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1、纤维缠绕工艺进展一 缠绕成型工艺简介缠绕成型工艺是将浸过树脂胶液的连续纤维或布带、预浸纱按照一定规律缠绕到芯模上,然后经固化、脱模,获得制品。根据纤维缠绕成型时树脂基体的物理化学状态不同,分为干法缠绕、湿法缠绕和半干法缠绕三种。1. 干法缠绕 干法缠绕是采用经过预浸胶处理的预浸纱或带,在缠绕机上经加热软化至粘流态后缠绕到芯模上。由于预浸纱或带是专业生产,能严格控制树脂含量精确到2%以和预浸纱质量。因此,干法缠绕能够准确地控制产品质量。干法缠绕工艺的最大特点是生产效率高,缠绕速度可达100200m/min,缠绕机清洁,劳动卫生条件好,产品质量高。其缺点是缠绕设备贵,需要增加预浸纱制造设备,故投资
2、较大此外,干法缠绕制品的层间剪切强度较低。2. 湿法缠绕 湿法缠绕是将纤维集束纱式带浸胶后,在力控制下直接缠绕到芯模上。湿法缠绕的优点为：成本比干法缠绕低40%；产品气密性好,因为缠绕力使多余的树脂胶液将气泡挤出,并填满空隙；纤维排列平行度好；湿法缠绕时,纤维上的树脂胶液,可减少纤维磨损；生产效率高达200m/min。湿法缠绕的缺点为：树脂浪费大,操作环境差；含胶量及成品质量不易控制；可供湿法缠绕的树脂品种较少。3. 半干法缠绕 半干法缠绕是纤维浸胶后,到缠绕至芯模的途中,增加一套烘干设备,将浸胶纱中的溶剂除去,与干法相比,省却了预浸胶工序和设备；与湿法相比,可使制品中的气泡含量降低。三种缠绕
3、方法中,以湿法缠绕应用最为普遍；干法缠绕仅用于高性能、高精度的尖端技术领域。纤维缠绕成型的优点 能够按产品的受力状况设计缠绕规律,使能充分发挥纤维的强度；比强度高：一般来讲,纤维缠绕压力容器与同体积、同压力的钢质容器相比,重量可减轻4060%；可靠性高：纤维缠绕制品易实现机械化和自动化生产,工艺条件确定后,缠出来的产品质量稳定,精确；生产效率高：采用机械化或自动化生产,需要操作工人少,缠绕速度快240m/min,故劳动生产率高；成本低：在同一产品上,可合理配选若干种材料包括树脂、纤维和衬,使其再复合,达到最佳的技术经济效果。缠绕成型的缺点 缠绕成型适应性小,不能缠任意结构形式的制品,特别是表面
4、有凹的制品,因为缠绕时,纤维不能紧贴芯模表面而架空；缠绕成型需要有缠绕机,芯模,固化加热炉,脱模机及熟练的技术工人,需要的投资大,技术要求高,因此,只有大批量生产时才能降低成本,才能获得较的的技术经济效益。二 国外纤维缠绕工艺及其应用历史1. 国外纤维缠绕工艺及其应用历史20世纪40年代中期,国际上正式提出了纤维缠绕技术的概念。纤维缠绕制品的最早应用是1945年制成的玻璃钢环,用于原子弹工程。1946年,纤维缠绕成型工艺在美国取得专利,1947年美国Kellog公司成功地制成世界上第一台缠绕机,随后缠绕了第一台火箭发动机壳体,直径5英寸,长5英尺。60年代初期,出现第一代机械式纤维缠绕机,其控
5、制系统是由皮带、齿轮、滑轮和链条等组成的机械系统。美国宇航局和空军材料研究室用纤维缠绕工艺研制成功北极星导弹发动机壳体,在质量减轻1/2、射程提高一倍多的情况下,成本仅为钛合金的1/10,从而奠定了纤维缠绕在制造尖端军用产品中的重要地位。1973年Entec公司开发了第一台微处理器控制的纤维缠绕机。1976年第一个商业化标准的缠绕机型号McClean Anderson 60型投放市场。20世纪60-70年代是纤维缠绕技术飞速发展的阶段,在这一时期,纤维缠绕用的纤维仍然是以玻璃纤维为主导。但是,随着新纤维的不断问世,纤维缠绕的应用领域也拓宽了,已从军事部门扩展到化工、污水处理、石油及风能系统等重
