摘要：随着制造商寻求提高生产率和降低成本，装配成为一个潜在的瓶颈和痛点，需要创新的解决方案。虽然机械紧固件和粘合剂粘合在复合材料组件中已经使用了几十年，但它们通常也涉及多步工艺链和其他增加成本和交付时间的问题。超声波技术弥合了紧固和粘合的好处，解决了其中一些挑战，同

超声波连接已经使用了几十年，但现在正在发展，以实现复合材料和多材料组件中的智能自动化紧固。

MM焊接

随着制造商寻求提高生产率和降低成本，装配成为一个潜在的瓶颈和痛点，需要创新的解决方案。虽然机械紧固件和粘合剂粘合在复合材料组件中已经使用了几十年，但它们通常也涉及多步工艺链和其他增加成本和交付时间的问题。

超声波技术弥合了紧固和粘合的好处，解决了其中一些挑战，同时提供了几秒钟的加工时间，并提高了一系列复合材料的效率和生产率，包括传统上麻烦的结构，如层压夹芯板。

机械紧固件、粘合问题

机械紧固件通常用于复合材料中，用于快速连接不同材料，同时使未来的拆卸能够用于维修或修理。然而，钻孔长期以来一直是一个问题，需要在钻孔区域添加额外的材料来解决承重纤维的切割问题。它还会产生灰尘/碎屑和多步过程链（物流、加工、清洁、检查、紧固件安装和最终检查）。

另一个问题是，某些类型的复合材料，如夹层结构、颗粒泡沫和非织造纤维垫，由于局部压缩和承载强度弱的问题，不太适合用螺钉或螺母和螺栓紧固直接组装。因此，通常需要首先创建一个“硬点”或加固区域来安装紧固件。

或者，粘合剂粘合非常适合直接将组件连接在一起，但可能会使拆卸变得不可能或非常困难。另一种选择是将粘合紧固件粘附到复合结构的表面。这里的挑战是为紧固件和基材材料找到合适的粘合剂，并在这两种材料上实现可接受的粘合性能。

多材料焊接的历史和应

图1. 直接超声波焊接。

图2. 热塑性塑料上打桩。

图3. 将金属元件插入/固定到热塑性塑料上。

塑料和聚合物材料中的超声波连接已得到广泛认可。几十年来，它包括类似热塑性塑料的直接超声波焊接（图1），将部件铆接在热塑性材料上（图2），以及将金属元件固定在热塑件上（图3），从而实现了在汽车和移动应用中不断增长的混合装置。所有这些技术都使用超声波能量来熔化热塑性聚合物，导致材料熔融和/或形成锁定连接。

MultiMaterial Welding（MM Welding AG，Biel，瑞士）成立于2015年，是一家与紧固技术专家Bossard Group（Zug，瑞士）合作的企业，开发了新型的MM焊接技术，该技术将超声波能量与热塑性塑料的熔化和形状锁定能力相结合，以实现安全的固定/紧固件安装。该公司的LiteWWeight和InWWerse解决方案可以针对特定应用进行定制，并被汽车、航空航天和铁路应用领域的广泛公司使用，包括宝马、大众、Stellantis、吉普、斯旺杜和斯托帕克。

使用MM焊接的紧固件安装也可以使用AI辅助数据处理进行鉴定。通过将超声波设备的过程数据与机器学习和人工智能算法相结合，可以可靠地预测特定应用的指标（如拉拔强度），提供紧固件安装质量和性能的在线实时验证（见上一节图7）。

