获奖的摩托车刹车盘盖展示了一种创新的Conexus连接技术和亚麻纤维复合材料的应用潜力。
通过3次迭代的开发过程，KTM Technologies公司开发出了准备推向市场的新的摩托车刹车盘盖，该部件的开发成功，证明了其Conexus连接技术在整合热固性与热塑性组件方面所具有的潜力（图片来自KTM Technologies）
“可持续性”是于法国巴黎举行的2022 JEC World展会的官方主题！体现该主题的一个展出项目是一种摩托车的刹车盘盖。该刹车盘盖的特点是，在一个部件上使用了3项注重可持续性的技术，因而获得了2022 JEC创新奖的运动、休闲和娱乐类奖项。
通常，刹车盘盖安装在摩托车的轮子上，用以保护刹车系统免受石击或冲击。这一被设计成圆形嵌板的刹车盘盖，由亚麻纤维供应商瑞士Bcomp公司将其带入2022 JEC创新奖的竞赛之中。该部件由摩托车制造商——奥地利KTM公司的研发创新部门即奥地利KTM Technologies公司制成。
这一整合了3项技术的部件包括: 由亚麻纤维/环氧树脂模压成型的基础结构、由热塑性塑料注射包覆成型的外层结构，以及将上述两层连接起来而不使用粘合剂的一种创新技术。
KTM Technologies公司的销售业务开发总监Stefan von Czarnecki解释说，该公司高度重视可持续性，包括制造、部件设计和报废（EOL）解决方案在内的研发举措，都将确定和评估能实现大批量生产的机会作为首要目标。这些举措之一就是创造了一种创新的连接技术，名为Conexus，获奖的刹车盘盖就是为了展示这项技术而设计的。
获得2022 JEC创新奖的运动、休闲和娱乐类奖项的摩托车刹车盘盖
Conexus：无需粘合剂的多材料连接解决方案
在摩托赛车和其他许多终端市场中使用的热固性复合材料部件，经常要与其他材料的部件结合在一起，如由未增强的塑料或者金属制成的部件。与热固性复合材料一起进行多材料的连接，往往需要使用机械紧固件（这会增加部件重量）或粘合剂。除增加重量外，粘合剂所含有的化学成分通常被认为不具备可持续性。此外，基于严格的无损检测标准要求，通常还需要预处理，而且加工和质量控制也具有挑战性。
为此，KTM Technologies公司想要寻求一种可以避免使用紧固件和粘合剂的连接方法。在过去几年中，KTM公司开发出了Conexus技术，该技术的基础是一种热塑性的薄膜，被称作“一种连接层”。该连接层可以被添加到固化加工中使用的传统热固性复合材料叠层中，比如预浸料的模压成型。在固化过程中，Conexus层与热固性复合材料部分结合，既充当一种化学脱模剂，也作为一种未增强的热塑性塑料外层，允许另外的热塑性材料直接结合到其上。“然后，你就可以通过注射成型、3D打印或焊接来对部件进行功能化。”KTM Technologies公司首席工程师Michael Heider解释道。而且，Conexus技术适用于各种树脂和纤维类型。
Conexus技术是一种热塑性的连接层，被用在成型好的热固性复合材料部件与通过3D打印或注射包覆成型来实现部件整合的热塑性材料之间（图片来自KTM Technologies）
刹车盘盖: 先用碳纤维
测试材料试样。KTM Technologies公司首先在一系列的纤维与塑料部件的组合上对Conexus 技术进行测试，然后在刹车盘盖上验证其技术（图片来自KTM Technologies）
该刹车盘盖项目最初是为了展示Conexus技术，现在，一种碳纤维/环氧树脂版本的部件已由KTM Technologies公司开始批量生产，其特点是，通过注射成型使金属嵌件直接与热塑性塑料的组成部分相连。以该量产部件以及制造它的工艺和模具为基础，在2022 JEC World展会中展示的更具可持续性的亚麻纤维/环氧树脂版本的部件也已投入生产。
