热塑复材管状预制件大批量生产工艺

        从体育用品和自行车市场开始， 法国初创 公司 3DiTex 的目标是为复杂几何形状的热 成型热塑性复合管提供连续预成型系统。

                                        热塑性复合材料预制件，用于管道、自行车车架及其他用途。法国初创公司

                                        3DiTex 开发了一种用热塑性复合材料带或其他材料缠绕复杂形状、中空、可

                                        热成型预制件的连续工艺。该公司的第一个目标市场是体育用 品， 包括自行

                                        车车架部件，以及不久后的完全集成自行车车架，如图所示。

        从高性能体育用品到商业和国防航空航天零件，大 量制造能力、易于回收的材料和设计自由是许多终端市

场和应用所采用的材料的三个日益重要的要求。

        3DiTex（法国 Canéjan）是一家初创公司，  旨在为这 三家公司提供生产中空、管状、热塑性复合材料预制件 和最终用途零件的工艺，能够模制成复杂的形状， 并由 更容易回收的热塑性甚至生物基材料制造，  并具有大规

模生产的潜力。

        该公司的创始人 Bertrand Laine 和 Aymeric Azran 分 别获得了材料科学和材料力学的博士学位，  并在复合材 料和技术纺织品领域工作了多年。他们是在研发公司 RT2i （自被圣戈班收购以来）从事 3D 针织预制棒技术 工作时认识的，并于 2016  年决定利用他们的经验成立 初创公司  Nobrak，专门从事定制纤维放置（TFP-tailored

fiber placement ）技术的创新。

        莱恩说：  “当我们开始 Nobrak  时， 我们修改了现有的 TFP 机器， 制作了扁平的预成型件， 然后可以冲压

成型或通过其他工艺形成更复杂的几何形状。”。虽然 该公司在这项技术上取得了成功，但他补充道，很快就 很发现，Nobrak 无法填补的一个市场缺口是，  从自行车 车架到航空航天支柱，许多应用和终端市场都需要空心 管状预制件。为了满足这一需求， Laine 和 Azran 开始研 究生产中空预制件的方法， 这些预制件可以成型为管状复合材料零件。

        由此产生的技术是一种连续的、改进的缠绕工艺    ， 该工艺被设计为一个模块化系统，用于制造高度材料优    化的管状热塑性复合材料预制件，然后可以成型为最终零件，包括形状和曲线复杂的零件。

        Laine 和 Azran 利用这种方法在 2018 年成立了第二 家初创公司 3DiTex。如今，Laine 担任 3DiTex 的 CEO， Azran 担任 Nobrak 的 CEO。在过去的几年里， 3DiTex 一直在筹集资金，  为其技术申请专利，并已发展成为 一 支由 32 名员工组成的团队。该公司计划在 2024 年开设 第一条官方试验线，并在 2025 年开设第一家生产工厂， 该公司已经在使用其最初的试验机为客户生产原型和商业零件。

       3DiTex 流程

        3DiTex  系统本质上是一条由一系列卷绕机组成的连续生产线，这些卷绕机将带或细丝铺设在心轴或支撑

件上，  以在预成型件穿过系统时逐层制造预成型件。据    说， 这一过程是连续拉挤生产线和细丝缠绕之间的交叉， 将拉挤的速度和连续生产与以各种方向和角度缠绕预浸带或细丝的能力相结合。

        3DiTex  系统的主要创新之一是其缠绕过程的工作 方式，  以创建多层织物预成型件， 而无需典型的长丝缠 绕系统的耗时来回运动。莱恩解释说， “ 这项技术的第 一点是以连续的方式制造预成型件。这是一个开始。  当 然， 其他技术也可以做到这一点，例如编织。因此，  接 下来的挑战变成了如何一次铺设所有层。我们也不想重 新发明拉挤。我们希望能够制造复杂的几何形状， 并且 预成型件可以弯曲成不同的形状，而不仅仅是拉挤成型

的直型材。 ”

        由此产生的 3DiTex  系统是一系列卷绕器模块— 莱 恩称之为“ 圆盘 ”，指的是它们的圆形— 它们沿着缠绕 细丝或预浸带的固定心轴或支撑结构安装。每个模块独 立工作， 沿系统等距离定位， 并编程为绕心轴旋转并沉 积一个特定层。预制棒以指定的速度（通常为每分钟 一 米或更多） 连续移动通过系统，  模块铺设连续的层。模 块可高度定制， 编程为以指定的速度旋转，并以指定的角度为每个零件的每一层铺设材料。

