【复合材料前沿】纤维缠绕成型工艺与装备

　　复合材料具有高强度、高模量、高刚度、优良的减振性、耐疲劳和耐蚀性等优异特点，被大范围的使用在国防科学技术和土木工程领域。复合材料使用含量已成为评估航空航天器性能的重要指标之一。在树脂基复合材料的生产技术中，纤维缠绕技术是最早发展、应用最广泛的加工技术，也是最重要的生产技术之一。纤维缠绕技术作为一种成型技术，通过丝嘴和模具之间的相对运动，按照一定的规则将纱线束缠绕在模具上，从而制成复合材料组件。

　　纤维缠绕过程是按照一定的规则，将浸渍有树脂胶的连续纤维或布带缠绕在芯模上，然后将其固化和脱模。纤维缠绕复合材料的成型工艺是目前使用最广泛效率最高、成型效果最好的成型工艺，其产品性能均匀、稳定，也是最早开发和普遍的使用的技术。纤维缠绕成型工艺是指在纤维张力的作用下，将纤维纱片浸入树脂胶中，经过控制丝嘴与型芯模具之间的相对运动，将纤维缠绕在型芯模具上:以一定的编排规律做出复合材料零件的成型技术。图 1.4 为常见的纤维缠绕工艺示意图。

　　根据纤维缠绕成型时树脂基体的物理化学状态不同，将纤维缠绕成型工艺分为干法、湿法和半干法三种。

　　干法缠绕成型工艺是指加热连续纤维粗纱以浸渍树脂，在一定温度下除去溶剂，并使树脂胶液发生某些特定的程度的反应形成预浸料带，然后按照一定的规则和方法排布在模具上。干法缠绕成型工艺具有环保、使用起来更便捷以及缠绕效率高等优点，但是其成本相比来说较高，缠绕设备相对昂贵，预浸料的成本也是普通纤维的数倍，且成型时温度、缠绕速率以及缠绕张力都对产品的性能有较大影响，故工艺难度相对较大。干法缠绕成型工艺通常用于产品性能要求高的领域，如航空航天领域。

　　湿法缠绕成型工艺是指将连续的纤维丝或纤维布通过储胶罐浸渍于树脂中，并在丝嘴的引导下直接缠绕在模具上，接着进行固化成型的方法。该方法被大范围的应用，对缠绕设备和材料的要求不高，并且适合于生产大多数缠绕产品。湿法缠绕在成型的过程中受到张力、缠绕速度以及树脂浸渍程度等不稳定因素的影响，因此缠绕制品的质量不易保证。与干法缠绕成型工艺相比，湿法缠绕纤维在模具上的稳定性较差，因此控制湿法缠绕过程的稳定性是保证缠绕顺顺利利地进行的前提。

　　半干法缠绕成型工艺是介于干法和湿法之间的缠绕方法。像干法缠绕成型工艺一样，纤维需预先浸渍，然后反应到某些特定的程度。每种缠绕成型方法，都有其适用条件。在这三种缠绕方法中，湿法缠绕成型工艺是最常见的应用，干法缠绕成型工艺仅用于高性能、高精度的前沿技术范畴。

　　(1)精度高。在各种复合材料成型工艺中，纤维缠绕成型时纤维的铺放精度最高，尤其是在配备精密张力控制管理系统后，缠绕产品的精度已达到较高水平。

　　(2)生产率高。由于纤维缠绕加工设施的机械化、自动化和高速特性，其生产率大幅度的提升，便于批量生产。

　　(3)能形成巨大的结构。例如，缠绕高压罐 (用于加热和固化强度要求更高的缠绕组件)，并能在现场成型巨大的结构，从而节省了运输成本，这是其他成型方法不能够比拟的。

　　(4)强度高。纤维缠绕成型的复合材料的纤维含量高(高达 80%)，因此在绕过程中纤维处于张紧状态，对芯模或下部纤维施加正压，减少了缠绕组件，甚至无须放置。在热压罐中加热加压使其固化，强度也更高。

　　(5)质量轻。同体积情况下玻璃纤维能承受压力的容器的质量比金属能承受压力的容器轻。(6) 整体成型。可以与其他部件一起包裹在纤维中，减少其他方法经常遇到的组装和连接工序，提高结构的耐疲劳性。

　　1. 缠绕成型的适应性小，不是任何结构的产品都可以缠绕特别是具有凹形表面的产品，因为在缠绕过程中纤维不能靠近芯模的表面，否则会被架空。

　　2. 维绕成型需要缠绕机、型芯模具、固化炉、脱模机和熟练的技术工人，这需要大量的投资和技术，因此只有在批量生产时才能减少相关成本，并获得更大的经济效益。

　　用于纤维缠绕的设备是缠绕机，其通常由控制管理系统、浸渍系统、张力系统和缠绕机组成。缠绕系统组成部分如图1.5 所。

　　根据丝嘴的运动自由度，缠绕机可大致分为两轴缠绕机、四轴缠绕机、五轴缠绕机和六轴缠绕机。根据运动控制方法，缠绕机可分为机械式、程控式和计算机控制式。数控纤维缠绕机床如图 1.6 所示。