6、要的民用部门,商用纤维缠绕机也开始在市场上销售,美国的多家公司都在生产各种高压管、污水管等,并缠绕出巨大体积的复合材料产品,如直径8m、38m长的风机叶片和直径10m、容积1000m3的巨型储罐等。20世纪8090年代,更多的计算机技术投入到缠绕机的开发当中,新一代微机控制纤维缠绕机开始研制。英国的Pultrex采用通用数控系统成功开发了四轴联动纤维数控缠绕机。当时,每台缠绕机的硬件部分都必须包括计算机和运动控制卡,机床的速度控制得到了极大改善,计算机控制系统能够更精确地跟踪机床的位置和速度并对其进行实时控制。与此同时,很多公司开始探索用计算机设计缠绕模式,即纤维缠绕CAD技术开始出现。用计算
7、机辅助设计缠绕模式,大大简化了缠绕模式的设计,从而减少了产品的开发和工艺设计周期。同时,为了提高生产效率,人产设计开发了多转轴缠绕机,即1台缠绕机同时缠绕多个部件或1台缠绕机上装有多个出纱装置同时缠绕一个部件。这一时期,纤维缠绕仍然以航空和国防为主,但在民用领域进一步扩展,如水力工程中用于制造各种压力管道、压力容器等。在此期间,第一台计算机控制的纤维缠绕机问世,使缠绕精度更高、形状更复杂的产品成为可能。进入20世纪90年代,纤维缠绕技术发展速度明显加快,进入新的高速发展阶段,商用领域进一步扩展到汽车、救生设备、运动器材等,多轴缠绕机已出现并得到发展。进入21世纪,缠绕机的功能更加完善,各种类型
8、的缠绕机广泛应用于航空航天、军工和民用工业等领域。纤维缠绕设备的开发速度明显加快,同时提高劳动生产率已被置于首要地位,多主轴、多运动轴联动缠绕机逐渐成为标准。为了解决异型件的缠绕成型,研制出了计算机控制的六轴联动纤维缠绕机,解决了基本异型件的缠绕成型问题,结束了用手糊、半手糊方式生产常用管道配件弯管和三通管的历史。更多运动轴缠绕机的引入使得缠绕形状更为复杂的产品成为可能,目前国际上已有七轴甚至多达十一轴的计算机控制纤维缠绕机。但由于高性能和大型的缠绕机可用于航空航天等军工部门,国外对我国一直限制出口。对于中小型缠绕机虽然通过一些渠道可以出口,但价格昂贵,如可缠绕1.6m、长度6m压力容器的四轴
9、联动卧式数控缠绕机价格要在40万欧元以上。国外知名的缠绕机制造商主要有美国的ENTEC公司、McClean Anderson公司和德国的BSD公司等。除硬件外,目前国外的纤维缠绕CAD/CAM软件也已经发展到很高的水平。CAD/CAM软件不仅具有完善的回转体纤维缠绕轨迹设计功能,还具有异型件纤维缠绕轨迹设计功能。对于各种常见异型件,已经开发出完善的CAD/CAM软件进行芯模设计、线型规划以及后置处理,可以根据具体的数控系统生成相应的控制代码。如比利时MATERIAL公司的CADWIND和英国Crescent Consultants Ltd的CADFIL,其中CADWIND历时12年研制成功,该
10、CAD/CAM系统受到用户的广泛欢迎,经多年实践,开发了多个版本,其最高版本价格约为4万欧元。2. 我国纤维缠绕工艺及其应用历史我国对纤维缠绕工艺的研究开始于1958年,其出发点是为两弹一星国防建设服务。60年代初我国开始了纤维缠绕技术的研究。随着微机和自动化技术的发展,目前国大部分纤维缠绕设备实现了微机控制,中低档的两轴、三轴微机控制纤维缠绕机制造技术和缠绕工艺已经成熟,并在管道、储罐以及各种压力容器的缠绕成型方面发挥了重要作用。缠绕理论方面1965年我国完全掌握了缠绕规律和缠绕速比计算方法,实现了螺旋缠绕排线机械化。1971年起开始研究异型件缠绕,提出了异型件截面的相当圆假设原理,解决了异
11、型件截面纤维缠绕的近似计算问题。1987年提出了网格结构纤维缠绕计算原理,这项新技术的实现,不仅解决了某卫星的关键技术,而且标志着我国纤维缠绕技术进入了一个新的发展阶段。19961998年,一类新的非测地线-拟测地线路径算法被提出,它主要用于回转体的纤维缠绕稳定轨迹设计。工业大学结合缠绕设备的研制,所开发的缠绕软件Windsoft也愈趋完善,通过不断改进,现已经推出了第3个版本,逐渐成为一套比较成熟的纤维缠绕CAD/CAM软件。三纤维缠绕设备的创新和发展纤维缠绕技术是树脂基复合材料制造技术之一,是将连续纤维或布带,预浸纱经过浸胶后,按照一定的方式缠绕到芯模上,然后在一定温度下固化,制成一定形状
