膨胀芯模成型制造复材零件灵巧工艺

Koridion可膨胀材料与感应加热模具相结合，在几分钟内以40%的材料和90%的能量制造出高质量、复杂形状的零件，为设计和生产带来了新的可能性。

使用Corebon感应加热模具（左上），将其Koridion可膨胀芯（右上）应用于生产A级碳纤维增强聚合物（CFRP）罩，该罩具有整体风道和复杂的几何形状。

Koridion是由创新公司Alia Mentis（意大利蒙特贝鲁纳）开发的碳纤维复合材料零件的可膨胀芯和工艺。它在JEC World 2023上推出，展出了各种零件，包括带有整体风道和A级透明碳纤维涂层的一体式引擎盖该演示部件也有助于成熟一种新的成型工艺，该工艺使用Corebon（瑞典马尔默）的压条（ pressclave）和配备感应加热的工具将Koridion膨胀芯模集成在一起。

Alia Mentis首席执行官朱塞佩·帕罗内托（Giuseppe Paronetto）指出：“（在JEC上展示的）汽车引擎盖是使用Koridion膨胀芯模在15分钟内制成的，没有像制造商目前那样将结构与外壳粘合。”。“但多亏了Corebon和我们新的集成压条系统，同样的汽车引擎盖可以在8分钟内完成，能耗降低了90%。”他指出，该系统使用轻质薄壳工具作为高科技模具。“在Corebon感应技术的支持下，我们将其与Koridion膨胀芯模相结合，实现了高效快速的生产过程，能够可靠地生产出质量毫不妥协的复杂几何形状零件，这些零件来自制造商告诉我们不可能或太贵的CFRP零件。”

Alia Mentis的营销经理帕特里克·卡塞利（Patrick Caseley）表示：“我们3-4年前开始与汽车制造商合作开发的零件现在正在投入生产。”该公司不仅与原始设备制造商和一级供应商合作，还与全球领先的预浸料生产商和材料供应商合作。“他们已成为我们的合作伙伴，利用他们的材料知识，在深层次上利用我们可定制的芯模来开发树脂系统和纺织品的性质，从而改变碳纤维复合材料的制造方式——这是一个更容易、更简单、更可持续的工艺。”

Koridion膨胀芯模（Active core）成型

Alia Mentis开发材料科学创新，包括新工艺和范式，以帮助设计师和制造商在医疗、航空航天、汽车、体育和工业等一系列行业彻底改变他们的产品。

卡塞利解释说，Koridion膨胀芯模的开发始于11年前，“作为如何避免CFRP转换过程中的限制问题的新答案。”这些限制包括如何制作更复杂的形状，同时避免使用热压罐、真空袋、充气袋来产生局部压力以及相关的问题和成本。

该水翼展示了Koridion膨胀芯模技术如何形成内部加强件，有助于将CFRP层减少30-40%，从而实现非常轻便耐用的高性能结构。

帕罗内托说：“Koridion膨胀芯模技术实现了传统CFRP工艺无法制造的一次性结构。”。“我们将预浸料和预成型的Koridion膨胀芯模放入压缩模具中，固化会激活Koridion材料膨胀，从而在整个腔体中施加均衡的压力。这会将纤维移动到模具的正确位置，并在一步中形成内部加强件。”

复合材料领域有句老话：“压力解决了很多问题”。Alia Mentis展示了如何在Koridion膨胀芯模工艺中证明这一点。帕罗内托说：“我们让一名技术人员做了一个非常糟糕的铺放。”。“你可以看到到处都是皱纹、切割不良和分层。这个零件本来是废品，但使用我们的工艺，Koridion膨胀芯模在均衡的压力下将干涉、重叠和错误的形状推到了正确的位置。最终零件中的所有边缘、下切口和圆角区域都完美地形成，表面没有印痕。”

