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熱塑性復(fù)合材料預(yù)制件，用于管道、自行車車架及其他用途。法國初創(chuàng)公司3DiTex開發(fā)了一種用熱塑性復(fù)合材料帶或其他材料纏繞復(fù)雜形狀、中空、可熱成型 預(yù)制件的連續(xù)工藝。該公司的第一個目標(biāo)市場是體育用品，包括自行車車架部件，以及不久后的完全集成自行車車架，如圖所示。
從高性能體育用品到商業(yè)和國防航空航天零件，大量制造能力、易于回收的材料和設(shè)計(jì)自由是許多終端市場和應(yīng)用所采用的材料的三個日益重要的要求。
3DiTex（法國Canéjan）是一家初創(chuàng)公司，旨在為這三家公司提供生產(chǎn)中空、管狀、熱塑性復(fù)合材料預(yù)制件和最終用途零件的工藝，能夠模制成復(fù)雜的形狀，并由更容易回收的熱塑性甚至生物基材料制造，并具有大規(guī)模生產(chǎn)的潛力。
該公司的創(chuàng)始人 Bertrand Laine 和 Aymeric Azran 分別獲得了材料科學(xué)和材料力學(xué)的博士學(xué)位，并在復(fù)合材料和技術(shù)紡織品領(lǐng)域工作了多年。他們是在研發(fā)公司 RT2i（自被圣戈班收購以來）從事3D針織預(yù)制棒技術(shù)工作時認(rèn)識的，并于2016年決定利用他們的經(jīng)驗(yàn)成立初創(chuàng)公司Nobrak，專門從事定制纖維放置(TFP-tailored fiber placement)技術(shù)的創(chuàng)新。
萊恩說：“當(dāng)我們開始Nobrak時，我們修改了現(xiàn)有的TFP機(jī)器，制作了扁平的預(yù)成型件，然后可以沖壓成型或通過其他工藝形成更復(fù)雜的幾何形狀。”。雖然該公司在這項(xiàng)技術(shù)上取得了成功，但他補(bǔ)充道，很快就很發(fā)現(xiàn)，Nobrak無法填補(bǔ)的一個市場缺口是，從自行車車架到航空航天支柱，許多應(yīng)用和終端市場都需要空心管狀預(yù)制件。為了滿足這一需求，Laine和Azran開始研究生產(chǎn)中空預(yù)制件的方法，這些預(yù)制件可以成型為管狀復(fù)合材料零件。
由此產(chǎn)生的技術(shù)是一種連續(xù)的、改進(jìn)的纏繞工藝 ，該工藝被設(shè)計(jì)為一個模塊化系統(tǒng)，用于制造高度材料優(yōu)化的管狀熱塑性復(fù)合材料預(yù)制件，然后可以成型為最終 零件，包括形狀和曲線復(fù)雜的零件。
Laine和Azran利用這種方法在2018年成立了第二家初創(chuàng)公司3DiTex。如今，Laine擔(dān)任3DiTex的CEO， Azran擔(dān)任Nobrak的 CEO。在過去的幾年里，3DiTex一直在籌集資金，為其技術(shù)申請專利，并已發(fā)展成為一支由32名員工組成的團(tuán)隊(duì)。該公司計(jì)劃在2024 年開設(shè)第一條官方試驗(yàn)線，并在2025年開設(shè)第一家生產(chǎn)工廠，該公司已經(jīng)在使用其最初的試驗(yàn)機(jī)為客戶生產(chǎn)原型和商業(yè)零件。
3DiTex系統(tǒng)本質(zhì)上是一條由一系列卷繞機(jī)組成的連續(xù)生產(chǎn)線，這些卷繞機(jī)將帶或細(xì)絲鋪設(shè)在心軸或支撐件上，以在預(yù)成型件穿過系統(tǒng)時逐層制造預(yù)成型件。據(jù)說，這一過程是連續(xù)拉擠生產(chǎn)線和細(xì)絲纏繞之間的交叉，將拉擠的速度和連續(xù)生產(chǎn)與以各種方向和角度纏繞預(yù) 浸帶或細(xì)絲的能力相結(jié)合。