Heider解释说：“我们寻求用一种半结构部件来展示这种连接技术所具有的连接可行性与结构粘合剂是同样的。选择刹车盘盖，是因为它是摩托车上非常显眼的部件。”
KTM Technologies公司的工业设计部门从标准的刹车盘盖技术规范开始着手。通常，这些盘盖由金属或注射级别的塑料制成，含有几个孔，以便让气流进入刹车盘盖的下面。固定在盘盖底部的金属嵌件用于将盘盖安装并锁定到摩托车上。
设计结果是：
1. 用亚麻纤维增强的热固性基础层来增加刚度和抗冲击性；
2. 用包覆成型的热塑性塑料外层来添加功能，固定金属嵌件；
3. 成型中使用连接层来连接多种材料而无需使用粘合剂或紧固件。
采用这种新设计的目的是为了开发一种拥有3层结构的部件：最上层采用环氧树脂热固性复合材料，以增强部件的整体抗冲击能力和刚性；底层采用未增强的热塑性塑料，以固定金属嵌件；中间的Conexus连接层作为第三层，将上下两层连接起来。最后，热固性层与热塑性层稍有重叠，但重叠部分不是用来连接，而是为了保护边缘长期免于受潮和磨损。
第一次迭代：环氧/碳纤维部件。最初的环氧/碳纤维刹车盘盖成功地证明了这项技术适用于最终用途的部件。自此，KTM Technologies公司重新回到设计阶段，以便使用更可持续的材料（图片来自KTM Technologies）
从现有设计的 CAD 文件着手，设计团队采用数字仿真来设计新的部件，目的是将正确的材料用在正确的地方。为避免在注射成型过程中产生翘曲变形、确保良好的填充以及温度在连接层的均匀分布，他们还作了其他模拟。
“设计对于制造至关重要。”Heider表示。为实现盘盖的批量生产，生产过程必须相对较快，部件成本要尽可能低。“我们知道，我们想要生产一种具有吸引力的外观件，并使混合结构更加引人注目，但我们还想采用已有的并得到认可的工艺来制造部件，以便快速高效地制造部件。”他解释道。
为了提高速度，热固性部分的成型选用了模压工艺，热塑性部分的成型选用了注射成型工艺。“我们对这项易于加工且废品率低的工艺作了设计。”Heider补充道。
盘盖的原始设计是：模压成型的环氧/碳纤维上层通过Conexus 连接层与由PA6/ABS混合物（由位于德国法兰克福的英力士苯领公司提供）注射成型的下层连接起来。KTM Technologies公司与奥地利Alba Tooling & Engineering公司合作开发了用于热固性部分的模具，与德国Altendorfer Kunststofftechnik公司合作开发了注射成型用的模具。
首先，采用模压成型工艺成型出热固性复合材料的结构层。在铺层过程中，先将一层Conexus薄膜作为底层铺放到模具中，该薄膜在加工后的最终部件中大约有100µm的厚度。Conexus层采用了一种能与所选用的热塑性树脂（聚酰胺）和热固性树脂（环氧树脂）相兼容以便将它们连接起来的共聚物。不仅如此，Conexus层还充当了模具中的离型膜。然后，将碳纤维织物铺放到Conexus薄膜上，接着在150℃下成型，从而在热固性树脂与Conexus层之间形成连接。成型后，将该部件与一个位于中心的金属嵌件一起转送到注射成型加工站，在此，直接将PA6/ABS注射包覆到Conexus薄膜上，从而在该连接层与热塑性树脂之间形成另一个连接。
“我们不需要胶接步骤，也不需要铆接或栓接。注射成型并脱模后，我们可以直接将部件安装到摩托车上。”Heider说道。
更可持续的亚麻纤维版本
这种碳纤维版本的盘盖成功地示范了Conexus技术。Heider表示，“但我们的目标之一是，降低部件的总体碳足迹。因此，我们接下来考虑的是，如何制作一个更具可持续性的部件。首先，我们决定取代碳纤维，因为生产这种材料的碳足迹很高。”
过去，KTM Technologies公司曾与亚麻纤维供应商Bcomp在赛车项目上展开过合作，所以下一步将Bcomp的材料用于盘盖的试制是显而易见的事。