案例研究1：复合夹芯地板

为了更好地理解下面的“它是如何工作的”解释，本案例研究展示了MM焊接的 该技术用于夹层地板，需要一个标准公制螺钉的连接点来实现连接。

5M（捷克共和国库诺维采）是一家生产用于铁路内饰的轻质高强度复合板的制造商。它希望改进其创建紧固点的传统系统（图4a），该系统速度慢且成本高。

图4a. 5M用于创建紧固点的传统系统包括将胶合板块插入聚氨酯（PUR）泡沫芯中，对其进行层压，然后在其中钻孔以嵌入螺纹插件。

在完成面板层压之前，之前的过程需要去除材料并将一块胶合板粘合到三明治芯中。然后，在胶合板块上加工螺纹插件。

Bossard与5M合作使用MM Welding的LiteWWeight双针紧固件插入件。这一新工艺包括直接在夹层材料上钻孔，并在1-2秒内使用超声波将双针紧固件插入件嵌入孔中（图4b）。这不仅消除了工艺步骤，而且通过自动化紧固件定位和安装确保了正确的首次组装。

图4b. 使用MM Welding开发的新系统从直接在PUR泡沫夹芯板上钻孔开始，然后使用超声波在几秒钟内嵌入LiteWWeight双针紧固件插件。

运作原理

与超声波焊接类似，MM焊接使用超声波堆叠的高频振动来产生局部摩擦，超声波堆叠通常包括压电换能器或转换器、改变振动幅度的增强器和将振动施加到零件上的喇叭或超声焊极。这会使热塑性材料熔化并流动，从而形成机械正锁和熔融连接。

通过这种方式，多孔和轻质材料（例如，蜂窝或泡沫芯）—对标准螺钉或铆钉构成局部挤压挑战—以及几何底切实际上成为MM焊接的一种强度，因为它们提供了锚固的空间。MM焊接产品目前包括LiteWWeight和InWWerse产品。

LiteWWeight技术旨在使热塑性聚合物和复合材料部件功能化，减少零件数量，简化制造工艺和物流要求。一种方法是通过形状锁连接实现紧固件固定，其中紧固件熔化并与母材互锁。这包括用于三明治结构的LiteWWeight Pin和Double Pin技术。

另一种方法是将紧固件熔化与载荷分散在比销钉更大的足迹上相结合。这是LiteWWeight zEPP用于发泡聚丙烯（EPP）泡沫材料的原理，也是MM Welding用于非织造材料的Lotus解决方案的原理。聚合物紧固件插入件在回收前不需要拆卸，这有助于循环。

InWWerse技术用于将金属元件安装到热塑性材料上，旨在克服低表面能材料和美学敏感部件的紧固等挑战。InWWerse还创建了形状锁定连接，解决了对工艺可靠性和机械性能的担忧，同时实现了化学上不同的热塑性材料的连接。由于能量的输入是局部的，受紧固件和工艺影响的材料体积被最小化，这减少了标记缺陷，通常被称为“通读”。这对A级表面（如薄汽车装饰件）很重要。

案例研究2:EPP紧固

EPP以其最佳的能量吸收和轻质性能而闻名，是汽车防撞垫元件的理想选择，如保护专家Storopack（德国麦琴根）生产的防撞垫元件。然而，使用螺钉直接组装可能会导致螺钉头和垫圈施加力的局部压碎。这使得难以实现足够的装配预载荷来牢固地保持紧固部件。负载分散的表面粘合解决方案可以避免这种情况，但粘合的紧固件通常是金属的，这也在寿命结束时（EOL- end of life）带来了材料分离的挑战。

图5. 此MM Welding LiteWWeight zEPP紧固点示例演示了在自动化应用中使用螺钉直接组装EPP防撞垫组件。

Storopack选择MM Welding的LiteWWeight zEPP技术（图5）在EPP材料中创建连接点有几个原因。安装过程不使用化学物质，并创建了一个干净、耐用且节省空间的连接。具体来说，zEPP插入件在泡沫中提供了足够的机械锚定，而不需要过多的截面深度或表面足迹。此外，由于LiteWWeight zEPP紧固件插入件是聚合物，它们可以像EPP组件一样通过相同的EOL材料回收和再循环系统，即不需要先将其拆除。这最大限度地减少了工艺步骤、时间和废物流，从而实现了更有效的回收。