此外，同时形成内部加强件的能力不仅可以实现无需固化和粘合多个部件的集成结构，还可以减少所需的CFRP量。卡塞利说：“你可以在我们制造的风筝板水翼中看到这些内部元素的力量。”。“当人们开始用这些产品跳浪时，它们会受到巨大的力。传统上，这些产品会出现断裂问题，这种集成结构在减轻重量的同时几乎消除了断裂。”

采用Koridion变形膨胀芯模制成的CFRP风筝板和水翼结构，具有集成加强筋。

帕罗内托说：“Koridion膨胀芯模可以减轻机翼、汽车引擎盖、车顶和各种结构框架的重量。”。“至少可以去除30-40%的碳纤维增强塑料层，这节省了很多钱，但也节省了时间、劳动力和能源。”他指出，节省劳动力很容易达到50%。“碳纤维作为一种材料目前是不可持续的——每公斤碳纤维增强塑料（CFRP）会产生30-35公斤二氧化碳当量。这也是通过使用更少的材料所消除的。由此产生的Koridion膨胀芯模也使轻型车辆成为可能，这可以在更少的燃料和排放下走得更远。”

帕罗内托总结道：“Koridion膨胀芯模生产的高性能零件减少了碳纤维和二氧化碳排放量。”。但芯模材料本身不会增加重量吗？“它是可溶的，所以你可以将其去除。但在每立方米23公斤的情况下，最好留下来并最大限度地提高抗屈曲性。”这只是其他轻质芯的一小部分。例如，用于海洋和赛车运动应用的轻质Nomex蜂窝可以低至48公斤/立方米（3磅/立方英尺），而用于复合材料的再生PET和Corecell泡沫芯通常从60-90公斤/立方米开始。

定制膨胀材料

帕罗内托指出，Koridion膨胀芯模不应与泡沫芯混淆，也不应与已经使用了几十年的复合泡沫和环氧树脂混淆。“可膨胀材料并不新鲜，”他表示赞同。“但我们的材料不同，因为我们生产量身定制的配方，考虑了每个项目成型过程中的关键参数。”

第一个参数是压力。帕罗内托解释说：“要形成复杂的形状，你必须在树脂的胶凝点之前压实叠层。”。“我们开发了芯模的化学配方，以匹配树脂的粘弹性行为，从而在正确的时间产生所需的压力和压实度。”据报道，Koridion膨胀芯模在成型过程中可以施加高达12巴的压力。然而，这种行为也必须与叠层的厚度和几何复杂性相匹配。

“我们还将匹配树脂系统的固化周期，”他补充道。“我们调整了Koridion膨胀芯模化学配方，以匹配树脂制造商推荐的工艺，其中还包括固化时间。我们可以容纳在130°C下1小时内固化的典型树脂，或在230°C下加工并在几分钟内固化的快速固化树脂。”

帕罗内托说：“这就是为什么我们的结果没有在其他可扩展系统中实现。”。“因为碳纤维增强塑料成型非常复杂，真的不可能只有一种化合物能满足所有需求。所以，Koridion膨胀芯模没有目录，而是根据每个零件的优化工艺变量，在每个零件的体积内提供均衡的压力。”

与热固性塑料和热塑性塑料的兼容性

Koridion膨胀芯模是一种热塑性材料，目前用于环氧树脂和预浸料。帕罗内托说：“这一直是我们的目标，因为我们主要开发了体育、高端汽车和军事领域的应用。”。“但是Koridion膨胀芯模也可以与酚醛树脂和聚酯树脂兼容。我们现在正在与主要的预浸料生产商合作，开发与热塑性预浸料兼容的配方。”

他指出，使用热塑性材料时，零件的形状是通过加热形成的，必须在冷却过程中保持不变。“这是材料有收缩风险的时候，但我们不希望这样。因此，这是我们用材料开发的专有技术的一部分，我们还对全球主要品牌的热固性和热塑性预浸料和树脂系统进行了一系列非常广泛的实验和实验室测试。”

