纤维缠绕实用工艺及设备新颖进展

纤维缠绕工艺进展

一缠绕成型工艺简介

缠绕成型工艺是将浸过树脂胶液的连续纤维（或布带、预浸纱）按照一定规律缠绕到芯模上，然后经固化、脱模，获得制品。根据纤维缠绕成型时树脂基体的物理化学状态不同，分为干法缠绕、湿法缠绕和半干法缠绕三种。

1. 干法缠绕干法缠绕是采用经过预浸胶处理的预浸纱或带，在缠绕机上经加热软化至粘流态后缠绕到芯模上。由于预浸纱（或带）是专业生产，能严格控制树脂含量（精确到2%以）和预浸纱质量。因此，干法缠绕能够准确地控制产品质量。干法缠绕工艺的最大特点是生产效率高，缠绕速度可达100～200m/min，缠绕机清洁，劳动卫生条件好，产品质量高。其缺点是缠绕设备贵，需要增加预浸纱制造设备，故投资较大此外，干法缠绕制品的层间剪切强度较低。

2. 湿法缠绕湿法缠绕是将纤维集束（纱式带）浸胶后，在力控制下直接缠绕到芯模上。湿法缠绕的优点为：①成本比干法缠绕低40%；②产品气密性好，因为缠绕力使多余的树脂胶液将气泡挤出，并填满空隙；③纤维排列平行度好；④湿法缠绕时，纤维上的树脂胶液，可减少纤维磨损；⑤生产效率高（达200m/min）。湿法缠绕的缺点为：①树脂浪费大，操作环境差；②含胶量及成品质量不易控制；

③可供湿法缠绕的树脂品种较少。

3. 半干法缠绕半干法缠绕是纤维浸胶后，到缠绕至芯模的途中，增加一套烘干设备，将浸胶纱中的溶剂除去，与干法相比，省却了预浸胶工序和设备；与湿法相比，可使制品中的气泡含量降低。

三种缠绕方法中，以湿法缠绕应用最为普遍；干法缠绕仅用于高性能、高精度的尖端技术领域。

纤维缠绕成型的优点①能够按产品的受力状况设计缠绕规律，使能充分发挥纤维的强度；②比强度高：一般来讲，纤维缠绕压力容器与同体积、同压力的钢质容器相比，重量可减轻40～60%；③可靠性高：纤维缠绕制品易实现机械化和自动化生产，工艺条件确定后，缠出来的产品质量稳定，精确；④生产效率高：采用机械化或自动化生产，需要操作工人少，缠绕速度快（240m/min），故劳动生产率高；⑤成本低：在同一产品上，可合理配选若干种材料（包括树脂、纤维和衬），使其再复合，达到最佳的技术经济效果。

缠绕成型的缺点①缠绕成型适应性小，不能缠任意结构形式的制品，特别是表面有凹的制品，因为缠绕时，纤维不能紧贴芯模表面而架空；②缠绕成型需要有缠绕机，芯模，固化加热炉，脱模机及熟练的技术工人，需要的投资大，技术要求高，因此，只有大批量生产时才能降低成本，才能获得较的的技术经济效益。

二国外纤维缠绕工艺及其应用历史

1. 国外纤维缠绕工艺及其应用历史

20世纪40年代中期，国际上正式提出了纤维缠绕技术的概念。纤维缠绕制品的最早应用是1945年制成的玻璃钢环，用于原子弹工程。1946年，纤维缠绕成型工艺在美国取得专利，1947年美国Kellog公司成功地制成世界上第一台缠绕机，随后缠绕了第一台火箭发动机壳体，直径5英寸，长5英尺。

