開發(fā)輕質(zhì)、模塊化的復(fù)合材料擠奶平臺

2007年，懷卡托擠奶公司轉(zhuǎn)向復(fù)合材料旋轉(zhuǎn)平臺設(shè)計，以解決傳統(tǒng)混凝土平臺關(guān)于耐用性、運輸和組裝的難題。在之后的幾年里，不斷變化的需求導(dǎo)致了設(shè)計和工藝也在不斷創(chuàng)新

懷卡托擠奶系統(tǒng)公司（新西蘭）擁有50多年的發(fā)展歷史，為全世界的奶牛場提供技術(shù)解決方案。在其產(chǎn)品中，公司提供平臺、自動化、擠奶和牛奶冷卻設(shè)備以及儲存罐，這些都是運行高產(chǎn)和具有成本效益的在線式或旋轉(zhuǎn)式奶牛場所需的。

旋轉(zhuǎn)式擠奶平臺是扁平的圓形結(jié)構(gòu)，可容納50至100多頭奶牛站在有門的擠奶棚中。平臺位于以滾筒為基礎(chǔ)的底盤和設(shè)備之上，為相對緩慢的360度旋轉(zhuǎn)提供動力，每頭奶牛經(jīng)過時，由一到兩名固定的人類操作員管理擠奶設(shè)備。旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)允許以最少的人員實現(xiàn)高效的擠奶過程。

對于Centrus平臺設(shè)計的每一次迭代，核心要求包括可制造性、可擴展性和輕質(zhì)，以支持使用該平臺的奶牛和人，并幫助維持平臺下的底盤設(shè)備 

傳統(tǒng)意義上的懷卡托旋轉(zhuǎn)平臺由混凝土制成，這些平臺的重量可達100噸，給平臺下面的底盤和支持設(shè)備帶來很大壓力?；炷疗脚_還必須在現(xiàn)場澆筑，使得制造條件難以控制，產(chǎn)品無法運輸?shù)饺蚩蛻簟?/span>

2007年，懷卡托開始尋找一種方法來建造一個重量更輕的平臺，以提高其旋轉(zhuǎn)平臺設(shè)備的耐用性和壽命。通過工業(yè)生產(chǎn)解決方案專家Magnum Venus Products（MVP，美國），懷卡托被介紹給玻璃纖維復(fù)合材料——這使混凝土平臺的重量減少了75%，并使懷卡托轉(zhuǎn)向更高質(zhì)量、工廠生產(chǎn)化的模塊化組件，可以方便地運輸給世界各地的客戶。

懷卡托的復(fù)合旋轉(zhuǎn)平臺產(chǎn)品，現(xiàn)在被命名為Centrus，在過去15年中經(jīng)過了四代迭代發(fā)展，每一代都需要技術(shù)創(chuàng)新，并通過各種制造工藝不斷發(fā)展，包括真空袋灌注、輕型樹脂轉(zhuǎn)移成型（LRTM）和可重復(fù)使用的硅膠袋灌注。

最初原型：采用真空袋灌注

MVP的閉模產(chǎn)品經(jīng)理表示，需要一種更具成本效益、勞動強度更低的工藝（簡單的手糊很快就被排除在平臺的工藝選擇之外）。

為了制造用于測試的前兩個原型，懷卡托公司使用了真空袋輔助灌注法（圖1）。該平臺由E-玻璃/乙烯基酯構(gòu)成，在需要的地方加入了凱夫拉爾和PET泡沫芯層。

圖1. 真空袋灌注。在最初的原型開發(fā)中，懷卡托采用了由MVP優(yōu)化的真空袋輔助灌注工藝

懷卡托公司為其首個復(fù)合材料原型選擇了該公司相對較小的九件式、直徑14米的平臺。技術(shù)人員將切割好的玻纖和芳綸纖維裝入母模，然后是預(yù)先切割好的PET泡沫芯和金屬部件（用于連接平臺和起落架）。連接好真空袋并在真空狀態(tài)下注入乙烯基酯。

