纖維纏繞工藝概述
纏繞成型工藝是將浸過樹脂膠液的連續(xù)纖維(或布帶、預(yù)浸紗)按照一定規(guī)律纏繞到芯模上,然后經(jīng)固化、脫模,獲得制品。根據(jù)纖維纏繞成型時樹脂基體的物理化學(xué)狀態(tài)不同,分為干法纏繞、濕法纏繞和半干法纏繞三種。
干法纏繞是采用經(jīng)過預(yù)浸膠處理的預(yù)浸紗或帶,在纏繞機(jī)上經(jīng)加熱軟化至粘流態(tài)后纏繞到芯模上。由于預(yù)浸紗(或帶)是專業(yè)生產(chǎn),能嚴(yán)格控制樹脂含量(精確到2%以內(nèi))和預(yù)浸紗質(zhì)量。因此,干法纏繞能夠準(zhǔn)確地控制產(chǎn)品質(zhì)量。干法纏繞工藝的最大特點(diǎn)是生產(chǎn)效率高,纏繞速度可達(dá)100~200m/min,纏繞機(jī)清潔,勞動衛(wèi)生條件好,產(chǎn)品質(zhì)量高。其缺點(diǎn)是纏繞設(shè)備貴,需要增加預(yù)浸紗制造設(shè)備,故投資較大。此外,干法纏繞制品的層間剪切強(qiáng)度較低。
濕法纏繞是將纖維集束(紗式帶)浸膠后,在張力控制下直接纏繞到芯模上。濕法纏繞的優(yōu)點(diǎn)為:①成本比干法纏繞低40%;②產(chǎn)品氣密性好,因為纏繞張力使多余的樹脂膠液將氣泡擠出,并填滿空隙;③纖維排列平行度好;④濕法纏繞時,纖維上的樹脂膠液,可減少纖維磨損;⑤生產(chǎn)效率高(達(dá)200m/min)。濕法纏繞的缺點(diǎn)為:①樹脂浪費(fèi)大,操作環(huán)境差;②含膠量及成品質(zhì)量不易控制;③可供濕法纏繞的樹脂品種較少。
半干法纏繞是纖維浸膠后,到纏繞至芯模的途中,增加一套烘干設(shè)備,將浸膠紗中的溶劑除去,與干法相比,省卻了預(yù)浸膠工序和設(shè)備;與濕法相比,可使制品中的氣泡含量降低。
三種纏繞方法中,以濕法纏繞應(yīng)用最為普遍;干法纏繞僅用于高性能、高精度的尖端技術(shù)領(lǐng)域。
02
纖維纏繞工藝發(fā)展現(xiàn)狀
纏繞管道工藝是增強(qiáng)樹脂成型工藝中,實現(xiàn)全自動化、生產(chǎn)率較高、原材料利用率高、制品成本較低的優(yōu)秀工藝。因而其具有廣闊的發(fā)展前景。此章節(jié)將近幾十年拉擠成型工藝?yán)p繞管道工藝進(jìn)展及設(shè)備進(jìn)行闡述。
從國內(nèi)發(fā)展情況看,1946 年,首個纖維纏繞技術(shù)專利在美國注冊,纖維纏繞成型工藝開始發(fā)展。按實現(xiàn)形成螺旋線的主運(yùn)動方式,所用的纏繞機(jī)的布局類型在20世紀(jì)60年代已基本完成,具體如下圖所示。

圖 螺旋纏繞
1965 年,北京 251 廠設(shè)計了我國首臺臥式纖維纏繞機(jī)“525”,該纏繞機(jī)于 2011 年“退休”。1966 年,設(shè)計了齒鏈?zhǔn)綑C(jī)械無級調(diào)節(jié)纏繞規(guī)律的環(huán)鏈臥式纖維纏繞機(jī),此機(jī)不用掛輪,可便捷地調(diào)節(jié)纏繞規(guī)律與排紗密度,生產(chǎn)了多種規(guī)格的氣瓶。從結(jié)構(gòu)布局考慮,對生產(chǎn)15 L 及其以下氣瓶用的鏈條式纏繞機(jī)采取鏈傳動垂直面布置;生產(chǎn) 20 L 及其以上氣瓶用的鏈條式纏繞機(jī)采取鏈傳動水平面布置,其鏈輪由前者的兩只變?yōu)樗闹弧?/p>

圖 基本臥式纖維纏繞機(jī)

圖 無級調(diào)節(jié)纏繞規(guī)律的環(huán)鏈臥式纖維纏繞機(jī)傳動系統(tǒng)
(北京251廠)

