纖維纏繞成型工藝及裝備研究進(jìn)展及發(fā)展趨勢
2020-03-12
一、前言
纏繞成型裝備經(jīng)歷了機(jī)械式、數(shù)控式、微機(jī)控制、機(jī)器人纏繞的發(fā)展歷程。目前纏繞設(shè)備的研究主要集中于多自由度、多工位、連續(xù)纏繞、復(fù)雜異形件纏繞、機(jī)器人纏繞、高速高精度纏繞、多工藝復(fù)合、清潔制造等方向。纏繞成型工藝中輔助設(shè)備如快速浸膠裝置、多絲嘴及模塊化導(dǎo)絲頭、高精度張力控制器、內(nèi)加熱固化模具等也不斷改進(jìn)。
二、纏繞成型工藝研究進(jìn)展
1. 纏繞工藝
?纖維纏纏繞張力制度、纖維體積含量、纖維堆積、纖維架空以及交叉起伏、纏繞線型、圖樣分布、纏繞速度等因素對成型制品的應(yīng)力、應(yīng)變、剛度等性能的影響研究。
纖維架空 纖維堆積
纏繞線性
切點分布
2. 異形件纏繞
?目前纏繞理論已經(jīng)相當(dāng)完善，已經(jīng)開發(fā)出具有各種典型異型件的纏繞軌跡規(guī)劃的纏繞軟件。目前主要集中于應(yīng)用較多的T形管、彎管及異型回轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)件的纏繞。
異形件纏繞 彎管纏繞
3. 工藝復(fù)合-拉擠/纏繞/編織
?纏繞與拉擠工藝復(fù)合，簡稱拉繞。其工作原理是先拉，形成單向里層；環(huán)向纏繞，增加徑向強(qiáng)度；單向拉擠，形成較光滑的外壁。
拉繞工藝具有以下幾方面的優(yōu)勢：
?拉繞工藝是連續(xù)生產(chǎn)；
?內(nèi)外表面都是光滑表面，無需車削或磨削加工，減少材料消耗，降低勞動強(qiáng)度，同時減少對環(huán)境的污染；
?拉繞工藝保證纖維排布的有序性，最大限度發(fā)揮增強(qiáng)纖維的性能，保證制品性能的穩(wěn)定性；
?拉繞工藝生產(chǎn)的玻璃鋼膜殼具有很好的壁厚均勻度，平均偏差不大于0.1mm，從而可以保證加工多孔玻璃鋼膜殼的尺寸精度。
拉繞膜殼
4. CAD/CAM
?國外在纖維纏繞CAD/CAM軟件的研究上已經(jīng)發(fā)展到很高的水平。CAD/CAM軟件不僅具有完善的回轉(zhuǎn)體纖維纏繞線型及軌跡設(shè)計功能，還具有異型件纖維纏繞軌跡設(shè)計功能。對于三通、彎管等典型異型件，已經(jīng)開發(fā)出完善的CAD/CAM軟件進(jìn)行芯模設(shè)計、線型設(shè)計、軌跡規(guī)劃以及后置處理，可以根據(jù)具體的數(shù)控系統(tǒng)生成相應(yīng)的控制代碼。如比利時MATERIAL公司的CADWIND、英國Crescent Consultants Ltd的CADFIL和美國McClean Anderson公司的SimWind軟件。
CADWIND纏繞軟件界面
5. 帶纏繞-管件與壓力容器
?熱塑性纖維帶纏繞是近年來的熱點。帶纏繞具有更好的可設(shè)計性、更好的纖維樹脂結(jié)合性、更優(yōu)的成型效率，結(jié)合激光或紅外輔助在線固化工藝，可實現(xiàn)更優(yōu)質(zhì)更高效的工業(yè)批量化制造。產(chǎn)品具有環(huán)保、抗疲勞、耐沖擊等特點。采用該工藝制造的管件、壓力容器、異型件等，突破了纖維紗束纏繞和熱固性樹脂體系的諸多限制，具有廣闊的應(yīng)用前景。
帶纏繞管件
6. 纖維纏繞異型結(jié)構(gòu)連接件
?在纖維纏繞結(jié)構(gòu)件和連接件方面，利用先進(jìn)的纏繞軌跡設(shè)計方法、改進(jìn)的工藝和材料極大程度的減重和增加結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。典型的應(yīng)用有纖維纏繞結(jié)構(gòu)連接件、傳動件、整體框架結(jié)構(gòu)件等。
?核心技術(shù)是無芯模纏繞、定軌纏繞實現(xiàn)減重和異型結(jié)構(gòu)纏繞。
纖維纏繞連接 纖維纏繞框架
7. 壓力容器高效纏繞
?德國亞琛工業(yè)大學(xué)（RWTH Aachen University）研發(fā)多纖維纏繞壓力容器（Multi-Filament-Wound Pressure Vessel），可最高承壓700bar。這種容器可最多同時纏繞180股粗紗，實現(xiàn)一次纏繞一個纖維層。目前該制品應(yīng)用于車用燃料氣瓶。