首先，两家公司重新回到设计阶段，在环氧/碳纤维版本的相同部件上作测试，这一次他们采用了Bcomp公司的ampliTex 5040 300gsm斜纹亚麻织物，该织物由环氧树脂浸润。同时，他们还采用了一层 Conexus薄膜，然后进行模压成型。与之前一样，接着是注射包覆成型PA6的底层。为了验证亚麻纤维与Conexus技术的兼容性，以及为了验证组合后的部件能否在各种条件下长期保持连接，他们还作了一系列的试验。Heider表示，虽然亚麻纤维的整体力学性能要比碳纤维的低，但这种材料却提供了其他优势，如改善阻尼性能，而且断裂时不会碎裂，从而增加了安全性。
测试完成后, 他们采用了与原来的碳纤维盘盖相同的模具和部件设计来制造新的示范盘盖。
亚麻纤维/环氧树脂和亚麻纤维/生物基PA。在刹车盘盖的第二次和第三次迭代中，KTM Technologies公司采用了Bcomp公司的环氧树脂浸润的亚麻纤维（此图所示）和生物基聚酰胺浸润的亚麻纤维，这两个版本的盘盖都荣获了2022 JEC创新奖（图片来自KTM Technologies）
针对碳纤维增强聚合物（CFRP）和亚麻纤维增强聚合物的盘盖，KTM Technologies公司依据其公司内部的质量标准，最终在公司内部的试样测试和部件测试中验证了其Conexus连接技术，证明了粘接部件所具有的附着力、抗冲击性和抗紫外性等。“我们将部件直接安装到摩托车上，由真正的骑手来进行测试。”Heider说道，“我们对这些部件分别作了力学性能测试，然后在摩托车上测试实际性能。”
“实际测试很关键。”von Czarnecki表示：“你可以预测或模拟很多场景，但是有一系列的情况是你无法预测的，如撞车、天气变化和石击等。”
Heider表示，从碳纤维变成亚麻纤维，由材料带来的碳排放可降低60%。“一方面，我们想要证明我们可以使用我们的Conexus技术生产出美观的高性能部件；另一方面，我们想要展示我们能够实现可持续发展目标。通过采用成熟的生产方法，我们可以方便地使用其他纤维或热塑性材料。我们准备向市场提供的创新的连接技术能够方便地适应每个客户的需求而不必投资额外的机械。”Heider说道。
下一步：亚麻纤维和生物基树脂，扩大规模
获得JEC奖的亚麻纤维/环氧树脂部件只是证明“可持续材料能用于制造刹车盘盖”的第一步。2022年10月，KTM Technologies公司凭借由亚麻纤维和一种生物基玻纤填充聚酰胺制成的新的盘盖部件而荣获了SPE（美国塑料工程师学会）汽车创新奖的车身外饰类奖项。
为生产该部件，KTM Technologies公司与德国Akro-Plastic公司展开了合作。Akro-Plastic公司专业生产塑料配混料，最近推出了生物基热塑性塑料产品线。这一次，KTM Technologies公司再一次从材料测试开始，针对这款荣获SPE奖的部件，决定采用Akro-Plastic的Akromid Next 5.10 3 GF 30玻纤填充PA6来试制该刹车盘盖，选用这种材料是因为其生物基含量高以及添加的玻璃纤维能为其带来较高的力学性能。与该公司已经量产的刹车盘盖相比，据说该版本的刹车盘盖凭借所用的材料可使碳排放降低70%。
谈及整个研发过程，von Czarnecki解释说：“我们研发的第一步基本上是从示范部件开始，然后是小批量应用，然后进入高产量生产。通过这种方式，我们为公司提供可行的以及获得资质的新技术，然后再扩大规模。”
现在，碳纤维版本的刹车盘盖可向后市场供售，并将从2023年起被安装到一些特殊版本的摩托车上，每年将为KTM的MX 和耐久性全尺寸摩托车型生产大约5000个CFRP的盘盖。该公司表示， 一旦测试完成，天然纤维的盘盖也可能作为一个后市场选项而被引入到KTM的PowerParts产品组合中。
