亚琛工业大学轻量化集成生产中心（AZL）

武汉理工王继辉教授课题组

　　对单一的工艺过程进行孤立的研究已无法满足轻量化设计和生产的需求。因为：

·工艺链中子流程间的相互作用强烈

·对多材料系统的需求不断增加，其生产需要集成整个工艺链

目标：

亚琛轻量化集成生产中心将开展材料科学和生产技术之间严谨的跨学科合作，力求能够批量化生产轻质构件。

亚琛工业大学的Melaten校区具备工艺链中所需的全部设施。700多名科学家在此校区从事生产技术、轻质材料及其应用等方面的工作。亚琛工业大学除了拥有卓越的生产技术外，轻质构件的设计与整合能力也是独一无二的。

一、概况

亚琛工业大学的亚琛轻量化集成生产中心（AZL）成立于2012年（网址：http://www.azl.rwth-aachen.de/en/）。中心由工业塑料加工与技术工艺学院（IKV）院长Christian Hopmann教授，以及亚琛工业大学机床与生产实验室（WZL）教授、劳恩霍夫生产技术研究所的工业机械部主任Christian Brecher教授共同创立。

为了实现轻质构件，尤其是多材料系统部件的批量化生产，位于亚琛工业大学Melaten校区的AZL研发中心，将与相关合作机构共同研发能够进行连续生产的工艺链。

1.1 AZL的设施

办公楼

通过扩建合作机构现有加工园而建造的加工大厅，拥有生产玻璃钢/多材料构件的完整大型设备：

·复合材料压力机

·注塑/热成型机

·自动化系统

·抓取、搬运的机器人系统

·等等

人员编制

·科学家

·技术员

·设计师

1.2 AZL的服务

研发全方位的批量化生产技术：

·热塑性系统

·热固性系统

·多材料系统

复合材料研究院

·面向工程的人员教育：技术人员、实验室工作人员、工程师、经理

·研讨会

·卓越的销售和营销

咨询服务

·市场和技术研究

·技术转让

·标杆管理

·创新管理

1.3 教授

Christian Hopmann教授

亚琛工业塑料加工与技术工艺学院院长

IKV赞助商协会常务董事

亚琛机械工程学院塑料加工首席教授

　　1968年出生，目前在德国亚琛工业大学从事机械工程塑料加工领域方面的研究。

1996年，Hopmann在Eh Walter Michaeli教授的指导下，完成陶瓷注射成型毕业论文并获得工学博士学位。

1996年——1999年，在德国亚琛工业大学IKV塑料加工研究所担任研究员，

2000年担任零件设计与材料技术部门主任。

2001年——2004年，任总工程师，研究中心高级副主任。

2005年，Hopmann在顶尖的高品质聚乙烯和聚丙烯薄膜、无纺布和织物制造商RKW AG Rheinische Kunststoffwerke（今天：RKW SE）开始了其企业生涯，在位于德国南部Petersaurach的RKW工厂担任质量主管。

2006年——2009年底，担任挤出成型部门的主管，负责生产用于卫生、消费品包装和工业应用的聚烯烃薄膜。在此期间，为了提高管理能力，参加了瑞士洛桑国际管理发展研究所的执行发展计划。

2010年1月——2011年4月，担任瑞典赫尔辛堡RKW Sweden AB的常务董事。

自2011年4月以来，Hopmann一直担任亚琛工业大学工业塑料加工与技术工艺学院院长，并担任IKV赞助商协会常务董事，亚琛工业大学机械工程学院塑料加工方向的首席教授。

