机器人缠绕工艺
TANIQ机器人缠绕技术
TANIQ（荷兰鹿特丹）于2022年发布了其TaniqWind压力容器设计和长丝缠绕软件，并在2024年JEC World（3月5日至7日，法国巴黎）上展示了其最新的TaniqWindPro。该公司是由Toray Advanced Composites（TAC，Nijverdal，Netherlands）领导的荷兰液氢（LH2）财团的一部分，该财团于2021年开始了一个为期45个月的项目，以演示用于民用航空的LH2复合材料储罐。对于这个联盟，TANIQ正在贡献其软件和机器人缠绕专业知识。
TANIQ最近还与Fraunhofer生产技术研究所（IPT，Aachen，Germany）完成了一个为期三年的项目，使用热塑性复合材料（TPC）的激光辅助胶带缠绕（LATW-laser-assisted tape winding）开发复合H2压力容器。它协助该项目的复合材料压力容器设计，并在胶带缠绕过程中提供关键参数控制的集成功能。
机器人纤维缠绕，特种橡胶复合材料
TANIQ开发了集成纤维、金属线、橡胶和包装带（顶部）的机器人缠绕系统，用于特种增强橡胶软管和压力容器（中间和底部）。
TANIQ成立于2006年，是荷兰代尔夫特理工大学航空航天系的子公司。TANIQ董事兼联合创始人布洛瓦尔德（Soren Blomaard）表示：“我们最初是世界上最早使用工业机械臂进行长丝缠绕的公司之一。”。“当时的机器人缠绕还很新鲜。虽然我们有航空航天和复合材料结构集团的工程背景，但实际上我们决定首先进入一个相当利基的橡胶复合材料市场。这是一个很大的市场，橡胶产品内部有各种增强结构，最常见的是轮胎，它使用尼龙绳和金属线。还有很多特种产品，如汽车软管、空气弹簧、汽车气囊/救援袋、船用软管和油管。对于这些应用，我们掌握了如何优化增强典型软管或压力容器的知识，并将其应用于这些特种增强橡胶应用。”
布洛瓦尔德（Blomaard）说：“我们发现，使用机器人进行放置将提供最高的精度，也有可能进一步自动化这些过程。”。“一旦我们实施了加固路径，我们就开始将橡胶添加到工艺中。未固化的橡胶很难处理，我们花了几年时间才开发出专用的缠绕工具和控制策略来管理这一过程。时至今日，我们仍在改进我们的系统，以处理硅橡胶等非常柔软和胶质状的材料。为了完成典型橡胶复合材料中所有材料的自动缠绕，我们添加了特殊包装带和金属线的解决方案。我们不仅可以优化这些产品的设计，还可以自动制造它们。”他指出，汽车轮胎每30-60秒就会制造一次。“这是一个连续的、重复的、非常快的过程。”
TANIQ的客户主要从事特种应用，产品通常建立在钢或分段心轴上，这可能需要数小时甚至数天的制造时间。布洛瓦尔德说：“例如，我们为核电站和潜艇制造伸缩缝。”。“这些接头是金属管道系统之间的橡胶补偿器，每个接头都有不同的规格，包括长度和爆裂压力，这使得这一过程很难自动化。工程也是劳动密集型的。”这种自动化非常具有挑战性的应用是TANIQ的重点。布洛瓦尔德说：“我们的软件和机器人技术的结合提供了一个灵活的自动化解决方案，使这成为可能。”。
他继续说道：“我们已经做了大约15年的这项工作，并且已经完全脱离了常规复合材料。”。“然后在2018年左右，我们收到了越来越多的公司的请求，询问他们是否可以使用我们的机器人缠绕系统和更典型的压力容器的设计软件。就在那时，氢气开发开始加快。我们意识到，我们为这些橡胶复合材料的设计和自动化开发的也是复合材料压力容器的解决方案。与此同时，一家领先的长丝缠绕软件公司被从市场上收购，为新软件创造了市场机会。这是我们进军复合材料行业的好时机。”
复合材料压力容器的软件和设备
TANIQ开始与大学和研究机构合作，探索如何将其技术用于更传统的复合材料。布洛瓦尔德说：“我们用于设计软管的整个理论是压力容器理论。”。“纤维承担了所有的载荷，而且你有一种基质材料来容纳液体或气体，所以设计橡胶压力容器实际上与复合材料压力容器非常相似；但也有很大的区别。”
TANIQ基于其在机器人缠绕和先进压力容器设计方面的专业知识，于2022年发布了TaniqWind软件。