圖 “525”我國第一臺環(huán)鏈臥式纖維纏繞機(jī)(北京251廠)
1966年,國家紡織工業(yè)部下達(dá)大型立式纖維纏繞機(jī)項目,七機(jī)部43所、中國紡織科學(xué)研究院、北京251廠、太原重型機(jī)械廠、陜西重型機(jī)械廠共五家單位參加。該項目于次年完成,迄今仍在使用。1984年,北京電力設(shè)備總廠引進(jìn)了加拿大立式纏繞機(jī)。

圖 立式繞臂纖維纏繞機(jī)
1974年,北京251廠成功研制X2型行星式纖維纏繞機(jī),傳動系統(tǒng)中采用了三軸同心行星原理。

圖 行星式纖維纏繞機(jī)(北京251廠)
20世紀(jì)90年代起,囯內(nèi)一些大學(xué)和企業(yè)紛紛開展了MCFW和機(jī)器人纏繞機(jī)研發(fā),如哈爾濱玻璃鋼研究院、武漢理工大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、中船625所、武漢九迪復(fù)合材料公司、哈爾濱理工大學(xué)、南京航空航天大學(xué)及其合作之上海萬格公司、蘇州中科時代電子技術(shù)公司、衡水華成公司、連云港中通公司、連云港唯德公司、石家莊萊德公司、湖南江南四棱數(shù)控機(jī)械有限公司、臺灣省工業(yè)研究院、臺灣省金財興公司等。2000年,筆者曾訪問位于新竹的工業(yè)研究院,得知其已成功研發(fā)了7軸纏繞機(jī)。幾年前我國海關(guān)已明令,我國四軸以上纏繞機(jī)限制出口,撫今追昔,筆者深為我國進(jìn)步而自豪!

圖 微機(jī)控制7軸4聯(lián)動雙小車重型纏繞機(jī)
(武漢理工大學(xué))
微機(jī)控制纖維纏繞張力的紗架已在國內(nèi)外推廣,21世紀(jì)初蘇州中科時代開發(fā)成功,北京251廠實用最早(2004)。武工大、哈工大、江南四棱數(shù)控等單位現(xiàn)也已投入使用。

圖 蘇州中科時代公司開發(fā)的微機(jī)控制纖維纏繞張力的紗架及纏繞機(jī)
2014年,上海萬格復(fù)合材料技術(shù)公司綜合五家德國公司和三家國內(nèi)公司技術(shù),成功開發(fā)機(jī)器人纖維纏繞氣瓶自動生產(chǎn)線,已出口日本。臺灣省購其10工位纏繞設(shè)備,生產(chǎn)的液化氣罐已獲德國認(rèn)證。

圖 國產(chǎn)纖維纏繞氣瓶自動生產(chǎn)線(上海萬格公司)
2010年,上海引進(jìn)意大利VEM公司連續(xù)管生產(chǎn)線投產(chǎn)。2016 年,新疆永昌公司引進(jìn)英國 Tech-no?bll 公司連續(xù)管生產(chǎn)線。近年連云港、重慶推出了相同原理的生產(chǎn)線。青島曾開發(fā)無凸輪的鋼帶式連續(xù)管機(jī)。國內(nèi)設(shè)備開發(fā)中的經(jīng)驗教訓(xùn)是,要重視工藝及其軟件,設(shè)備運(yùn)行要穩(wěn)定,忌鋼帶打滑與重疊。泉州福建路通管業(yè)科技股份有限公司引進(jìn)歐洲技術(shù)制造了凸輪鋼帶式連續(xù)管生產(chǎn)線,生產(chǎn)直徑最大達(dá)4 m。
河北省景縣恒安泰公司即采用美國Fiberspar連續(xù)管道生產(chǎn)工藝,其承擔(dān)的國家十二五863科技項目——柔性海底管道關(guān)鍵技術(shù)研究,于2016年通過國家科技部組織的專家驗收。其連續(xù)管道生產(chǎn)線。

圖 河北省景縣恒安泰公司連續(xù)管道生產(chǎn)線
2020年,重慶慶陽控股(集團(tuán))有限公司/河南省沁陽市復(fù)合材料研究院與濮陽縣福瑞普建材公司分別成功研制直徑為 10 mm~250 mm高效連續(xù)纏繞玻璃鋼管生產(chǎn)線。此線無鋼帶建模,在簡捷的設(shè)備上,低成本高效率完成玻璃鋼管道的連續(xù)成型,其生產(chǎn)速度可以達(dá)到 2 m/min。其訣竅系牽引履帶機(jī)公轉(zhuǎn)自轉(zhuǎn)同步進(jìn)行。韓國亦有此類似設(shè)備。小直徑非鋼帶連續(xù)纏繞玻璃鋼管生產(chǎn)線及其牽引部件見圖。