2012年1月，Hopman与亚琛工业大学机床与生产工程实验室（WZL）主任Christian Brecher教授一起成立了亚琛轻量化集成生产中心（AZL）。

Christian Brecher教授

亚琛机床与生产工程实验室教授

弗劳恩霍夫生产技术研究所生产机械部主任

　　1995年至2001年，

机床和生产工程实验室（WZL）博士；

机械调研团队主管；

机械技术部总工程师；

2001年，在德国著名的DS Technologie Werkzeugmaschinenbau公司任机械设计部总监；

2001年至2002年，任DS Technologie Werkzeugmaschinenbau 公司的机械设计和机器研发总监；

2002年至2003年，在DS Technologie Werkzeugmaschinenbau 公司任机械设计部总监；

2004年至今，任亚琛工业大学机床与生产实验室（WZL）教授

亚琛弗劳恩霍夫生产技术研究所（IPT）董事会成员。

学术经历：

2002年亚琛工业大学博士（博士）；

1990年至1995年：亚琛工业大学机械工程（生产工程）。

二、合作机构

亚琛工业大学工业塑料技术工艺加工研究所（IKV）

亚琛工业大学机床与生产实验室（WZL）

弗劳恩霍夫生产技术研究所（IPT）

亚琛工业大学汽车工程学院（IKA）

亚琛工业大学轻量化设计研究所（ILB）

亚琛工业大学纺织技术研究所（ITA）

弗劳恩霍夫激光技术研究所(ILT)

亚琛工业大学焊接与连接研究所（ISF）

三、AZL研究课题

AZL研究中心着重研发规模化轻质复合材料的连续生产工艺链，以及研发和生产最佳的多材料系统。在这领域，专注于：

·操作系统与自动化技术

·工装和模具的设计和制造

·多材料系统的加工和连接技术

·连续生产的工艺链及其制品质量控制

3.1 工艺链开发与验证

AZL的工艺链研发集成了不同的材料及生产技术，例如塑料和纺织工程技术、工装和模具技术以及自动化处理技术。

如何在控制成本、时间和质量的前提下，生产出多种材料复合的构件（例如金属-FRP复合材料），需要不同机构和学科的合作——这是AZL的核心原则。

3.2 操作及自动化技术

材料的精确加工、精准定位、半成品以及部件是多材料系统生产的关键技术。

由于采用创新的测试方法，AZL将在工艺链研发过程中遇到了如静电夹持（Fraunhofer IPT）或3D测量技术（机床和生产工程实验室）等挑战。工艺的重点在于系统的集成，实验室亟需引入新的高效操作和定位系统

3.3 工装与模具

混合构件的生产对工装和模具设计是新的挑战。部分研究内容如下：

·摩擦学、触觉、光量子学、机械以及化学表面特性

·新的密封概念

·预防污染

·变温加工

·集成传感器系统

这一方向需要多学科研究机构的研究与开发。

AZL相当于合作机构的集成，为各学科的技术提供一个良好有序的交叉融合空间。AZL在连续工艺链的基础上与工业相结合，进一步开发用于多材料系统的生产技术。

3.4 多材料系统的加工和连接技术

纤维增强塑料在成本和性能方面的潜力将通过与其他材料的复合来实现。GFRP / CFRP、金属、短纤维、长纤维和连续纤维增强塑料以及泡沫和蜂窝结构的复合是近年来研究和开发的热点。生产这些混合材料系统需要特殊的连接技术（例如粘接、铆接、塑料焊接）。

现代用于不同材料的连接加工技术，例如机器人、激光技术或现代模塑工艺，正在帮助人们探索创新产品设计，新的工艺以促进现有技术的发展。

这些技术在亚琛大学的各个研究所进行专业研发，并应用于AZL的工艺链中进行测试。AZL站在全局的角度看待问题：整合工艺链上游与下游的各个流程中并研究集成在一起的技术，而非孤立考虑。

