圖1 德國萊布尼茨-漢諾威大學(xué)生產(chǎn)工程和機(jī)床研究所（簡稱IFW）通過FlexProCFK項目研究為干纖維鋪層而開發(fā)了一種自動化的懸垂系統(tǒng)。在目前的AutoBLADE項目中，IFW正在一副潮汐轉(zhuǎn)子葉片模具上驗證這項技術(shù)。這項試驗的重點是，根據(jù)模具形狀來測量變形，并實現(xiàn)精確鋪層。一臺GOM公司的Atos測量系統(tǒng)（圖中右側(cè)紅色）通過3D掃描來捕獲懸垂材料上的數(shù)據(jù)，采用IFW內(nèi)部開發(fā)的計算方法即可確定已鋪放材料中的纖維取向（圖片來自IFW）

 

    干纖維織物如非卷曲織物（NCF）在復(fù)合材料制造中很受歡迎，因為與預(yù)浸料相比，它們相對便宜，便于儲存和運(yùn)輸，且可以通過多種方法進(jìn)行加工。然而，按復(fù)雜的部件形狀來懸垂干織物卻非常困難，常常導(dǎo)致褶皺或起皺。德國萊布尼茨-漢諾威大學(xué)生產(chǎn)工程和機(jī)床研究所（簡稱IFW）正在開展的研究，旨在采用一個安裝在機(jī)器人上的模塊化懸垂系統(tǒng)來簡化這項工藝并實現(xiàn)自動化的操作，到目前為止，這項技術(shù)已在航空部件和潮汐能部件的制造中得到了驗證。

 

 

    FlexProCFK是一項為期4年的項目，起止時間是2016年至2020年，參與者包括來自IFW、德國克勞斯塔爾工業(yè)大學(xué)高分子材料及塑料工程研究所（簡稱PuK）以及德國布倫瑞克工業(yè)大學(xué)飛機(jī)設(shè)計和輕量化結(jié)構(gòu)研究所（簡稱IFL）的研究人員們。所有的研究小組都在位于德國Stade的CFK Nord研究中心開展工作。該項目獲得了歐洲地區(qū)發(fā)展基金的資助，目標(biāo)是為擁有復(fù)雜形狀的部件開發(fā)一種能夠連續(xù)濕法懸垂干織物的技術(shù)。

 

    據(jù)IFW的CFRP生產(chǎn)技術(shù)助理研究員Simon Werner介紹，該項目是受IFL正在開展的航空部件設(shè)計研發(fā)的啟發(fā)而啟動的。他說：“我們的合作伙伴采用一種整體的網(wǎng)格加強(qiáng)概念，為飛機(jī)機(jī)身開發(fā)了一種新的、非常規(guī)的結(jié)構(gòu)概念?；鞠敕ㄊ牵瑒?chuàng)造一種仿生形狀，僅需一個熱壓罐循環(huán)周期就能將其制造出來，這意味著機(jī)身蒙皮及加強(qiáng)結(jié)構(gòu)在一個工藝步驟中即能被制造出來。但那時，還沒有自動化的生產(chǎn)工藝能夠直接將加強(qiáng)結(jié)構(gòu)構(gòu)建到機(jī)身蒙皮上。”

 

    與此同時，IFW 已經(jīng)在研究自動化的鋪層概念，而且在IFW與IFL成功合作之后，IFW的Werner及其團(tuán)隊被納入到了FlexProCFK項目之中，以針對IFL的機(jī)身設(shè)計來改進(jìn)其自動化的鋪層概念。在接下來的幾年里，IFW團(tuán)隊開發(fā)了新的生產(chǎn)技術(shù)，同時其合作伙伴PuK研究了符合設(shè)計要求的可懸垂織物以及與之相結(jié)合的樹脂浸漬。

 

    具體來說，F(xiàn)lexProCFK項目致力于開發(fā)一種自動化的工藝，通過在放置于蒙皮上的雙曲面泡沫芯材上鋪放增強(qiáng)織物，來將加強(qiáng)件直接集成到機(jī)身蒙皮上。作為一種更經(jīng)濟(jì)的材料選擇，使用干織物結(jié)合在線浸漬樹脂而不是使用傳統(tǒng)的預(yù)浸料，也為結(jié)構(gòu)設(shè)計提供了更高的幾何自由度。

