01
概述
纖維纏繞成型技術是一種先進的加工方法,其中通過噴嘴將浸漬樹脂的纖維束按特定規律纏繞在芯模上,經固化處理后形成最終產品。這種技術的發展與纖維纏繞機的進步密切相關。20世紀30年代,隨著樹脂基增強復合材料的出現,纖維纏繞技術開始興起。到了20世紀40年代末,第一代用于自動生產的纖維纏繞機誕生。伴隨微處理器技術的發展,纖維纏繞機經歷了多次升級,特別是在計算機時代,出現了基于計算機數控和機器人技術的纖維纏繞機,實現了多軸聯動和高精度加工。
國內學者對纖維纏繞技術進行了深入的理論研究,并成功制造了多種纖維纏繞產品,如壓力容器和儲罐等。這些技術在民用、汽車等領域的應用日益增多,顯示出我國纖維纏繞技術已達到國際水平。然而,我國在機床核心部件方面依然依賴進口產品。雖然國內也進行了相關研究,但國產核心部件在機床上的應用仍然較少。在纖維纏繞領域,盡管我國在某些指標上已接近國際標準,但在復雜構件(如異形件、三通管等)的研究方面仍有所不足。
02
發展方向
目前國內大多數纏繞設備能夠保證纖維纏繞制品構件的質量,完成產品加工,但是設備靈活性較低,不能適用于一些復雜構件的纏繞,所以將高靈活性 的機器人應用于自動纏繞勢在必行。現階段國外機器人纏繞設備已經廣泛得到應用,雅典國立技術大學運用六軸機器人實現復合材料殼狀零件的制造,如圖所示,COMAU機器人聯合西門子公司共同研制開發了一系列針對 復合材料成型的機器人設備。但國內機器人纏繞設備尚處于起步階段,且大部分機器人采用的是國外成熟產品。
圖 COMAU機器人聯合西門子共同研發的機器人
隨著德國工業4.0的提出,各個國家分別提出相應發展策略,共同朝著智能化的方向發展,在各類新興技術中,機器人占據了一席之地。工業機器人作為一種多自由度、高靈活性裝置,在智能化領域的多方面應用是必然的,自20 世紀60年代美國首先研發出第一臺工業機器人后,各國開始進入機器人的爭相研發階段,不同國家的一些標志性時代產物。
表 工業機器人發展進程
自1990年代起,為了加工復雜構件,纖維纏繞機開始朝向多自由度的發展。這包括在原有機構上實現多軸聯動,以及采用機器人進行纏繞。各國大學和企業在這方面進行了積極的探索和發展:
探索歷程
- 比利時魯汶大學針對復雜構件的纏繞需求,對PUMA-72機器人進行深度開發,設計制造了專用的纏繞頭,并建立了機器人纖維纏繞工作站。
- 德國亞琛大學為生產復合材料零件,使用機器人建立了一個柔性制造單元。
- 荷蘭代爾夫特大學使用機器人創建了一個多功能工作站,既能完成纖維纏繞制品加工,也可用于其他研究工作。
- 加拿大Compositum公司嘗試結合ABB和KUKA機器人作為纏繞主體,開發全自動纏繞系統。
- 法國MF Tech公司為解決復雜構件的纏繞問題,采用工業機器人建立了纖維纏繞系統。
- 北馬其頓的麥科羅公司開發了機器人自動纏繞生產線,實現輸送、裝卸、纏繞的一體化。
- 意大利學者提出了一種機器人纖維纏繞的設計方法,以確保復雜形狀結構零件的纏繞質量和均勻性。
- 美國田納西大學研究了輕質纖維復合材料多節點結構部件的制造策略和特有纏繞頭部件,使用KUKA機器人對軌跡進行驗證纏繞。
這些研究和開發表明,纖維纏繞技術正不斷發展,以適應更為復雜和多樣化的加工需求。
圖 機器人輔助纏繞應用場景
(未完待續)
信息來源:
顧家宸.多軸專用纖維纏繞系統關鍵技術研究[D].哈爾濱工業大學,2022.
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