新型复合材料成型设备的现状分析
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作者: 王日明 李在永
摘要：本文分析和介绍传统生产加工复合材料的相关设备及其特点，并介绍了相关加工产品，对纵向缠绕技术进行了分析，阐述了复合材料加工过程中所表现出的物理特性，并且根据复合材料加工特点设计了纤维铺放机。为了解决传统设备在进行缠绕加工时，加工效率和加工质量比较差的问题，采用了机器人和综合自动化设备完成缠绕加工工作，根据缠绕工艺的加工工作特点，设计并组建了纤维拉挤编织机。本文分析和介绍了新设计开发复合材料生产加工设备的工作特点和应用方法，系统阐述和分析了复合材料生产加工设备的现状以及主要开发方向。
关键词：纤维铺放机；缠绕工艺；纤维拉挤编织机
中图分类号：TB33 文献标识码：A 文章编号：1674-7712 (2012) 06-0174-01
一、引言
1946年，纤维缠绕工艺在美国进行了技术专利注册，这是最早被注册的纤维缠绕技术，纤维缠绕技术发展至今，技术越来越成熟，复合材料的应用领域非常广阔，从复杂的航空领域到人们的日常生活应用，到处可以看到复合材料加工成型的产品，应用方式多种多样，更先进的生产设备和加工工艺被不断的开发出来，因此生产出来的产品也更加丰富。在60年代和70年代之间，复合材料加工成型的产品主要应用在航天领域以及军事领域，包括火箭动力推动设的相关部件、雷达的相关部件、导弹系统以及鱼雷系统的相关部件等。这段期间的复合材料生产加工成型技术主要通过机械纤维缠绕技术完成，虽然加工方式比较简单，性能也比较可靠，但是由于技术过于简单，无法根据需要灵活的更改加工参数，因此导致了相关制品种类较少。
在80年代到9O年代期间，由于计算机技术的发展、普及和应用，现代工业开始迅速发展，复合材料生产加工技术和成型设备被不断的开发并投入生产，复合材料加工产品开始主要在航空领域以及人民生活用品两大领域中被广泛应用。随着现代自动化工业的不断发展，更多功能强大的生产设备投入使用，复合材料加工设备开始使用配套性和功能性更加可靠的计算机纤维缠绕设备。由于生产技术和加工工艺的提高，以复合材料为基础的生产加工产品可以广泛的应用于各个领域，包括航天领域、能源开发领域、军事设备领域、矿产资源开采领域、化工领域、农业领域、民用领域、环保领域等。加工出的产品种类也不断丰富，包括各种抗压设备、大容量容器、存储器等。
从2l世纪开始，更加高端数控设备和自动化工业技术被开发出来，因此复合材料生产加工设备和生产技术也开始高速发展，加工工艺也不断的完善。当今的数控加工技术已经可以实现六维立体式加工，且随着CAD／CAM技术的开发和应用，可以通过计算机准确高效的完成工业产品的设计，并可以完成精确的生产加工控制，因此复合材料生产加工技术也开始向更高的效率和更先进的工艺水平发展，生产加工的产品已经可以满足各种行业需求。
二、新型复合材料生产加工设备
（一）纤维铺放机
缠绕设备在复合材料生产加工设备中占有很大的比例，但是使用纤维缠绕设备进行加工时，但是使用这种方式对复合材料进行加工局限性比较明显，就是在进行纤维缠绕加工时，沿纵轴零度方向进行缠绕时，无法达到理想的缠绕加工要求，因此在生产加工方面产生了很多的不良影响和限制。通过将纤维铺放加工技术与纤维缠绕加工技术进行有效的结合，就是现代生产加工工作中所使用的铺放机。纤维铺放加工技术(Fiber Placement)是一种比较复杂的生产加工工艺，是在传统纤维缠绕加工技术上进行改良而形成的，主要的生产加工过程为：首先将纤维通过纤维铺放机进行加工，将平行的纤维集束生产加工成纤维带，然后再完成预浸丝束的加工，并且通过控制使用纤维铺放设备中的压头，完成在模具中加工纤维预浸丝束的具体过程。纤维铺放不同于纤维缠绕和带铺放，它并非按测地线在模具上布纱；丝束宽度可精确控制；各丝束可单独铺放，以实现铺放厚度的增减，没有托纸，纤维铺放机上的压头把丝束压在模具上，消除纤维缠绕中易出现的分层现象。其优点是可精确控制铺放厚度、工艺中可即时加压密实、孔隙率低、纤维铺放角度不受限制、材料浪费少。目前已有许多公司研发热固性和热塑性纤维缠绕铺放机，集铺放头、加热和压辊装置、切断装置于一体，成功地得到运用。
（二）利用机器人的成型设备
机器人用于复合材料构件设备具有自由度多、运动灵活、工艺范围宽等优点，将成形工艺的各个工序集成化，尤其适合制造小型复杂构件，包括轴不对称和双凹面部件。此类成形缠绕方式，采用通用机器人，输入可以控制多达六个以上运动轴的软件，具有制造复杂零部件的能力，如肘管、高尔夫球的发球台、高压容器、机床主轴、飞机机身等零件。美、欧及加拿大正在研究开发中，法国一家公司目前已研发出一种用库卡机器人与运动控制结合在一起用来缠绕航空航天及发电行业应用装置。机器人应用于复合材料构件技术提高了设备的制造柔性，即同样设备可以制造不同种类的制品。例如巴西一家公司应用这种设备在制造复合材料气瓶后可直接生产高尔夫球杆。
（三）多种工艺复合的纤维拉挤编织设备
传统拉挤制品以生产设备及工艺的高效稳定而在复合材料构件中占有相当大的比重。但是用这种工艺生产中空制品时，由于其环向强度低无法夹持而限制了它的应用。拉挤与编织工艺结合则大大改善了薄壁管的力学性能，使用这种技术的设备称为拉绕设备。2009年哈尔滨玻璃钢研究院利用这种技术成功开发直径二十毫米玄武岩薄壁支撑管。拉绕设备的出现给复合材料拉挤制品带来又一个新的拓展，体现了多种工艺复合所带来的优点。进入2l世纪，在材料、控制技术、应用等方面一定会出现更多种复合趋势。纤维编织工艺、压缩模塑等工艺与传统缠绕工艺相结合，将会大大提高缠绕工艺的适应性，纤维缠绕预制件与RTM技术相结合会扩大纤维缠绕工艺的应用范围，多种材料复合、多种工艺复合将会使复合材料成型技术更加完善。
三、结语
科学技术的发展是日新月异的，我们有理由相信，随着新的纤维材料、新的树脂材料的不断问世、高性能纤维性价比的不断提高以及复合材料CAD／CAM技术、电脑控制技术的发展，复合材料成型工艺及其设备将会得到不断完善、不断发展，在更广泛的应用领域大显身手，复合材料成型技术正向着高自动化、高集成化、高效率、高柔性的方向发展。
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