“对于我们而言，驱动整个过程的策略是，使我们能够同时使用这些材料，并让每一种材料都发挥出它的最大优势。”von Czarnecki解释道，“也就是说，在需要获得力学性能之处以及在客户可见之处（以便真正欣赏亚麻纤维）使用热固性材料，而对于肋以及集成嵌件等功能，则使用热塑性塑料。通过这种方式，我们实现了最具成本效益的设计。”
使用寿命结束：回收利用与能量回收
除了展示天然纤维材料外，与碳纤维的盘盖相比，凭借Conexus连接层，这种亚麻纤维复合材料的盘盖还显著降低了温室气体排放，而且使用寿命结束后更便于循环利用。
在一个给定的应用中，对Conexus连接层的设计是使其熔化温度要低于热塑性的部分。这样，在部件使用寿命结束后，如果按连接层的熔化温度引入热量，Conexus层就会熔化，从而令热固性部分与热塑性部分轻松分离而不会损坏或融化这两部分的任何一部分。
热固性部分与热塑性部分分离后，可将热塑性部分熔化，然后重新成型为其他产品。理想的情况下，可对含亚麻纤维的热固性部分进行热解，然后将能量收集起来用于其他用途，如水泥窑共处理或废物-能源热电厂。
为什么不对亚麻纤维热固性部分进行回收或重新利用呢？Bcomp公司的赛车和超级跑车部门经理Johann Wacht解释说：“要想回收利用，你需要考虑你的基础材料。”他表示，该公司生产的亚麻纤维是一种碳排放为负的材料，而今天的任何回收方法都会消耗能源，导致总的碳足印较大。“在这种情况下，从天然纤维和环氧树脂中简单地回收能量才是更好的解决方案，因为你可以回收储存在材料中的80%的能量。”
“但是，对于碳纤维的刹车盘盖而言，则是另一种游戏规则。”Wacht说道，“因为生产碳纤维非常耗能，因此绝对有必要对碳纤维进行回收利用。”取决于具体的回收方法，用于回收碳纤维的能耗一般而言会使材料的总体碳足迹降低。
Heider表示，Conexus技术既确保了在热塑性塑料与热固性塑料之间实现牢固的化学连接，又确保了能够在正确的温度下实现分离。
未来应用：城市空中交通及其他
该刹车盘盖项目及其在摩托车上的应用对于Conexus技术而言只是迈出了第一步。von Czarnecki表示：“这项技术使得不使用粘合剂就能将不同的材料结合在一起成为可能，这提高了可持续性并减小了加工中的复杂性，因而提供了全新的应用范畴。”
生产准备就绪。KTM Technologies公司计划商业化地生产其碳纤维复合材料和亚麻纤维复合材料的刹车盘盖。除摩托车外，该公司计划未来将其目前已得到验证的Conexus技术用于汽车甚至城市空中交通等应用领域（图片来自KTM Technologies）
目前，KTM Technologies公司正在调研几个可以采用Conexus技术的摩托赛车项目以及汽车外部非结构件。此外，就像在与空中客车公司的复合材料技术中心（专注于Conexus技术与超声波焊接的应用）合作的一个联合研究项目中所展示的那样，Conexus技术的一大目标是，助力先进的空中交通等新兴产业实现智能化和高效率的制造。
Von Czarnecki强调说，这项工艺和技术不只是为KTM自己使用而设计。“我们的策略是，对这项技术进行鉴定并为我们自己而降低风险，然后让我们的制造合作伙伴在其他行业中使用它。”
该项目还证明了天然纤维复合材料非常适用于Conexus技术。Von Czarnecki表示，“预计碳纤维可能会出现短缺，而Conexus技术则为更少地使用碳纤维、更多地使用天然纤维提供了机会，而且天然纤维也很轻便并能节省成本。”
对于Bcomp公司而言，Wacht表示，该项目始终是为了展示“这项工艺能带来设计自由度”的一个完美例子。Conexus技术的潜力在于，可用于更复杂的形状，比如用于超级跑车内部或较大的车身部件。
原文始发于微信公众号（PT现代塑料）：热固性与热塑性的连接：天然纤维制成的可持续刹车盘盖
