提供全球复合材料市场GydF4y2Ba
由伊斯特曼机械切割的船用复合材料。GydF4y2Ba
AmblifiBre:Fraunhofer IPT的激光辅助纤维增强胶带绕组GydF4y2Ba

照片来源:GydF4y2BaambliFibre项目GydF4y2Ba那GydF4y2BaFraunhofer IPT.GydF4y2Ba

近年来,由于其高潜力来提高生产率并实现重量减轻,近年来,热塑性复合材料(TPC)已被广泛推广。在自动光纤和磁带放置(AFP / ATP)期间,讨论带有TPC的生产率的最多讨论的主题之一就是在原位合并(ISC)。GydF4y2Ba

实际上,ISC首次在受限结构(如管道)上进行了演示,并继续为过度包裹的压力容器和储罐提供了巨大的潜力。这些结构可以使用激光辅助胶带缠绕(LATW)生产,它包括激光辅助胶带放置(LATP)机器和旋转芯轴(图1)。GydF4y2Ba

激光辅助磁带绕组图显示胶带,滚筒,粘连线,心轴GydF4y2Ba

图1所示。GydF4y2BaLATW过程。照片信用:图1,Hosseini,Baran,Van Drongelen和Akkerman。GydF4y2Ba“关于多C / PEEK层连续激光辅助磁带绕组温度演变:滚筒变形的效果。”GydF4y2BaInt J格式GydF4y2Ba(2020年6月)GydF4y2Ba。GydF4y2Ba

AFP/ATP头部安装在一个CNC六轴机器人上,并使用激光加热传入的胶带和基板,以融化热塑性聚合物。然后用辊子将胶带压在基板上,以促进层间的粘附和固结。GydF4y2Ba

川策略GydF4y2Ba

与任何添加剂制造过程一样,LatW中的第一个层是应该解决的问题。对于在金属心轴(铝优选)上制造的管,应考虑心轴提取后绕组,并施加脱模剂。GydF4y2Ba

另一个考虑因素是固定的。如果将箍绕组施加到第一层(与螺旋或轴向叠层,图2)上施加,则可以在过程的开始和结束时手动放置胶带以改善稳定性和粘附到进入胶带。如果需要螺旋或轴向叠层,则应使用胶带将完整的带环施加并固定在圆筒的边缘处,以防止滑动。GydF4y2Ba

绕线图案图GydF4y2Ba

图2GydF4y2Ba箍绕组朝向心轴轴线大约为90°,极绕组处于更接近0°(或轴向)的角度,螺旋绕组处于两者之间。照片来源:GydF4y2BaCW。GydF4y2Ba

对于IV型压力容器(带有碳纤维复合覆盖物的塑料衬里),或者当包裹塑料管道时,传入的胶带将会被熔合到衬里上。这消除了胶带固定的需要,但塑料内衬和TPC胶带应该有相同的基础聚合物,以确保适当的粘接。GydF4y2Ba

加热塑料衬垫时可能会出现问题。例如,如果不能吸收激光加热,或者使用了金属芯棒,可以考虑调整激光角度,以充分加热传入胶带。换句话说,取代了典型的定位,使激光分布GydF4y2Ba之间的GydF4y2Ba进入的带和基板(图1),角度激光GydF4y2Ba更多朝向GydF4y2Ba录音。这样可以避免激光反射,保证胶带加热更加均匀,降低能耗。GydF4y2Ba

激光分布随铺层角度或几何形状的变化而变化GydF4y2Ba

如上所述,通常在LATP和LATW过程中,激光器分布在传入的磁带和衬底之间。当半径几何和铺放方向是恒定的时候,这个分布是恒定的。然而,有一些考虑因素。例如,在一个GydF4y2Ba轴向GydF4y2Ba铺在管状心轴上(这大致相当于图3中的扁平模具),传入的胶带将接收GydF4y2Ba相同的GydF4y2Ba辐射相比于环形铺层,同时衬底也会接收GydF4y2Ba更多的GydF4y2Ba激光投影比在箍上篮中。注意,大直径管中可以忽略不计。GydF4y2Ba

图3GydF4y2Ba激光辅助放置过程:磁带缠绕GydF4y2Ba(左)GydF4y2Ba和磁带GydF4y2Ba(右)GydF4y2Ba。照片信用:图1.5,GydF4y2Ba“GydF4y2Ba热塑性复合材料激光辅助贴带中的热蒙皮效应GydF4y2Ba托马斯·维勒(Thomas Weiler), 2020年1月。GydF4y2Ba