帕罗内托说：“我们希望继续使Koridion膨胀芯模成型工艺更容易、更可持续。”。“为了实现这一目标，必须深入挖掘树脂、纺织品和Koridion膨胀芯模的性质。因此，我们正在与复合材料市场的主要参与者合作，开发具有良好集成水平的高科技解决方案。”

汽车引擎盖演示器

Alia Mentis正在与Corebon合作的行业参与者之一，旨在实现更高效的供暖和制冷。Corebon的研发主管肯尼斯·弗罗格纳（Kenneth Frogner说：“他们通过一个共同的联系方式联系了我们，需要快速循环工具。”。帕罗内托解释说，感应加热以效率和节能而闻名。“问题是如何经济可靠地将其与复合材料一起使用。”

汽车引擎盖演示器，具有高水平的外观处理（顶部），完成的引擎盖底部（中心）和复杂几何形状的特写（底部）。

两家公司开始合作，使Corebon的感应加热工具和压板适应Koridion膨胀芯模的材料和工艺。其中一项成果是在JEC 2023上展示了一款汽车引擎盖演示器，其Koridion膨胀芯模和感应加热CorePlate Adapt工具。

为什么是汽车引擎盖？卡塞利说：“这是一个很容易识别的部分，但很难制作。”。“制造汽车的人走过来说，‘你是怎么做到的？’他们知道他们目前无法制造出如此大或复杂、质量如此高的引擎盖。它具有复杂的边缘几何形状和一体式风道，由该零件一次性制成。它还非常轻便坚固，具有高度的装饰性。”

弗罗格纳补充道：“引擎盖是用一种非常轻便的金属外壳工具制成的。”。他解释说，轻质碳纤维增强塑料模具可以用预浸料制成，“但这是一种用于压缩成型的模具，包括感应加热。”这可以在开场图像和Koridion膨胀芯模在线视频（了解更多）中看到，其中上部和下部是栓接在一起的。卡塞利补充道：“它的制作是为了在整个过程中保持相同的厚度，这样感应系统就能非常快速地加热它。”

弗罗格纳说：“我们共同开发了汽车引擎盖演示器的模具，并提供了为多功能性提供通用解决方案的设备。现在，我们正在讨论如何采取下一步行动，针对真正需要高速的应用，以及在哪里可以优化工具以减少质量，这进一步缩短了循环时间，这样我们就可以在产量和可能的不同零件数量方面进行扩展。”

K1工艺

K1工艺。将带有Koridion膨胀芯模的预浸料预成型件放入感应加热模具中。将两个半模合上并放入CDG压机（顶部），固化周期在几分钟内完成（中心），包括用水和/或其他方式冷却。然后取出膨胀芯模并打开，零件脱模（底部）。

汽车引擎盖演示器也是推进Alia Mentis称之为“K1”的新处理系统的一种手段。该过程使用Corebon感应加热的工具和CDG（意大利卡雷）压机中的压棒系统，该压机具有多种冷却方式，包括喷水和浸没。

的方法，并将其应用于能够简单经济地管理它的系统中的3D壳模。”

弗罗格纳说：“这种组合为生产复杂零件提弗罗格纳说：“这台机器将热压罐的好东西和加热压机的好东西结合在一起。”。“首先，我们正在寻找一种能够接收壳模并保持几何形状控制的自动系统。其次，我们希望找到最好的方法来避免使用垫片和密封系统，同时仍然保证真空作用以抽出空气—因此，被集成到压机中。第三，我们正在寻求使用Corebon系统提供的感应加热的最佳和最安全供了一种新方法。”。“我们有一个高效快速的工艺，可以可靠地控制零件尺寸、形状和表面质量。此外，我们可以自由设置加热和冷却的速度。对于薄钢壳模具，加热速度可以达到每分钟50°C。但你可以设置得更慢，也可以定制冷却。”

