件设计至关重要。在此过程中，设计与生产工艺和部件的机械性能以及生产和部件性能之间的相互作用都密切相关。

各向异性（即方向依赖性）是半成品在设计过程中最重要的性能。增强织物的形态导致了拉压不对称性，影响乃至于整个平面（层结构）的位置的，以及制造过程的悬垂性。树脂特性会影响温度，在某些情况下还会影响含水量，以及（取决于负载类型）与时间相关的蠕变。层结构在拉伸和弯曲特性之间也产生了比较大的差异。

使用标准有限元方法和计算程序（求解器）可以非常有效地表征制造过程和组件行为，其精度和预测质量取决于所使用的基于模型的方法、基础测量数据的范围和要计算的特定方面。

为了充分预测制造过程、最终的纤维取向和组件特性直至断裂行为，我们开发了基于有限元求解器 ABAQUS 的工具，这些工具可以表征所提到的特性和影响，因此可以直接用于 Tepex® 组件的开发过程。这些有限元工具使用的材料数据是通过与方向相关的拉伸试验计算的，有时伴随着很高的膨胀速率，以及各种剪切和弯曲试验。

图1：三点弯曲试验中的应力分布和变形

悬垂模拟

成型和悬垂模拟服务于两个相互独立的目标：确定织物中局部纤维取向和剪切角度的分布。这些信息在机械计算中是必需的，以考虑各向异性材料的行为。在项目早期的概念阶段，通常需要进行这种计算，以机械地分析此阶段的各种概念提案。因此，纤维取向的模拟必须快速且容易进行，并且需要尽可能减少关于我们目前尚不可用的模具的信息。为此，我们使用基于有限元的计算方法，该方法可以非常快速地（大约一小时）确定给定 Tepex® 几何形状的相关毛坯和方向分布。该过程并不精确，但通常足够准确（一步成型）。完整展示的成型过程，包括毛坯几何形状、模具几何形状、滑块、固定针、处理系统等。这里的任务是绘制流程图，在早期阶段识别任何错误，制定改进建议并评估流程可靠性。在这种情况下，纤维取向的计算在某种程度上是次要的。如果组件几何形状基本固定并且模具数据已经可应用（至少对于模具表面来说），但仍存在一些柔韧性，则理想情况下可以进行完整的悬垂研究。

我们针对Tepex® 组件成型的模型基于有限元求解器 ABAQUS。它考虑到这样一个事实，即热塑性织物复合材料不允许塑性成型，而是由于织物从平面模具中剪切应变（格子效应）而添加到组件的三维几何形状中。如果成型所需的剪切效应太大，以至于纤维锁定在一起，材料就会切换到正常方向并产生皱纹。这种效应也可以在计算模型中重现。

图 2：模型组件中的剪切角度分布

综合模拟

我们用于 Tepex® 的复合材料模型，结合在一步悬垂过程中为组件几何形状确定的纤维方向，使得组件刚度、强度、碰撞特性和振动特性的高效计算成为可能。这些工具既可用于纯 Tepex® 部件，也可用于使用嵌件成型、混合成型或流动成型生产的部件。因此，设计人员可以在计算机阶段应对组件的弱点，例如使用更厚的壁厚或加强试条。

这两种工具在众多原型和系列组件的开发中都证明了它们的适用性和精度，例如前端上安全带、制动踏板、安全气囊外壳、座椅外壳和信息娱乐支架（车辆音响系统的承重结构）。

图 3：该图显示了对 Tepex®混合组件集成模拟的主要影响

冷却行为模拟

我们通过一种建模方法对Tepex® 的成形模拟和新材料模型进行了补充，该建模方法还支持对加热的 Tepex® 在成型过程中的热过程的模拟。例如，该模拟模型基本上可以检查滑块下的冷却不均匀性及其对成型的反向影响，这源于材料的温度依赖行为。

由于该模拟过程需要有关加热过程和全部热条件的精确信息，并且总体上比等温方法复杂得多，因此通常仅用于分析非常具体的问题。

独立设计Tepex®组件

在联合开发项目中，我们采用集成模拟，为客户提供组件开发支持。然而，同样重要的是，为我们的客户提供可用于设计 Tepex® 新应用的工具，作为他们自己的 CAE 工作流程的一部分。为此：针对e-Xstream的商业程序Digimat，该材料模型已经进行验证，并填充了数据。我们的客户可以将该程序与多个计算程序结合使用。使用 Digimat 解决方案则需要合适的程序许可证。LS-Dyna（MAT 58）的标准材料模型已经确定，借助该模型可以有效地处理许多不同的设计问题。已经为大多数Tepex®牌号提供了线性材料数据集，无论使用何种代码，这些数据集都可以进行简单的刚度分析。

