目錄

概述

熱塑性膠帶纏繞

啟用復雜形狀和產品試驗

熱塑性工藝挑戰

? 溫度控制

? 間隙和重疊

? 第一層策略

? 熱分布隨簾布層角度或幾何結構的變化而變化

? 層間附著力和結晶度

? 膠帶尺寸

? 氫罐用熱塑性膠帶纏繞的優點

完整課程

 

概述

熱塑性膠帶纏繞是一種高度自動化的工藝，用于制造管狀纖維增強熱塑性復合材料，如飛輪和管道。TTW工藝中的一個關鍵參數是壓輥將進入的預浸料帶與基材結合的夾點溫度。

 

熱塑性膠帶纏繞

在熱塑性膠帶長絲纏繞中，纏繞過程中發生完全的原位固結， 無需在烤箱中進行后處理。因此，軋制熱塑性零件可以在一個生產步驟中加工。熱塑性預浸料的在線熔化幾乎在焊接過程中立即發生， 只需幾秒鐘。這允許在無需后處理的情況下制造更大的幾何自由度，包括平面和凹面形狀。另一種可能的改進涉及局部定向纖維的能力。 熱塑性固結可避免纖維滑移，為測地線軌跡以外的各種纏繞路徑提供穩定性。

 

啟用復雜形狀和產品試驗

? 儲存氫氣、推進劑或壓縮空氣的壓力罐

? 管道/管道：用于水、石油和天然氣

? 結構部件：吊桿、外殼、格柵結構、集成

? 軸不對稱部件：管道

 

為什么在光纖纏繞上實施膠帶纏繞？

使用傳統纖維纏繞工藝制造罐/管已經存在了很長一段時間， 但使用膠帶纏繞，設計師和制造商可以獲得新的自由度：

? 使用非測地線纖維方向

? 為插件、安裝點等添加局部增強纖維

? 生產無襯里儲罐

? 使用更可持續/可重復使用的材料，如熱塑性復合材料

熱塑性工藝挑戰

? 溫度控制

對于壓力容器等關鍵產品，在大規模生產過程中，確保產品質量持續高水平非常重要。TTW是夾點的精確溫度控制，這可以通過實施下圖所示的熱傳感器并通過基于模型的學習來解決。

在溫度控制設置下用Humm3纏繞熱塑性膠帶

 

? 間隙和重疊

此外，膠帶的幾何位置對部件質量非常重要。尤其是膠帶之間的相對位置與壓力容器的機械財產有關。理想的條件是假設磁帶在路徑上彼此直接靠近。與理想狀態相比，主要有兩種不規則性會 影響進一步的生產過程，從而影響機械財產：膠帶路徑和重疊之間的間隙。

熱塑性膠帶纏繞過程中的不規則性

 

間隙可能導致機械不穩定性，因為材料在預期的區域缺失。然而，如果間隙不太寬，則對后續工藝的影響很小。 另一方面，兩條帶路徑的重疊導致不均勻的表面結構，并因此 能夠影響接觸壓力輥，并且能夠阻止下面的帶的正確結合。這些誤差是由負載變化、機械臂結構、速度計算延遲等引起的機器人精度的絕對連續路徑引起的。

 

? 第一層策略

與任何增材制造工藝一樣，TTW 中的第一層是一個問題，因為不同的材料“粘結”在一起。對于使用金屬襯里或可溶性襯里的儲罐生產，應考慮采用粘結方法。將環向卷繞與螺旋卷繞與軸向卷繞的情況進行比較，應考慮螺旋卷繞與軸向卷繞的滑動限制，并將其規劃為干纖維卷繞。

 

? 熱分布隨簾布層角度或幾何結構的變化而變化

在TTW過程中，熱量分布在進入的膠帶和基板之間。然而，由于光線為不同的幾何形狀投射不同的陰影，聚焦在不同形狀上的熱能投射出不同的能量分布。

激光輔助放置過程：膠帶纏繞（左）和膠帶鋪設（右）。 圖片來源：圖 1.5，“熱塑性復合材料激光輔助膠帶放置 中的熱趨膚效應”，Thomas Weiler，2020 年 1 月。

 

? 層間附著力和結晶度

熱管理是在熱塑性基體中實現充分的層間粘附以及充分的潛在結晶度的關鍵因素。應考慮降低疊層速度、提高溫度和延長加熱時間，以確保分子擴散。

根據 Schneider 等人（2016），聚合物夾層的溫度相關行為

 

? 膠帶尺寸

膠帶尺寸是膠帶纏繞的關鍵參數。從供應商處獲得恒定的膠帶 寬度和厚度將使產品可重復且均勻。但是，磁帶尺寸也定義了設計靈活性。例如，對于管狀心軸上的軸向疊層，膠帶寬度應足夠窄， 以符合心軸曲率。

圖片來源：A+Composites

 

氫罐用熱塑性膠帶纏繞的優點

熱塑性繞帶機使用革命性的加熱技術來改進過程控制，在其生 命周期內，它比傳統機器產生的排放更少。在機器上生產產品時產 生的廢物較少。熱塑性浸漬膠帶的使用使儲罐堅固、輕便且可回收。 針對特定幾何變化改進的機器學習加熱控制，確保生產的儲罐以前 所未有的質量水平可靠制造。

與使用熱固性材料的濕纖維纏繞相比，

使用熱塑性塑料的帶狀纖維纏繞的優點和缺點

 

自動纖維放置系統的膠帶和纖維纏繞能力Addcomposites現在為AFP系統提供了膠帶和纖維纏繞功能， 該系統可以在干纖維、熱固性和熱塑性材料生產線上工作。

 

完整課程

上述文章是《壓縮氫儲罐的設計與開發》課程的一部分。本課程涵蓋了更多內容，首先討論材料選擇和制造實踐方面的挑戰，以及正在探索的前沿趨勢。還討論了儲氫罐設計和分析中的關鍵問題。最后，討論了測試和認證要求，因為它們在行業驗收中起著重要作用。

注：原文見《 Thermoplastic Tape Winding of Hydrogen Tank 》

更新日期：2022 年 11 月 6 日