纖維纏繞最早開發(fā)于20世紀(jì)40年代末，是最原始的復(fù)合材料制造工藝之一，通常用于制造輕質(zhì)、高性能的結(jié)構(gòu)件，如壓力容器、管道、船的桅桿和天線桿等等。

 

       近年來，隨著市場對于纏繞速度、性價比、生產(chǎn)規(guī)模和結(jié)構(gòu)復(fù)雜性的要求越來越高，人們對這一工藝及其所能開發(fā)產(chǎn)品的興趣不斷增加。纖維纏繞有很多應(yīng)用，但如果要將其作為一種可行的制造方法，特別是應(yīng)用到規(guī)模化的汽車工業(yè)中，必須要做到更快和更精確。

 

 

       傳統(tǒng)的纖維纏繞是將纖維在張力作用下纏繞在旋轉(zhuǎn)的芯軸上以獲取所需形態(tài)。一般是先用樹脂將纖維浸潤，然后立即將其纏到芯軸上，但現(xiàn)在越來越多的機(jī)器也可直接纏繞預(yù)浸窄帶、單絲預(yù)浸帶或干態(tài)纖維。將這一工藝與機(jī)器人技術(shù)相結(jié)合，也使其能更靈活地制造不同尺寸和形狀的構(gòu)件，包括小型飛機(jī)翼梁和機(jī)身、汽車輪轂、防撞護(hù)欄和風(fēng)力發(fā)電機(jī)組。

 

       芯軸本身是一個重要的考量因素。它可以被繼續(xù)保留部件內(nèi)，比如留在汽車部件里幫助抵抗沖擊；也可以在生產(chǎn)完成后將其抽出，比如在制造桅桿時。

 

       三年前，泰斯金普與曼徹斯特大學(xué)合作進(jìn)行了一個大型研究項目，開發(fā)了一系列技術(shù)，利用機(jī)器人技術(shù)和自動化技術(shù)突破了纖維纏繞所能達(dá)到的極限，從而提高生產(chǎn)速度、張力和精度。

 

       在這項工作中開發(fā)的第一個技術(shù)是三維（3D）纏繞設(shè)備：一種基于9軸機(jī)器人纏繞概念的纏繞設(shè)備，由Prasad Potluri教授首先開發(fā)，旨在生產(chǎn)截面和形狀不同的復(fù)雜零件。這臺高速多頭設(shè)備將旋轉(zhuǎn)和纖維喂入結(jié)合在一個機(jī)械裝置上，該機(jī)械裝置圍繞在一個靜態(tài)芯軸上自動移動，并在此過程中進(jìn)行纏繞。多個工作頭或錠位（每一個帶一卷筒紗）安裝在一個旋轉(zhuǎn)環(huán)上。環(huán)的大小及其所安裝工作頭的數(shù)量是可擴(kuò)展的，且取決于所生產(chǎn)構(gòu)件的尺寸。該設(shè)備可以容納多達(dá)16個筒紗，這意味著它可以纏繞各種構(gòu)件，從航空航天燃料管道到汽車防撞梁，到氫燃料電池和油氣管道，再到風(fēng)力渦輪機(jī)組葉片和飛機(jī)機(jī)身。通過安裝多個喂紗機(jī)構(gòu)，還可以對通常相對緩慢的工藝進(jìn)行提速。該設(shè)備能夠以1千克/分鐘的速度纏繞碳纖維，這意味著它可以在幾分鐘內(nèi)纏繞一個飛機(jī)翼梁。

 

       三維纏繞設(shè)備的一個關(guān)鍵特征是它能夠以更高的精度來處理更加復(fù)雜和彎曲形狀的構(gòu)件。開發(fā)它的靈感來自于航空飛行器的進(jìn)氣管，它是一個復(fù)雜的彎曲部件，長度約為3米，其一端大而圓，另一端則過渡到較小的方形。三維纏繞設(shè)備可以匹配這種復(fù)雜性，相比固定式纏繞機(jī)，移動式纏繞可以提供更多的自由度。

 

       公司最初認(rèn)為三維纏繞設(shè)備更像是編織機(jī)，因為它配有旋轉(zhuǎn)筒紗的大型轉(zhuǎn)環(huán)讓人想起了編織技術(shù)。但后來發(fā)現(xiàn)，可以生產(chǎn)出一種比編織材料更強(qiáng)、剪切力更小的非卷曲材料。

 

       泰斯金普為開發(fā)三維纏繞設(shè)備所做的工作范圍非常廣泛，使其擁有了大量的知識儲備，從而能進(jìn)一步開發(fā)出另外兩種不太復(fù)雜但對市場同樣有用的纖維纏繞設(shè)備。

 

       其中一款是機(jī)器人纖維纏繞機(jī)，它保留了傳統(tǒng)的纖維纏繞架構(gòu)，即芯軸旋轉(zhuǎn)，但其位置固定，喂紗裝置位于機(jī)械臂上，可使纖維能從多個運(yùn)動軸向喂入。兩者都可將驅(qū)動式紗架結(jié)合到機(jī)器人上，這樣可讓每個錠位或軸向的張力單獨(dú)調(diào)整，以控制紗線喂入，保證成品的精度和一致性。這也意味著每次喂紗的速度可以改變，以提供更高的分辨率來處理更小尺度的特征或復(fù)雜的幾何構(gòu)造。

 

        另一項技術(shù)于2019年推出，是一種四軸纏繞機(jī)。這臺機(jī)器適用于更廣闊的市場，但仍保留了公司的技術(shù)專長，包括優(yōu)化的幾何結(jié)構(gòu)、減少的接觸點(diǎn)數(shù)和正確的表面處理方式。

 

       公司現(xiàn)在的研發(fā)重點(diǎn)是將纖維纏繞設(shè)備與產(chǎn)品庫中的其他設(shè)備相結(jié)合，進(jìn)一步擴(kuò)展這項技術(shù)的功能。公司使用了纖維退繞紗架、自動裝卸、樹脂混合、數(shù)據(jù)記錄和視頻質(zhì)量檢查技術(shù)，以消除纖維損壞的可能性，實現(xiàn)全工序的可追溯性，達(dá)到工業(yè)4.0標(biāo)準(zhǔn)。

 

       公司已經(jīng)在生產(chǎn)高速預(yù)浸和分切設(shè)備，并能夠?qū)⑦@些技術(shù)與自身的纖維纏繞技術(shù)整合在一起。同時也已經(jīng)開始為客戶提供纖維纏繞的試機(jī)服務(wù)，所使用的熱塑預(yù)浸帶是在公司研發(fā)中心的熱塑性實驗線上生產(chǎn)的。這將使客戶能夠制造在高溫下工作的復(fù)雜部件，使之更適用于航空航天方面的應(yīng)用。

 

       事實證明，泰斯金普在研發(fā)方面的長期投入是其在全球市場上有效競爭的優(yōu)勢所在。邀請客戶到公司先進(jìn)的展廳和開發(fā)中心試用公司的設(shè)備，可以與客戶之間建立一種信任和可持續(xù)的合作關(guān)系，并持續(xù)推動這一高水平的產(chǎn)品密集開發(fā)。