 

    研究人員們開發(fā)的這種模塊化的懸垂系統(tǒng)包括3個步驟：首先，將織物切割成與加強(qiáng)件形狀相符的所需形狀，接著是第二步，通過噴嘴用熱固性樹脂對織物進(jìn)行浸漬。對于FlexProCFK項目而言，需要在鋪層前，將一種單組分的環(huán)氧樹脂噴到織物的一面上。

圖2 該仿真顯示了處在生產(chǎn)環(huán)境中的IFW的自動化懸垂系統(tǒng)模塊。安裝在機(jī)器人手臂上的鋪放頭將干織物鋪放到形狀復(fù)雜的模具型腔中。此圖中的模具被AutoBLADE項目用于生產(chǎn)一種2m長的潮汐渦輪轉(zhuǎn)子葉片（圖片來自IFW）

 

    “一開始，我們想讓織物完全浸透，并實現(xiàn)纖維和樹脂的均勻分布。”Werner說道，“然而，在鋪層過程中使用液態(tài)樹脂被證明很難控制，而且如果樹脂接觸到機(jī)器就很難將其去除掉。”他表示，實驗室研究表明，只在部件的一面應(yīng)用樹脂，然后在熱壓罐中固化，就可以實現(xiàn)充分的浸潤。“所以，我們只在織物的底部噴樹脂，然后使之懸垂并固結(jié)到泡沫芯材上。這為粘接帶來了額外的好處，織物能很好地粘接到芯材上。”Werner解釋道。

 

    浸漬樹脂后，一個安裝在機(jī)器人手臂上的懸垂裝置將浸漬的織物鋪放到位于機(jī)身蒙皮頂部的泡沫芯材加強(qiáng)件的頂部。該懸垂裝置由一根分成6個可以獨(dú)立加壓的氣動部分的硅膠管以及7個用來定位管子的剪刀形運(yùn)動臂組成。根據(jù)部件的形狀，利用Matlab軟件即可生成管子沿鋪層表面的最終形狀和運(yùn)動。

 

   Werner介紹說，設(shè)計整個系統(tǒng)面臨的一大挑戰(zhàn)是，確保硅膠管可以讓織物的整個表面保持同等的張力，并同時固結(jié)，以避免起皺和壓痕。管子被開發(fā)成一種特殊的形狀——他稱之為“懸垂的樣條”，這樣就能確保在織物的寬度上保持同樣的張力。

 

   最后，在懸垂過程完成后，就可以準(zhǔn)備將此結(jié)構(gòu)放入真空袋中，進(jìn)行熱壓罐固化。

 

   FlexProCFK項目的最終成果是，獲得了自動懸垂系統(tǒng)的原型樣機(jī)。已于2021年春季開始的下一個項目名為AutoBLADE，目的是在實際應(yīng)用中試用該系統(tǒng)。

 

 

    由IFW領(lǐng)導(dǎo)的第二個項目，同樣獲得了歐洲地區(qū)發(fā)展基金的資助，計劃從2021年4月開始，至2022年7月結(jié)束，為期18個月。在AutoBLADE項目中，IFW再一次與PuK和IFL展開了合作，同時還吸納了其他一些行業(yè)合作伙伴參與，包括德國M&D Composites Technology公司和德國Schottel Hydro公司（現(xiàn)在是Sustainable Marine Energy公司的一部分）。

 

    “AutoBLADE基本上是FlexProCFK項目的延續(xù)。”IFW的助理研究員及AutoBLADE項目中由IFW負(fù)責(zé)的子項目的領(lǐng)導(dǎo)人Marco Bogenschütz說道。這一次，IFW與水動力和潮汐能系統(tǒng)的制造商Schottel Hydro公司合作，研究如何將其自動化的懸垂系統(tǒng)原型用于長約2.5m、寬約400mm的潮汐渦輪轉(zhuǎn)子葉片的生產(chǎn)之中。M&D Composites Technology公司設(shè)計了鋁制的葉片模具，該模具配有加熱系統(tǒng)，可以改善樹脂的浸潤和后固化效果（如圖1和圖2所示）。Bogenschütz表示，該項目的部分目標(biāo)是，找出在未來項目中尚需改進(jìn)之處，最終目標(biāo)是，從鋪層速度和部件尺寸方面擴(kuò)大生產(chǎn)規(guī)模，以實現(xiàn)風(fēng)力渦輪機(jī)葉片和其他大型結(jié)構(gòu)的低成本生產(chǎn)。“通過AutoBLADE項目，我們想要找出我們的技術(shù)存在的局限性。”他表示。