“这也符合我们与Koridion膨胀芯模的可持续发展理念，”他补充道。“我们希望模具中的材料最少，只在需要的地方使用。”这减少了热质量和加热和冷却工具所需的能量，增加了使用Corebon感应技术已经大幅减少的量。弗罗格纳说：“与传统的碳纤维增强塑料工艺相比，我们可以将能耗降低90%。”。“我们对汽车引擎盖进行了计算，我们可以将每个零件的成本从40欧元降低到1.6欧元。”这包括压棒与热压罐的加工时间，以及真空装袋的劳动力和这些耗材与压条的成本。“多亏了这种新的集成工艺，”他补充道，“同样的汽车引擎盖可以在8分钟内成型。”

A类预成型件、3D打印模具

弗罗格纳说，Alia Mentis也在与预浸料生产商合作，研究如何制备带有嵌件的叠层作为预成型件，这些嵌件可以放置在感应加热模具中并快速成型，同时仍能达到A级表面。“我们正在与一些原始设备制造商和一级供应商一起准备首次生产复杂零件，例如，一个周期约为20分钟的发动机罩或车顶。从模具中取出这个零件后，只需将一个新的预成型件放入模具中，再次关闭它并激活压力机即可重新装载，以制造另一个零件。”

卡塞利指出，上述弗罗格纳提到的这些3D壳模实际上正在开发为3D打印。“这变得非常有趣，因为我们通过将铝块打印到正确的厚度，大大减少了将铝块加工成模具的时间和浪费。”但你仍然需要为A类零件加工模具吗？“是的，但和目前的模具制造相比，这只是时间和成本的一小部分，”他说。“然后，我们将Corebon感应技术集成到K1压条系统中。”

革命性的系统，未来的零件

高分辨率部件。该CFRP方向盘的X射线分析将Koridio变形芯模成型零件（左）与传统的真空袋装零件（右）进行了比较。

怕罗内托说，Alia Mentis将于2025年在JEC World上展示这一革命性的系统。“我们还将推出由Corebon提供动力的新一代外壳模具，以及Alia Mentis的新模具制造部门，该部门将生产这些3D成型模具，以满足已经对这些新系统有需求的市场。” 弗罗格纳补充说，这些将实施Corebon的新自动电感器设计和制造概念。他解释说：“这也将是每月生产大量零件的关键技术。”。

帕罗内托说：“我们将在今年夏天和秋天向原始设备制造商进行实时演示。”。“我们的第一个目标是与关键的原始设备制造商完成验证过程，然后将新的零件制造系统应用于一级生产线。”

这种新工艺在未来能够从根本上改变什么样的部件？卡塞利说：“我们花了将近12年的时间，但现在汽车制造商想在开始设计汽车之前与我们谈谈。”。“他们可以制造出以前从未有过的新形状。这是一场纯粹与工业设计相关的对话，我们正在讨论这种新材料和工艺的能力。然后我们一起研究如何最好地实施它。所以，这是一种全新的心态。”

他继续说道：“无人机和无人机制造商也在与我们联系，电气化的发展推动了减轻重量的需求。也有公司生产各种类型的客机。但你可以将其应用于任何类型的结构。这不是最便宜的技术，但它为高性能产品提供了很好的价值。”

帕罗内托说：“我们开发了Koridion变形芯模，以不同的方式将碳纤维转化为高性能CFRP部件。”。“我们终于打破了瓶颈，实现了新的、更复杂的形状，同时减少了材料、重量和能耗。但这不仅仅是这些好处。这是一种开发复合材料零件的全新方式，它释放了设计和生产的自由度以及可能性。”

Corebon为MentisAlia的碳纤维增强聚合物（CFRP）汽车引擎盖演示器配备了一个带有定制电感线圈的金属模具，该线圈与其CorePower逆变器一起使用，可提供快速、均匀的热量并缩短成型周期。

Corebon（瑞典马尔默）为使用热固性和热塑性聚合物（包括高端航空航天材料）制造和组装纤维增强复合材料提供生产解决方案。Corebon的R&I主管肯尼思·弗罗格纳（Kenneth Frogner）表示：“我们的解决方案基于专有的感应技术，该技术使用高效的非接触式加热。”。“这为成型复合材料零件提供了独特的机会。”

