热塑性复合材料缠绕技术.docx

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1、热塑性复合材料缠绕技术人类开发并利用缠绕技术于生活用品已有多年历史，但真正把此项技术应用于航空工业上却是近年来之事。由于复合材科在航空工业日渐重要，已趋于成熟之缠绕技术，协作材料之开发及设备之制造，使得此项技术得以充分发挥并制造出符合航空用之复材零件。在实际使用上，早期之开发系以热固性复合材料为主，随后由于热塑性材料之开发，此项技术已有突破性之进展，德拉瓦大学复合材料中心已开发以机械人自动把握方式制作复合材料零件，此项技术已可正式用于工业生产上。缠绕技术须考虑之层面进展缠绕技术得考虑下面几种因素（1） 制作过程与本钱（2） 设备力量（3） 制作过程之考虑目前在制造上有三种 不同之方式 Fila

2、mentwinding、FiberPlacement、Tape Laying，由制作力量、质量及本钱观点比较三种不同之方式表 1、2 及图 1； 由表中可看出三种方式以 Filament winding 方式制作零件，本钱最低最符合工业之需求。另外以缠绕技术可直接生产热塑性复合材料零件，其生产本钱明显之降低图 2，将来进展潜力甚大。德拉瓦大学复合材料中心开发热塑性复合材料缠绕技术已有多年，并有具体成果。缠绕技术之原理缠绕技术根本上系将成束纤维通过树脂槽含浸树脂后，经由缠绕机器，依某设计角度，将含浸后之纤维束缠绕于心轴上如图 3。目前已开发之热塑性复合材料之缠绕技术，其缠绕过程不同于热固性复合材

3、料。缠绕技术之考虑缠绕技术必需考虑以下数个因素:（1） 材料选择包括纤维、树脂种类 湿式缠绕热固性复材干式缠绕热塑性复材（2） 张力固定方式（3） 材料喂入系统（4） 心轴设计（5） 加热系统热塑性复合材料缠绕机之选择缠绕技术进展多年并有多家机械公司开发二轴、三轴甚至多轴之缠绕机器， 目前协作计算机系统而使功能多样化，较之传统机械式操作方式，更能将缠绕技术之优点发挥得淋漓尽致。以下为三种不同型式之缠绕机之比较说明：（1） 机械式缠绕机器a. 投资本钱低b. 制造速率高c. 心轴几何外形受限（2） 计算机把握缠绕机器a. 投资本钱高b. 制造速率高c. 可缠绕简单几何外形之心轴（3） 机械人缠绕

4、工作站Robotic winding workcellsa. 投资本钱中等b. 可缠绕简单几何外形之心轴c. 赐予多种其它用途d. 最适于初期产品开发表 1 质量比较Wet FilamentPrepreg Type HandPrepreg Tow FiberVoid Content Thickness Flexibility Winding Angle Flexibility Tow Cutand AddLaps and Gaps GeometryMaterial Scrap RateWinding 4% to 8%0.010 to 0.025 inch / ply15 to 90NO0.12

5、5 inch Best for Bodies ofRevolution 20% to 40%Layup 1%0.005 to 0.010 inch / ply0 to 90 flatHand Splice Only0.030 inch Compound FlatPatterns 50% to 200%Placement 4% to 8%0.0005 to 0.0015inch / ply0 to 90, variableProgrammable0.030 inch Compound Machine Placed5% to 20%From：Hercules Advanced Composites

6、,1990图 1 各种技术产品价格比较表 2 本钱/技术层面分析比较100100010000100100010000100100010000unitsunitsunitsunitsunitsunitsunitsunitsunits1.001.001.001.001.001.001.001.001.000.740.530.500.760.540.52XXX2.330.820.69XXXXXX2.610.990.842.611.010.863.840.830.49PROCESSFlat PanelNormalized CostSingle CurvatureNormalized CostCompo

7、und CurvatureNormalized CostHand LayupTP FilamentWindingAutomatedType Layer ATLATLWith PressFrom :M. Draper Labs, SAMPE Quaterly 1991图 2 各种生产技术之产品件数与本钱之关系图 3 缠绕技术之原理图 4 热塑性复材缠绕方式图 5 热固性复合材料缠绕方式热塑性复材缠绕技术热塑性复材缠绕技术根本上沿袭热固性复材缠绕技术而来，所不同的为热固性缠绕技术进展较早，设备较完备，缠绕角度亦多样化，可直接以纤维含浸树脂并缠绕于模具上。热塑性复材缠绕技术系因应热塑性复材之开发及产

