复合材料缠绕成型工艺及装备研究进展及发展趋势
复合材料缠绕成型工艺及装备研究进展及发展趋势
一、前言
缠绕成型装备经历了机械式、数控式、微机控制、机器人缠绕的发展历程。目前缠绕设备的研究主要集中于多自由度、多工位、连续缠绕、复杂异形件缠绕、机器人缠绕、高速高精度缠绕、多工艺复合、清洁制造等方向。缠绕成型工艺中辅助设备如快速浸胶装置、多丝嘴及模块化导丝头、高精度张力控制器、内加热固化模具等也不断改进。
二、缠绕成型工艺研究进展
1. 缠绕工艺
纤维缠缠绕张力制度、纤维体积含量、纤维堆积、纤维架空以及交叉起伏、缠绕线型、图样分布、缠绕速度等因素对成型制品的应力、应变、刚度等性能的影响研究。
缠绕线型
纤维架空
纤维堆积
切点分布
2.异形件缠绕
目前缠绕理论已经相当完善，已经开发出具有各种典型异型件的缠绕轨迹规划的缠绕软件。目前主要集中于应用较多的T形管、弯管及异型回转体结构件的缠绕。
环形压力容器
T形管缠绕
异型件缠绕
弯管缠绕
凹面柱壳缠绕
3.工艺复合-拉挤/缠绕/编织
▶缠绕与拉挤工艺复合，简称拉绕。其工作原理是先拉，形成单向里层；环向缠绕，增加径向强度；单向拉挤，形成较光滑的外壁。
拉绕工艺具有以下几方面的优势：
▶拉绕工艺是连续生产；
▶内外表面都是光滑表面，无需车削或磨削加工，减少材料消耗，降低劳动强度，同时减少对环境的污染；
▶拉绕工艺保证纤维排布的有序性，最大限度发挥增强纤维的性能，保证制品性能的稳定性；
▶拉绕工艺生产的玻璃钢膜壳具有很好的壁厚均匀度，平均偏差不大于0.1mm，从而可以保证加工多孔玻璃钢膜壳的尺寸精度。
拉绕工艺原理
拉绕膜壳
4.CAD/CAM
▶国外在纤维缠绕CAD/CAM软件的研究上已经发展到很高的水平。CAD/CAM软件不仅具有完善的回转体纤维缠绕线型及轨迹设计功能，还具有异型件纤维缠绕轨迹设计功能。对于三通、弯管等典型异型件，已经开发出完善的CAD/CAM软件进行芯模设计、线型设计、轨迹规划以及后置处理，可以根据具体的数控系统生成相应的控制代码。如比利时MATERIAL公司的CADWIND、英国Crescent Consultants Ltd的CADFIL和美国McClean Anderson公司的SimWind软件。
CADWIND缠绕软件界面
CADFIL缠绕软件界面
5.带缠绕-管件与压力容器
▶热塑性纤维带缠绕是近年来的热点。带缠绕具有更好的可设计性、更好的纤维树脂结合性、更优的成型效率，结合激光或红外辅助在线固化工艺，可实现更优质更高效的工业批量化制造。产品具有环保、抗疲劳、耐冲击等特点。采用该工艺制造的管件、压力容器、异型件等，突破了纤维纱束缠绕和热固性树脂体系的诸多限制，具有广阔的应用前景。
带缠绕管件
带缠绕压力容器
6.纤维缠绕异型结构连接件
▶在纤维缠绕结构件和连接件方面，利用先进的缠绕轨迹设计方法、改进的工艺和材料极大程度的减重和增加结构强度。典型的应用有纤维缠绕结构连接件、传动件、整体框架结构件等。
▶核心技术是无芯模缠绕、定轨缠绕实现减重和异型结构缠绕。
纤维缠绕连接及传动件
纤维缠绕整体框架（建筑用）
7.压力容器高效缠绕
▶德国亚琛工业大学（RWTH Aachen University）研发多纤维缠绕压力容器（Multi-Filament-Wound Pressure Vessel），可最高承压700bar。这种容器可最多同时缠绕180股粗纱，实现一次缠绕一个纤维层。目前该制品应用于车用燃料气瓶。
▶成型效率为传统湿法缠绕的50倍；
▶丝束无卷曲，可极大改善制品的力学性能；
▶对于大型制品成型具有效率优势。
多股纤维缠绕压力容器
8.新型缠绕制品
缠绕工艺及制品应用领域不断扩展，如：
▶植物纤维/带缠绕复合材料具有比强度高、轻质、环保、低成本等优势；
▶纤维缠绕自行车圈具有更好的生产均匀性、更佳的性能及更好的耐用性等优势。
竹篾带及竹纤维缠绕复合材料管
碳纤维缠绕自行车圈
9.电磁感应加热碳纤维工艺
瑞典Corebon研制了一种采用电磁感应直接加热碳纤维材料的工艺，以及温度数据模拟平台。该技术适用于树脂传递、模压、固化炉、拉挤及缠绕等多种工艺。
▶可缩短加热时间达10倍；
▶可直接加热制品，也可采用碳纤维材料作为模具；
▶节能效果好；
▶可显示三维温度数据；
