激光辅助缠绕复合材料FCV储氢瓶生产工艺
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作者:id19071501
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发布时间: 2019-07-22
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核心提示：近年来，在油耗和排放法规的压力下，汽车市场需求成为复合材料市场增长的强大驱动。而纤维增强材料（FRP）在气瓶中的应用也越来越多，如氢气和天然气的存储和运输。与金属材料相比，FRP的使用可以在保持高强度和刚性的同时减小容器重量，增加内部压力和能量存储密度，并提高耐腐蚀性和疲劳强度
激光辅助缠绕复合材料FCV储氢瓶生产工艺
近年来，在油耗和排放法规的压力下，汽车市场需求成为复合材料市场增长的强大驱动。而纤维增强材料（FRP）在气瓶中的应用也越来越多，如氢气和天然气的存储和运输。与金属材料相比，FRP的使用可以在保持高强度和刚性的同时减小容器重量，增加内部压力和能量存储密度，并提高耐腐蚀性和疲劳强度。对提升燃油经济性和使用寿命具有较好的作用。因此，具有聚合物里衬和复合材料增强材料的IV型瓶受到市场青睐。特别是在燃料电池的储氢领域，预计未来几年将出现较大的市场增长。
激光辅助缠绕工艺
较高的材料和制造成本、部件的测试等一直是限制复合材料气瓶规模化量产的最大障碍。气瓶复杂而非全圆柱形的几何形状（图1）给生产带来了较大的技术挑战。
纤维增强热塑性复合材料因其独特的热塑性特点，可反复熔化和回收。因此，在生产气瓶时可采用原位整合的原理，利用激光辅助纤维缠绕，实现压力瓶的一体化成型。该工艺过程包括导入预浸渍的单向纤维增强带→加热已沉积的材料层和增强带→施加压力，固结成型。该过程使用激光作为热源，可以精确灵活地控制工艺区域的温度分布，如图2。
工艺系统的设计
尽管该工艺具有许多优点，但其尚未能市场化应用。除了半成品的价格较高之外，由于整个工艺过程的控制较为复杂，产品的质量稳定性较差。如气瓶的复杂结构对工艺参数的选择和生产控制提出了较高的要求。在激光辅助缠绕过程中，纤维与里层的结合需要通过压力辊施加垂直方向的压力，因此，压力辊的参数需要精确控制。此外，该工艺通过激光实现加热和熔融，在生产过程中，为精确控制圆柱形容器表面的瞬态温度分布，需要连续调节激光功率、激光照射角度和压缩力，以保证恒定的产品质量，实现稳定生产。
为进一步实现工艺的短循环周期，提升生产的稳定性、自动化和灵活性，德国Fraunhofer IPT公司主导的欧盟AmbliFibre项目对激光辅助缠绕工艺进行了优化。一方面开发了新的仿真模型和数据挖掘算法，另一方面通过评估热成像图、离线和在线数据采集等，形成了如图3所示的工艺系统。
仿真与数据挖掘
仿真模型建立主要达到两个目的：首先，通过合适的工艺参数来提升可靠性，以便为模压过程设置最佳的温度分布。其次，通过目标参数选择缩短时间成本，提升工艺的可接受性。该项目开发了激光辅助缠绕的整体仿真模型，通过热成像技术将激光照射的光模拟耦合到纤维-树脂层基板上。通过温度分布的建模，优化激光工艺参数。如，激光功率、激光器的位置、处理速度、模压力等。
通过模型的建立，使用新的自适应激光器，根据模拟的理想照射条件，将梯度引入辐射剖面。除了对激光直接照射范围内的温度曲线进行建模之外，还可以实现在线过程控制，可以更全面地控制缠绕和层压过程中的热量产生。同时，该模型和数据挖掘工具也可以用于离线条件下的工艺规划设计。仿真模型和数据挖掘算法都是基于Fraunhofer IPT气瓶实际生产过程的参数积累二得到的。图4为采用激光辅助工艺成功制造的商用车悬架气动制动系统的气瓶。
流程和质量控制
为实现产品质量的在线监控，使用热成像机记录模压后材料的冷却过程。通过加工过程部件几何结构的变化，确定结合程度，摄像机捕获的图像通过机器转化，进行算法分析。
除了工艺可靠性之外，机器的可靠性在汽车大规模生产中起着特别重要的作用。该项目开发了工业级工艺系统，如图5，在系统中补充了可靠性模型，能够预测部件故障并建立维护计划，以实现有效的机器维护，避免生产停机。
数字化系统
针对热塑性FRP激光辅助缠绕这种复杂的制造工艺，仿真模拟和数字化算法实现了工艺过程的可控性。通过采集气瓶生产过程的工艺数据，建立模拟模型，并优化算法，实现了工艺参数的可视化。如过程温度、缠绕纤维带进给速率、压力、缠绕路径等，具体如图6。使用该系统可进行纤维缠绕轨迹的分析、温度分布分析，可优化缠绕路径和相关工艺参数，以实现较高生产速度下的均匀热输入。从而减小残余应力，进一步减少容器的扭曲变形，提高产品质量。当然，该系统还可用于其他FRP缠绕工艺，例如湿缠绕和牵引缠绕。
结论和展望
激光辅助缠绕工艺系统能够自动且灵活地生产由纤维增强塑料制成的气瓶，采用激光加热实现了更高的生产速度。基于实际生产过程的数据采集，建立仿真模型，通过数据挖掘算法建立了这一复杂工艺过程的控制策略。该技术有助于IV型气瓶的连续可靠生产，是燃料电池储氢瓶等气瓶规模化生产的可靠技术。
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