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TANIQ機(jī)器人纏繞技術(shù)
TANIQ（荷蘭鹿特丹）于2022年發(fā)布了其TaniqWind壓力容器設(shè)計(jì)和長(zhǎng)絲纏繞軟件，并在2024年JEC World（3月5日至7日，法國(guó)巴黎）上展示了其最新的TaniqWindPro。該公司是由Toray Advanced Composites（TAC，Nijverdal，Netherlands）領(lǐng)導(dǎo)的荷蘭液氫（LH2）財(cái)團(tuán)的一部分，該財(cái)團(tuán)于2021年開始了一個(gè)為期45個(gè)月的項(xiàng)目，以演示用于民用航空的LH2復(fù)合材料儲(chǔ)罐。對(duì)于這個(gè)聯(lián)盟，TANIQ正在貢獻(xiàn)其軟件和機(jī)器人纏繞專業(yè)知識(shí)。
TANIQ最近還與Fraunhofer生產(chǎn)技術(shù)研究所（IPT，Aachen，Germany）完成了一個(gè)為期三年的項(xiàng)目，使用熱塑性復(fù)合材料（TPC）的激光輔助膠帶纏繞（LATW-laser-assisted tape winding）開發(fā)復(fù)合H2壓力容器。它協(xié)助該項(xiàng)目的復(fù)合材料壓力容器設(shè)計(jì)，并在膠帶纏繞過程中提供關(guān)鍵參數(shù)控制的集成功能。
機(jī)器人纖維纏繞，特種橡膠復(fù)合材料
TANIQ開發(fā)了集成纖維、金屬線、橡膠和包裝帶（頂部）的機(jī)器人纏繞系統(tǒng)，用于特種增強(qiáng)橡膠軟管和壓力容器（中間和底部）。
TANIQ成立于2006年，是荷蘭代爾夫特理工大學(xué)航空航天系的子公司。TANIQ董事兼聯(lián)合創(chuàng)始人布洛瓦爾德（Soren Blomaard）表示：“我們最初是世界上最早使用工業(yè)機(jī)械臂進(jìn)行長(zhǎng)絲纏繞的公司之一。”。“當(dāng)時(shí)的機(jī)器人纏繞還很新鮮。雖然我們有航空航天和復(fù)合材料結(jié)構(gòu)集團(tuán)的工程背景，但實(shí)際上我們決定首先進(jìn)入一個(gè)相當(dāng)利基的橡膠復(fù)合材料市場(chǎng)。這是一個(gè)很大的市場(chǎng)，橡膠產(chǎn)品內(nèi)部有各種增強(qiáng)結(jié)構(gòu)，最常見的是輪胎，它使用尼龍繩和金屬線。還有很多特種產(chǎn)品，如汽車軟管、空氣彈簧、汽車氣囊/救援袋、船用軟管和油管。對(duì)于這些應(yīng)用，我們掌握了如何優(yōu)化增強(qiáng)典型軟管或壓力容器的知識(shí)，并將其應(yīng)用于這些特種增強(qiáng)橡膠應(yīng)用。”
布洛瓦爾德（Blomaard）說：“我們發(fā)現(xiàn)，使用機(jī)器人進(jìn)行放置將提供最高的精度，也有可能進(jìn)一步自動(dòng)化這些過程。”。“一旦我們實(shí)施了加固路徑，我們就開始將橡膠添加到工藝中。未固化的橡膠很難處理，我們花了幾年時(shí)間才開發(fā)出專用的纏繞工具和控制策略來管理這一過程。時(shí)至今日，我們?nèi)栽诟倪M(jìn)我們的系統(tǒng)，以處理硅橡膠等非常柔軟和膠質(zhì)狀的材料。為了完成典型橡膠復(fù)合材料中所有材料的自動(dòng)纏繞，我們添加了特殊包裝帶和金屬線的解決方案。我們不僅可以優(yōu)化這些產(chǎn)品的設(shè)計(jì)，還可以自動(dòng)制造它們。”他指出，汽車輪胎每30-60秒就會(huì)制造一次。“這是一個(gè)連續(xù)的、重復(fù)的、非常快的過程。”