材料参数的储备不断扩大，可用于所有方法。所有情况都需要保存方向分布，例如，我们的专家可以使用一步叠加过程进行计算，并可用于指定的计算模型中进行保存。

整个开发链上的服务

我们的专家团队提供我们在材料、复合材料技术、模拟方法、组件测试、加工和制造方面拥有的完整专业知识。我们将这些专业知识引入到与客户的合作伙伴关系中。我们为 Tepex® 提供的服务包括：根据组件要求提供材料选择的帮助提供用于嵌件成型、混合成型和流动成型的定制聚合物牌号进行材料测试，以确定用于机械结构分析和组件设计的材料参数Tepex®的成型模拟用于连续纤维复合材料组件负载优化设计的集成仿真在我们的全自动化、具备生产质量的示范单元中再现客户的制造过程，以确定工艺参数以并进行质量控制和改进部件测试，如机械部件和气候变化测试

TEPEX®复合材料的切割

刀片切割

我们提供矩形刀片切割，甚至卷对卷纵向切割。

水刀切割

对于批量生产中的混合成型，需要净形状的预切割。对于这些高度自动化的工艺，我们提供专门为客户计算的轮廓切割。非常细的水射流在 4000 bar 的压力下切割 Tepex® 有机片材。必要时可添加磨料切割砂，进一步提高切割性能。在CAD 中提供 2D 切割轮廓，包括通过巧妙地排列和嵌套零件来优化切割速度和最大限度地减少浪费。磨料切割产生的切割砂和所有基于 PP 和 PA6 的边角料都是 100% 回收的。有关 Tepex® 边角料回收的更多信息，请参阅可持续发展部分。我们的水刀切割系统通过设计将会尽可能减少停机时间。通过将每台机器划分为两个独立的工作区域，一侧可以设置，而另一侧正在切割。我们还可以切割多张叠放的片材。这使每次切割过程的切割次数成倍增加，并使水刀切割成为一种极其有效的工艺。

TEPEX®有机片材 – 连续生产工艺

我们的 Tepex® 复合材料在连续、高度自动化的生产过程中完全或部分含浸。但为什么完全含浸如此重要？随着含浸质量的降低（空隙含量增加），几乎所有机械特性都会显著下降！特别是，完全含浸会指数级增加疲劳和剪切强度的极限。在质量方面，明确定义的完全含浸使客户能够进行简单和安全的进货质量检查。半成品的具体特征与最终产品的具体特征相同。

如何实现完全含浸？

为了用高粘度热塑性熔体完全含浸纤维组分，必须在一定时间内施加一定的压力。如果一个部分固化的半成品要在一个加热的模具中完成固化，那么这个时间很容易超过几分钟。我们对此的回答是：我们提供完全含浸的板材，可显著缩短零件制造的周期时间！

Tepex®生产技术可实现最高质量和经济性

在Bond-Laminates公司，我们使用双带压机在完全连续的工艺中生产有机片材。为此，塑料和纺织品（主要是织物）从卷筒被送入压力机。在机器的第一部分，聚合物通过与双带压力机的加热钢带接触，在压力下被熔化。在第二部分，等压压力分布确保塑料熔体流入织物结构。熔体区的长度为材料提供了足够的时间，以确保每根单独的细丝都被树脂包覆。双带压机的第三个区域主要负责有机片材的最终质量：在这里，通过在持续压力下冷却材料直到其再次处于固态，来校准相应的厚度。离开双带式压机后，将进行自动修边，并可切割项目特定的板材尺寸。

Tepex® DYNALITE的嵌件成型

为了获得成型和后成型的部件，Tepex® 嵌件可以在第一步中进行热成型，然后在另一个单独的步骤中进行后成型或包覆成型。第二步需要再次加热预成型件。

Tepex® DYNALITE的混合成型

混合成型为两步工艺提供了一种经济的替代方案。有机片材在注塑模具中一起被成型并注塑。为了在单个步骤中生产成型零件，半成品复合板被切割成近似于最终轮廓的坯料。使用这种方法可以实现非常短的周期时间（少于60秒）。