3DiTex系統(tǒng)的主要創(chuàng)新之一是其纏繞過程的工作方式，以創(chuàng)建多層織物預(yù)成型件，而無需典型的長絲纏繞系統(tǒng)的耗時來回運(yùn)動。萊恩解釋說，“這項(xiàng)技術(shù)的第一點(diǎn)是以連續(xù)的方式制造預(yù)成型件。這是一個開始。當(dāng)然，其他技術(shù)也可以做到這一點(diǎn)，例如編織。因此，接下來的挑戰(zhàn)變成了如何一次鋪設(shè)所有層。我們也不想重新發(fā)明拉擠。我們希望能夠制造復(fù)雜的幾何形狀，并且預(yù)成型件可以彎曲成不同的形狀，而不僅僅是拉擠成型的直型材。”
由此產(chǎn)生的3DiTex系統(tǒng)是一系列卷繞器模塊—萊恩稱之為“圓盤”，指的是它們的圓形—它們沿著纏繞細(xì)絲或預(yù)浸帶的固定心軸或支撐結(jié)構(gòu)安裝。每個模塊獨(dú)立工作，沿系統(tǒng)等距離定位，并編程為繞心軸旋轉(zhuǎn)并沉積一個特定層。預(yù)制棒以指定的速度（通常為每分鐘一米或更多）連續(xù)移動通過系統(tǒng)，模塊鋪設(shè)連續(xù)的層。模塊可高度定制，編程為以指定的速度旋轉(zhuǎn)，并以指定的角度為每個零件的每一層鋪設(shè)材料。
連續(xù)繞組。據(jù)說3DiTex工藝將拉擠的連續(xù)生產(chǎn)能力與以最佳方向和角度纏繞膠帶的能力相結(jié)合。
萊恩說：“通常情況下，繞線器在支架上來回、左右移動，這是一個一次性的過程。”。“但在我們的情況下，它永遠(yuǎn)不會回到右邊，它只是一直朝一個方向連續(xù)前進(jìn)，所以每個磁盤都必須為每層應(yīng)用我們想要的全部材料。”
繼續(xù)前進(jìn)。沿線的每個圓盤形卷繞機(jī)都是獨(dú)立編程的，每次鋪設(shè)一層材料，同時預(yù)成型件連續(xù)向前移動，消除了長絲卷繞機(jī)在心軸上來回移動的典型過程。
他補(bǔ)充說，3DiTex系統(tǒng)中使用的心軸或支撐結(jié)構(gòu)有兩種選擇。“你可以推動一個心軸——預(yù)成型件在其上形成——連續(xù)地穿過系統(tǒng)，也可以拉動預(yù)成型件本身，沿著固定的支架滑動。”這取決于用作基礎(chǔ)預(yù)成型件的材料。
該系統(tǒng)通過3DiTex內(nèi)部開發(fā)的設(shè)計(jì)和控制軟件運(yùn)行。萊恩說，對于每個零件，彎曲半徑、直徑等輸入都用于創(chuàng)建零件的3D模型，“這使我們能夠預(yù)測彎曲軌跡，以適應(yīng)所有變化”。預(yù)制件是通過內(nèi)部模擬軟件設(shè)計(jì)的。他補(bǔ)充說，一開始這是一個反復(fù)試驗(yàn)的過程，需要制造物理預(yù)制件來與模擬預(yù)測的值進(jìn)行比較，以完善軟件。
萊恩解釋說，可以使用許多不同的材料——碳、玻璃或亞麻纖維；干長絲或預(yù)浸帶；熱固性或熱塑性樹脂，包括生物基樹脂；甚至是紙卷或金屬絲——但這一過程是圍繞著使用熱塑性預(yù)浸帶或?qū)⒓喚€與熱塑性長絲混合而設(shè)計(jì)的。他說：“熱塑性預(yù)浸帶非常適合。它們很容易使用，但也符合我們使用可回收材料的戰(zhàn)略，并有能力在未來進(jìn)行大規(guī)模生產(chǎn)。”
可彎曲的熱塑性預(yù)制件。雖然也可以使用其他材料，但該工藝主要設(shè)計(jì)用于熱塑性預(yù)浸帶。其中一個優(yōu) 點(diǎn)是能夠用手彎曲預(yù)成型件以插入模具中進(jìn)行成型。