TANIQ的客戶主要從事特種應(yīng)用，產(chǎn)品通常建立在鋼或分段心軸上，這可能需要數(shù)小時(shí)甚至數(shù)天的制造時(shí)間。布洛瓦爾德說：“例如，我們?yōu)楹穗娬竞蜐撏е圃焐炜s縫。”。“這些接頭是金屬管道系統(tǒng)之間的橡膠補(bǔ)償器，每個(gè)接頭都有不同的規(guī)格，包括長(zhǎng)度和爆裂壓力，這使得這一過程很難自動(dòng)化。工程也是勞動(dòng)密集型的。”這種自動(dòng)化非常具有挑戰(zhàn)性的應(yīng)用是TANIQ的重點(diǎn)。布洛瓦爾德說：“我們的軟件和機(jī)器人技術(shù)的結(jié)合提供了一個(gè)靈活的自動(dòng)化解決方案，使這成為可能。”。
他繼續(xù)說道：“我們已經(jīng)做了大約15年的這項(xiàng)工作，并且已經(jīng)完全脫離了常規(guī)復(fù)合材料。”。“然后在2018年左右，我們收到了越來越多的公司的請(qǐng)求，詢問他們是否可以使用我們的機(jī)器人纏繞系統(tǒng)和更典型的壓力容器的設(shè)計(jì)軟件。就在那時(shí)，氫氣開發(fā)開始加快。我們意識(shí)到，我們?yōu)檫@些橡膠復(fù)合材料的設(shè)計(jì)和自動(dòng)化開發(fā)的也是復(fù)合材料壓力容器的解決方案。與此同時(shí)，一家領(lǐng)先的長(zhǎng)絲纏繞軟件公司被從市場(chǎng)上收購(gòu)，為新軟件創(chuàng)造了市場(chǎng)機(jī)會(huì)。這是我們進(jìn)軍復(fù)合材料行業(yè)的好時(shí)機(jī)。”
復(fù)合材料壓力容器的軟件和設(shè)備
TANIQ開始與大學(xué)和研究機(jī)構(gòu)合作，探索如何將其技術(shù)用于更傳統(tǒng)的復(fù)合材料。布洛瓦爾德說：“我們用于設(shè)計(jì)軟管的整個(gè)理論是壓力容器理論。”。“纖維承擔(dān)了所有的載荷，而且你有一種基質(zhì)材料來容納液體或氣體，所以設(shè)計(jì)橡膠壓力容器實(shí)際上與復(fù)合材料壓力容器非常相似；但也有很大的區(qū)別。”
TANIQ基于其在機(jī)器人纏繞和先進(jìn)壓力容器設(shè)計(jì)方面的專業(yè)知識(shí)，于2022年發(fā)布了TaniqWind軟件。
2022年，TANIQ發(fā)布了適用于長(zhǎng)絲纏繞復(fù)合材料壓力容器的TaniqWind軟件。這是該公司已經(jīng)使用了很長(zhǎng)時(shí)間的內(nèi)部開發(fā)軟件，但進(jìn)行了一些關(guān)鍵升級(jí)。布洛瓦爾德說：“我們包括了各種改進(jìn)和功能，這樣用戶就可以非常容易地完成設(shè)計(jì)過程中的某些步驟。”。“我們與Altair Engineering（美國(guó)密歇根州特洛伊市）合作了一年，為他們的多尺度建模方法創(chuàng)建了一個(gè)自定義的有限元分析導(dǎo)出功能，這使得設(shè)計(jì)壓力容器、在有限元分析包中進(jìn)行分析，然后在兩者之間迭代以進(jìn)一步優(yōu)化變得非常高效。我們已經(jīng)有大約20名軟件用戶。在TaniqWind Pro中，我們進(jìn)一步擴(kuò)展了有限元分析功能，現(xiàn)在支持HyperWorks和Abaqus的外殼、2DA和3D元素。”
GKN Fokker（荷蘭Hoogeveen）的復(fù)合材料團(tuán)隊(duì)在TANIQ提供的新型長(zhǎng)絲纏繞機(jī)器人前。
與此同時(shí)，TANIQ繼續(xù)與多家公司和機(jī)構(gòu)合作，如Fraunhofer IPT和荷蘭LH2財(cái)團(tuán)。布洛瓦爾德說：“我們還向GKN Fokker（荷蘭胡格芬）出售了第一個(gè)帶有TaniqWind Pro軟件的機(jī)器人設(shè)備集成解決方案，用于制造導(dǎo)彈罐和復(fù)合材料壓力容器。我們的專業(yè)知識(shí)實(shí)際上是在機(jī)器人纏繞方面，這就是我們開發(fā)這種先進(jìn)設(shè)計(jì)軟件的原因。我們最初專注于纏繞軟件，但我們了解到人們對(duì)我們的機(jī)器人纏繞系統(tǒng)也有同樣的興趣，因此，我們?cè)谔峁┻@種集成軟件和機(jī)器人解決方案方面處于獨(dú)特的地位。我們對(duì)我們?cè)谌绱硕痰臅r(shí)間內(nèi)在復(fù)合材料壓力器皿方面取得的進(jìn)展感到非常高興，這在一定程度上是由所有致力于儲(chǔ)氫和尋找解決方案的公司推動(dòng)的。”