连续绕组。据说 3DiTex 工艺将拉挤的连续生产能 力与以最佳方向和角度缠绕胶带的能力相结合。

        莱恩说：“通常情况下， 绕线器在支架上来回、左 右移动， 这是一个一次性的过程。”。“但在我们的情 况下，  它永远不会回到右边，  它只是一直朝一个方向连 续前进， 所以每个磁盘都必须为每层应用我们想要的全

部材料。”

                                          继续前进。沿线的每个圆盘形卷绕机都是独立编程的， 每次铺设一层材料，

                                         同时预成型件连续向前移动， 消  除了长丝卷绕机在心轴上来回移动的典型过程。

        他补充说，3DiTex 系统中使用的心轴或支撑结构有 两种选择。“你可以推动一个心轴—— 预成型件在其上

形成—— 连续地穿过系统， 也可以拉动预成型件本身，沿着固定的支架滑动。”这取决于用作基础预成型件的

材料。

        该系统通过 3DiTex  内部开发的设计和控制软件运 行。莱恩说， 对于每个零件，  弯曲半径、直径等输入都 用于创建零件的 3D 模型， “ 这使我们能够预测弯曲轨 迹， 以适应所有变化 ”。预制件是通过内部模拟软件设 计的。他补充说，  一开始这是一个反复试验的过程，  需 要制造物理预制件来与模拟预测的值进行比较，以完善软件。

      材料不可知， 但专为热塑性塑料设计

        莱恩解释说，可以使用许多不同的材料——碳、玻  璃或亚麻纤维； 干长丝或预浸带； 热固性或热塑性树脂， 包括生物基树脂； 甚至是纸卷或金属丝——但这一过程  是围绕着使用热塑性预浸带或将纱线与热塑性长丝混  合而设计的。他说：“热塑性预浸带非常适合。它们很  容易使用，但也符合我们使用可回收材料的战略， 并有

能力在未来进行大规模生产。”。

                                        可弯曲的热塑性预制件。虽然也可以使用其他材料， 但该工艺主要设计用于

                                       热塑性预浸带。其中一个优  点是能够用手弯曲预成型件以插入模具中进行成型。

        目前， 3DiTex  与树脂供应商合作伙伴 Arkema （法 国 Colombes）合作，   开发其零件和工艺，用于 Arkema 的聚酰胺 11（PA11）和聚邻苯二甲酰胺（PPA）产品以

及其他材料。

        莱恩指出，这一过程使不同类型的材料能够一次性  铺设在同一个零件上， 例如玻璃和碳纤维层的混合物， 或者通过不同的独立模块在两者之间施加软木或泡沫

等核心层。

       制造和连接

        一旦预成型件从 3DiTex  生产线中取出，就可以进行切割，  然后由 3DiTex 或客户将其成型为最终零件。莱恩指出， 可以使用几种方法来制造这些零件，3DiTex主要使用热成型或压缩成型。对于每个零件，3DiTex 都

设计并订购了一个开放式或封闭式模具， 以及一个适合 预成型件内部的囊状物。热塑性预成型件可以用手弯曲

插入模具， 最终零件在热和压力下成型。

        目前， 该公司可以为客户提供预制件或中空复合材 料零件。莱恩解释说， “当我们刚成立公司时， 我们还 不知道自己到底想做什么—— 销售机器？销售预成型 件？制造复合材料零件？我们决定从销售纺织品预成 型件开始，但很快意识到， 因为这是一种新工艺， 如果 我们只销售预成型品，那么有很多教育步骤可以向客户 解释如何使用我们的产品制造零件。因此，我们意识到 目前最好的方法是自己制造复合材料零件，  这样我们就可以控制所有步骤。   ”

        3DiTex  的工艺可以生产的最大长度零件是多少？ 莱恩解释道：“ 限制更多地取决于工具， 这取决于客户 和他们的要求， 但到目前为止，我们生产的最长零件约

为 2 米 。 ”

        他补充说，该公司还致力于开发连接方法， 以便能够生产更复杂的成品零件。

       第一批客户： 体育用品、自行车车架

        3DiTex 将体育用品作为其入门级终端市场，为生产 滑雪杆的客户生产了第一批原型零件。莱恩指出， 这些

杆子“很简单， 但不是完全直的，所以你不能用拉挤法制作。”3DiTex 还与客户合作开发各种其他体育用品应

用，如网球拍、曲棍球棒和棒球棍。

        展望未来，该公司认为自行车车架最具潜力。莱恩 指出，  “我们特别针对自行车， 因为车架很复杂， 所以

我们看到了我们的工艺和产品的好机会。”