　　机械式缠绕机结构相对比较简单，制造成本低，可靠性和特异性高，通过执行器之间的物理运动关系，可实现纤维在模具上的缠绕。机械式缠绕机主要是针对的是固定形状的模具或指定的纤维纱线轨迹。对于具有特殊形状或复杂纱线布置的组件，不会再使用机械式缠绕机。

　　程控式缠绕机采取了液压控制伺服电机，同时采用拨码开关作为数据输入方式能相对容易地改变参数。程控式缠绕机分为数字控制缠绕机和模拟控制缠绕机数字控制是一种控制间歇性数字量或根据信息处理要求对数字执行运算的方法模拟控制是在信息处理中进行连续模拟控制或不进行数字操作的一种方式。目前国内生产中使用的大多数缠绕机都是数字控制的。

　　计算机控制式缠绕机的特点是先利用计算机计算出纤维的缠绕轨迹，然后求解出运动轴的坐标轨迹，并通过计算机控制多轴伺服电机的旋转实现复杂纤维轨迹的缠绕。与机械式缠绕机和程控式缠绕机相比，计算机控制式缠绕机可以更释确、更多样化地缠绕复合材料产品。

　　目前，我国的纤维缠绕技术正处于成熟的发展时期。纤维缠绕设备已实现计算机数字控制或微机全伺服控制。两轴、三轴和四轴纤维缠绕机的制造技术和缠绕工艺已经很成熟，各种能承受压力的容器、电绝缘产品和运动产品在缠绕成型中起着及其重要的作用。由国内许多大学、研究机构和公司开发的多轴数字控制或微机控制的纤维缠绕机用于复合材料的开发和生产，它不但可以为航空航天军事和核工业提供高精度缠绕机，还可以为工业提供通用的纤维缠绕机和民用的完整生产线。

　　例如，哈尔滨工业大学研制的大型龙门数控四轴、五轴、六轴联动纤维缠绕机:武汉理工大学研发的四轴四、八工位数控缠绕机及五轴、七轴纤维缠绕机;哈尔滨理工大学研制的全自动内固化高压玻璃钢管道生产线:哈尔滨复合材料设备开发有限公司研制的龙门、卧式多工位、多轴缠绕机;哈尔滨玻璃钢研究院、西安航天复合材料研究院等开发的环形缠绕机、球形缠绕机:

　　江南工业集团有限公司研制的大直径、多功能、高精度数控缠绕机;连云港唯德复合材料设备有限公司、西安龙德科技发展有限公司基于微机控制和西门子数控系统的-四轴联动缠绕机;连云港中通复合材料机械设备制造厂、衡水方晨玻璃钢设备科技有限公司等生产的定长往复式夹砂管道缠绕机;青岛朗通电气设备有限公司研发的夹砂玻璃钢管道连续缠绕生产线等。近年来，我国缠绕技术加快速度进行发展，但是缠绕设备整体自动化、产业化、创新化发展速度与国外发达国家仍有较大差距。

　　机器人具有自由度多、可靠性高、成本低等优点，应用于缠绕成型可实现复合材料制品的精确及柔性化缠绕。机器人缠绕技术包括缠绕轨迹设计、分析及后处理，从而形成专业的机器人缠绕 CAD/CAM 软件。国外对缠绕机器人的研究相对较早且已经很成熟。法国 MFTech 公司是第一家研究和商业化机器人缠绕的公司，由该企业来提供的机器人缠绕设备充分的利用了机器人的柔性，可采用抓取模具和带动导丝头两种方式来进行复合材料缠绕成型。加拿大 Compositum 公司研发了适用于ABB、KUKA 等多种品牌机器人和数控系统的全自动缠绕系统。荷兰 Taniq 公司研发了 Scorpo 机器人，搭载自主开发的工艺设计软件，用于纤维增强橡胶产品的纤维及橡胶带缠绕。

　　比利时鲁汶大学使用 PUMA-762 机器人与两轴CNC 缠绕机配合使用，以实现各种结构零件的缠绕和成型。加拿大渥太华大学已经进行了基于机器人的T形管缠绕研究。德国亚琛工业大学已经建立了一个复合材料柔性制造单元，并成功生产了如机床主轴和飞机机身之类的零件。荷兰代尔夫特理工大学搭建了机器人辅助缠绕/缝合/焊接工作站，用于复合材料制品缠绕及其他工艺研究。国内哈尔滨理工大学与哈尔滨工业大学机器人集体合作研发了国内首套机器人缠绕工作站，用于弯管、三通等复杂形状复合材料制品缠绕。我国在机器人缠绕轨迹设计、分析及后处理，以及机器人缠绕 CAD/CAM 软件研究等方面还处于起步阶段。

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