机器人缠绕工艺-2
本文摘要：（由ai生成）
这篇文章主要介绍了 TANIQ 公司在优化储罐设计和生产方面的一些技术和方法，包括使用 TaniqWind 等先进软件进行设计优化、使用传感器来帮助验证有限元分析模型、缠绕 TPC 储罐等。文章还探讨了缠绕技术的发展，指出了工业在复合材料压力容器方面已经取得了很大的进展，但仍有很多公司在独立研究同一解决方案，缺乏知识共享。最后，文章强调了 TANIQ 公司的目标是帮助实现未来车辆所需的新型复合材料油箱设计。
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。”
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原文见，《 Optimizing robotic winding of composite tanks and pipes 》 2024.4.12
杨超凡 2024.4.16