2022年，TANIQ发布了适用于长丝缠绕复合材料压力容器的TaniqWind软件。这是该公司已经使用了很长时间的内部开发软件，但进行了一些关键升级。布洛瓦尔德说：“我们包括了各种改进和功能，这样用户就可以非常容易地完成设计过程中的某些步骤。”。“我们与Altair Engineering（美国密歇根州特洛伊市）合作了一年，为他们的多尺度建模方法创建了一个自定义的有限元分析导出功能，这使得设计压力容器、在有限元分析包中进行分析，然后在两者之间迭代以进一步优化变得非常高效。我们已经有大约20名软件用户。在TaniqWind Pro中，我们进一步扩展了有限元分析功能，现在支持HyperWorks和Abaqus的外壳、2DA和3D元素。”
GKN Fokker（荷兰Hoogeveen）的复合材料团队在TANIQ提供的新型长丝缠绕机器人前。
与此同时，TANIQ继续与多家公司和机构合作，如Fraunhofer IPT和荷兰LH2财团。布洛瓦尔德说：“我们还向GKN Fokker（荷兰胡格芬）出售了第一个带有TaniqWind Pro软件的机器人设备集成解决方案，用于制造导弹罐和复合材料压力容器。我们的专业知识实际上是在机器人缠绕方面，这就是我们开发这种先进设计软件的原因。我们最初专注于缠绕软件，但我们了解到人们对我们的机器人缠绕系统也有同样的兴趣，因此，我们在提供这种集成软件和机器人解决方案方面处于独特的地位。我们对我们在如此短的时间内在复合材料压力器皿方面取得的进展感到非常高兴，这在一定程度上是由所有致力于储氢和寻找解决方案的公司推动的。”
优化存储效率，改进数字模型
使用TaniqWind等先进软件进行设计优化，可以在多大程度上提高储罐的储存效率？布洛瓦尔德说：“我们认为首先应该关注设计的可靠性及其可制造性。”。“在预设计阶段，可以使用软件快速设计复合材料层，并使用有限元分析软件分析和优化性能。这些工具非常适合预设计阶段但不适合制造。”
“由于这些复合材料层被简化了，”他继续说道，“它们不是1:1可制造的，确切的设计参数无法转化为实际的缠绕程序。这意味着需要为生产设计新的层，这些层将与建模设计略有偏差。此外，定义局部层厚度的堆积预测通常与实际堆积轮廓不一致，尤其是对于胶带而言。这意味着您将材料放置在不同的轮廓上，导致与建模不同的堆积，这有时会导致滑动纤维或胶带缠绕工具错位的问题。因此，使用我们的TaniqWind Pro软件，我们专注于两件事：
- 考虑缠绕过程的所有物理标准的可制造性设计
- 优化厚度累积计算。
“我们一直在研究缠绕罐的所有现有堆积模型，以及细丝的干式缠绕和湿式缠绕与TPC胶带缠绕之间的差异。这将产生不同的堆积行为。我们已经对其他软件进行了一些改进，因为我们在软件中集成了两种材料组的不同理论和多项式近似，但我认为在未来2-3年里，还有更多的收获。你可以随心所欲地建模，但如果模型的输入不能代表你实际要建造的罐，那么你就无法进行更高存储效率和更轻重量所需的最终改进。”
TaniqWind Pro软件有一个强大的有限元分析工具箱，用于为Hyperworks和Abaqus生
成外壳、二维和三维元素的有限元模型，并允许用户在软件中预览和优化网格质量。
他继续说道：“不仅是堆积和过渡区域，还有某些区域的空隙因素和压实。”。“我认为，如果我们能够更好地预测这些情况，那么我们的设计将更加现实，这意味着有限元分析模型将更加可靠，缠绕程序也可以是第一次正确的。目前，我认为生产的准确性已经相对较好，但还可以进一步提高。然而，拥有可靠的设计还有更多的好处，尤其是对于厚壁压力容器和我讨论的关键领域。”
布洛瓦尔德指出：“市场对拥有更高效的压力容器和降低压力容器中碳纤维成本的吸引力以前没有今天那么大。”。“我们正在合作开发，在生产中，我们实际上试图测量每一层和每一个轮廓，并将其反馈到我们的软件中，以实际了解这些构建是如何变化的，并使其更加准确。”
使用传感器？
如何使用传感器来帮助验证有限元分析模型？布洛瓦尔德说：“我们与Com&Sens（比利时埃克）合作了一个项目，他们将光纤（optical fiber）放置在压力容器中，以测量光纤中的加工应力，然后进行测试，以测量容器加压时的应力集中。”。“它被用来测量缠绕过程中容器不同区域的应力。这意味着你有不同的压实度，因此压力容器的不同区域的空隙率会不同。它也被用来测量加压过程中各层的应力，这很有趣，但你仍然必须对数据做些什么。你如何将其转化为更好的下一个压力容器设计？当你知道一些层被激活到其最大应力水平，而其他层几乎没有激活，因此没有贡献时，你可以调整，例如，叠层设计，或利用层的预张力来优化整个结构。”
缠绕TPC储罐
