Murat Kurtlar，Mazyar Ahrari总经理，负责国际项目，batu Han alikan，负责原型生产和应用流程，Bursa技术协调和R&D中心(BUTEKOM)
复合材料已经改变了包括航空航天和汽车在内的众多行业，与金属和聚合物等传统材料相比，复合材料具有无与伦比的强度、重量轻和设计灵活性。开发新的材料系统和先进的生产工艺是发展复合材料的必要条件。原型和制造技术必须是高效的、可扩展的和成本有效的，以满足对高性能复合材料结构日益增长的需求，并且已经存在许多用于复合材料原型的创新技术，特别是带状编织、径向编织、定制纤维放置和纤维缠绕技术。这些先进的制造技术正在革新复合材料的原型制作和生产及其在许多领域的应用。
图Butekom的多尼尔织带机
复合材料结构中带编织的精度和灵活性
一种将当代复合纤维技术的优点与传统编织相结合的制造复合材料的有前途的方法是带式编织。这种方法包括将玻璃、碳纤维、芳纶或其他纤维制成的连续纤维带编织成复杂的设计，可用于制造各种用途的复合材料预制件。带织机(图1)通常在两个或更多正交方向交织连续纤维带，通常为经纱和纬纱。用这种技术生产具有高度纤维排列和很少空隙含量的复杂结构是非常有利的。对纵向和横向纤维排列的精确控制保证了最终复合材料部件的机械性能适合特定的承载需求。
就原型制作而言，磁带编织具有多种优势:
- 材料效率:与传统的复合材料制造技术(如手糊或树脂浸渍)相比，带状编织通过使用连续的热塑性和热固性纤维减少了材料浪费。
- 设计灵活性:生产复杂的几何形状和定制的纤维结构能够创造出具有与实际环境非常相似的特征的原型。
- 一致性和可重复性:制造商可以利用自动化带编织系统制造出可靠且可重复的原型产品，这是扩大全面生产的重要前提。
胶带编织的主要缺点是管理胶带材料和复杂的机器设置。另一个持续的困难是最大化纤维结构，以最小化制造缺陷并获得所需的机械质量。
Butekom的Herzog径向编织机
用径向编织增强结构性能
当制造需要在几个维度上坚固的复合材料时，径向编织(图2)是一种流行的技术。编织是一种技术，其中线在三维结构中同时交织，与传统编织相反，传统编织包括在两个主要方向交织纤维。
这种技术特别适用于航空航天和汽车等多向强度至关重要的行业。径向编织过程包括将纤维束围绕旋转心轴以一定模式排列，以产生编织的三维结构。除了复杂的复合材料壳体，这种工艺通常用于制造管道、压力容器和其他管状结构。
原型径向编织具有以下优点:
- 均匀性:由编织技术保证的纤维的均匀分布可以产生优异的机械性能，例如抗压、抗冲击和抗疲劳。
- 多向强度:径向编织非常适合承受复杂载荷环境的零件，因为它可以生产出在多个方向上都具有强度的复合材料。
- 可扩展性:径向编织很容易扩展，很像带状编织，因此原型件可以无缝地转移到更大的生产运行。
在原型制作中使用径向编织的主要缺点是编织工具的复杂性，这可能是昂贵的并且需要高水平的技能。部件设计的通用性也可能受到心轴使用的限制，特别是对于复杂形状或非管状几何形状。
图3:布特科姆的ZSK TFP机器
具有TFP的独特设计的准确性和适应性
定制纤维铺放(TFP)(图3)最初是为纺织应用而设计的，目前在复合材料的开发中越来越受欢迎。这种方法使用多针高速TFP机器将连续纤维精确地施加到基底上。该工艺通过以预定图案“缝合”纤维丝，在复合材料中产生独特的增强结构。TFP对于在复合预成型件中产生高度局部化的增强物特别有用。这种能力使生产商能够根据不同部件的独特机械需求，调整纤维分布，从而提高强度重量比和材料效率。
TFP对于复合原型有几个好处，包括:
- 精确铺放:TFP技术所提供的对纤维铺放的高度控制对于制造具有特定质量的部件是至关重要的。
- 可定制性:多种纤维类型和配置可用于TFP机器，提供了极大的设计多样性。
- 复杂的几何形状:与传统的编织和纺织相比，TFP可以用来制作精细的、高度个性化的图案，否则使用其他技术会很昂贵或很难做到。
然而，TFP也有其独特的困难。与其他技术(如带编织或纤维缠绕)相比，该工艺仍在为大规模复合材料制造而发展，其在大批量应用中的应用不太常见。此外，成品复合材料的性能可能会受到纤维完整性或树脂相容性问题的影响，这些问题是由于将纤维嵌入纺织品基材中而产生的。
图4:位于Butekom的Fibermak复合材料纤维缠绕机
通过纤维缠绕以有效和可扩展的方式
生产复合部件
生产高强度复合材料零件最流行的技术之一是纤维缠绕(图4)，特别是对于球形和圆柱形几何形状，如管道、储罐和压力容器。这种方法需要将连续纤维——通常是玻璃纤维或碳纤维——缠绕在旋转心轴上，然后在线或通过浸渍施加树脂。高度定制以满足某些承载和性能要求的复合预成型件可以使用纤维缠绕技术来制造。纤维取向的精心管理和树脂的均匀分散保证了优异、一致的结构。为了最大限度地提高机械质量，先进的纤维缠绕机可以生产具有不同纤维角度和堆叠顺序的部件。
原型机中纤维缠绕的优点包括:
- 高强度重量比:这种方法制造的复合材料部件具有优异的强度重量比，非常适合高要求的应用。
- 成本效益:与其他复合材料制造技术相比，纤维缠绕法生产中等数量的原型件相对便宜。
- 可扩展性:从原型到大规模生产的转变可以很顺利，因为用于开发的相同设备可以按比例放大用于全面生产。
然而，纤维缠绕不太适合复杂的几何形状，通常最适合旋转对称的元件。此外，由于设计约束，使用心轴会限制制造复杂的非圆柱形形状的能力。
实现复合材料原型的先进技术
随着工业继续寻求更复杂和高性能的复合材料，先进生产技术的使用将大大有助于原型开发，包括带编织、径向编织、TFP和纤维缠绕。制造商能够为各种应用开发定制的解决方案，这得益于每种技术提供的独特优势，从提高材料效率到定制纤维布置和多向强度。尽管这些方法为原型制造提供了实质性的优势，但是仍然存在一些问题，例如设备的复杂性、财务问题以及对精确纤维放置的要求。然而，随着技术的发展和对新材料和技术的研究增加，这些程序可能会变得更加完善，从而在高性能复合材料的制造中实现更大的可扩展性、灵活性和效率。总之，这些尖端复合材料制造技术的结合为轻质、高强度材料的发展打开了大门。它们的进一步发展对于满足可再生能源、汽车和航空航天等行业日益增长的需求至关重要。