他解释说，感应可用于加热所有类型的导电材料，包括钢、因瓦合金、铝和碳纤维。弗罗格纳解释说：“感应加热小型金属物体已经使用了大约一个世纪，但直到最近，除了一些例外情况，大型零件和复杂的几何形状一直是一个挑战。”。“通过提供非常均匀的加热和冷却，Corebon可以帮助将模具的质量降至最低，仅受结构要求的限制，并在成型过程中抵抗压力。这使得金属模具能够快速有效地进行温度循环。”

红外图像显示，使用Koridion变形芯模的CFRP罩演示器的感应加热模具均匀加热。

“虽然传统的感应加热受到尺寸和几何限制，”他继续说道，“线圈损失很大，但Corebon使用柔性电线和现代材料，与其他加热方法相比具有更高的能效。例如，壁装插座中90-95%的功率在模具内转化为热量。与传统的复合材料工艺相比，我们通常可以减少50-80%的能耗。然而，最大的节能来自模具热质量的减少。”

在JEC 2023上用感应加热外壳工具模制热塑性复合小提琴箱的演示

Corebon提供不同类型的工具解决方案，包括有或没有支撑结构的金属壳工具。“我们还可以适应厚度变化较大的工具，” 弗罗格纳说。“外壳工具是最有效的，可能的加热和冷却速率超过100°C/分钟，最适合批量生产。与每个零件需要定制工具的情况类似，每个感应加热外壳工具都需要定制的感应器和冷却配置。冷却使用空气、水或混合物，具体取决于应用要求。”

对于背面平坦的模具，Corebon提供了更通用的解决方案，可用于不同的模具几何形状。根据所使用的加热和冷却技术，这些CorePlates有三种格式可供选择：

• 一体式是一个热循环板，通常安装在压机中，加热和冷却通过轻质压板传递到模具。

• 适配板使模具能够通过感应直接加热，有两种不同的冷却方式：在模具内或通过冷却结构的传导。

• Tailor是另外两种方法的结合，针对特定几何形状量身定制，可以实现更快的加热和冷却速率。当需要高水平的优化和高生产率时，对于只有微小几何变化的应用，使用这种方法。

Alia Mentis使用了一种经过修改的CorePlate Adapt工具，用于CFRP汽车引擎盖，以展示其Koridion变形芯模成型工艺。

弗罗格纳说，Corebon感应技术的核心是它的变频器，它为加热提供动力，并实现复杂的过程控制。“我们的逆变器是专门为复合材料开发的，”他解释道。“它们易于操作，提供广泛的功能，使其功能多样。例如，我们的系统可用于感应焊接，也可轻松集成到热压罐或压力系统中。”

Alia Mentis的CFRP发动机罩演示器（左下）使用Koridion变形芯模的多件感应加热模具。保护板用于螺栓连接的模具组件的顶部和底部，以便插入压力机。

CorePower逆变器是模块化的，可以堆叠以用于更大的生产设置。它们还可以为多个区域供电，以在厚度和几何形状变化时保持非常均匀的温度。“我们还具有能够实时分析过程数据以改进过程控制的功能，” 弗罗格纳说。

他指出，Corebon也在研究碳纤维结构的直接加热。“碳纤维热塑性塑料的感应焊接就是一个例子，但我们也为预浸料和干叠层的预成型提供原位加热。”

“我们的目标是消除阻碍复合材料制造的限制，” 弗罗格纳说。“因此，我们非常支持Alia Mentis及其Koridion膨胀芯模技术。Corebon作为合作伙伴，提供非常快速、准确的加热和冷却，从而缩短周期，减少能源消耗。”

------ 完 ------

     原文见，1. 《 Active core molding: A new way to make composite parts 》 2024.7.26

                 2. 《 Corebon induction heating 》 2024.7.26

                                    杨超凡   2024.7.29