3.5 持续的质量和流程控制

在高质量构件生产中缩短生产周期和加工时间是工艺链新的挑战。

为了把握测试技术集成的趋势，AZL，WZL和Fraunhofer IPT的科学家将完善测试技术和实施测量技术创新，所有的现代测量方案如下：

·在线（生产线）

·原位（加工过程）

·加工过程中的测量工具（测量处理操作的物理参数，例如振荡、温度、力等）

·根据适应性来研究不同情景下测量技术的集成

四、业务细分

轻质、高度稳定、耐腐蚀的材料在各个经济领域中都起着至关重要的作用，尤其在运输、航空、能源、石油、水和天然气、机械工业和厂区建设、运动和休闲等领域。

AZL通过学科交叉融合来探索轻量化结构的问题，在协同方面具有独一无二的潜力——因为生产过程或工艺链中的某些经济方面的专业知识可以传授给其他部门。这使得研究成果成倍增加，对合作伙伴来说极其有益。当然，AZL有着专业的保密协议对开发工艺和技术进行知识产权保护。

4.1 汽车和运输

　　汽车行业正想方设法地降低车辆质量以减少燃油消耗和二氧化碳排放量。

许多汽车制造商（如宝马集团或奥迪股份公司）力图将传统材料（如钢或铝）换为新型轻质材料（如纤维增强塑料（FRP））。主要研究和开发结构件：如车身、外部（车顶、翼子板、引擎盖）、车辆内部构件（例如轻型座椅或阀门）以及移动部件：如驱动轴、发动机部件、底盘或轮毂。

AZL研究项目的灵感和方案通常来自汽车和交通运输部门、中型供应商和相类似的专业机构，如汽车工程研究所（IKA）。AZL为其合作伙伴提供项目合作研究的机会，重点是轻量化生产技术的完整产业链。

4.2 航天

　　航空工业一直不懈追求轻质高强材料。油价的持续上涨迫使航空公司通过开发更轻的设计来节省燃料，使其对轻质高强结构需求进一步增加。波音B787和空客A350中碳纤维增强塑料（CFRP）的用量达到了到飞机结构重量的50％，便是一个很好的例子。

完整的机身结构、机翼和次承力结构，如内部结构和叶片或螺旋桨等都在轻量化范围之内。创新的材料组合可以继续减少这些结构的重量同时提高强度和耐腐蚀性，一体化结构可简化装配。

4.3 能源工程部门

　　在能源与动力工程中，轻质结构具有两个主要优点：提高机器的能量效率和实现诸如风力涡轮机中的长翼型的新设计。实现上述轻质结构要求材料具备高动态负载能力、耐化学性和更长的使用寿命。

通过整合AZL塑料工程、自动化和连接领域的专业知识，来实现新的制造工艺和工艺链，这是经济制造创新轻质产品的必经途径。

4.4 石油与天然气工艺工程

　　即使在石油和天然气生产中，复合材料也变得越来越重要：由于极高的输送压力和钻井深度的增加，大量的油气必须在海面下以及海面上运输。因此，这一领域对材料和部件的要求与许多轻质材料的特性一致。

石油与天然气工程要求材料具有良好的耐化学性（腐蚀）和高比强度（轻质输送线的压力稳定性）。只有依靠轻质材料的卓越性能，才有可能开采海底深层的石油。

4.5 机械与设备工程

　　包装，机械加工或纺织等行业正在通过较轻的材料（减小惯性）并结合更高的刚度和更大的阻尼系数来进一步改善加工过程中的动态特性——如振动和加速度。

为了提高工厂工作效率，生产技术领域的许多研究已开始探索具有成本效益和轻质高强的机器部件。因为AZL与机床实验室（WZL）和弗劳恩霍夫生产技术研究所（IPT）等机构的密切合作，可以接触到了解特殊工程问题和挑战的科学家。

4.6 消费类产品，体育，休闲

　　对于这个行业，轻质材料的各种应用如滑雪板，网球拍，船舶和冲浪板等不胜枚举。

过去许多轻量化制造工艺根据不同产品的需求而研发，使得制备工艺非常多样化。现在，这些工艺过程正变得更加经济和环保。在这个行业中使用轻质材料，主要原因是其优异的力学性能，如高比强度，以及设计自由度高和时尚的风格。