圖 小直徑非鋼帶連續(xù)纏繞玻璃鋼管生產(chǎn)線
從國外發(fā)展情況看,F(xiàn)W)發(fā)展甚快。知名廠家有美國安德遜公司、哥德華賽工程公司(Goldsworthy Engineering)、工程技術(shù)公司(Entec-Engineering Technology)、德囯百事得(BSD)公司、華特與威瑟(Waltritisch & Wachter)公司等?,F(xiàn)在國際市場上的纏繞機(jī)已達(dá)到六軸。

圖 美國安德遜公司微機(jī)控制6軸纖維纏繞機(jī)動作
2004年創(chuàng)立的法國 MFTech 公司最早研究機(jī)器人纏繞并將其商業(yè)化,由該公司提供的機(jī)器人纏繞設(shè)備充分利用了機(jī)器人的柔性,可采用抓取模具和帶動導(dǎo)絲頭兩種方式進(jìn)行纏繞成型。

圖 MFTech機(jī)器人纏繞
美國Fiberspar公司于1999年開始商業(yè)化生產(chǎn)連續(xù)纏繞柔性管,據(jù)稱是當(dāng)今全球業(yè)界的領(lǐng)導(dǎo)者。其生產(chǎn)工藝是:擠出高密度聚乙烯或交聯(lián)聚乙烯熱塑性塑料內(nèi)襯層(壓力防滲漏層)-多次環(huán)向纏繞玻纖環(huán)氧層(結(jié)構(gòu)層)-外包覆熱塑性塑料層(耐磨層)。整個生產(chǎn)線全部自動控制,由14臺纏繞機(jī)、牽引機(jī)、固化爐、收卷裝置以及兩臺擠出機(jī)等組成。在塑料管上纖維纏繞玻璃鋼后在線擠出外塑料保護(hù)層,制成管線。生產(chǎn)速度取決于管徑,一般為2.7 m/min ~ 3.6 m/min。一根管線連續(xù)生產(chǎn)長度可達(dá)10800 m,理論上可以達(dá)無限長度。

圖 美國Fiberspar連續(xù)管道生產(chǎn)線
03
纖維纏繞工藝應(yīng)用領(lǐng)域
在能源化工及交通領(lǐng)域的應(yīng)用
纏繞制品在民用領(lǐng)域的主要應(yīng)用包括:復(fù)合材料壓力管道、儲罐、壓力容器、呼吸氣瓶及天然氣氣瓶、風(fēng)機(jī)葉片、塔桿、電線桿、絕緣子、體育休閑用品、工業(yè)用傳動軸、各種輥筒等。

圖 壓力容器、氣瓶、膜殼
汽車作為現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)在科技的帶動下快速發(fā)展,隨著汽車復(fù)合材料應(yīng)用水平的不斷提高,復(fù)合材料單車用量將逐漸增加,2015年我國汽車工業(yè)所需塑料、復(fù)合材料總量約為 165 萬 t。隨著成型技術(shù)和裝備的不斷發(fā)展,復(fù)合材料汽車零部件在汽車領(lǐng)域的應(yīng)用將日益擴(kuò)大。為了提高汽車輕質(zhì)、高強(qiáng)的性能,復(fù)合材料逐漸取代傳統(tǒng)汽車制造應(yīng)用材料,纏繞技術(shù)在汽車制造上的主要應(yīng)用為傳動軸、排氣管、渦輪增壓管、車載氣瓶、吸能器、保險杠等。
海洋船舶領(lǐng)域?qū)?fù)合材料需求最多的是復(fù)合材料管道,纏繞成型的復(fù)合材料管道因具有耐腐蝕、耐油、耐高溫等特性被廣泛應(yīng)用于海上油氣運(yùn)輸、海洋平臺及船舶等領(lǐng)域。除此之外,還有疏浚管道、海底輸油軟管、潛艇耐壓殼體、深海探測器、潛水呼吸氣瓶、船桅桿等應(yīng)用。

圖 海上管道及管纜
油氣工程領(lǐng)域的應(yīng)用可分為陸地及海上的應(yīng)用,主要為油氣運(yùn)輸管道和疏浚管道。復(fù)合材料管道由于具有超強(qiáng)的耐腐蝕性,正在逐步取代傳統(tǒng)鋼制管道,并在實際工程中得到廣泛的應(yīng)用。

圖 陸地油氣管道、海洋油氣管道
未完待續(xù)
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