近年來，在油耗和排放法規的壓力下，汽車市場需求成為複合材料市場增長的強大驅動。而纖維增強材料（FRP）在氣瓶中的應用也越來越多，如氫氣和天然氣的存儲和運輸。與金屬材料相比，FRP的使用可以在保持高強度和剛性的同時減小容器重量，增加內部壓力和能量存儲密度，並提高耐腐蝕性和疲勞強度。對提升燃油經濟性和使用壽命具有較好的作用。因此，具有聚合物裏襯和複合材料增強材料的IV型瓶受到市場青睞。特別是在燃料電池的儲氫領域，預計未來幾年將出現較大的市場增長。
激光輔助纏繞工藝
較高的材料和製造成本、部件的測試等一直是限製複合材料氣瓶規模化量產的最大障礙。氣瓶複雜而非全圓柱形的幾何形狀（圖1）給生產帶來了較大的技術挑戰。
纖xian維wei增zeng強qiang熱re塑su性xing複fu合he材cai料liao因yin其qi獨du特te的de熱re塑su性xing特te點dian，可ke反fan複fu熔rong化hua和he回hui收shou。因yin此ci，在zai生sheng產chan氣qi瓶ping時shi可ke采cai用yong原yuan位wei整zheng合he的de原yuan理li，利li用yong激ji光guang輔fu助zhu纖xian維wei纏chan繞rao，實shi現xian壓ya力li瓶ping的de一yi體ti化hua成cheng型xing。該gai工gong藝yi過guo程cheng包bao括kuo導dao入ru預yu浸jin漬zi的de單dan向xiang纖xian維wei增zeng強qiang帶dai→加熱已沉積的材料層和增強帶→施加壓力，固結成型。該過程使用激光作為熱源，可以精確靈活地控製工藝區域的溫度分布，如圖2。
工藝係統的設計
盡jin管guan該gai工gong藝yi具ju有you許xu多duo優you點dian，但dan其qi尚shang未wei能neng市shi場chang化hua應ying用yong。除chu了le半ban成cheng品pin的de價jia格ge較jiao高gao之zhi外wai，由you於yu整zheng個ge工gong藝yi過guo程cheng的de控kong製zhi較jiao為wei複fu雜za，產chan品pin的de質zhi量liang穩wen定ding性xing較jiao差cha。如ru氣qi瓶ping的de複fu雜za結jie構gou對dui工gong藝yi參can數shu的de選xuan擇ze和he生sheng產chan控kong製zhi提ti出chu了le較jiao高gao的de要yao求qiu。在zai激ji光guang輔fu助zhu纏chan繞rao過guo程cheng中zhong，纖xian維wei與yu裏li層ceng的de結jie合he需xu要yao通tong過guo壓ya力li輥gun施shi加jia垂chui直zhi方fang向xiang的de壓ya力li，因yin此ci，壓ya力li輥gun的de參can數shu需xu要yao精jing確que控kong製zhi。此ci外wai，該gai工gong藝yi通tong過guo激ji光guang實shi現xian加jia熱re和he熔rong融rong，在zai生sheng產chan過guo程cheng中zhong，為wei精jing確que控kong製zhi圓yuan柱zhu形xing容rong器qi表biao麵mian的de瞬shun態tai溫wen度du分fen布bu，需xu要yao連lian續xu調tiao節jie激ji光guang功gong率lv、激光照射角度和壓縮力，以保證恒定的產品質量，實現穩定生產。
為進一步實現工藝的短循環周期，提升生產的穩定性、自動化和靈活性，德國Fraunhofer IPT公司主導的歐盟AmbliFibre項目對激光輔助纏繞工藝進行了優化。一方麵開發了新的仿真模型和數據挖掘算法，另一方麵通過評估熱成像圖、離線和在線數據采集等，形成了如圖3所示的工藝係統。
仿真與數據挖掘
仿真模型建立主要達到兩個目的：首shou先xian，通tong過guo合he適shi的de工gong藝yi參can數shu來lai提ti升sheng可ke靠kao性xing，以yi便bian為wei模mo壓ya過guo程cheng設she置zhi最zui佳jia的de溫wen度du分fen布bu。其qi次ci，通tong過guo目mu標biao參can數shu選xuan擇ze縮suo短duan時shi間jian成cheng本ben，提ti升sheng工gong藝yi的de可ke接jie受shou性xing。該gai項xiang目mu開kai發fa了le激ji光guang輔fu助zhu纏chan繞rao的de整zheng體ti仿fang真zhen模mo型xing，通tong過guo熱re成cheng像xiang技ji術shu將jiang激ji光guang照zhao射she的de光guang模mo擬ni耦ou合he到dao纖xian維wei-樹脂層基板上。通過溫度分布的建模，優化激光工藝參數。如，激光功率、激光器的位置、處理速度、模壓力等。