12、制品。纤维缠绕技术经半个多世纪的发展已经完善成熟。原材料生产已成为一个工业体系；缠绕设备从小到生产几毫米直径的杆件设备大到生产直径二十几米的化工储罐的现场缠绕机；从两轴缠绕机到十几轴的多功能缠绕机。产品广泛应用于航天、航空、国防和民用工业等领域。随着纤维缠绕复合材料的高速发展和广泛应用,要求纤维缠绕既具有更高的精度,更高的生产率和更大的柔性,与此相适应,纤维缠绕设备得到极大的发展,并且一些辅助系统也得到了长足的进步。1.芯 模美国Magnum Venus PlastechMVP公司开发的折叠悬臂式芯模可以大大提高生产效率,因为固化后部件易于移走。这种芯模最适合长度2英寸以上, 25英寸以下的部
13、件,可折叠的悬臂梁芯模不需要使用多个芯模,就可以将生产时间缩短50%。MVP缠绕系统的另一个特点是双芯模驱动设备,缠绕机缠绕架两侧都装有芯模驱动装置,这使缠绕机以更连续的模式进行生产,缠绕在一侧进行的同时,另一侧可以进行维修,移除或准备缠绕状态。缠绕完成时,缠绕架和铺放头可以旋转180度,将材料输送到相对的一侧进行缠绕。这种系统的优势在于生产效率的提高和时间的缩短。该设备无需停机装上或取下芯模,可一直连续缠绕。MVP双芯模驱动设备2. 高精度树脂浸胶槽德国BSD公司开发出一种高精度树脂浸胶槽。它是专为多芯轴缠绕机开发的。这些单独的收紧臂能抓紧松散的纤维。特别是在转动区域,可用作纤维断裂传感器。
14、通常,我们可以利用这个高质量的浸胶槽调整工艺,以减少树脂用量,提高纤维浸润效果。 高精度树脂浸胶槽3.新型挂线环系统德国IBK公司开发一种新型挂线环系统,在低缠绕角下改进纤维缠绕,挂线环减少了材料损耗和缠绕时间,挂线针连接成带状并根据芯模直径切割成所需长度。缠绕前挂线针插入芯模,然后在制品固化后拆下。新型挂线环系统4. 树脂和纤维控制系统MVP公司开发了一种能在缠绕过程中控制树脂和纤维使用的系统。这种系统可以计算正在使用的树脂和纤维用量。操作者可实时在树脂槽中调整以获取树脂和纤维的合适比例。另外,在缠绕结束后树脂最终用量能被记录下来。5. 机器人缠绕系统MF Tech公司开发了Pitbull和
15、FOX两个版本的机器人系统。Pitbull采用机器人传送纤维,将纤维缠绕到固定的旋转芯模上。现在Pitbull版本可以同时进行五个部件的缠绕。Pitbull能以2m/秒的速度运送150kg的原料。FOX系统能够带动芯模,使其旋转,将芯模移到固定的送料系统,FOX可以承受10kg重量,FOX适合压力容器的缠绕而Pitbull适合管道结构件缠绕。6. 径向移动臂和模块化虹吸预浸单元径向移动臂和模块化虹吸预浸单元的绕丝嘴的引入,极改进了湿法缠绕技术。这种概念以更高效、更经济的方式进行批量生产。6.1径向移动臂和绕丝嘴当缠绕压力容器时,有必要减少循环次数。这可以通过圆周方向几个固定位置上预浸纤维的模拟
16、丝嘴获得。如果自由纤维长度丝嘴和芯模之间的距离要保持连续性,那么绕丝嘴需在径向移动。在缠绕过程中,必须减少丝嘴轴向运动以便减小缠绕机安装长度。以前的绕丝嘴不是径向运动的。GmbH已经开发出这样一种氢气压力容器湿法缠绕的延伸装置,在圆周方向安装八个绕丝嘴如图4每个臂相应地浸渍并铺放碳纤维粗纱。这个系统在相同的工艺速度下输送材料是传统缠绕机的三倍,Material S.A的CADWIND软件使其可以自动产生满足绕丝嘴运行的缠绕路径。 绕丝嘴下图表示的是缠绕过程中的多绕丝嘴缠绕系统。绕丝头的操控直接与GmbH缠绕机的CNC控制直接相连,并在此处接收位置数据。程序,可视化都在Windows PC机上。使用改进的CADWIND软件
