熱塑性復合材料預制件，用于管道、自行車車架及其他用途。法國初創公司3DiTex開發了一種用熱塑性復合材料帶或其他材料纏繞復雜形狀、中空、可熱成型 預制件的連續工藝。該公司的第一個目標市場是體育用品，包括自行車車架部件，以及不久后的完全集成自行車車架，如圖所示。


 

從高性能體育用品到商業和國防航空航天零件，大量制造能力、易于回收的材料和設計自由是許多終端市場和應用所采用的材料的三個日益重要的要求。

3DiTex（法國Canéjan）是一家初創公司，旨在為這三家公司提供生產中空、管狀、熱塑性復合材料預制件和最終用途零件的工藝，能夠模制成復雜的形狀，并由更容易回收的熱塑性甚至生物基材料制造，并具有大規模生產的潛力。

該公司的創始人 Bertrand Laine 和 Aymeric Azran 分別獲得了材料科學和材料力學的博士學位，并在復合材料和技術紡織品領域工作了多年。他們是在研發公司 RT2i（自被圣戈班收購以來）從事3D針織預制棒技術工作時認識的，并于2016年決定利用他們的經驗成立初創公司Nobrak，專門從事定制纖維放置(TFP-tailored fiber  placement)技術的創新。

萊恩說：“當我們開始Nobrak時，我們修改了現有的TFP機器，制作了扁平的預成型件，然后可以沖壓成型或通過其他工藝形成更復雜的幾何形狀。”。雖然該公司在這項技術上取得了成功，但他補充道，很快就很發現，Nobrak無法填補的一個市場缺口是，從自行車車架到航空航天支柱，許多應用和終端市場都需要空心管狀預制件。為了滿足這一需求，Laine和Azran開始研究生產中空預制件的方法，這些預制件可以成型為管狀復合材料零件。

由此產生的技術是一種連續的、改進的纏繞工藝 ，該工藝被設計為一個模塊化系統，用于制造高度材料優化的管狀熱塑性復合材料預制件，然后可以成型為最終 零件，包括形狀和曲線復雜的零件。

Laine和Azran利用這種方法在2018年成立了第二家初創公司3DiTex。如今，Laine擔任3DiTex的CEO， Azran擔任Nobrak的 CEO。在過去的幾年里，3DiTex一直在籌集資金，為其技術申請專利，并已發展成為一支由32名員工組成的團隊。該公司計劃在2024 年開設第一條官方試驗線，并在2025年開設第一家生產工廠，該公司已經在使用其最初的試驗機為客戶生產原型和商業零件。

3DiTex流程

3DiTex系統本質上是一條由一系列卷繞機組成的連續生產線，這些卷繞機將帶或細絲鋪設在心軸或支撐件上，以在預成型件穿過系統時逐層制造預成型件。據說，這一過程是連續拉擠生產線和細絲纏繞之間的交叉，將拉擠的速度和連續生產與以各種方向和角度纏繞預 浸帶或細絲的能力相結合。

3DiTex系統的主要創新之一是其纏繞過程的工作方式，以創建多層織物預成型件，而無需典型的長絲纏繞系統的耗時來回運動。萊恩解釋說，“這項技術的第一點是以連續的方式制造預成型件。這是一個開始。當然，其他技術也可以做到這一點，例如編織。因此，接下來的挑戰變成了如何一次鋪設所有層。我們也不想重新發明拉擠。我們希望能夠制造復雜的幾何形狀，并且預成型件可以彎曲成不同的形狀，而不僅僅是拉擠成型的直型材。”

由此產生的3DiTex系統是一系列卷繞器模塊—萊恩稱之為“圓盤”，指的是它們的圓形—它們沿著纏繞細絲或預浸帶的固定心軸或支撐結構安裝。每個模塊獨立工作，沿系統等距離定位，并編程為繞心軸旋轉并沉積一個特定層。預制棒以指定的速度（通常為每分鐘一米或更多）連續移動通過系統，模塊鋪設連續的層。模塊可高度定制，編程為以指定的速度旋轉，并以指定的角度為每個零件的每一層鋪設材料。

