新型復合材料成型設備的現狀分析

摘要：本文分析和介紹傳統生產加工復合材料的相關設備及其特點，并介紹了相關加工產品，對縱向纏繞技術進行了分析，闡述了復合材料加工過程中所表現出的物理特性，并且根據復合材料加工特點設計了纖維鋪放機。為了解決傳統設備在進行纏繞加工時，加工效率和加工質量比較差的問題，采用了機器人和綜合自動化設備完成纏繞加工工作，根據纏繞工藝的加工工作特點，設計并組建了纖維拉擠編織機。本文分析和介紹了新設計開發復合材料生產加工設備的工作特點和應用方法，系統闡述和分析了復合材料生產加工設備的現狀以及主要開發方向。

關鍵詞：纖維鋪放機；纏繞工藝；纖維拉擠編織機

中圖分類號：TB33 文獻標識碼：A 文章編號：1674-7712 (2012) 06-0174-01

一、引言

1946年，纖維纏繞工藝在美國進行了技術專利注冊，這是最早被注冊的纖維纏繞技術，纖維纏繞技術發展至今，技術越來越成熟，復合材料的應用領域非常廣闊，從復雜的航空領域到人們的日常生活應用，到處可以看到復合材料加工成型的產品，應用方式多種多樣，更先進的生產設備和加工工藝被不斷的開發出來，因此生產出來的產品也更加豐富。在60年代和70年代之間，復合材料加工成型的產品主要應用在航天領域以及軍事領域，包括火箭動力推動設的相關部件、雷達的相關部件、導彈系統以及魚雷系統的相關部件等。這段期間的復合材料生產加工成型技術主要通過機械纖維纏繞技術完成，雖然加工方式比較簡單，性能也比較可靠，但是由于技術過于簡單，無法根據需要靈活的更改加工參數，因此導致了相關制品種類較少。

在80年代到9O年代期間，由于計算機技術的發展、普及和應用，現代工業開始迅速發展，復合材料生產加工技術和成型設備被不斷的開發并投入生產，復合材料加工產品開始主要在航空領域以及人民生活用品兩大領域中被廣泛應用。隨著現代自動化工業的不斷發展，更多功能強大的生產設備投入使用，復合材料加工設備開始使用配套性和功能性更加可靠的計算機纖維纏繞設備。由于生產技術和加工工藝的提高，以復合材料為基礎的生產加工產品可以廣泛的應用于各個領域，包括航天領域、能源開發領域、軍事設備領域、礦產資源開采領域、化工領域、農業領域、民用領域、環保領域等。加工出的產品種類也不斷豐富，包括各種抗壓設備、大容量容器、存儲器等。

從2l世紀開始，更加高端數控設備和自動化工業技術被開發出來，因此復合材料生產加工設備和生產技術也開始高速發展，加工工藝也不斷的完善。當今的數控加工技術已經可以實現六維立體式加工，且隨著CAD／CAM技術的開發和應用，可以通過計算機準確高效的完成工業產品的設計，并可以完成精確的生產加工控制，因此復合材料生產加工技術也開始向更高的效率和更先進的工藝水平發展，生產加工的產品已經可以滿足各種行業需求。

二、新型復合材料生產加工設備

（一）纖維鋪放機

纏繞設備在復合材料生產加工設備中占有很大的比例，但是使用纖維纏繞設備進行加工時，但是使用這種方式對復合材料進行加工局限性比較明顯，就是在進行纖維纏繞加工時，沿縱軸零度方向進行纏繞時，無法達到理想的纏繞加工要求，因此在生產加工方面產生了很多的不良影響和限制。通過將纖維鋪放加工技術與纖維纏繞加工技術進行有效的結合，就是現代生產加工工作中所使用的鋪放機。纖維鋪放加工技術(Fiber Placement)是一種比較復雜的生產加工工藝，是在傳統纖維纏繞加工技術上進行改良而形成的，主要的生產加工過程為：首先將纖維通過纖維鋪放機進行加工，將平行的纖維集束生產加工成纖維帶，然后再完成預浸絲束的加工，并且通過控制使用纖維鋪放設備中的壓頭，完成在模具中加工纖維預浸絲束的具體過程。纖維鋪放不同于纖維纏繞和帶鋪放，它并非按測地線在模具上布紗；絲束寬度可精確控制；各絲束可單獨鋪放，以實現鋪放厚度的增減，沒有托紙，纖維鋪放機上的壓頭把絲束壓在模具上，消除纖維纏繞中易出現的分層現象。其優點是可精確控制鋪放厚度、工藝中可即時加壓密實、孔隙率低、纖維鋪放角度不受限制、材料浪費少。目前已有許多公司研發熱固性和熱塑性纖維纏繞鋪放機，集鋪放頭、加熱和壓輥裝置、切斷裝置于一體，成功地得到運用。

（二）利用機器人的成型設備

機器人用于復合材料構件設備具有自由度多、運動靈活、工藝范圍寬等優點，將成形工藝的各個工序集成化，尤其適合制造小型復雜構件，包括軸不對稱和雙凹面部件。此類成形纏繞方式，采用通用機器人，輸入可以控制多達六個以上運動軸的軟件，具有制造復雜零部件的能力，如肘管、高爾夫球的發球臺、高壓容器、機床主軸、飛機機身等零件。美、歐及加拿大正在研究開發中，法國一家公司目前已研發出一種用庫卡機器人與運動控制結合在一起用來纏繞航空航天及發電行業應用裝置。機器人應用于復合材料構件技術提高了設備的制造柔性，即同樣設備可以制造不同種類的制品。例如巴西一家公司應用這種設備在制造復合材料氣瓶后可直接生產高爾夫球桿。

（三）多種工藝復合的纖維拉擠編織設備

傳統拉擠制品以生產設備及工藝的高效穩定而在復合材料構件中占有相當大的比重。但是用這種工藝生產中空制品時，由于其環向強度低無法夾持而限制了它的應用。拉擠與編織工藝結合則大大改善了薄壁管的力學性能，使用這種技術的設備稱為拉繞設備。2009年哈爾濱玻璃鋼研究院利用這種技術成功開發直徑二十毫米玄武巖薄壁支撐管。拉繞設備的出現給復合材料拉擠制品帶來又一個新的拓展，體現了多種工藝復合所帶來的優點。進入2l世紀，在材料、控制技術、應用等方面一定會出現更多種復合趨勢。纖維編織工藝、壓縮模塑等工藝與傳統纏繞工藝相結合，將會大大提高纏繞工藝的適應性，纖維纏繞預制件與RTM技術相結合會擴大纖維纏繞工藝的應用范圍，多種材料復合、多種工藝復合將會使復合材料成型技術更加完善。

三、結語

科學技術的發展是日新月異的，我們有理由相信，隨著新的纖維材料、新的樹脂材料的不斷問世、高性能纖維性價比的不斷提高以及復合材料CAD／CAM技術、電腦控制技術的發展，復合材料成型工藝及其設備將會得到不斷完善、不斷發展，在更廣泛的應用領域大顯身手，復合材料成型技術正向著高自動化、高集成化、高效率、高柔性的方向發展。

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