8、品制造之需要而进展，其技术层面为较高，所需设备亦较简单。开发时间虽较热固性复材缠绕来得晚，但热塑性复材缠绕技术有如下之优点：（1） 预浸料不需低温储存，具长期保持性（2） 不需硬化，节约成型时间本钱（3） 再成形性佳（4） 缠缠绕过程系经物理变化，无其它副产品，无污染之虞（5） 成品较韧性，破损容忍度高热塑性复材缠绕技术除了以上之优点外，其最大之好处，为热固性复材所无法比较的：（1） 产品不需二次加工（2） 产品厚度不限（3） 可制非曲面或凹形曲面之产品（4） 材料可重复使用热塑性复合材料缠绕技术加热方式之比较热塑性复合材料与热固性复合材料最大之不同，且最重要的地方在加热装置与加压系统。热塑性

9、复和材料缠绕技术进展多年，其加热方式大致有以下数种：A. 电阻加热B. 热滚筒C. 超音波D. 高周波E. 雷射光F. 红外线G. 热气H. 火焰以上加热方式各有其优缺点，现对几个重要之加热方式说明于后：A. 热滚筒加热方法：热滚筒加热方法如图 6，热源置于被缠绕物之内部或外围，以电热等方式直接加热被缠绕物体被强化物，被缠绕物体之温度维持在热塑性复材预浸料熔融所需之温度。当预浸料紧贴被缠绕物体外表时，及吸取被缠绕物体之温度至熔融并与下层预浸料熔接在一起。图 6a为被缠绕之心轴，置于加热舱之中心，心轴之温度来自于加热舱。当复材预浸料预热进入舱内而缠绕于心轴，此时预浸料从心轴与加热舱中吸取热量而粘

10、贴于心轴上。图 6b为被缠绕之心轴内部装置加热系统，热塑性复材预浸料除承受外界预热之能量外，当预浸料缠绕于高温之心轴，吸取心轴之温度而熔融粘贴于心轴上。图 6c说明心轴本身并不加热，热塑性复材预浸料受预热系统及缠绕装备加热系统之加温，当到达所需之温度以红外线加热时，预浸料缠绕于心轴上。以上三种加热装置，应以图 6c之加热法较适宜操作及温度条件之把握。图 6 热滚筒加热方法B. 红外线加热法：利用红外线加热来进展热塑性复材缠绕如图 7，预浸带先由张力机固定其方向并维持肯定之张力。当预浸带经过缠绕头座时，以红外线瞬间加热预浸带至材料软化或熔化，此时以滚压缠绕头座将预浸带与下层积层熔接在一起。IMP

11、ROVEMENTS TO THERMOPLASTIC WINDING HEAD图 7 用红外线加热方式来进展热塑性复材缠绕C. 雷射光加热方式：以雷射光加热来把握温度是相当精准的方法，此技术用于热塑性复材缠绕， 始于德拉瓦大学复合材料中心之争辩群。其缠绕原理如图 8，缠绕之方式如图 9 之说明。热塑性复材预浸料受雷射光局部加热熔化，当上下熔化之积层以滚压头座将之熔接在一起。此项加热方式其加热区域较小且热量高，万一停留时间够长时，简洁造成树脂分解。图 8 雷射光缠绕原理图 9 以雷射加热法进展热塑性复材缠绕D. 火焰加热法：以火焰来加热物体，在本钱上考虑可谓最合经济效益，事实上已有以火焰加热方式

12、来进展热塑性复材缠绕之例子且很成功。以火焰加热方式来进展缠绕其装备如图 10。火焰加热法与红外线加热法在装备上一样，所不同之处为使预浸材软化或熔化之工具不同而已。表 3 为各种加热系统优缺点之比较。图 10 以火焰加热方式进展热塑性复材缠绕表 3 热塑性复材缠绕加热方法优缺点比较加 热 方 式评估电流经由碳纤维加热方式，理论可行，但实际电阻加热相当简单，且对玻璃纤维及克拉纤维等不导电Resistance heating之材料则无法实施。热滚筒很好之解决方式，但因加热之滚筒体积膨胀，Hot rollers增加预浸带之张力为其缺点。超音波在应用上利用移动金属杆对预浸带加压，由Ultrasonic

