概述
热塑性胶带缠绕
启用复杂形状和产品试验
热塑性工艺挑战
⚫ 温度控制
⚫ 间隙和重叠
⚫ 第一层策略
⚫ 热分布随帘布层角度或几何结构的变化而变化
⚫ 层间附着力和结晶度
⚫ 胶带尺寸
⚫ 氢罐用热塑性胶带缠绕的优点
完整课程
概述
热塑性胶带缠绕是一种高度自动化的工艺，用于制造管状纤维增强热塑性复合材料，如飞轮和管道。TTW工艺中的一个关键参数是压辊将进入的预浸料带与基材结合的夹点温度。
热塑性胶带缠绕
在热塑性胶带长丝缠绕中，缠绕过程中发生完全的原位固结， 无需在烤箱中进行后处理。因此，轧制热塑性零件可以在一个生产步骤中加工。热塑性预浸料的在线熔化几乎在焊接过程中立即发生， 只需几秒钟。这允许在无需后处理的情况下制造更大的几何自由度，包括平面和凹面形状。另一种可能的改进涉及局部定向纤维的能力。 热塑性固结可避免纤维滑移，为测地线轨迹以外的各种缠绕路径提供稳定性。
启用复杂形状和产品试验
➢ 储存氢气、推进剂或压缩空气的压力罐
➢ 管道/管道：用于水、石油和天然气
➢ 结构部件：吊杆、外壳、格栅结构、集成
➢ 轴不对称部件：管道
为什么在光纤缠绕上实施胶带缠绕？
使用传统纤维缠绕工艺制造罐/管已经存在了很长一段时间， 但使用胶带缠绕，设计师和制造商可以获得新的自由度：
➢ 使用非测地线纤维方向
➢ 为插件、安装点等添加局部增强纤维
➢ 生产无衬里储罐
➢ 使用更可持续/可重复使用的材料，如热塑性复合材料
热塑性工艺挑战
➢ 温度控制
对于压力容器等关键产品，在大规模生产过程中，确保产品质量持续高水平非常重要。TTW是夹点的精确温度控制，这可以通过实施下图所示的热传感器并通过基于模型的学习来解决。
在温度控制设置下用Humm3缠绕热塑性胶带
➢ 间隙和重叠
此外，胶带的几何位置对部件质量非常重要。尤其是胶带之间的相对位置与压力容器的机械财产有关。理想的条件是假设磁带在路径上彼此直接靠近。与理想状态相比，主要有两种不规则性会 影响进一步的生产过程，从而影响机械财产：胶带路径和重叠之间的间隙。
热塑性胶带缠绕过程中的不规则性
间隙可能导致机械不稳定性，因为材料在预期的区域缺失。然而，如果间隙不太宽，则对后续工艺的影响很小。 另一方面，两条带路径的重叠导致不均匀的表面结构，并因此 能够影响接触压力辊，并且能够阻止下面的带的正确结合。这些误差是由负载变化、机械臂结构、速度计算延迟等引起的机器人精度的绝对连续路径引起的。
➢ 第一层策略
与任何增材制造工艺一样，TTW 中的第一层是一个问题，因为不同的材料“粘结”在一起。对于使用金属衬里或可溶性衬里的储罐生产，应考虑采用粘结方法。将环向卷绕与螺旋卷绕与轴向卷绕的情况进行比较，应考虑螺旋卷绕与轴向卷绕的滑动限制，并将其规划为干纤维卷绕。
➢ 热分布随帘布层角度或几何结构的变化而变化
在TTW过程中，热量分布在进入的胶带和基板之间。然而，由于光线为不同的几何形状投射不同的阴影，聚焦在不同形状上的热能投射出不同的能量分布。
激光辅助放置过程：胶带缠绕（左）和胶带铺设（右）。 图片来源：图 1.5，“热塑性复合材料激光辅助胶带放置 中的热趋肤效应”，Thomas Weiler，2020 年 1 月。
➢ 层间附着力和结晶度
热管理是在热塑性基体中实现充分的层间粘附以及充分的潜在结晶度的关键因素。应考虑降低叠层速度、提高温度和延长加热时间，以确保分子扩散。
根据 Schneider 等人（2016），聚合物夹层的温度相关行为
➢ 胶带尺寸
胶带尺寸是胶带缠绕的关键参数。从供应商处获得恒定的胶带 宽度和厚度将使产品可重复且均匀。但是，磁带尺寸也定义了设计灵活性。例如，对于管状心轴上的轴向叠层，胶带宽度应足够窄， 以符合心轴曲率。
图片来源：A+Composites
氢罐用热塑性胶带缠绕的优点
热塑性绕带机使用革命性的加热技术来改进过程控制，在其生 命周期内，它比传统机器产生的排放更少。在机器上生产产品时产 生的废物较少。热塑性浸渍胶带的使用使储罐坚固、轻便且可回收。 针对特定几何变化改进的机器学习加热控制，确保生产的储罐以前 所未有的质量水平可靠制造。
与使用热固性材料的湿纤维缠绕相比，
使用热塑性塑料的带状纤维缠绕的优点和缺点
自动纤维放置系统的胶带和纤维缠绕能力Addcomposites现在为AFP系统提供了胶带和纤维缠绕功能， 该系统可以在干纤维、热固性和热塑性材料生产线上工作。
完整课程
上述文章是《压缩氢储罐的设计与开发》课程的一部分。本课程涵盖了更多内容，首先讨论材料选择和制造实践方面的挑战，以及正在探索的前沿趋势。还讨论了储氢罐设计和分析中的关键问题。最后，讨论了测试和认证要求，因为它们在行业验收中起着重要作用。
注：原文见《 Thermoplastic Tape Winding of Hydrogen Tank 》
portant;">更新日期：2022 年 11 月 6 日