60年代初期，出现第一代机械式纤维缠绕机，其控制系统是由皮带、齿轮、滑轮和链条等组成的机械系统。美国宇航局和空军材料研究室用纤维缠绕工艺研制成功“北极星”导弹发动机壳体，在质量减轻1/2、射程提高一倍多的情况下，成本仅为钛合金的1/10，从而奠定了纤维缠绕在制造尖端军用产品(火箭和导弹)中的重要地位。1973年Entec公司开发了第一台微处理器控制的纤维缠绕机。1976年第一个商业化标准的缠绕机型号McClean Anderson 60型投放市场。

20世纪60-70年代是纤维缠绕技术飞速发展的阶段，在这一时期，纤维缠绕用的纤维仍然是以玻璃纤维为主导。但是，随着新纤维的不断问世，纤维缠绕的应用领域也拓宽了，已从军事部门扩展到化工、污水处理、石油及风能系统等重要的民用部门，商用纤维缠绕机也开始在市场上销售，美国的多家公司都在生产各种高压管、污水管等，并缠绕出巨大体积的复合材料产品，如直径8m、38m 长的风机叶片和直径10m、容积1000m3的巨型储罐等。

20世纪80～90年代，更多的计算机技术投入到缠绕机的开发当中，新一代微机控制纤维缠绕机开始研制。英国的Pultrex采用通用数控系统成功开发了四轴联动纤维数控缠绕机。当时，每台缠绕机的硬件部分都必须包括计算机和运动控制卡，机床的速度控制得到了极大改善，计算机控制系统能够更精确地跟踪机床的位置和速度并对其进行实时控制。与此同时，很多公司开始探索用计算机设

计缠绕模式，即纤维缠绕CAD技术开始出现。用计算机辅助设计缠绕模式，大大简化了缠绕模式的设计，从而减少了产品的开发和工艺设计周期。同时，为了提高生产效率，人产设计开发了多转轴缠绕机，即1台缠绕机同时缠绕多个部件或1台缠绕机上装有多个出纱装置同时缠绕一个部件。这一时期，纤维缠绕仍然以航空和国防为主，但在民用领域进一步扩展，如水力工程中用于制造各种压力管道、压力容器等。在此期间，第一台计算机控制的纤维缠绕机问世，使缠绕精度更高、形状更复杂的产品成为可能。进入20世纪90年代，纤维缠绕技术发展速度明显加快，进入新的高速发展阶段，商用领域进一步扩展到汽车、救生设备、运动器材等，多轴缠绕机已出现并得到发展。

进入21世纪，缠绕机的功能更加完善，各种类型的缠绕机广泛应用于航空航天、军工和民用工业等领域。纤维缠绕设备的开发速度明显加快，同时提高劳动生产率已被置于首要地位，多主轴、多运动轴联动缠绕机逐渐成为标准。为了解决异型件的缠绕成型，研制出了计算机控制的六轴联动纤维缠绕机，解决了基本异型件的缠绕成型问题，结束了用手糊、半手糊方式生产常用管道配件——弯管和三通管的历史。更多运动轴缠绕机的引入使得缠绕形状更为复杂的产品成为可能，目前国际上已有七轴甚至多达十一轴的计算机控制纤维缠绕机。但由于高性能和大型的缠绕机可用于航空航天等军工部门，国外对我国一直限制出口。对于中小型缠绕机虽然通过一些渠道可以出口，但价格昂贵，如可缠绕φ1.6m、长度6m 压力容器的四轴联动卧式数控缠绕机价格要在40万欧元以上。国外知名的缠绕机制造商主要有美国的ENTEC公司、McClean Anderson公司和德国的BSD公司等。

除硬件外，目前国外的纤维缠绕CAD/CAM软件也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轨迹设计功能，还具有异型件纤维缠绕轨迹设计功能。对于各种常见异型件，已经开发出完善的CAD/CAM软件进行芯模设计、线型规划以及后置处理，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和英国Crescent Consultants Ltd的CADFIL，其中CADWIND历时12年研制成功，该CAD/CAM系统受到用户的广泛欢迎，经多年实践，开发了多个版本，其最高版本价格约为4万欧元。

2. 我国纤维缠绕工艺及其应用历史