?成型效率為傳統(tǒng)濕法纏繞的50倍；
?絲束無卷曲，可極大改善制品的力學(xué)性能；
?對于大型制品成型具有效率優(yōu)勢。
多股纖維纏繞壓力容器
8. 新型纏繞制品
?纏繞工藝及制品應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)展，如：
?植物纖維/帶纏繞復(fù)合材料具有比強(qiáng)度高、輕質(zhì)、環(huán)保、低成本等優(yōu)勢；
?纖維纏繞自行車圈具有更好的生產(chǎn)均勻性、更佳的性能及更好的耐用性等優(yōu)勢
碳纖維纏繞自行車圈
9. 電磁感應(yīng)加熱碳纖維工藝
?瑞典Corebon研制了一種采用電磁感應(yīng)直接加熱碳纖維材料的工藝，以及溫度數(shù)據(jù)模擬平臺。該技術(shù)適用于樹脂傳遞、模壓、固化爐、拉擠及纏繞等多種工藝。
?可縮短加熱時間達(dá)10倍；
?可直接加熱制品，也可采用碳纖維材料作為模具； ?節(jié)能效果好；
?可顯示三維溫度數(shù)據(jù)；
?為CFRP材料的快速在線固化提供了一種新方法。
三、纏繞成型裝備研究進(jìn)展
1.多自由度/多工位
經(jīng)過半個世紀(jì)的發(fā)展，目前我國的纖維纏繞技術(shù)已經(jīng)處于成熟發(fā)展時期，纖維纏繞設(shè)備基本實現(xiàn)了微機(jī)全伺服控制，兩軸、三軸、四軸微機(jī)控制纖維纏繞機(jī)制造技術(shù)和纏繞工藝已經(jīng)成熟，并在管道、儲罐、各種壓力容器、電絕緣產(chǎn)品，以及體育休閑產(chǎn)品的纏繞成型方面發(fā)揮了重要作用，六軸微機(jī)控制纖維纏繞機(jī)已用于復(fù)合材料制品的研制和生產(chǎn)。
2. 連續(xù)纏繞-熱固性纖維增強(qiáng)管道
熱固性纖維增強(qiáng)管道連續(xù)纏繞工藝技術(shù)核心是采用一個凸輪盤來推動鋼帶連續(xù)運轉(zhuǎn)形成管材纏繞內(nèi)芯模，鋼帶前后循環(huán)運轉(zhuǎn)，在移動的內(nèi)芯模上連續(xù)地完成玻纖纏繞、復(fù)合、加砂、固化等工藝過程。
?國外，歐美等國的多家企業(yè)自主研發(fā)了自動化程度高、勞動強(qiáng)度低、規(guī)格齊全、能耗低的玻璃鋼管道連續(xù)纏繞生產(chǎn)線；?國內(nèi)，青島朗通機(jī)械有限公司、連云港唯德復(fù)合材料設(shè)備有限公司等自主研發(fā)夾砂玻璃鋼管道連續(xù)纏繞生產(chǎn)線設(shè)備及生產(chǎn)技術(shù)。
3. 連續(xù)纏繞-熱塑性纖維增強(qiáng)管道
纖維増強(qiáng)熱塑性管道由多層組成，中間層是管道的纖維增強(qiáng)層。
?國外，英國Ridyway Machines Ltd公司(瑞奇威設(shè)備)等可以提供連續(xù)纖維增強(qiáng)熱塑性塑料生產(chǎn)線。加拿大Flexpipe Systems、美國TherCoil、荷蘭Airborne公司、美國DeepFlex、英國Magma Global、美國Composite Fluid Transfer(CFT)等公司都應(yīng)用連續(xù)纏繞成型技術(shù)與生產(chǎn)線實現(xiàn)連續(xù)纖維增強(qiáng)熱塑性塑料管的生產(chǎn)與應(yīng)用。
?國內(nèi)，南京晨光歐佩亞復(fù)合管工程有限公司、廣州勵進(jìn)和上海金緯等公司進(jìn)行相關(guān)技術(shù)研發(fā)及生產(chǎn)線研制。
4. 機(jī)器人纏繞
國外對纏繞機(jī)器人的研究相對較早且已趨于成熟，法國的MFTech公司最早研究機(jī)器人纏繞并將其商業(yè)化，由該公司提供的機(jī)器人纏繞設(shè)備充分利用了機(jī)器人的柔性，可采用抓取模具和帶動導(dǎo)絲頭兩種方式進(jìn)行復(fù)合材料纏繞成型。
加拿大Compositum公司研發(fā)了適用于ABB、KUKA等多種品牌機(jī)器人和數(shù)控系統(tǒng)的全自動纏繞系統(tǒng)。荷蘭Taniq公司研發(fā)了Scorpo機(jī)器人，搭載自主開發(fā)的工藝設(shè)計軟件，用于纖維增強(qiáng)橡膠產(chǎn)品的纖維及橡膠帶纏繞。