13、Waves于杆子与预浸带间之磨擦而造成预浸带张力之转变。高周波High Frequency Waves激光光Laser light加热材料促使热塑性材料分子摇摆，此方式仅对具极性高分子之塑料材料有效。另外制造高周波有困难，且对装备及人员有损害。已被使用于加热热塑性复合材料预浸带，但其操作之最大速度为 5 cm/s，其加热面积为点状， 仅少数预浸带受热，不适合工业界之大量生 产。红外线加热Infrared radiation热气Hot gas火焰Open flames最简洁制造及把握之加热方式，但红外线易伤眼睛，在热源四周必需掩盖防护装置。功率最小，因必需加热气体与材料，两者之热传递功率甚低。供

14、给高热源，因其热量太高，简洁将树脂分解。目前较为工业界所承受之三种加热方法为：（1） 红外线加热（2） 雷射加热（3） 火焰加热在装备费上，以雷射加热法最贵，红外线加热法最廉价。在操作本钱上则以红外线加热法最少；而缠绕速度来比较，依速度之快而慢，依次为：雷射法火焰法红外线法。至于在缠绕时之穿插缠绕操作则雷射法与红外线法较有困难， 火焰法则较易；然而红外线法已开发成功以机器人操作之全自动缠绕，其各种角度之缠绕已可运作。三种加热法之综合评估如表 4 所示，将来将以红外线加热法使用于热塑性复材缠绕来生产所需之产品较有进展之空间。表 4 三种不同加热法之比较激光26060-14061ms困难7(CO2

15、)红外线60.602.5-2761ms-55困难火焰4-401230-60301-105简洁装备本钱操作本钱缠绕速度预浸带技术加热把握 穿插缠绕US；仟元 S/hm/minmm12Ndyag红外线加热之缠绕技术此项技术重点在红外线加热装置及挤压缠绕头座两局部，其缠绕原理如图11，热塑性复材预浸带，先由张力机将预浸带固定其方向并维持肯定张力，至挤压缠绕头座时，以 IR 热加热材料，使材料软化，此时在肯定的转速下，挤压头座以各种不同之压力将材料固化在心轴上。图 12 为红外线加热缠绕技术之整体配备说明，图 13、14 为德拉瓦大学复合材料中心所使用之热塑性复合材料缠绕设备。图 11 系统概要说明图

16、 12 装置之架构图 13 德拉瓦大学复合材料中心热塑性复材缠绕设备全观图 14 德拉瓦大学复合材料中心热塑性复材缠绕设备近观影响热塑性复和材料缠绕之因素以红外线加热之缠绕技术，对产品质量影响之打算性因素有三：（1） 温度（2） 固化力Consolidation force（3） 缠绕速度气体温度/剪力强度之关系图 15 为心轴转速为 80 mm/s，挤压强度分别为 12.11 N/mm，18.67 N/mm 下， 气体温度由 398升至 495，即 PEEK 在未分解之温度下，气体温度越高越有利于 PEEK 之熔合，熔合愈完全，材料之剪力强度愈高，故 APC-2 之剪力强度由 6.5 N/m

17、m2 升至 8.5 N/mm2。图 15 气体温度与剪力强度之关系固化力/剪力强度之关系图 16 为 APC-2 缠绕固化之变化与剪力强度之关系，在固定之心轴转速 80 mm/s，温度为 398，其剪力强度不受固化力之影响，但温度升至 495时，剪力强度随固化力之增加而降低。图 16 固化力与剪力强度之关系此图说明以下两点可能缘由：（1） 气体温度为 398，心轴转速为 80 mm/s，其气体能量转移至 APC-2 恰能软化材料，此时 APC-2 之粘度甚高，纵使固化力提高亦不致于挤掉 PEEK，故其剪力强度不受影响。当转速调为 60 mm/s 时，气体有较多的能量转移至材料，使材料软化面积加大，当固化力增大时， 其固化面积亦相对增加，故剪力强度随固化力之增加而增加。（2） 气体温度为 495，转速为 80 mm/s 时，其气体能量足以熔化 APC-2，此时 APC-2 粘度较低，固化力提高时，部份 PEEK 被挤出，固化力愈高，APC-2 树脂被挤出愈多，其剪力强度愈低。心轴速度/剪力强度图 17 为心轴转速与材料剪力强度之关系，在固定温度 398、495，固化力分别为 12.11 N/mm，18.67 N/mm 时，心轴转速愈快，其气体能量传至 APC-2 愈少，致使 APC-2 软化或熔化面积削减，固化面积相对削减，因而其剪力强度降低。图 17 心轴速度与剪力强度之关系