通tong過guo模mo型xing的de建jian立li，使shi用yong新xin的de自zi適shi應ying激ji光guang器qi，根gen據ju模mo擬ni的de理li想xiang照zhao射she條tiao件jian，將jiang梯ti度du引yin入ru輻fu射she剖pou麵mian。除chu了le對dui激ji光guang直zhi接jie照zhao射she範fan圍wei內nei的de溫wen度du曲qu線xian進jin行xing建jian模mo之zhi外wai，還hai可ke以yi實shi現xian在zai線xian過guo程cheng控kong製zhi，可ke以yi更geng全quan麵mian地di控kong製zhi纏chan繞rao和he層ceng壓ya過guo程cheng中zhong的de熱re量liang產chan生sheng。同tong時shi，該gai模mo型xing和he數shu據ju挖wa掘jue工gong具ju也ye可ke以yi用yong於yu離li線xian條tiao件jian下xia的de工gong藝yi規gui劃hua設she計ji。仿fang真zhen模mo型xing和he數shu據ju挖wa掘jue算suan法fa都dou是shi基ji於yuFraunhofer IPT氣瓶實際生產過程的參數積累二得到的。圖4為采用激光輔助工藝成功製造的商用車懸架氣動製動係統的氣瓶。
流程和質量控製
weishixianchanpinzhiliangdezaixianjiankong，shiyongrechengxiangjijilumoyahoucailiaodelengqueguocheng。tongguojiagongguochengbujianjihejiegoudebianhua，quedingjiehechengdu，shexiangjibuhuodetuxiangtongguojiqizhuanhua，jinxingsuanfafenxi。
除了工藝可靠性之外，機器的可靠性在汽車大規模生產中起著特別重要的作用。該項目開發了工業級工藝係統，如圖5，在係統中補充了可靠性模型，能夠預測部件故障並建立維護計劃，以實現有效的機器維護，避免生產停機。
數字化係統
針對熱塑性FRPjiguangfuzhuchanraozhezhongfuzadezhizaogongyi，fangzhenmoniheshuzihuasuanfashixianlegongyiguochengdekekongxing。tongguocaijiqipingshengchanguochengdegongyishuju，jianlimonimoxing，bingyouhuasuanfa，shixianlegongyicanshudekeshihua。ruguochengwendu、纏繞纖維帶進給速率、壓力、纏繞路徑等，具體如圖6。使用該係統可進行纖維纏繞軌跡的分析、溫wen度du分fen布bu分fen析xi，可ke優you化hua纏chan繞rao路lu徑jing和he相xiang關guan工gong藝yi參can數shu，以yi實shi現xian較jiao高gao生sheng產chan速su度du下xia的de均jun勻yun熱re輸shu入ru。從cong而er減jian小xiao殘can餘yu應ying力li，進jin一yi步bu減jian少shao容rong器qi的de扭niu曲qu變bian形xing，提ti高gao產chan品pin質zhi量liang。當dang然ran，該gai係xi統tong還hai可ke用yong於yu其qi他taFRP纏繞工藝，例如濕纏繞和牽引纏繞。
結論和展望
激光輔助纏繞工藝係統能夠自動且靈活地生產由纖維增強塑料zhichengdeqiping，caiyongjiguangjiareshixianlegenggaodeshengchansudu。jiyushijishengchanguochengdeshujucaiji，jianlifangzhenmoxing，tongguoshujuwajuesuanfajianlilezheyifuzagongyiguochengdekongzhicelve。gaijishuyouzhuyuIV型氣瓶的連續可靠生產，是燃料電池儲氫瓶等氣瓶規模化生產的可靠技術。
2026-04-12 09:55:12
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