5. 自動3D纏繞機(jī)
泰斯金普（Cygnet Texkimp）與曼徹斯特大學(xué)共同開發(fā)出一種開創(chuàng)性的9軸3D 纏繞技術(shù)，實現(xiàn)汽車和飛機(jī)的輕量化部件纏繞。首臺3D 纏繞機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)制造燃油管道、斜面軌道、飛機(jī)翼梁等回轉(zhuǎn)中心線為曲線的復(fù)雜零部件的自動纏繞。
Cygnet Texkimp 3D 纏繞技術(shù)
6. 張力控制系統(tǒng)
在纏繞過程中，纏繞張力與制品的強(qiáng)度、疲勞性等有著密切的關(guān)系，對纏繞制品的性能影響很大，因此張力控制器是最重要的纏繞成型輔助設(shè)備。
?國外，美國的INFRANOR、Entec、Warner Electric、Dover Flexo Electronics（簡稱DFE），瑞士的ABB、英國的Pultrex等都致力于張力控制系統(tǒng)的研究并不斷的進(jìn)行創(chuàng)新，目前最高精度可達(dá)到2%以內(nèi)。
?國內(nèi)，哈爾濱復(fù)合材料設(shè)備公司、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、哈爾濱理工大學(xué)等已研制出精密張力控制系統(tǒng)；天津核三院、武漢理工大學(xué)和航天一院703聯(lián)合研制碳纖維大張力纏繞系統(tǒng)。
7.預(yù)浸帶/纖維纏繞系統(tǒng)
為了提高生產(chǎn)效率及成型制品質(zhì)量，國內(nèi)外紛紛研究預(yù)浸帶/纖維纏繞系統(tǒng)、紗環(huán)導(dǎo)絲頭、原位加熱固化系統(tǒng)以及高精度浸膠槽等。
8. 全自動纏繞生產(chǎn)線
應(yīng)用最為廣泛的復(fù)合材料管道及容器已經(jīng)形成大規(guī)模自動化、集成化生產(chǎn)線制造模式，生產(chǎn)效率及成型制品質(zhì)量大幅度提高。
全自動氣瓶纏繞生產(chǎn)線
四、纏繞成型發(fā)展趨勢
1. 需求及總體目標(biāo)
2、發(fā)展重點
3. 關(guān)鍵技術(shù)及裝備
五、課題組研制的成型工藝及裝備
1. 干纖維纏繞壓力容器新型結(jié)構(gòu)及成型工藝關(guān)鍵技術(shù)研究
干纖維纏繞模式對顯著提高纖維增強(qiáng)壓力容器耐沖擊性能具有重要的科學(xué)意義和應(yīng)用價值，在國內(nèi)率先將無樹脂干纖維纏繞工藝應(yīng)用于復(fù)合材料氣瓶及橡膠復(fù)合材料新型制品成型，解決傳統(tǒng)復(fù)合材料耐沖擊性能差、不易回收、生產(chǎn)效率低等問題 。
（1）研制推廣干纖維纏繞LPG氣瓶，推動我國煤氣罐、滅火器等傳統(tǒng)產(chǎn)品從金屬基材料進(jìn)入輕質(zhì)、長壽命、高安全性的復(fù)合材料時代。
（2）研制并推廣應(yīng)用干纖維連續(xù)纏繞增強(qiáng)橡膠氣囊、疏浚管、高鐵及汽車用氣彈簧、軍用橡膠起重器等高性能升級換代橡膠制品。
2.竹基多維異型結(jié)構(gòu)復(fù)合材料制造關(guān)鍵技術(shù)研究
在國際上率先研究竹纖維增強(qiáng)異型復(fù)合材料成型工藝及裝備，形成綠色環(huán)保生物基復(fù)合材料生產(chǎn)工藝、檢測試驗、性能表征及應(yīng)用評價等方面的規(guī)范、方法及標(biāo)準(zhǔn)。促進(jìn)竹纖維復(fù)合材料的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整和轉(zhuǎn)型升級，實現(xiàn)竹纖維復(fù)合材料在水利管道、汽車內(nèi)襯和建筑工程領(lǐng)域的拓展應(yīng)用，并進(jìn)行纖維增強(qiáng)綠色復(fù)合材料制品的創(chuàng)新創(chuàng)新研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。
纖維植物基復(fù)合材料圓管