連續繞組。據說3DiTex工藝將拉擠的連續生產能力與以最佳方向和角度纏繞膠帶的能力相結合。

萊恩說：“通常情況下，繞線器在支架上來回、左右移動，這是一個一次性的過程。”。“但在我們的情況下，它永遠不會回到右邊，它只是一直朝一個方向連續前進，所以每個磁盤都必須為每層應用我們想要的全部材料。”

繼續前進。沿線的每個圓盤形卷繞機都是獨立編程的，每次鋪設一層材料，同時預成型件連續向前移動，消除了長絲卷繞機在心軸上來回移動的典型過程。

他補充說，3DiTex系統中使用的心軸或支撐結構有兩種選擇。“你可以推動一個心軸——預成型件在其上形成——連續地穿過系統，也可以拉動預成型件本身，沿著固定的支架滑動。”這取決于用作基礎預成型件的材料。

該系統通過3DiTex內部開發的設計和控制軟件運行。萊恩說，對于每個零件，彎曲半徑、直徑等輸入都用于創建零件的3D模型，“這使我們能夠預測彎曲軌跡，以適應所有變化”。預制件是通過內部模擬軟件設計的。他補充說，一開始這是一個反復試驗的過程，需要制造物理預制件來與模擬預測的值進行比較，以完善軟件。

材料不可知，但專為熱塑性塑料設計

萊恩解釋說，可以使用許多不同的材料——碳、玻璃或亞麻纖維；干長絲或預浸帶；熱固性或熱塑性樹脂，包括生物基樹脂；甚至是紙卷或金屬絲——但這一過程是圍繞著使用熱塑性預浸帶或將紗線與熱塑性長絲混合而設計的。他說：“熱塑性預浸帶非常適合。它們很容易使用，但也符合我們使用可回收材料的戰略，并有能力在未來進行大規模生產。”

可彎曲的熱塑性預制件。雖然也可以使用其他材料，但該工藝主要設計用于熱塑性預浸帶。其中一個優 點是能夠用手彎曲預成型件以插入模具中進行成型。

目前，3DiTex與樹脂供應商合作伙伴Arkema（法國 Colombes）合作，開發其零件和工藝，用于Arkema的聚酰胺11（PA11）和聚鄰苯二甲酰胺（PPA）產品以及其他材料。

萊恩指出，這一過程使不同類型的材料能夠一次性鋪設在同一個零件上，例如玻璃和碳纖維層的混合物，或者通過不同的獨立模塊在兩者之間施加軟木或泡沫等核心層。

制造和連接

一旦預成型件從3DiTex生產線中取出，就可以進行切割，然后由 3DiTex或客戶將其成型為最終零件。萊恩指出，可以使用幾種方法來制造這些零件，3DiTex主要使用熱成型或壓縮成型。對于每個零件，3DiTex 都設計并訂購了一個開放式或封閉式模具，以及一個適合預成型件內部的囊狀物。熱塑性預成型件可以用手彎曲插入模具，最終零件在熱和壓力下成型。

目前，該公司可以為客戶提供預制件或中空復合材料零件。萊恩解釋說，“當我們剛成立公司時，我們還不知道自己到底想做什么——銷售機器？銷售預成型件？制造復合材料零件？我們決定從銷售紡織品預成型件開始，但很快意識到，因為這是一種新工藝，如果我們只銷售預成型品，那么有很多教育步驟可以向客戶解釋如何使用我們的產品制造零件。因此，我們意識到目前最好的方法是自己制造復合材料零件，這樣我們就可以控制所有步驟。”

3DiTex 的工藝可以生產的最大長度零件是多少？萊恩解釋道：“限制更多地取決于工具，這取決于客戶和他們的要求，但到目前為止，我們生產的最長零件約為2米。”