優(yōu)化存儲(chǔ)效率，改進(jìn)數(shù)字模型
使用TaniqWind等先進(jìn)軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化，可以在多大程度上提高儲(chǔ)罐的儲(chǔ)存效率？布洛瓦爾德說：“我們認(rèn)為首先應(yīng)該關(guān)注設(shè)計(jì)的可靠性及其可制造性。”。“在預(yù)設(shè)計(jì)階段，可以使用軟件快速設(shè)計(jì)復(fù)合材料層，并使用有限元分析軟件分析和優(yōu)化性能。這些工具非常適合預(yù)設(shè)計(jì)階段但不適合制造。”
“由于這些復(fù)合材料層被簡(jiǎn)化了，”他繼續(xù)說道，“它們不是1:1可制造的，確切的設(shè)計(jì)參數(shù)無(wú)法轉(zhuǎn)化為實(shí)際的纏繞程序。這意味著需要為生產(chǎn)設(shè)計(jì)新的層，這些層將與建模設(shè)計(jì)略有偏差。此外，定義局部層厚度的堆積預(yù)測(cè)通常與實(shí)際堆積輪廓不一致，尤其是對(duì)于膠帶而言。這意味著您將材料放置在不同的輪廓上，導(dǎo)致與建模不同的堆積，這有時(shí)會(huì)導(dǎo)致滑動(dòng)纖維或膠帶纏繞工具錯(cuò)位的問題。因此，使用我們的TaniqWind Pro軟件，我們專注于兩件事：
- 考慮纏繞過程的所有物理標(biāo)準(zhǔn)的可制造性設(shè)計(jì)
- 優(yōu)化厚度累積計(jì)算。
“我們一直在研究纏繞罐的所有現(xiàn)有堆積模型，以及細(xì)絲的干式纏繞和濕式纏繞與TPC膠帶纏繞之間的差異。這將產(chǎn)生不同的堆積行為。我們已經(jīng)對(duì)其他軟件進(jìn)行了一些改進(jìn)，因?yàn)槲覀冊(cè)谲浖屑闪藘煞N材料組的不同理論和多項(xiàng)式近似，但我認(rèn)為在未來2-3年里，還有更多的收獲。你可以隨心所欲地建模，但如果模型的輸入不能代表你實(shí)際要建造的罐，那么你就無(wú)法進(jìn)行更高存儲(chǔ)效率和更輕重量所需的最終改進(jìn)。”
TaniqWind Pro軟件有一個(gè)強(qiáng)大的有限元分析工具箱，用于為Hyperworks和Abaqus生
成外殼、二維和三維元素的有限元模型，并允許用戶在軟件中預(yù)覽和優(yōu)化網(wǎng)格質(zhì)量。
他繼續(xù)說道：“不僅是堆積和過渡區(qū)域，還有某些區(qū)域的空隙因素和壓實(shí)。”。“我認(rèn)為，如果我們能夠更好地預(yù)測(cè)這些情況，那么我們的設(shè)計(jì)將更加現(xiàn)實(shí)，這意味著有限元分析模型將更加可靠，纏繞程序也可以是第一次正確的。目前，我認(rèn)為生產(chǎn)的準(zhǔn)確性已經(jīng)相對(duì)較好，但還可以進(jìn)一步提高。然而，擁有可靠的設(shè)計(jì)還有更多的好處，尤其是對(duì)于厚壁壓力容器和我討論的關(guān)鍵領(lǐng)域。”
布洛瓦爾德指出：“市場(chǎng)對(duì)擁有更高效的壓力容器和降低壓力容器中碳纖維成本的吸引力以前沒有今天那么大。”。“我們正在合作開發(fā)，在生產(chǎn)中，我們實(shí)際上試圖測(cè)量每一層和每一個(gè)輪廓，并將其反饋到我們的軟件中，以實(shí)際了解這些構(gòu)建是如何變化的，并使其更加準(zhǔn)確。”
使用傳感器？