▶为CFRP材料的快速在线固化提供了一种新方法。
电磁感应直接加热碳纤维
三、缠绕成型装备研究进展
1.多自由度/多工位
经过半个世纪的发展，目前我国的纤维缠绕技术已经处于成熟发展时期，纤维缠绕设备基本实现了微机全伺服控制，两轴、三轴、四轴微机控制纤维缠绕机制造技术和缠绕工艺已经成熟，并在管道、储罐、各种压力容器、电绝缘产品，以及体育休闲产品的缠绕成型方面发挥了重要作用，六轴微机控制纤维缠绕机已用于复合材料制品的研制和生产。
多主轴缠绕机
四轴缠绕机
五轴控制四轴联动缠绕机
六轴缠绕机
2.连续缠绕-热固性纤维增强管道
热固性纤维增强管道连续缠绕工艺技术核心是采用一个凸轮盘来推动钢带连续运转形成管材缠绕内芯模，钢带前后循环运转，在移动的内芯模上连续地完成玻纤缠绕、复合、加砂、固化等工艺过程。
▶国外，欧美等国的多家企业自主研发了自动化程度高、劳动强度低、规格齐全、能耗低的玻璃钢管道连续缠绕生产线；
▶国内，青岛朗通机械有限公司、连云港唯德复合材料设备有限公司等自主研发夹砂玻璃钢管道连续缠绕生产线设备及生产技术。
连续缠绕生产线及管道制品
3.连续缠绕-热塑性纤维增强管道
纤维増强热塑性管道由多层组成，中间层是管道的纤维增强层。
▶国外，英国Ridyway Machines Ltd公司(瑞奇威设备)等可以提供连续纤维增强热塑性塑料生产线。加拿大Flexpipe Systems、美国TherCoil、荷兰Airborne公司、美国DeepFlex、英国Magma Global、美国Composite Fluid Transfer (CFT)等公司都应用连续缠绕成型技术与生产线实现连续纤维增强热塑性塑料管的生产与应用。
▶国内，南京晨光欧佩亚复合管工程有限公司、广州励进和上海金纬等公司进行相关技术研发及生产线研制。
纤维增强热塑性管道生产线及产品
4.机器人缠绕
国外对缠绕机器人的研究相对较早且已趋于成熟，法国的MFTech公司最早研究机器人缠绕并将其商业化，由该公司提供的机器人缠绕设备充分利用了机器人的柔性，可采用抓取模具和带动导丝头两种方式进行复合材料缠绕成型。
MF Tech Pitbull
MF Tech FOX系统
多工位容器缠绕
加拿大Compositum公司研发了适用于ABB、KUKA等多种品牌机器人和数控系统的全自动缠绕系统。荷兰Taniq公司研发了Scorpo机器人，搭载自主开发的工艺设计软件，用于纤维增强橡胶产品的纤维及橡胶带缠绕。
Compositum公司的机器人缠绕机复材容器制品
Taniq的Scorpo机器人
5.自动3D缠绕机
泰斯金普（Cygnet Texkimp）与曼彻斯特大学共同开发出一种开创性的9轴3D 缠绕技术，实现汽车和飞机的轻量化部件缠绕。首台3D 缠绕机能够实现制造燃油管道、斜面轨道、飞机翼梁等回转中心线为曲线的复杂零部件的自动缠绕。
Cygnet Texkimp 3D 缠绕技术
6.张力控制系统
在缠绕过程中，缠绕张力与制品的强度、疲劳性等有着密切的关系，对缠绕制品的性能影响很大，因此张力控制器是最重要的缠绕成型辅助设备。
▶国外，美国的INFRANOR、Entec、Warner Electric、Dover Flexo Electronics（简称DFE），瑞士的ABB、英国的Pultrex等都致力于张力控制系统的研究并不断的进行创新，目前最高精度可达到2%以内。
▶国内，哈尔滨复合材料设备公司、哈尔滨工业大学、哈尔滨理工大学等已研制出精密张力控制系统；天津核三院、武汉理工大学和航天一院703联合研制碳纤维大张力缠绕系统。
张力控制系统
7.预浸带/纤维缠绕系统
为了提高生产效率及成型制品质量，国内外纷纷研究预浸带/纤维缠绕系统、纱环导丝头、原位加热固化系统以及高精度浸胶槽等。
预浸纱缠绕系统
纱环导丝头
内加热HPTE芯模和感应线圈
高精度浸胶槽
8.全自动缠绕生产线
应用最为广泛的复合材料管道及容器已经形成大规模自动化、集成化生产线制造模式，生产效率及成型制品质量大幅度提高。
全自动气瓶缠绕生产线
四、缠绕成型发展趋势
1.需求及总体目标
2.发展重点
3.关键技术及装备
五、课题组研制的成型工艺及装备
1.干纤维缠绕压力容器新型结构及成型工艺关键技术研究
