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。
tongguomoxingdejianli，shiyongxindezishiyingjiguangqi，genjumonidelixiangzhaoshetiaojian，jiangtiduyinrufushepoumian。chuleduijiguangzhijiezhaoshefanweineidewenduquxianjinxingjianmozhiwai，haikeyishixianzaixianguochengkongzhi，keyigengquanmiandikongzhichanraohecengyaguochengzhongdereliangchansheng。tongshi，gaimoxingheshujuwajuegongjuyekeyiyongyulixiantiaojianxiadegongyiguihuasheji。fangzhenmoxingheshujuwajuesuanfadoushijiyuFraunhofer 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FRP激ji光guang輔fu助zhu纏chan繞rao這zhe種zhong複fu雜za的de製zhi造zao工gong藝yi，仿fang真zhen模mo擬ni和he數shu字zi化hua算suan法fa實shi現xian了le工gong藝yi過guo程cheng的de可ke控kong性xing。通tong過guo采cai集ji氣qi瓶ping生sheng產chan過guo程cheng的de工gong藝yi數shu據ju，建jian立li模mo擬ni模mo型xing，並bing優you化hua算suan法fa，實shi現xian了le工gong藝yi參can數shu的de可ke視shi化hua。如ru過guo程cheng溫wen度du、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。
2026-04-11 11:47:02
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