如何使用傳感器來幫助驗(yàn)證有限元分析模型？布洛瓦爾德說：“我們與Com&Sens（比利時(shí)埃克）合作了一個(gè)項(xiàng)目，他們將光纖（optical fiber）放置在壓力容器中，以測(cè)量光纖中的加工應(yīng)力，然后進(jìn)行測(cè)試，以測(cè)量容器加壓時(shí)的應(yīng)力集中。”。“它被用來測(cè)量纏繞過程中容器不同區(qū)域的應(yīng)力。這意味著你有不同的壓實(shí)度，因此壓力容器的不同區(qū)域的空隙率會(huì)不同。它也被用來測(cè)量加壓過程中各層的應(yīng)力，這很有趣，但你仍然必須對(duì)數(shù)據(jù)做些什么。你如何將其轉(zhuǎn)化為更好的下一個(gè)壓力容器設(shè)計(jì)？當(dāng)你知道一些層被激活到其最大應(yīng)力水平，而其他層幾乎沒有激活，因此沒有貢獻(xiàn)時(shí)，你可以調(diào)整，例如，疊層設(shè)計(jì)，或利用層的預(yù)張力來優(yōu)化整個(gè)結(jié)構(gòu)。”
纏繞TPC儲(chǔ)罐
布洛瓦爾德表示，在TANIQ與Fraunhofer IPT共同完成的探索TPC壓力容器的項(xiàng)目中，F(xiàn)raunhoffer團(tuán)隊(duì)主要感興趣的是在激光輔助膠帶纏繞（LATW）軌跡的任何點(diǎn)向膠帶施加適量的熱量。他解釋道：“挑戰(zhàn)在于，纏繞速度隨著輪廓的變化而變化，在圓頂?shù)霓D(zhuǎn)彎區(qū)達(dá)到最低速度。”。“這需要按節(jié)調(diào)整激光功率，以防止加熱不足/過熱。我們的工作是幫助將激光輔助膠帶纏繞（LATW）工藝參數(shù)的控制集成到纏繞軟件中。最初，F(xiàn)raunhofer會(huì)為機(jī)器人制定纏繞程序，然后手動(dòng)將激光強(qiáng)度值添加到機(jī)器路徑的各個(gè)點(diǎn)。我們?cè)谲浖刑砑恿艘粋€(gè)功能，他們可以設(shè)置每層或?qū)觾?nèi)每節(jié)的可變工藝值（激光功率、輥壓縮、膠帶張力）。能夠從軟件中控制這些變量，在可靠性和效率方面都有了巨大的提高。”
在同一項(xiàng)目中，TANIQ還與Pixargus（德國(guó)Würselen）合作，后者為碳纖維膠帶生產(chǎn)過程中的缺陷測(cè)量提供工業(yè)系統(tǒng)。布洛瓦爾德指出：“他們可以光學(xué)測(cè)量表面缺陷，然后也可以對(duì)其進(jìn)行處理，以便進(jìn)行在線或離線分析。”。“在Fraunhofer IPT的這個(gè)項(xiàng)目中，Pixargus開發(fā)了一種集成到膠帶纏繞系統(tǒng)中的掃描儀。在纏繞過程中，我們可以測(cè)量膠帶表面的各種缺陷，并根據(jù)損壞的嚴(yán)重程度對(duì)這些缺陷進(jìn)行分類，然后將每個(gè)缺陷與產(chǎn)品中的一個(gè)點(diǎn)聯(lián)系起來。因此，我們可以知道產(chǎn)品中的哪些缺陷。然后，當(dāng)測(cè)試這些壓力容器時(shí)，我們可以看到這些缺陷周圍是否真的發(fā)生了故障。”
他繼續(xù)說道：“這個(gè)項(xiàng)目的規(guī)模相對(duì)較小，有10個(gè)原型，但它仍然非常有趣，因?yàn)槲覀円呀?jīng)看到了膠帶質(zhì)量的很大變化。”。“擁有這種連續(xù)測(cè)量膠帶質(zhì)量并幫助決定影響是否過大的能力是很重要的。你實(shí)際上可以停止這一過程并進(jìn)行干預(yù)，將該罐從生產(chǎn)中取出或從生產(chǎn)中撤出該材料。”
TaniqWind Pro軟件允許用戶定義繞組輪廓每段的可變工藝設(shè)置，例如沿輪廓設(shè)置可變激光強(qiáng)度以適應(yīng)不同的繞組速度。