這個過程的挑戰(zhàn)是凸起的金屬和泡沫插入物在灌注過程中會帶來樹脂流動問題，必須要對其進行優(yōu)化。為此MVP公司為該裝置配備了一臺基于氣動的灌注機以控制樹脂流動壓力。此外，還設(shè)計了一個可重復(fù)使用的硅膠樹脂通道，以容納部件頂部的一個注射口。然后，樹脂通過真空袋下面的指定通道被引導(dǎo)到零件的特定區(qū)域。

真空袋灌注法被用于該平臺的首次試運行，因為對于一個剛開始接觸復(fù)合材料的公司來說，這是最容易執(zhí)行的工藝，而且它在建造最初的全尺寸原型進行測試時效果良好。

第一批生產(chǎn)平臺（第一代）：采用LRTM工藝

隨著懷卡托開始增加產(chǎn)量，顯然需要更快的生產(chǎn)流程。最初的灌注平臺生產(chǎn)每個部分需要20個小時；懷卡托通過改用LRTM（一種封閉式成型工藝）來加快樹脂灌注和部件固化，使每個部件的周期時間減少到5小時。

在LRTM工藝中（圖2），懷卡托的技術(shù)人員將芳綸纖維、E-玻璃纖維、預(yù)切泡沫芯、金屬部件和額外的E-玻璃纖維層裝入下模。在這個設(shè)計中，樹脂通道被直接預(yù)切到泡沫芯中，取代了原來工藝中使用的硅樹脂通道。這樣，樹脂可以直接注入并穿過泡沫，然后再浸潤玻璃纖維。

在起重機的幫助下，上模被降到下模上，并通過真空密封。合模后，乙烯基酯樹脂在加熱和加壓下直接注入泡沫樹脂通道中。最終的部件通過滑輪系統(tǒng)脫模，然后涂上膠衣，上面有成型的握柄花紋和色素樹脂，供客戶使用。

利用這一工藝，懷卡托公司于2008年在新西蘭將其第一批商業(yè)產(chǎn)品推向市場。第一代商用Centrus平臺是一個54個攤位的平臺，由九個注入部分組成，每個部分6個攤位，總直徑15.4米（50.5英尺）。

圖2. 為了將其第一個Centrus平臺迅速推向市場，懷卡托選擇LRTM工藝

發(fā)展到更大平臺（第2代）：從LRTM到柔性成型工藝

Centrus平臺在新西蘭取得初步成功后，懷卡托決定向進軍全球市場。為了滿足美國對更大平臺的需求，該公司開發(fā)了第二代設(shè)計，其特點是有84個攤位，直徑26.4米（86.6英尺）的平臺。與第一代平臺一樣，第二代設(shè)計中的每個面板最初包括每個部分的六個模制攤位，后來在較小的配置中增加了五個和四個攤位的版本。

為更大的平臺開發(fā)了更大的LRTM模具，而在這開發(fā)過程中出現(xiàn)的一個挑戰(zhàn)是，凸起的金屬和泡沫核心部件使得僅用真空很難閉合和夾緊模具。為解決這一難題，MVP開發(fā)了一個垂直法蘭，作為上層模具的第二個翼形密封件，鉤住下層模具，在抽真空時將兩個模具吸在一起。

在新的、更大的平臺推向市場后，產(chǎn)品系列中又增加了一個較小的、有40個攤位的Centrus產(chǎn)品。Morris指出，隨著懷卡托公司不斷發(fā)展產(chǎn)品和開發(fā)新的尺寸以適應(yīng)市場需求，必須為每次迭代開發(fā)和購買新的LRTM工具。

為了節(jié)省模具成本并適應(yīng)設(shè)計和尺寸的變化，2016年，懷卡托公司轉(zhuǎn)而采用MVP稱為Flex Molding的工藝——本質(zhì)上是一種使用可重復(fù)使用的定制硅膠膜作為上模的液體灌注工藝（圖3）。MVP硅膠機將液體硅膠噴到模具上，使其硬化成柔性上模。然后，將E-玻璃纖維織物和泡沫芯材裝到下模上，使用特殊法蘭涂上硅樹脂膜以確保適當?shù)拿芊?，然后進行樹脂灌注和脫模。

