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專題報告

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多軸纖維纏繞設備的技術現(xiàn)狀與發(fā)展方向(上)


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(guī)律纏繞在芯模上,經(jīng)固化處理后形成最終產(chǎn)品。這種技術的發(fā)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(xiàn),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(chǎn)的纖維纏繞機誕生。伴隨微處理器技術的發(fā)展,纖維纏繞機經(jīng)歷了多次升級,特別是在計算機時代,出現(xiàn)了基于計算機數(shù)控和機器人技術的纖維纏繞機,實現(xiàn)了多軸聯(lián)動和高精度加工。

國內(nèi)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(chǎn)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(chǎn)品。雖然國內(nèi)也進行了相關研究,但國產(chǎn)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(gòu)件(如異形件、三通管等)的研究方面仍有所不足。


02

發(fā)展方向



目前國內(nèi)大多數(shù)纏繞設備能夠保證纖維纏繞制品構(gòu)件的質(zhì)量,完成產(chǎn)品加工,但是設備靈活性較低,不能適用于一些復雜構(gòu)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(xiàn)階段國外機器人纏繞設備已經(jīng)廣泛得到應用,雅典國立技術大學運用六軸機器人實現(xiàn)復合材料殼狀零件的制造,如圖所示,COMAU機器人聯(lián)合西門子公司共同研制開發(fā)了一系列針對 復合材料成型的機器人設備。但國內(nèi)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(chǎn)品。


多軸纖維纏繞設備的技術現(xiàn)狀與發(fā)展方向

圖 COMAU機器人聯(lián)合西門子共同研發(fā)的機器人

隨著德國工業(yè)4.0的提出,各個國家分別提出相應發(fā)展策略,共同朝著智能化的方向發(fā)展,在各類新興技術中,機器人占據(jù)了一席之地。工業(yè)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(fā)出第一臺工業(yè)機器人后,各國開始進入機器人的爭相研發(fā)階段,不同國家的一些標志性時代產(chǎn)物。

表 工業(yè)機器人發(fā)展進程

多軸纖維纏繞設備的技術現(xiàn)狀與發(fā)展方向


自1990年代起,為了加工復雜構(gòu)件,纖維纏繞機開始朝向多自由度的發(fā)展。這包括在原有機構(gòu)上實現(xiàn)多軸聯(lián)動,以及采用機器人進行纏繞。各國大學和企業(yè)在這方面進行了積極的探索和發(fā)展:



探索歷程


比利時魯汶大學針對復雜構(gòu)件的纏繞需求,對PUMA-72機器人進行深度開發(fā),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(chǎn)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(chuàng)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(jié)合ABB和KUKA機器人作為纏繞主體,開發(fā)全自動纏繞系統(tǒng)。

法國MF Tech公司為解決復雜構(gòu)件的纏繞問題,采用工業(yè)機器人建立了纖維纏繞系統(tǒng)。

北馬其頓的麥科羅公司開發(fā)了機器人自動纏繞生產(chǎn)線,實現(xiàn)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(jié)構(gòu)零件的纏繞質(zhì)量和均勻性。

美國田納西大學研究了輕質(zhì)纖維復合材料多節(jié)點結(jié)構(gòu)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(fā)表明,纖維纏繞技術正不斷發(fā)展,以適應更為復雜和多樣化的加工需求。


多軸纖維纏繞設備的技術現(xiàn)狀與發(fā)展方向

圖 機器人輔助纏繞應用場景



(未完待續(xù))

信息來源:

顧家宸.多軸專用纖維纏繞系統(tǒng)關鍵技術研究[D].哈爾濱工業(yè)大學,2022.

www.cygnet-texkimp.com

此文由中國復合材料工業(yè)協(xié)會搜集整理編譯,部分數(shù)據(jù)來源于網(wǎng)絡資料。文章不用于商業(yè)目的,僅供行業(yè)人士交流,引用請注明出處。



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