在加热过程中,由于聚合物粘度降低,热塑性胶带会随着温度和铺层速度(加热时间)的变化而变宽变薄。在一个闭环控制系统中GydF4y2Ba温度GydF4y2Ba在加热区域保持恒定 - 轴向叠层将最终与较宽的磁带相比箍上篮。或者,在具有常数的系统中GydF4y2Ba权力GydF4y2Ba控制时,轴向铺层会在较低的温度下展开,因此胶带的宽度会减小。理解和处理这一点是很重要的,因为磁带尺寸的不均匀变化可能会导致不希望的间隙和重叠,从而增加空洞内容。GydF4y2Ba

当包裹管道时,半径几何形状是不变的,但当包裹压力容器时,由于端部圆顶的存在,半径几何形状发生了变化。在进出这些圆顶时,机器人会减速,基片上的激光光斑也会变小。这两种作用都可能导致温度急剧升高,从而导致截面变薄,材料性能不同,甚至对聚合物造成损伤。GydF4y2Ba

另一种考虑因素是,随着部分的纤维层在绕组期间构建,核心卷绕(迄今为止伪造的芯片加层)正在发生变化。因此,应调整铺设的角度以避免间隙。具有更新心轴直径的软件的LatP / LATW系统可能会从一些供应商处获得。如果不是,则必须手动检查绕组或使用内联检查系统进行检查并根据需要进行纠正。GydF4y2Ba

尽管解决上述问题会有所帮助,但不可能100%消除缺陷,如间隙、重叠和厚度变化。因此,绕线工艺应达到零件的设计允许值,而不是追求“完美零件”,这可能会增加不必要的成本。GydF4y2Ba

最大化机械性能,层间附着力和结晶度GydF4y2Ba

热管理是一个关键因素,以实现充分的层间附着力和充分的潜在结晶度在热塑性基体。第一层靠近芯轴,它起着散热器的作用。这可能会阻止分子间的相互扩散,促进层间粘附性差、结晶度低和空隙率高。为了克服这一挑战,人们应该考虑降低铺层速度,提高温度和调整激光角度,使加热时间更长,以确保分子扩散。GydF4y2Ba

然而,这并不能保证完全结晶度。这是因为分子扩散——在冷却过程中熔化后重组分子的重新纠缠——是一个比结晶快得多的过程,在结晶过程中分子排列成有序的晶体结构。如果制造的零件很薄(大约小于2毫米),那么结晶度就会比厚的零件低,厚的零件需要更多的固结过程,而芯棒的热损失也更少。对薄GydF4y2Ba和GydF4y2Ba厚部件,考虑初始肤质的速度较慢的速度。GydF4y2Ba

要达到全结晶度,请考虑以下内容:GydF4y2Ba

  • 绕组后,在热塑性矩阵T之间的温度下退火(热浸泡)GydF4y2BaGGydF4y2Ba(玻璃化转变温度)和TGydF4y2BamGydF4y2Ba(熔融温度)。作为经验法则,两个温度之间的中间提供最快的结晶动力学。GydF4y2Ba
  • 使用加热的芯棒可以促进初始层的结晶度。这并不总是可行的,而且可能会更贵。如果是加热的心轴GydF4y2Ba是GydF4y2Ba使用时,一定要考虑到芯轴可能发生热膨胀。GydF4y2Ba
  • 巩固程序通道-换句话说,包括绕组通道没有传入磁带,但激光完全投射在基材上。这主要是在接收较少通道的后层上做,但也可以在第一层上做,以提高层间附着力。GydF4y2Ba

胶带尺寸-设计灵活性和生产速度GydF4y2Ba

磁带尺寸是磁带绕组中的关键参数。显然,从供应商接收恒定的磁带宽度和厚度将实现可重复和均匀的产品。但是,磁带尺寸也定义了设计灵活性。例如,在管状心轴上轴向上叠,带宽应足够窄,以符合心轴曲率。心轴直径越大,可以使用的胶带。更宽的磁带意味着更快的吞吐量,而较窄的磁带更加设计,因为它更符合曲率变化,更容易转向。GydF4y2Ba

虽然LATW存在更多的问题和挑战,但好的部件是可能的,而且这种制造方法将继续推进复合管和罐用于氢和其他气体存储应用。GydF4y2Ba

关于作者GydF4y2Ba

Yehiel Shaham.GydF4y2Ba

Yehiel Shaham是一名塑料和聚合物工程师,在领先的以色列塑料和国防公司拥有近12年的热塑性塑料开发和制造经验。2016-2020年,他是RAFAEL热塑性复合材料(TPCs)首席工程师,专攻TP-AFP。目前,他的目标是在以色列工业中推广TPCs。GydF4y2Ba

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