3.基于機(jī)器人的纖維纏繞工藝與裝備
基于機(jī)器人的纖維纏繞工藝與裝備，解決纏繞復(fù)合材料制品從成型理論、工藝設(shè)計優(yōu)化到高效成型裝備研制的一系列核心工程問題。
以柔性工業(yè)機(jī)器人、模塊化末端纏繞機(jī)構(gòu)、精密張力控制及高效模具等為核心構(gòu)建復(fù)合材料纏繞、固化及后加工全工序系列裝備，基于機(jī)器人成型工作站實現(xiàn)全自動生產(chǎn)線的模塊化組建。
4.復(fù)合材料快速模壓工藝及全自動生產(chǎn)線
該項目研制的復(fù)合材料鋰電池盒上蓋與托盤比鋁合金減重20%，成本持平，實現(xiàn)復(fù)合材料電池盒的節(jié)拍化生產(chǎn)，節(jié)拍時間10min以內(nèi)，年產(chǎn)2萬件以上。
5.復(fù)合材料加工工藝及機(jī)加裝備研制
為突破纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的高效低損加工技術(shù)瓶頸，研制復(fù)材專用加工刀具，分析復(fù)材結(jié)構(gòu)對機(jī)械加工的影響，考慮刀具、加工工藝等對復(fù)合材料制品加工的影響，改進(jìn)及優(yōu)化現(xiàn)有加工工藝，并建立復(fù)合材料自動化加工制造技術(shù)規(guī)范?；趶?fù)材加工專用刀具及加工工藝突破復(fù)合材料數(shù)控加工關(guān)鍵技術(shù)。
6.特種纏繞工藝及制品
（1）采用回轉(zhuǎn)軸交叉變換的纏繞策略解決球纏繞厚度不均勻的問題，研制了碳纖維纏繞增強(qiáng)陶瓷球。
（2）與合肥工業(yè)大學(xué)合作研制了碳纖維復(fù)合材料環(huán)形燃料儲箱和碳纖維大張力纏繞飛輪。
（3）研制了碳纖維筋網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)天線罩樣件，并進(jìn)行了服役環(huán)境力學(xué)性能分析。
7.高壓管道纏繞機(jī)及生產(chǎn)線
（1）研制的高壓管道纏繞控制系統(tǒng)國內(nèi)市場占有率達(dá)80%，應(yīng)用于30余家包括央企、上市公司在內(nèi)的大型復(fù)材制造企業(yè)。
（2）推動大慶漢維長垣高壓玻璃鋼管道有限公司和蘇州久美玻璃鋼股份有限公司在加拿大上市及國內(nèi)新三板掛牌。
（3）生產(chǎn)管道應(yīng)用于西氣東輸、982海洋石油平臺及極地破冰船等重大項目。
（4）為荷蘭Future Pipe Industries公司（全球第二大復(fù)材管道制造商，年產(chǎn)值超過10億美元）研發(fā)了全球首套集纏繞、固化、脫模、磨切及傳輸?shù)裙ば蛴谝惑w的全自動玻璃鋼管道生產(chǎn)線。
（5）研制的全自動高壓玻璃鋼管道生產(chǎn)線出口到美國、俄羅斯等國，實現(xiàn)國內(nèi)高壓玻璃鋼管道制造裝備的出口。
8.電磁加熱超導(dǎo)模具及機(jī)器人纏繞工作站
（1）創(chuàng)新性地將電磁感應(yīng)加熱和熱管超導(dǎo)傳熱技術(shù)有機(jī)結(jié)合。研制了首套長度可達(dá)7米的電磁加熱超導(dǎo)模具，將其應(yīng)用于管道、傳動軸、絕緣子等制品內(nèi)固化成型。
（2）研制了國內(nèi)首套基于六自由度機(jī)器人的適用于濕法、干法、帶纏繞、干纖維纏繞工藝的纖維纏繞工作站、模塊化纏繞頭及高精度纖維張力控制系統(tǒng)。
9.其他復(fù)合材料成型裝備及生產(chǎn)線
（1）研制了基于彎管模具固定而導(dǎo)絲頭進(jìn)行旋轉(zhuǎn)纏繞的四自由度彎管專用纏繞機(jī)。
（2）研制了基于機(jī)器人的復(fù)合材料切割、磨削、打磨工作站。
（3）研制了碳纖維加熱壁畫涂膠粘合生產(chǎn)線實現(xiàn)鋪底布→鋪反射膜→鋪加熱板→鋪壁畫→切割→成品全自動生產(chǎn)。
（4）研制了碳纖維地?zé)崮K生產(chǎn)線，實現(xiàn)了碳纖維地?zé)崮K的上料→包反射膜→貼鋁膜→翻轉(zhuǎn)巖棉板→鋪加熱板→貼鋁膜→下料自動化生產(chǎn)以及自動化搬運。
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