目前，3DiTex與樹脂供應(yīng)商合作伙伴Arkema（法國 Colombes）合作，開發(fā)其零件和工藝，用于Arkema的聚酰胺11（PA11）和聚鄰苯二甲酰胺（PPA）產(chǎn)品以及其他材料。
萊恩指出，這一過程使不同類型的材料能夠一次性鋪設(shè)在同一個零件上，例如玻璃和碳纖維層的混合物，或者通過不同的獨(dú)立模塊在兩者之間施加軟木或泡沫等核心層。
一旦預(yù)成型件從3DiTex生產(chǎn)線中取出，就可以進(jìn)行切割，然后由 3DiTex或客戶將其成型為最終零件。萊恩指出，可以使用幾種方法來制造這些零件，3DiTex主要使用熱成型或壓縮成型。對于每個零件，3DiTex 都設(shè)計(jì)并訂購了一個開放式或封閉式模具，以及一個適合預(yù)成型件內(nèi)部的囊狀物。熱塑性預(yù)成型件可以用手彎曲插入模具，最終零件在熱和壓力下成型。
目前，該公司可以為客戶提供預(yù)制件或中空復(fù)合材料零件。萊恩解釋說，“當(dāng)我們剛成立公司時，我們還不知道自己到底想做什么——銷售機(jī)器？銷售預(yù)成型件？制造復(fù)合材料零件？我們決定從銷售紡織品預(yù)成型件開始，但很快意識到，因?yàn)檫@是一種新工藝，如果我們只銷售預(yù)成型品，那么有很多教育步驟可以向客戶解釋如何使用我們的產(chǎn)品制造零件。因此，我們意識到目前最好的方法是自己制造復(fù)合材料零件，這樣我們就可以控制所有步驟。”
3DiTex 的工藝可以生產(chǎn)的最大長度零件是多少？萊恩解釋道：“限制更多地取決于工具，這取決于客戶和他們的要求，但到目前為止，我們生產(chǎn)的最長零件約為2米。”
他補(bǔ)充說，該公司還致力于開發(fā)連接方法，以便能夠生產(chǎn)更復(fù)雜的成品零件。
3DiTex將體育用品作為其入門級終端市場，為生產(chǎn)滑雪桿的客戶生產(chǎn)了第一批原型零件。萊恩指出，這些桿子“很簡單，但不是完全直的，所以你不能用拉擠法制作。”3DiTex還與客戶合作開發(fā)各種其他體育用品應(yīng)用，如網(wǎng)球拍、曲棍球棒和棒球棍。
展望未來，該公司認(rèn)為自行車車架最具潛力。萊恩指出，“我們特別針對自行車，因?yàn)檐嚰芎軓?fù)雜，所以我們看到了我們的工藝和產(chǎn)品的好機(jī)會。”
3DiTex在該市場的第一個客戶是自行車制造商Caminade（Ille-sur-TêT，法國），該公司專門生產(chǎn)高端定 制自行車，這些自行車由其模塊化設(shè)計(jì)和組件組裝而成，以滿足客戶的特定測量和需求。目前，該公司的大多數(shù) 自行車車架部件都是由鈦、鋁或短纖維拉擠復(fù)合材料制 成的直中空管，用注塑塑料或鈦連接器連接成整個車架。3DiTex向 Caminade 介紹了利用其技術(shù)將連續(xù)單向纖維的更高剛度以及將框架組件成型為更復(fù)雜或彎曲形狀的可能性結(jié)合在一起的想法。
優(yōu)化設(shè)計(jì)。使用其工藝，3DiTex 能夠?qū)?Caminade典型的直自行車車架部件（此處所示的幾個部件之一）優(yōu)化為更復(fù)雜的曲線或形狀。
2023年夏天，Caminade向3DiTex提供了幾種不同類型管道所需的設(shè)計(jì)參數(shù)：直徑、長度、形狀和機(jī)械性能。3DiTex隨后使用碳纖維熱塑性預(yù)浸帶為每種所需的管形和長度提供了兼容的設(shè)計(jì)。萊恩補(bǔ)充道，該公司的工藝不僅可以實(shí)現(xiàn)更復(fù)雜的形狀，而且可以在零件的特定區(qū)域?qū)崿F(xiàn)管道厚度、靈活性或剛度的變化。
