「前沿」激光輔助纏繞複合材料FCV儲氫瓶生產工藝

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，具有聚合物裡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制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。

纖維增強熱塑性複合材料因其獨特的熱塑性特點，可反覆熔化和回收。因此，在生產氣瓶時可採用原位整合的原理，利用激光輔助纖維纏繞，實現壓力瓶的一體化成型。該工藝過程包括導入預浸漬的單向纖維增強帶→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，可以精確靈活地控制工藝區域的溫度分佈，如圖2。

工藝系統的設計

儘管該工藝具有許多優點，但其尚未能市場化應用。除了半成品的價格較高之外，由於整個工藝過程的控制較為複雜，產品的質量穩定性較差。如氣瓶的複雜結構對工藝參數的選擇和生產控制提出了較高的要求。在激光輔助纏繞過程中，纖維與裡層的結合需要通過壓力輥施加垂直方向的壓力，因此，壓力輥的參數需要精確控制。此外，該工藝通過激光實現加熱和熔融，在生產過程中，為精確控制圓柱形容器表面的瞬態溫度分佈，需要連續調節激光功率、激光照射角度和壓縮力，以保證恆定的產品質量，實現穩定生產。

為進一步實現工藝的短循環週期，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。一方面開發了新的仿真模型和數據挖掘算法，另一方面通過評估熱成像圖、離線和在線數據採集等，形成了如圖3所示的工藝系統。

仿真與數據挖掘

仿真模型建立主要達到兩個目的：首先，通過合適的工藝參數來提升可靠性，以便為模壓過程設置最佳的溫度分佈。其次，通過目標參數選擇縮短時間成本，提升工藝的可接受性。該項目開發了激光輔助纏繞的整體仿真模型，通過熱成像技術將激光照射的光模擬耦合到纖維-樹脂層基板上。通過溫度分佈的建模，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。

通過模型的建立，使用新的自適應激光器，根據模擬的理想照射條件，將梯度引入輻射剖面。除了對激光直接照射範圍內的溫度曲線進行建模之外，還可以實現在線過程控制，可以更全面地控制纏繞和層壓過程中的熱量產生。同時，該模型和數據挖掘工具也可以用於離線條件下的工藝規劃設計。仿真模型和數據挖掘算法都是基於Fraunhofer IPT氣瓶實際生產過程的參數積累二得到的。圖4為採用激光輔助工藝成功製造的商用車懸架氣動制動系統的氣瓶。

流程和質量控制

為實現產品質量的在線監控，使用熱成像機記錄模壓後材料的冷卻過程。通過加工過程部件幾何結構的變化，確定結合程度，攝像機捕獲的圖像通過機器轉化，進行算法分析。

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系統，如圖5，在系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。

數字化系統

針對熱塑性FRP激光輔助纏繞這種複雜的製造工藝，仿真模擬和數字化算法實現了工藝過程的可控性。通過採集氣瓶生產過程的工藝數據，建立模擬模型，並優化算法，實現了工藝參數的可視化。如過程溫度、纏繞纖維帶進給速率、壓力、纏繞路徑等，具體如圖6。使用該系統可進行纖維纏繞軌跡的分析、溫度分佈分析，可優化纏繞路徑和相關工藝參數，以實現較高生產速度下的均勻熱輸入。從而減小殘餘應力，進一步減少容器的扭曲變形，提高產品質量。當然，該系統還可用於其他FRP纏繞工藝，例如溼纏繞和牽引纏繞。

結論和展望

激光輔助纏繞工藝系統能夠自動且靈活地生產由纖維增強塑料製成的氣瓶，採用激光加熱實現了更高的生產速度。基於實際生產過程的數據採集，建立仿真模型，通過數據挖掘算法建立了這一複雜工藝過程的控制策略。該技術有助於IV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。

來源：lightweight.design