 

    AutoBLADE項目的一個關(guān)鍵在于系統(tǒng)的鋪層速度。Werner表示：“相比FlexProCFK項目，渦輪葉片的形狀沒那么復(fù)雜，因此，在此項目中我們應(yīng)該能夠?qū)崿F(xiàn)更高的鋪層速度。”

圖3 為AutoBLADE項目而開發(fā)的工藝在很大程度上是通過過程仿真和分析得到的。針對每一次鋪層試驗，首先采用Matlab軟件進(jìn)行虛擬仿真，然后在實際鋪層中利用一個3D表面掃描儀進(jìn)行掃描。利用掃描獲得的數(shù)據(jù)，可以計算出鋪放在葉片形狀上的各層貼片的纖維取向，從而可以確定出實際的纖維角度與設(shè)計時假設(shè)的纖維角度之間的偏差，然后用有限元仿真來研究纖維角度偏差對轉(zhuǎn)子葉片力學(xué)性能的影響（圖片來自IFW）

 

    這個新項目需要在此過程中做一些改變，以使IFW 團(tuán)隊展示他們的技術(shù)可以實現(xiàn)訂制化，比如，鑒于FlexProCFK 項目中的航空示范部件是通過采用熱壓罐來固化噴涂了樹脂的織物預(yù)成型件而被制成，因此在AutoBLADE項目中，只有先采用一種粘結(jié)劑對干的纖維預(yù)成型進(jìn)行處理后，才能將其鋪放到模具中，然后采用真空灌注的方式對其浸漬樹脂。Bogenschütz表示，這種變化，解決了FlexProCFK項目團(tuán)隊在自動鋪層過程中噴涂液態(tài)樹脂時遇到的問題。此外，AutoBLADE 項目還在研究對單向和雙向非卷曲織物的應(yīng)用。

 

    Bogenschütz解釋說，該項目涉及3個主要部分（如圖3所示）。首先，該團(tuán)隊要與合作伙伴一起，描述部件的參數(shù)和要求，并確定一種評價方法。“AutoBLADE項目的第一部分基本上是關(guān)于如何測量我們鋪放的纖維的取向。”Werner解釋道。在鋪層過程中，利用有限元模型來預(yù)測織物的行為，然后在實際的鋪層試驗中利用一臺德國GOM公司的Atos 3D掃描儀來捕獲數(shù)據(jù)，利用這些數(shù)據(jù)，AutoBLADE項目團(tuán)隊就能計算出已經(jīng)鋪放好的織物中的纖維取向，由此可以確定實際鋪層與模型之間是否存在偏差。這種評估方法也將有助于提高鋪層質(zhì)量，這不僅包括形狀，還包括纖維結(jié)構(gòu)。

 

   第二，2021年夏季，研究人員們開始自己做懸垂試驗：首先根據(jù)Schottel Hydro公司提供的部件形狀來制作模具，然后使用自動懸垂系統(tǒng)原型進(jìn)行鋪層試驗。Bogenschütz表示，目前鋪層試驗正在進(jìn)行之中，以用不同的材料樣品來測試這項技術(shù)，并用粘結(jié)劑來將干的纖維織物固定到位。這些材料樣品包括擁有不同粘結(jié)劑百分含量的單向（0°）、雙向（±45°和0°/90°）非卷曲織物。

 

   第三步是，將為成品的轉(zhuǎn)子葉片開發(fā)一種優(yōu)化的生產(chǎn)工藝。

 

    除AutoBLADE項目外，Bogenschütz和Werner還希望能夠針對更大型的部件以及其他領(lǐng)域的應(yīng)用需求，來繼續(xù)優(yōu)化和完善這種自動懸垂工藝。