帶纏繞、帶鋪放成型技術的發展趨勢
先進復合材料(Advanced CompositeMaterials,ACM)是指高性能樹脂基復合材料,即用碳纖維等高性能纖維增強的樹脂基復合材料,其綜合性能與鋁合金相當,但比剛度、比強度要高于鋁合金。隨著先進復合材料的持續快速發展,其應用價值日益顯著,在提高航天產品技術性能方面,復合材料的應用優勢不僅體現在作為輕質化的結構材料,更體現在作為滿足各種應用需求的先進功能材料,以及代表復合材料技術高層次發展的結構/功能一體化和多項功能一體化的高新技術材料。復合材料的廣泛應用,在很大程度上取決于復合材料成型工藝。各種低成本制造技術應運而生,纖維縫合技術、樹脂轉移模塑成型技術(RTM)、樹脂膜滲透成型技術(RFI)、低成本模具技術、低溫低壓固化技術、電子束固化技術、纏繞技術、鋪放技術等得到迅速發展和應用。其中,纏繞、鋪放技術是近年來發展快、有效的復合材料成型制造技術。纏繞技術是指在控制張力和預定線型的條件下,將預浸膠纖維或布帶連續地纏繞在相應于制品內腔尺寸的芯?;騼纫r上,然后在室溫或加熱條件下使之固化成一定形狀制品的方法。
鋪放技術是指通過使用鋪放設備按照一定規律把預浸膠纖維或布帶鋪放到模具表面,并用壓緊輥壓實。帶纏繞、帶鋪放則專指以預浸膠布帶為材料的復合材料纏繞、鋪放成型技術。目前,全已有多種類型的纏繞、鋪放設備投入項目研制和實際生產。纏繞、鋪放技術在降低制造成本和提高復合材料性能方面顯示出極大的優越性和潛力
隨著復合材料相關技術的發展,帶纏繞、鋪放成型技術呈現出多工藝復合化、成型設備精密化、CAD/CAM技術應用日益增多、成型設備與機器人結合化、熱塑性樹脂基復合材料逐漸增多及新型固化技術不斷應用的發展趨勢。
(1)將帶纏繞成型與拉擠、鋪放、編織、壓縮模塑等工藝相結合,提高帶纏繞成型的工藝適應性。
由于帶鋪放可進行任意角度纏繞,還可在凹形表面纏繞,克服了纏繞工藝的不足;若將其與帶纏繞工藝結合起來,可解決某些結構類管狀構件的纏繞成型問題。纏繞-拉擠工藝加工的薄壁管改善了制品的力學性能,已用于汽車司機駕駛室框架的制造。帶纏繞與注射模塑工藝結合制造的自潤滑多面滑動軸承具有卓越的摩擦學行為。
(2)將帶鋪放成型與電子束固化技術結合是目前研究的熱點[3]。
電子束固化可以大幅度地降低制造時間、材料消耗和能源,是重要的低成本制造技術。傳統電子束固化采用鋪疊后一次輻射固化,要求電子束的能量高(3~10MeV),不僅使加速器投資巨大,并且輻射防護的投資也隨之增加。意大利的Guasti1977年先提出“逐層電子束固化”的思想,完成一層鋪疊后即實施電子束固化,只需0.5MeV電子束能量,并可以獲得良好的力學性能。帶鋪放成型與電子束固化技術結合的研究逐漸進入實用階段。
(3)為帶纏繞、帶鋪放成型設備配備精密張力控制系統,以提高制品成型精度。
在纏繞、鋪放成型過程中,張力與制品的強度、致密度、疲勞性以及一致性有著密切的關系,對制品性能影響極大。國內方面,西工大、哈工大等均在精密張力控制系統方面進行了大量研究工作,并取得階段性成果;國外方面,法國已開發出一種用于粗紗的張力控制系統。
(4)CAD/CAM技術在帶纏繞、帶鋪放成型工藝及裝備中的應用日益增多。
CAD/CAM與纏繞、鋪放成型工藝的結合,有助于縮短產品設計周期、減少廢品率、提高制品的質量,提高自動化水平及生產柔性。國內外均有一些實用化的軟件問世,但與傳統CAD/CAM技術相比,復合材料成型CAD/CAM技術的研究才剛剛起步,研究成果有限。
(5)將纏繞、鋪放成型設備與機器人相結合,增強成型設備的柔性及適用范圍。
機器人用于帶纏繞、帶鋪放成型,具有自由度多、運動靈活、工藝范圍寬等優點,尤其適合小型復雜構件的纏繞、鋪放成型,如不對稱構件和雙凹面構件等。歐美及加拿大正在研究開發機器人纏繞機,如比利時Leuven天主教大學用一臺PUMA-762機器人與兩軸數控纏繞機聯接,纏繞出多種零件 ;加拿大OTTAWA大學也用機器人成功纏繞了T 形管;德國AACHEN工業大學建成了一個復合材料柔性制造單元,己成功生產出機床主軸、飛機機身等零件。
(6)熱固性樹脂基復合材料成型向熱塑性樹脂基復合材料成型方向發展。
據統計,從1994年以來,熱塑性復合材料是同期熱固性復合材料增長的2倍。該高速增長可以用熱塑性樹脂基復合材料良好的機械性能、耐溫性能、介電常數及可循環性來解釋,尤其是它的可回收、可重復利用及不污染環境的特性適應了當今材料環保的發展方向。國外已有杜邦、帝國化學、BASF和德國凱瑟斯路登大學等多家大公司和科研機構對熱塑性樹脂基復合材料的成型工藝進行了研究和生產。國內有北京航空材料研究院先進復合材料國防科技重點試驗室等少數機構對熱塑性預浸帶進行了纏繞試驗,并對制品性能進行了初步分析。目前國內這種工藝尚處于初步開發的階段,發展空間較大。
