热塑性复合材料缠绕技术.docx

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热塑性复合材料缠绕技术

 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，配合新材料之开发及新设备之发明，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发展，德拉瓦大学复合材料中心已开发以机械人自动控制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

发展缠绕技术得考虑下面几种因素

（1）制作过程与成本

（2）设备能力

（3）制作过程之考虑

目前在制造上有三种不同之方式－Filamentwinding、FiberPlacement、TapeLaying，由制作能力、质量及成本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Filamentwinding方式制作零件，成本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，其生产成本明显之降低（图2），未来发展潜力甚大。

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

缠绕技术基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料。

缠绕技术之考虑

缠绕技术必须考虑下列数个因素:

（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

缠绕技术发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，目前配合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. 投资成本低

b.      制造速率高

c.       心轴几何形状受限

（2）计算机控制缠绕机器

a. 投资成本高

b. 制造速率高

c. 可缠绕复杂几何形状之心轴

（3）机械人缠绕工作站（Roboticwindingworkcells）

a. 投资成本中等

b. 可缠绕复杂几何形状之心轴

c. 赋予多种其它用途

d. 最适于初期产品开发

表1质量比较

WetFilamentWinding

PrepregTypeHandLayup

PrepregTowFiberPlacement

VoidContent

4%to8%

<1%

4%to8%

ThicknessFlexibility

0.010to0.025

inch/ply

0.005to0.010

inch/ply

0.0005to0.0015inch/ply

WindingAngleFlexibility

>15to90

0to90flat

0to90,variable

TowCut

andAdd

NO

HandSpliceOnly

Programmable

LapsandGaps

0.125inch

0.030inch

<0.030inch

Geometry

BestforBodiesofRevolution

CompoundFlatPatterns

CompoundMachinePlaced

MaterialScrapRate

20%to40%

50%to200%

5%to20%

                                      From：

HerculesAdvancedComposites,1990

图1各种技术产品价格比较

表2成本/技术层面分析比较

PROCESS

FlatPanelNormalizedCost100 1000 10000units units units

SingleCurvatureNormalizedCost100 1000 10000units units units

CompoundCurvatureNormalizedCost

100 1000 10000

units units units

HandLayup

1.00 1.00 1.00

1.00 1.00 1.00

1.00 1.00 1.00

TPFilamentWinding

0.74 0.53 0.50

0.76 0.54 0.52

X   X   X

Automated

TypeLayer

 ATL

2.33 0.82 0.69

X   X   X

X   X   X

ATL

WithPress

2.61 0.99 0.84

2.61 1.01 0.86

3.84 0.83 0.49

                                      From:

M.DraperLabs,SAMPEQuaterly1991

图2各种生产技术之产品件数与成本之关系

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基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发展较早，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品制造之需要而发展，其技术层面为较高，所需设备亦较复杂。

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，节省成型时间成本

（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拟的：

（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。

热塑性复和材料缠绕技术发展多年，其加热方式大致有下列数种：

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表面时，及吸收被缠绕物体之温度至熔融并与下层预浸料熔接在一起。

图6（a）为被缠绕之心轴，置于加热舱之中央，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收热量而粘贴于心轴上。

图6（b）为被缠绕之心轴内部装置加热系统，热塑性复材预浸料除接受外界预热之能量外，当预浸料缠绕于高温之心轴，吸收心轴之温度而熔融粘贴于心轴上。

图6（c）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6（c）之加热法较适宜操作及温度条件之控制。

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行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一定之张力。

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。

IMPROVEMENTSTO

THERMOPLASTICWINDINGHEAD

图7用红外线加热方式来进行热塑性复材缠绕

C.雷射光加热方式：

以雷射光加热来控制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研究群。

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，容易造成树脂分解。

图8雷射光缠绕原理

图9以雷射加热法进行热塑性复材缠绕

D.火焰加热法：

以火焰来加热物体，在成本上考虑可谓最合经济效益，事实上已有以火焰加热方式来进行热塑性复材缠绕之例子且很成功。

以火焰加热方式来进行缠绕其装备如图10。

火焰加热法与红外线加热法在装备上相同，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以火焰加热方式进行热塑性复材缠绕

表3热塑性复材缠绕加热方法优缺点比较

加热方式

评     估

电阻加热

（Resistanceheating）

电流经由碳纤维加热方式，理论可行，但实际相当复杂，且对玻璃纤维及克拉纤维等不导电之材料则无法实施。

热滚筒

（Hotrollers）

很好之解决方式，但因加热之滚筒体积膨胀，增加预浸带之张力为其缺点。

超音波

（UltrasonicWaves）

在应用上利用－移动金属杆对预浸带加压，由于杆子与预浸带间之磨擦而造成预浸带张力之改变。

高周波

（HighFrequencyWaves）

加热材料促使热塑性材料分子摆动，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，且对装备及人员有伤害。

激光光

（Laserlight）

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5cm/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

（Infraredradiation）

最容易制造及控制之加热方式，但红外线易伤眼睛，在热源四周必需覆盖防护装置。

热气

（Hotgas）

功率最小，因必须加热气体与材料，两者之热传递功率甚低。

火焰

（Openflames）

提供高热源，因其热量太高，容易将树脂分解。

目前较为工业界所接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，红外线加热法最便宜。

在操作成本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。

至于在缠绕时之交叉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，未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发展之空间。

表4三种不同加热法之比较

技术

装备成本

（US；仟元）

操作成本

（S/h）

缠绕速度

（m/min）

预浸带

（mm）

加热控制

交叉缠绕

激光

260

12（Ndyag）

7（CO2）

60-140

6

＜1ms

困难

红外线

6

0.60

2.5-27

6

1ms-55

困难

火焰

4-40

12

30-60

30

1-105

容易

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部分，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一定张力，至挤压缠绕头座时，以IR热加热材料，使材料软化，此时在一定的转速下，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，对产品质量影响之决定性因素有三：

（1）   温度

（2）   固化力（Consolidationforce）

（3）   缠绕速度

气体温度/剪力强度之关系

图15为心轴转速为80mm/s，挤压强度分别为12.11N/mm，18.67N/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6.5N/mm2升至8.5N/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80mm/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

此图说明下列两点可能原因：

（1）   气体温度为398℃，心轴转速为80mm/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60mm/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80mm/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12.11N/mm，18.67N/mm时，心轴转速愈快，其气体能量传至APC-2愈少，致使APC-2软化或熔化面积减少，固化面积相对减少，因而其剪力强度降低。

图17心轴速度与剪力强度之关系