MM Welding与Storopack合作，优化了zEPP紧固件插入件的设计和安装。Storopack需要一个M5螺栓的通孔，使表面相对于零件背面精确定位。此插件设计为黄色，与黑色泡沫形成强烈对比，使质量检查更容易。超声波安装参数，如触发标准、压制速度、振幅和端部条件，也进行了优化，以确保这种特定泡沫密度的最佳机械性能和z定位。

MM Welding随后与Storopack合作开发了一个自动化系统，用于在EPP防撞垫内安装LiteWWeight zEPP紧固件。最终的解决方案包括一个转台，可以在转台的一侧安装zEPP，同时工人可以卸载组装好的零件并在另一侧装载下一个零件。超声波堆栈安装在CNC门上，该门还包括由超声波喇叭中的真空通道支撑的拾取和放置进给系统。该系统可以拾取zEPP并将其移动到定义的连接位置，并在x、y和z方向上进行控制。这很重要，因为Storopack需要一个精确的接触面，以便螺钉头能够连接到防撞垫主体。该解决方案的速度提升也促进了汽车的吞吐率。

增加应用、回收和数字双/线程解决方案

MM Welding正在努力提高人们对这种紧固技术的认识，并增加使用案例，例如在航空航天领域。夹层板是用于飞机内饰的典型材料，已经有用于此类应用的LiteWWeight产品，但正在开发更多产品。

另一个关键领域是组件的可回收性，客户每天都在讨论这个问题。例如，这包括在EOL时可以轻松拆卸的组件。MM焊接可以通过创建单材料结构来实现这一点，其中紧固插入件由与结构相同的材料制成。EPP的zEPP解决方案就是一个例子，其中基材和紧固件插件均由聚丙烯（PP）制成。但MM Welding也在开发使用从EPP泡沫中回收的PP制成的zEPP紧固件，这不仅可以实现材料的闭环，还可以为EOL的回收提供更简单、成本更低的解决方案。

图6. MM Welding LiteW八个双销钉插入5M的复合夹层有轨电车地板。

还有许多公司试图在飞机内饰中用热塑性复合材料板取代Nomex蜂窝夹芯板。这是实现单材料解决方案的另一个例子，因为MM焊接紧固件插入件可以由与面板相同的热塑性基质设计而成。尽管MM Welding目前正在探索的材料包括成本较低的聚醚酰亚胺和聚苯硫醚，但也可以采用完全PEEK或PAEK（聚醚醚酮或聚芳醚酮）结构，面板和紧固件插入件均由相同材料制成。同样，这在EOL更容易管理，使用更高性能（和成本）的热塑性聚合物只是调整MM焊接设计和工艺参数以获得所需结果的问题。这种方法还可以显著加快内部安装，因为与为紧固件或粘合剂粘合创建封装连接的漫长过程相比，MM焊接过程只需要几秒钟。

图7. 机器学习在MM焊接安装中的应用

MM Welding还与瑞士西北应用科学与艺术大学（FHNW）完成了重要工作，对其紧固件插入过程的力学进行了建模。这包括有限元建模和仿真以及数据管理，特别是如何使用插入件安装数据来预测已完成紧固件的性能和性能。上文简要介绍了这些SmartSolutions（图7），并使用数据采集单元收集过程数据和定制算法进行分析。与FHNW的合作建立了这种数据采集和训练管道，能够预测每个紧固点的机械性能。据该公司称，这对整个供应链中的客户和数字线程的产品数字双胞胎具有巨大的潜力——每个连接点都可以被跟踪并标记其属性。MM焊接智能解决方案已经提供给客户。然而，对于许多公司来说，使用这种系统仍然是新的，需要时间来开发。

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原文，《MM-Welding solution automates, functionalizes composite joining 》 2024.12.25

杨超凡 2025.9.7

来源：复合材料前沿