布洛瓦尔德表示，在TANIQ与Fraunhofer IPT共同完成的探索TPC压力容器的项目中，Fraunhoffer团队主要感兴趣的是在激光辅助胶带缠绕（LATW）轨迹的任何点向胶带施加适量的热量。他解释道：“挑战在于，缠绕速度随着轮廓的变化而变化，在圆顶的转弯区达到最低速度。”。“这需要按节调整激光功率，以防止加热不足/过热。我们的工作是帮助将激光辅助胶带缠绕（LATW）工艺参数的控制集成到缠绕软件中。最初，Fraunhofer会为机器人制定缠绕程序，然后手动将激光强度值添加到机器路径的各个点。我们在软件中添加了一个功能，他们可以设置每层或层内每节的可变工艺值（激光功率、辊压缩、胶带张力）。能够从软件中控制这些变量，在可靠性和效率方面都有了巨大的提高。”
在同一项目中，TANIQ还与Pixargus（德国Würselen）合作，后者为碳纤维胶带生产过程中的缺陷测量提供工业系统。布洛瓦尔德指出：“他们可以光学测量表面缺陷，然后也可以对其进行处理，以便进行在线或离线分析。”。“在Fraunhofer IPT的这个项目中，Pixargus开发了一种集成到胶带缠绕系统中的扫描仪。在缠绕过程中，我们可以测量胶带表面的各种缺陷，并根据损坏的严重程度对这些缺陷进行分类，然后将每个缺陷与产品中的一个点联系起来。因此，我们可以知道产品中的哪些缺陷。然后，当测试这些压力容器时，我们可以看到这些缺陷周围是否真的发生了故障。”
他继续说道：“这个项目的规模相对较小，有10个原型，但它仍然非常有趣，因为我们已经看到了胶带质量的很大变化。”。“拥有这种连续测量胶带质量并帮助决定影响是否过大的能力是很重要的。你实际上可以停止这一过程并进行干预，将该罐从生产中取出或从生产中撤出该材料。”
TaniqWind Pro软件允许用户定义绕组轮廓每段的可变工艺设置，例如沿轮廓设置可变激光强度以适应不同的绕组速度。
该项目还将热塑性激光辅助胶带缠绕（LATW）储罐与采用湿法缠绕制成的IV型热固性复合材料压力容器进行了比较。目前，由于TPC带的成本更高、激光辅助胶带缠绕（LATW）应用头的投资以及与湿法缠绕或热固性缠绕相比较慢的生产速度，TPC罐的制造成本要高得多。然而，布洛瓦尔德指出，一个重要的好处是通过熔化塑料可以回收碳带。Fraunhofer IPT开发了一种技术，用于在使用寿命结束时从这些TPC储罐中回收连续纤维。他解释道：“这会改变价值，因为你不是在切碎容器并重复使用短切纤维复合材料，而是在实际上扭转这个过程。”。“由于这种可回收性，我认为最终我们将在未来看到热塑性复合材料罐。”
布洛瓦尔德指出，虽然TANIQ比较了不同的缠绕系统，但“我们也相信混合系统的发展。这可能涉及在单个储罐中使用不同的材料（如玻璃纤维和碳纤维），或缠绕和放置的组合过程。”TANIQ目前与Cevotec（德国Unterhaching）等多家研究机构和公司合作，这些研究机构和企业正在将局部圆顶加固与丝束或TPC胶带的缠绕相结合。布洛瓦尔德说：“我们正在开发设计这些局部路径和图案的功能，计算局部厚度积累，并将这些数据导出到有限元分析软件中。”。“通过合并这些功能，TaniqWind Pro软件从缠绕软件扩展到放置软件，机器人缠绕系统和胶带缠绕系统合并为混合生产工作站。”
缠绕技术发展
布洛瓦尔德指出，在储罐设计和生产方面已经开发了大量技术。他说：“过去，我觉得大学领先于工业，但在复合材料压力容器方面，工业似乎远远领先于大学。”。“我们在各种项目的合作中都看到了这一点，我们雇佣了曾在其中一些储罐公司工作的人员。压力容器的设计、测试和测试设置都有很高的细节，而且某些公司内部已经开发了很多知识。他们遥遥领先，但什么都没有发表。令人惊讶的是，有这么多不同的公司正在单独研究同一个解决方案。似乎很少有人分享。”
布洛瓦尔德说，这些公司通常只关注他们正在建造的储罐类型，并花了数年时间进行试错，以优化这些设计，实现批量生产。但随着整个行业向更数字化的生产转移，这些公司也在进行测量，并试图确保他们所建模的实际上是他们正在构建的。布洛瓦尔德说：“这种活动是劳动密集型和耗时的。”。“我们的目标是开发一款软件，如果你想从头开始进行新的设计，那么这些预测将已经很好了，或者至少比以前可靠得多。我们认为，从软件的角度来看，如果你能将这些知识和这些模型相结合，那么对于那些没有时间或能力进行这种迭代优化的公司来说，效率会高得多。我们的目标就是帮助实现未来车辆所需的新型复合材料油箱设计。”
原文见，《Optimizing robotic winding of composite tanks and pipes 》 2024.4.12
杨超凡 2024.4.16