Tepex® FLOWCORE的模压成型

具有不同壁厚的复杂部件几何形状特别适合流动成型工艺。由于其用有限长度的纤维进行增强，Tepex® flowcore 适合于流动成型。这使得筋条和功能元素的成型成为可能。此外，流动成型还具有非常高的可重复性和短周期时间的特点。

Tepex®的混合压缩成型

通过将LFT或 Tepex® flowcore的压缩成型与预热复合板相结合，可以生产大型、极其坚固且无变形的部件。以这种方式生产的组件的关键特性是其极高的抗冲击性。

更轻的结构适用于更可持续的应用

对我们来说，可持续发展不仅仅意味着回收利用或生物基原材料，也不仅仅是为我们自己的材料确定回收方案。特别是对整个塑料行业，我们努力解决这一复杂问题。

通往更可持续未来的道路在很大程度上基于有意识地和经济地利用资源和能源。轻质结构是一种非常有效的方法，用于节省材料，从而减少运动或加速所需的能源。

20 多年前，Tepex®有机片材的开发者们开始将优异的机械特性与低密度结合在一种材料中。其结果是一个多功能的材料系列，可以根据广泛的需求进行定制，同时始终注重轻质结构的基本原则。

Tepex®的机械回收

Tepex® 有机片材等热塑性基体材料在加工和使用寿命结束时的回收方面具有许多优势。

针对工业废料，实用的回收利用概念已经存在，主要是来自Tepex® 加工边角料。在这个概念中，废物被磨碎，然后用于包覆成型半成品板材或可用于传统注塑成型。如今，该工艺已被用于 PP 和 PA GF 复合材料的后工业废物。纤维和树脂保持未分离。作为ReproOrgano项目的一部分，对于PP-GF复合材料，该工艺被从经济和生态两个方面调查和评估。

可再生原材料

除了循环回收过程和提高能效外，可再生原材料还为减少温室气体排放开辟了一种有吸引力的方式，因为它们在生产过程中会与二氧化碳结合。

将可再生纤维（如亚麻）与同样可再生的基质材料（如聚乳酸（PLA））相结合，可以最大限度地减少碳足迹，约为传统PC/GF系统的1/3。

加工时的能源效率

加工 Tepex®有机板材有多种选择方案，具体取决于纤维增强的类型、材料厚度、纤维长度和复杂性或组件的特定要求。量身定制的加工方法在每种情况下都能提供最大的可靠性、工艺效率和能效。

对轻金属以及基于热固性和热塑性基材的复合材料的不同加工方法的比较清楚地表明，Tepex®允许的集成度不断提高，这与显著的工艺简化有关。各个工艺步骤之间的污染风险相应降低，特别是当消除了研磨或抛光等后加工操作时。

这对于例如需精心涂漆的计算机或手机的外壳部件来说很重要。更少的工艺步骤意味着机器和设备的制造工作量减少，同时带来了更好的能源平衡，因为可以消除重复的冷却和加热。

清洁扫荡行动

如今，在世界各地的环境中都可以检测到微塑料。据估计，世界海洋中的微塑料已经超过了浮游生物。在沙漠、北极、珠穆朗玛峰、农田和空气中，到处都发现了大量的微塑料。在我们的食物中也发现了塑料颗粒，如鱼类、海鲜、盐和蜂蜜。

我们每个人都对此负责。环境中的大部分微塑料是由轮胎磨损和清洗合成纤维制成的衣服产生的。

但是，塑料加工行业也意识到了自己的责任。欧洲塑料协会——塑料生产商协会，其来自27个成员国的100多家成员公司生产超过90%的欧洲塑料——已加入清洁扫荡行动（OCS）。这是一项全球运动，旨在防止生产中的塑料颗粒造成的环境污染。

OCS是一项认证表明如果我们满足要求，可以在现有环境管理证书之外获得该认证。首先，我们将必须正式承诺该项目及其要求。然后在工作过程中，我们必须批判性地审视自己，检查在我们的生产过程中小颗粒塑料（颗粒/粉末）可能最终进入环境的位置，并找到防止这种情况的机制。

恩骅力宣布的目标是在2024年底之前使全球全部工厂通过OCS审核。