        3DiTex  在该市场的第一个客户是自行车制造商    Caminade（Ille-sur-TêT，法国） ，该公司专门生产高端定    制自行车，这些自行车由其模块化设计和组件组装而成， 以满足客户的特定测量和需求。目前， 该公司的大多数    自行车车架部件都是由钛、铝或短纤维拉挤复合材料制    成的直中空管， 用注塑塑料或钛连接器连接成整个车架。 3DiTex 向 Caminade 介绍了利用其技术将连续单向纤维    的更高刚度以及将框架组件成型为更复杂或弯曲形状的可能性结合在一起的想法。

                     优化设计。使用其工艺， 3DiTex 能够将 Caminade  典型的直自行车车架部件（此处所示的几个部件之

                      一）优化为更复杂的曲线或形状。

        2023 年夏天，  Caminade  向 3DiTex 提供了几种不同类型管道所需的设计参数：直径、长度、形状和机

械性能。  3DiTex 随后使用碳纤维热塑性预浸带为每种所需的管形和长度提供了兼容的设计。   莱恩补充道，

该公司的工艺不仅可以实现更复杂的形状，而且可以 在零件的特定区域实现管道厚度、灵活性或刚度的变

化。

        截至 2023 年 10 月， Caminade 正在进行新车架部 件的资格测试，目标是在年底前将其作为客户定制自

行车的一种选择推出。

                                                    准备骑行。如图所示，在公司准备向客户推出产品时，

                                                            一个完整的 Caminade 自行车架正在进行强度测试。

       展示完整的自行车车架

        莱恩解释说，作为该技术的下一步，该公司计划 不仅提供预成型件或热成型复合管，还提供连接其管

的能力，  以制造更复杂的成品，   而不需要单独的连接器、紧固件或粘合剂。

                                                   无粘合剂和紧固件连接。作为下一步， 3DiTex 开发了一种改进的

                                                   注射二次成型工艺，将其部 件连接在一起，以制造完整的自行车

                                                   车架或其 他产品。这里展示的是 3DiTex 自行车车架概念的 3D 模型。

        该团队开发了莱恩所说的“类似于塑料注射二次   成型的工艺”，在管接头上成型一块额外的连续纤维   材料—— 可能是姐妹公司 Nobrak 生产的专用织物—— 以在没有其他粘合或紧固件的情况下连接两块。莱恩   说： “ 这可以连接管道，还可以增加几何形状，用连续纤维加固需要额外加固的区域。 ”。

         为了演示这项技术，   3DiTex 正在建造一个完整的自行车架演示器，该演示器将结合原始的预成型技术、管的热成型和 3DiTex 改进的注射二次成型工艺，将管连接成一个最终零件。

         莱恩指出：  “我们的目标不是与全注塑塑料自行 车车架或大批量铝车架竞争。”。“我们只计划在需 要结合车架零件的小区域使用注塑成型。我们正在与 全一体式碳纤维车架竞争，目前这些车架通常是手工制造和定制的，并为此提供了更大的体积选择。”

         就性能而言，莱恩认为这项技术非常适合中等容 量的电动城市自行车， 例如，在这种自行车中，既需

要重量轻， 又需要携带电池和电子产品的强度。

        下一步： 提高产能，  开拓新市场

         目前， 3DiTex 的初始试验机能够小批量生产原型和商业零件，每年可达数百个。

         由于最近获得的资金， 该公司的工业化前试验线    正在建设中，预计将于 2024 年夏天上线。到 2025 年年 中，该公司计划开设 3000 平方米的生产工厂， 并将员  工人数增加一倍。莱恩解释道：  “在我们目前的空间    里，我们有能力生产几百个零件。在我们工业化前的工厂里，  我们将处于中批量范围， 客户每年的产能约

为 1000 至 10000 个零件。然后到 2025 年，我们将实现 每年 10000 至 100000 个零件的大批量产能目标。 ”他  补充道，  “ 这一过程涉及大量投资。这是一个高度优   化的工艺和纺织品，  在心轴或支架、热成型工艺工具   和每个零件的设计工作方面都有大量投资。因此， 一旦我们有能力，大批量生产最终将在经济上最有意义。”

        在接下来的几年里，   包括自行车车架在内的体育  用品市场将继续是 3DiTex 的主要关注点。莱恩表示， 未来，该公司正在与航空航天行业的潜在客户进行对  话，并正在考虑扩大业务的可能性，向出于保密或地理原因需要现场生产零件的客户销售机器。

------  完  ------

                                                  注:  原文见， 《Thermoplastic composite, tube-shaped preforms for

                                                                                      large-volume manufacturing  》   2023 ．11 ．24

杨超凡   2023.11.25