(7)新型固化技術與在線固化監測技術不斷出現。
紅外加熱、微波加熱、火焰加熱、電子束固化等技術可縮短固化周期,減少殘余應力,提高復合材料的力學及物理性能,有利于降低成本。法國航空航天公司已對固體火箭發動機纏繞殼體的電子束固化技術進行了成功演示,其綜合性能優于常規的加熱固化復合材料。此外,超聲技術以及光纖傳感技術等均用于在線固化監測過程。前蘇聯在殼體纏繞成型過程中采用了磁場中纏繞及固化的工藝方法,可使制品實現更為良好的固化效果。
鋪放技術是指通過使用鋪放設備按照一定規律把預浸膠纖維或布帶鋪放到模具表面,并用壓緊輥壓實。帶纏繞、帶鋪放則專指以預浸膠布帶為材料的復合材料纏繞、鋪放成型技術。目前,全已有多種類型的纏繞、鋪放設備投入項目研制和實際生產。纏繞、鋪放技術在降低制造成本和提高復合材料性能方面顯示出極大的優越性和潛力
隨著復合材料相關技術的發展,帶纏繞、鋪放成型技術呈現出多工藝復合化、成型設備精密化、CAD/CAM技術應用日益增多、成型設備與機器人結合化、熱塑性樹脂基復合材料逐漸增多及新型固化技術不斷應用的發展趨勢。
(1)將帶纏繞成型與拉擠、鋪放、編織、壓縮模塑等工藝相結合,提高帶纏繞成型的工藝適應性。
由于帶鋪放可進行任意角度纏繞,還可在凹形表面纏繞,克服了纏繞工藝的不足;若將其與帶纏繞工藝結合起來,可解決某些結構類管狀構件的纏繞成型問題。纏繞-拉擠工藝加工的薄壁管改善了制品的力學性能,已用于汽車司機駕駛室框架的制造。帶纏繞與注射模塑工藝結合制造的自潤滑多面滑動軸承具有卓越的摩擦學行為。
(2)將帶鋪放成型與電子束固化技術結合是目前研究的熱點[3]。
電子束固化可以大幅度地降低制造時間、材料消耗和能源,是重要的低成本制造技術。傳統電子束固化采用鋪疊后一次輻射固化,要求電子束的能量高(3~10MeV),不僅使加速器投資巨大,并且輻射防護的投資也隨之增加。意大利的Guasti1977年先提出“逐層電子束固化”的思想,完成一層鋪疊后即實施電子束固化,只需0.5MeV電子束能量,并可以獲得良好的力學性能。帶鋪放成型與電子束固化技術結合的研究逐漸進入實用階段。
(3)為帶纏繞、帶鋪放成型設備配備精密張力控制系統,以提高制品成型精度。
在纏繞、鋪放成型過程中,張力與制品的強度、致密度、疲勞性以及一致性有著密切的關系,對制品性能影響極大。國內方面,西工大、哈工大等均在精密張力控制系統方面進行了大量研究工作,并取得階段性成果;國外方面,法國已開發出一種用于粗紗的張力控制系統。
(4)CAD/CAM技術在帶纏繞、帶鋪放成型工藝及裝備中的應用日益增多。
CAD/CAM與纏繞、鋪放成型工藝的結合,有助于縮短產品設計周期、減少廢品率、提高制品的質量,提高自動化水平及生產柔性。國內外均有一些實用化的軟件問世,但與傳統CAD/CAM技術相比,復合材料成型CAD/CAM技術的研究才剛剛起步,研究成果有限。
(5)將纏繞、鋪放成型設備與機器人相結合,增強成型設備的柔性及適用范圍。
機器人用于帶纏繞、帶鋪放成型,具有自由度多、運動靈活、工藝范圍寬等優點,尤其適合小型復雜構件的纏繞、鋪放成型,如不對稱構件和雙凹面構件等。歐美及加拿大正在研究開發機器人纏繞機,如比利時Leuven天主教大學用一臺PUMA-762機器人與兩軸數控纏繞機聯接,纏繞出多種零件 ;加拿大OTTAWA大學也用機器人成功纏繞了T 形管;德國AACHEN工業大學建成了一個復合材料柔性制造單元,己成功生產出機床主軸、飛機機身等零件。
(6)熱固性樹脂基復合材料成型向熱塑性樹脂基復合材料成型方向發展。
據統計,從1994年以來,熱塑性復合材料是同期熱固性復合材料增長的2倍。該高速增長可以用熱塑性樹脂基復合材料良好的機械性能、耐溫性能、介電常數及可循環性來解釋,尤其是它的可回收、可重復利用及不污染環境的特性適應了當今材料環保的發展方向。國外已有杜邦、帝國化學、BASF和德國凱瑟斯路登大學等多家大公司和科研機構對熱塑性樹脂基復合材料的成型工藝進行了研究和生產。國內有北京航空材料研究院先進復合材料國防科技重點試驗室等少數機構對熱塑性預浸帶進行了纏繞試驗,并對制品性能進行了初步分析。目前國內這種工藝尚處于初步開發的階段,發展空間較大。
(7)新型固化技術與在線固化監測技術不斷出現。
紅外加熱、微波加熱、火焰加熱、電子束固化等技術可縮短固化周期,減少殘余應力,提高復合材料的力學及物理性能,有利于降低成本。法國航空航天公司已對固體火箭發動機纏繞殼體的電子束固化技術進行了成功演示,其綜合性能優于常規的加熱固化復合材料。此外,超聲技術以及光纖傳感技術等均用于在線固化監測過程。前蘇聯在殼體纏繞成型過程中采用了磁場中纏繞及固化的工藝方法,可使制品實現更為良好的固化效果。










