截至2023年10月，Caminade正在進(jìn)行新車架部件的資格測試，目標(biāo)是在年底前將其作為客戶定制自行車的一種選擇推出。
準(zhǔn)備騎行。如圖所示，在公司準(zhǔn)備向客戶推出產(chǎn)品時，一個完整的 Caminade 自行車架正在進(jìn)行強(qiáng)度測試。
萊恩解釋說，作為該技術(shù)的下一步，該公司計(jì)劃不僅提供預(yù)成型件或熱成型復(fù)合管，還提供連接其管的能力，以制造更復(fù)雜的成品，而不需要單獨(dú)的連接器、緊固件或粘合劑。
無粘合劑和緊固件連接。作為下一步，3DiTex開發(fā)了一種改進(jìn)的注射二次成型工藝，將其部件連接在一起，以制造完整的自行車車架或其他產(chǎn)品。這里展示的是3DiTex自行車車架概念的3D模型。
該團(tuán)隊(duì)開發(fā)了萊恩所說的“類似于塑料注射二次成型的工藝”，在管接頭上成型一塊額外的連續(xù)纖維材料——可能是姐妹公司Nobrak生產(chǎn)的專用織物——以在沒有其他粘合或緊固件的情況下連接兩塊。萊恩說：“這可以連接管道，還可以增加幾何形狀，用連續(xù)纖維加固需要額外加固的區(qū)域。”
為了演示這項(xiàng)技術(shù)，3DiTex正在建造一個完整的自行車架演示器，該演示器將結(jié)合原始的預(yù)成型技術(shù)、管的熱成型和3DiTex改進(jìn)的注射二次成型工藝，將管連接成一個最終零件。
萊恩指出：“我們的目標(biāo)不是與全注塑塑料自行車車架或大批量鋁車架競爭。”。“我們只計(jì)劃在需要結(jié)合車架零件的小區(qū)域使用注塑成型。我們正在與全一體式碳纖維車架競爭，目前這些車架通常是手工制造和定制的，并為此提供了更大的體積選擇。”
就性能而言，萊恩認(rèn)為這項(xiàng)技術(shù)非常適合中等容量的電動城市自行車，例如，在這種自行車中，既需要重量輕，又需要攜帶電池和電子產(chǎn)品的強(qiáng)度。
目前，3DiTex的初始試驗(yàn)機(jī)能夠小批量生產(chǎn)原型和商業(yè)零件，每年可達(dá)數(shù)百個。
由于最近獲得的資金，該公司的工業(yè)化前試驗(yàn)線正在建設(shè)中，預(yù)計(jì)將于2024年夏天上線。到2025年年中，該公司計(jì)劃開設(shè)3000平方米的生產(chǎn)工廠，并將員工人數(shù)增加一倍。萊恩解釋道：“在我們目前的空間里，我們有能力生產(chǎn)幾百個零件。在我們工業(yè)化前的工廠里，我們將處于中批量范圍，客戶每年的產(chǎn)能約為1000至10000個零件。然后到2025年，我們將實(shí)現(xiàn)每年10000至100000個零件的大批量產(chǎn)能目標(biāo)。”他補(bǔ)充道，“這一過程涉及大量投資。這是一個高度優(yōu)化的工藝和紡織品，在心軸或支架、熱成型工藝工具和每個零件的設(shè)計(jì)工作方面都有大量投資。因此，一旦我們有能力，大批量生產(chǎn)最終將在經(jīng)濟(jì)上最有意義。”
在接下來的幾年里，包括自行車車架在內(nèi)的體育用品市場將繼續(xù)是 3DiTex 的主要關(guān)注點(diǎn)。萊恩表示，未來，該公司正在與航空航天行業(yè)的潛在客戶進(jìn)行對話，并正在考慮擴(kuò)大業(yè)務(wù)的可能性，向出于保密或地理原因需要現(xiàn)場生產(chǎn)零件的客戶銷售機(jī)器。
注：原文見《Thermoplastic composite, tube-shaped preforms for large-volume manufacturing 》 2023.11.24
楊超凡 2023.11.25