干纤维缠绕模式对显著提高纤维增强压力容器耐冲击性能具有重要的科学意义和应用价值，在国内率先将无树脂干纤维缠绕工艺应用于复合材料气瓶及橡胶复合材料新型制品成型，解决传统复合材料耐冲击性能差、不易回收、生产效率低等问题 。
（1）研制推广干纤维缠绕LPG气瓶，推动我国煤气罐、灭火器等传统产品从金属基材料进入轻质、长寿命、高安全性的复合材料时代。
（2）研制并推广应用干纤维连续缠绕增强橡胶气囊、疏浚管、高铁及汽车用气弹簧、军用橡胶起重器等高性能升级换代橡胶制品。
干纤维缠绕LPG气瓶
干纤维缠绕起重器
干纤维缠绕橡胶管及气囊
2.竹基多维异型结构复合材料制造关键技术研究
在国际上率先研究竹纤维增强异型复合材料成型工艺及装备，形成绿色环保生物基复合材料生产工艺、检测试验、性能表征及应用评价等方面的规范、方法及标准。促进竹纤维复合材料的产业结构调整和转型升级，实现竹纤维复合材料在水利管道、汽车内衬和建筑工程领域的拓展应用，并进行纤维增强绿色复合材料制品的创新创新研发及产业化应用。
植物纤维基复合材料方管及圆管
麻纤维缠绕弯管及三通
麻纤维缠绕管
3.基于机器人的纤维缠绕工艺与装备
基于机器人的纤维缠绕工艺与装备，解决缠绕复合材料制品从成型理论、工艺设计优化到高效成型装备研制的一系列核心工程问题。
以柔性工业机器人、模块化末端缠绕机构、精密张力控制及高效模具等为核心构建复合材料缠绕、固化及后加工全工序系列装备，基于机器人成型工作站实现全自动生产线的模块化组建。
基于网络的机器人缠绕工作站方案
4.复合材料快速模压工艺及全自动生产线
该项目研制的复合材料锂电池盒上盖与托盘比铝合金减重20%，成本持平，实现复合材料电池盒的节拍化生产，节拍时间10min以内，年产2万件以上。
5.复合材料加工工艺及机加装备研制
为突破纤维增强复合材料的高效低损加工技术瓶颈，研制复材专用加工刀具，分析复材结构对机械加工的影响，考虑刀具、加工工艺等对复合材料制品加工的影响，改进及优化现有加工工艺，并建立复合材料自动化加工制造技术规范。基于复材加工专用刀具及加工工艺突破复合材料数控加工关键技术。
复合材料内排削钻头
复合材料铣削、钻削机器人
6.特种缠绕工艺及制品
（1）采用回转轴交叉变换的缠绕策略解决球缠绕厚度不均匀的问题，研制了碳纤维缠绕增强陶瓷球。
（2）与合肥工业大学合作研制了碳纤维复合材料环形燃料储箱和碳纤维大张力缠绕飞轮。
（3）研制了碳纤维筋网壳结构天线罩样件，并进行了服役环境力学性能分析。
碳纤维缠绕增强陶瓷球
复合材料环形气瓶
碳纤维天线罩
碳纤维大张力缠绕飞轮
碳纤维传动轴
7.高压管道缠绕机及生产线
（1）研制的高压管道缠绕控制系统国内市场占有率达80%，应用于30余家包括央企、上市公司在内的大型复材制造企业。
（2）推动大庆汉维长垣高压玻璃钢管道有限公司和苏州久美玻璃钢股份有限公司在加拿大上市及国内新三板挂牌。
（3）生产管道应用于西气东输、982海洋石油平台及极地破冰船等重大项目。
缠绕机及生产线典型用户
（4）为荷兰Future Pipe Industries公司（全球第二大复材管道制造商，年产值超过10亿美元）研发了全球首套集缠绕、固化、脱模、磨切及传输等工序于一体的全自动玻璃钢管道生产线。
（5）研制的全自动高压玻璃钢管道生产线出口到美国、俄罗斯等国，实现国内高压玻璃钢管道制造装备的出口。
全自动高压玻璃钢管道生产线
8.电磁加热超导模具及机器人缠绕工作站
（1）创新性地将电磁感应加热和热管超导传热技术有机结合。研制了首套长度可达7米的电磁加热超导模具，将其应用于管道、传动轴、绝缘子等制品内固化成型。
（2）研制了国内首套基于六自由度机器人的适用于湿法、干法、带缠绕、干纤维缠绕工艺的纤维缠绕工作站、模块化缠绕头及高精度纤维张力控制系统。
9.其他复合材料成型装备及生产线
（1）研制了基于弯管模具固定而导丝头进行旋转缠绕的四自由度弯管专用缠绕机。
（2）研制了基于机器人的复合材料切割、磨削、打磨工作站。
（3）研制了碳纤维加热壁画涂胶粘合生产线实现铺底布→铺反射膜→铺加热板→铺壁画→切割→成品全自动生产。
（4）研制了碳纤维地热模块生产线，实现了碳纤维地热模块的上料→包反射膜→贴铝膜→翻转岩棉板→铺加热板→贴铝膜→下料自动化生产以及自动化搬运。