圖 3.  隨著懷卡托開始增加尺寸選項并優(yōu)化其平臺設(shè)計，選擇了硅膠袋灌注工藝以節(jié)省工具成本。 第 2、3 和 4 代現(xiàn)在采用 Flex Molding

降低生產(chǎn)成本（第 3 代）：兩件式粘合設(shè)計

為進一步降低成本和勞動力，懷卡托決定將第 3 代設(shè)備的整體平臺設(shè)計更改為兩部分設(shè)計：一個平坦的整體甲板面板（人或牛站立的平臺）和一個底部，波紋肋結(jié)構(gòu)（底盤和其他設(shè)備連接在其上），粘合在一起。這種加強筋結(jié)構(gòu)最初是通過 LRTM 成型，而平板面板是在懷卡托工廠使用 Flex Molding 制造。這些是在 MVP 粘合劑分配系統(tǒng)的幫助下粘合而成（圖 4）。

這種設(shè)計意味著懷卡托現(xiàn)在可以制造一種尺寸的標準化面板，而不是使用已購買的特定模具尺寸制造定制 Centrus 產(chǎn)品，然后進行CNC加工以適應(yīng)客戶的尺寸要求。從 Gen. 3 平臺開始一直到現(xiàn)在，每個攤位都是單獨構(gòu)建為一個矩形面板，然后進行加工以適應(yīng)所需的曲率和尺寸，而不是前幾代采用模制的六攤位部分不容易改變。使用這個系統(tǒng)，懷卡托每 8 小時輪班可以生產(chǎn)多達 16 個標準面板。

復(fù)雜形狀的波紋結(jié)構(gòu)很難注入，但 MVP 開發(fā)了一種策略，在零件的一側(cè)有兩個真空點，并在波紋零件上留有樹脂通道——通道可以模塑進去。為簡化這一過程，懷卡托開始從 Fiber Composites Australia公司購買即用型拉擠部件。

圖 4. 兩部分設(shè)計。在懷卡托第三代，該平臺由兩部分組成：一個可以按訂單加工的整體式甲板，以及一個波紋上面板

大批量生產(chǎn)（第 4 代）：柔性成型和 CNC 加工

隨著 Centrus 產(chǎn)品和擠奶技術(shù)在過去幾年中的進步，對更大平臺的需求也在增加。 雖然最初的平臺設(shè)計為可容納 50 頭奶牛，但如今的 Centrus 平臺直徑需要超過 30 米，并且能夠承載 110 頭奶牛的重量加上擠奶設(shè)備的重量，總計約 96.8 公噸。

懷卡托當前一代的設(shè)計涉及柔性成型平板，類似于 Gen. 3 的甲板面板，但沒有拉擠附件。 通過夾在 E 玻璃纖維層之間的泡沫芯將形狀添加到面板上，然后 CNC 加工成最終尺寸。

從技術(shù)的角度來看，第三代的水平更高。但每次懷卡托想要制造不同尺寸的旋轉(zhuǎn)時，制造新模具變得過于昂貴，而且生產(chǎn)成品可能需要幾個月的時間?，F(xiàn)在每月可以預(yù)制多達 200 個相同的面板，可以將它們存儲起來，然后快速加工成訂單。

如今，Centrus 平臺在全球范圍內(nèi)發(fā)貨和銷售，包括澳大利亞、美國、歐洲、中國和南美的客戶。該產(chǎn)品與混凝土相比貴 10% 左右，但在市場上很受歡迎，因為你可以很容易看到優(yōu)勢。減輕重量與使用復(fù)合材料密集型飛機獲得的效果相同——較低的結(jié)構(gòu)重量意味著為飛機提供動力所需的燃料更少。這些平臺非常節(jié)能，在當今世界上非常受歡迎。除了減輕重量之外，與混凝土相比，復(fù)合材料平臺更耐用——將平臺的使用壽命從 20 年延長至 35 年——并延長了機械設(shè)備的使用壽命，由于重量輕，不透水（防止細菌等），并能夠?qū)崿F(xiàn)更大的生產(chǎn)連續(xù)性和質(zhì)量控制。

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