該項(xiàng)目還將熱塑性激光輔助膠帶纏繞（LATW）儲(chǔ)罐與采用濕法纏繞制成的IV型熱固性復(fù)合材料壓力容器進(jìn)行了比較。目前，由于TPC帶的成本更高、激光輔助膠帶纏繞（LATW）應(yīng)用頭的投資以及與濕法纏繞或熱固性纏繞相比較慢的生產(chǎn)速度，TPC罐的制造成本要高得多。然而，布洛瓦爾德指出，一個(gè)重要的好處是通過熔化塑料可以回收碳帶。Fraunhofer IPT開發(fā)了一種技術(shù)，用于在使用壽命結(jié)束時(shí)從這些TPC儲(chǔ)罐中回收連續(xù)纖維。他解釋道：“這會(huì)改變價(jià)值，因?yàn)槟悴皇窃谇兴槿萜鞑⒅貜?fù)使用短切纖維復(fù)合材料，而是在實(shí)際上扭轉(zhuǎn)這個(gè)過程。”。“由于這種可回收性，我認(rèn)為最終我們將在未來看到熱塑性復(fù)合材料罐。”
布洛瓦爾德指出，雖然TANIQ比較了不同的纏繞系統(tǒng)，但“我們也相信混合系統(tǒng)的發(fā)展。這可能涉及在單個(gè)儲(chǔ)罐中使用不同的材料（如玻璃纖維和碳纖維），或纏繞和放置的組合過程。”TANIQ目前與Cevotec（德國(guó)Unterhaching）等多家研究機(jī)構(gòu)和公司合作，這些研究機(jī)構(gòu)和企業(yè)正在將局部圓頂加固與絲束或TPC膠帶的纏繞相結(jié)合。布洛瓦爾德說：“我們正在開發(fā)設(shè)計(jì)這些局部路徑和圖案的功能，計(jì)算局部厚度積累，并將這些數(shù)據(jù)導(dǎo)出到有限元分析軟件中。”。“通過合并這些功能，TaniqWind Pro軟件從纏繞軟件擴(kuò)展到放置軟件，機(jī)器人纏繞系統(tǒng)和膠帶纏繞系統(tǒng)合并為混合生產(chǎn)工作站。”
纏繞技術(shù)發(fā)展
布洛瓦爾德指出，在儲(chǔ)罐設(shè)計(jì)和生產(chǎn)方面已經(jīng)開發(fā)了大量技術(shù)。他說：“過去，我覺得大學(xué)領(lǐng)先于工業(yè)，但在復(fù)合材料壓力容器方面，工業(yè)似乎遠(yuǎn)遠(yuǎn)領(lǐng)先于大學(xué)。”。“我們?cè)诟鞣N項(xiàng)目的合作中都看到了這一點(diǎn)，我們雇傭了曾在其中一些儲(chǔ)罐公司工作的人員。壓力容器的設(shè)計(jì)、測(cè)試和測(cè)試設(shè)置都有很高的細(xì)節(jié)，而且某些公司內(nèi)部已經(jīng)開發(fā)了很多知識(shí)。他們遙遙領(lǐng)先，但什么都沒有發(fā)表。令人驚訝的是，有這么多不同的公司正在單獨(dú)研究同一個(gè)解決方案。似乎很少有人分享。”
布洛瓦爾德說，這些公司通常只關(guān)注他們正在建造的儲(chǔ)罐類型，并花了數(shù)年時(shí)間進(jìn)行試錯(cuò)，以優(yōu)化這些設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)。但隨著整個(gè)行業(yè)向更數(shù)字化的生產(chǎn)轉(zhuǎn)移，這些公司也在進(jìn)行測(cè)量，并試圖確保他們所建模的實(shí)際上是他們正在構(gòu)建的。布洛瓦爾德說：“這種活動(dòng)是勞動(dòng)密集型和耗時(shí)的。”。“我們的目標(biāo)是開發(fā)一款軟件，如果你想從頭開始進(jìn)行新的設(shè)計(jì)，那么這些預(yù)測(cè)將已經(jīng)很好了，或者至少比以前可靠得多。我們認(rèn)為，從軟件的角度來看，如果你能將這些知識(shí)和這些模型相結(jié)合，那么對(duì)于那些沒有時(shí)間或能力進(jìn)行這種迭代優(yōu)化的公司來說，效率會(huì)高得多。我們的目標(biāo)就是幫助實(shí)現(xiàn)未來車輛所需的新型復(fù)合材料油箱設(shè)計(jì)。”
原文見，《Optimizing robotic winding of composite tanks and pipes 》 2024.4.12
楊超凡 2024.4.16