4.7 建筑业

　　建筑业轻质和耐久性材料以多种方式应用。主结构、天花板、墙壁、可移动的遮蔽物、隔断墙、隔音型材或简单的管材均有涉猎。

同时承载能力高和重量轻是轻质材料在这一领域中得以应用的主要原因。尺寸稳定性、良好的隔音性、可回收性或耐腐蚀性等功能进一步扩大了其用途。

五、新闻

·亚琛工业大学AZL中心新的恩格尔注塑系统

亚琛轻量化集成生产中心（AZL）正在其技术部门安装新的恩格尔注塑系统。恩格尔德国有限公司——与奥地利恩格尔轻量化复合材料技术中心合作——将在2019年安装带有转向板和17,000 kN锁模力的双组分注塑系统。这一装置是高效在线集成技术进一步发展的基础——不同类型聚合物的注塑。

恩格尔注塑系统将创新集成已有的纤维增强塑料（FRP）工艺和研发独特的新工艺，重点提高轻量化生产的资源利用效率。轻量化部件批量化生产的关键，是通过新设备、新研发、优化材料的使用方案，其中涉及多材料系统、连续生产工艺、工艺链以及自我优化工艺。

·功能化CFRP轻质结构项目BMBF“OPTO-Light”成功结题闭幕活动：利用激光加工不同塑料制备轻质CFRP。

这一项目成功开发了一种新的用于汽车车身的材料，这一材料通过非粘接工艺将环氧CFRP与热塑性纤维增强塑料结合在一起，能够在2分钟的循环周期内连续生产。项目的合作伙伴是BMW AG，KraussMaffei Technologies GmbH，ARGES GmbH，Precitec GmbH＆Co。KG，Sensortherm GmbH和Zeiss Optotechnik GmbH。

该项目分析了集成生产中不同工艺路线（有/无连接预处理）的潜力。首次用传统注塑机（HPCM）进行预浸料压缩成型，显著提高了塑料行业环氧CFRP的加工潜力。

AZL及其项目合作伙伴凭借这一项目成果和新工艺获得了2017年AVK创新奖。

该项目始于2014年，采用光量子子工艺（如激光加热、激光升华）将不同的FRP（热固性与热塑性塑料结合）制成轻质部件，首个一体化制造单元实现了规模化生产。这一工艺在高度集成的制造单元上进行，最后应用于BMW i3汽车演示验证件。

OPTO-Light 工艺链

宝马车壳

2014年3月21日，慕尼黑KraussMaffei Technologies举行的启动会议的与会者

·RWTH：联合项目“Light Weight Tank Mat”的总体目标是显着降低汽车用塑料油箱的重量。

为此，开发了一种基于热塑性纤维增强塑料的新型轻质材料。

目前，对所需的产品性能，例如增加其高温下的刚度或改善低温下碰撞性能，只有通过增加材料的用量来实现。随着人们环保意识的提高以及为了减轻全球变暖而越来越严格的汽车二氧化碳排放限制，汽车制造商需要开发新概念油箱。Light Weight Tank Mat项目，分析并利用了新材料的潜力，逐步优化了工艺技术和模拟研究。项目将重点研究材料的应用和工艺概念的实施，以确保及时将成果转化为实际生产。

该项目由Europäischen Fonds für regionale Entwicklung（EFRE）资助。

七、大事记

·JEC 2014展会：创新预浸带铺放头被评为最佳工艺创新

·2014年Hopmann教授获得NRW创新奖（IKV，AZL） 

·舒勒公司与AZL（亚琛综合轻量化生产中心）之间的战略联盟

·热塑性和热固性复合材料顶级供应商TenCate Advanced Composites继续与AZL合作

·两次SAMPE-创新奖

在第20届全国研讨会上，SAMPE Deutschland eV首次将奖项颁发给一个研究所——IKV

2014年IKV获两项SAMPE创新奖