他補充說，該公司還致力于開發連接方法，以便能夠生產更復雜的成品零件。

第一批客戶：體育用品、自行車車架

3DiTex將體育用品作為其入門級終端市場，為生產滑雪桿的客戶生產了第一批原型零件。萊恩指出，這些桿子“很簡單，但不是完全直的，所以你不能用拉擠法制作。”3DiTex還與客戶合作開發各種其他體育用品應用，如網球拍、曲棍球棒和棒球棍。

展望未來，該公司認為自行車車架最具潛力。萊恩指出，“我們特別針對自行車，因為車架很復雜，所以我們看到了我們的工藝和產品的好機會。”

3DiTex在該市場的第一個客戶是自行車制造商Caminade（Ille-sur-TêT，法國），該公司專門生產高端定 制自行車，這些自行車由其模塊化設計和組件組裝而成，以滿足客戶的特定測量和需求。目前，該公司的大多數 自行車車架部件都是由鈦、鋁或短纖維拉擠復合材料制 成的直中空管，用注塑塑料或鈦連接器連接成整個車架。3DiTex向 Caminade 介紹了利用其技術將連續單向纖維的更高剛度以及將框架組件成型為更復雜或彎曲形狀的可能性結合在一起的想法。

優化設計。使用其工藝，3DiTex 能夠將 Caminade典型的直自行車車架部件（此處所示的幾個部件之一）優化為更復雜的曲線或形狀。

2023年夏天，Caminade向3DiTex提供了幾種不同類型管道所需的設計參數：直徑、長度、形狀和機械性能。3DiTex隨后使用碳纖維熱塑性預浸帶為每種所需的管形和長度提供了兼容的設計。萊恩補充道，該公司的工藝不僅可以實現更復雜的形狀，而且可以在零件的特定區域實現管道厚度、靈活性或剛度的變化。

截至2023年10月，Caminade正在進行新車架部件的資格測試，目標是在年底前將其作為客戶定制自行車的一種選擇推出。

準備騎行。如圖所示，在公司準備向客戶推出產品時，一個完整的 Caminade 自行車架正在進行強度測試。

展示完整的自行車車架

萊恩解釋說，作為該技術的下一步，該公司計劃不僅提供預成型件或熱成型復合管，還提供連接其管的能力，以制造更復雜的成品，而不需要單獨的連接器、緊固件或粘合劑。

無粘合劑和緊固件連接。作為下一步，3DiTex開發了一種改進的注射二次成型工藝，將其部件連接在一起，以制造完整的自行車車架或其他產品。這里展示的是3DiTex自行車車架概念的3D模型。

該團隊開發了萊恩所說的“類似于塑料注射二次成型的工藝”，在管接頭上成型一塊額外的連續纖維材料——可能是姐妹公司Nobrak生產的專用織物——以在沒有其他粘合或緊固件的情況下連接兩塊。萊恩說：“這可以連接管道，還可以增加幾何形狀，用連續纖維加固需要額外加固的區域。”

為了演示這項技術，3DiTex正在建造一個完整的自行車架演示器，該演示器將結合原始的預成型技術、管的熱成型和3DiTex改進的注射二次成型工藝，將管連接成一個最終零件。

萊恩指出：“我們的目標不是與全注塑塑料自行車車架或大批量鋁車架競爭。”。“我們只計劃在需要結合車架零件的小區域使用注塑成型。我們正在與全一體式碳纖維車架競爭，目前這些車架通常是手工制造和定制的，并為此提供了更大的體積選擇。”

就性能而言，萊恩認為這項技術非常適合中等容量的電動城市自行車，例如，在這種自行車中，既需要重量輕，又需要攜帶電池和電子產品的強度。

下一步：提高產能，開拓新市場

目前，3DiTex的初始試驗機能夠小批量生產原型和商業零件，每年可達數百個。

由于最近獲得的資金，該公司的工業化前試驗線正在建設中，預計將于2024年夏天上線。到2025年年中，該公司計劃開設3000平方米的生產工廠，并將員工人數增加一倍。萊恩解釋道：“在我們目前的空間里，我們有能力生產幾百個零件。在我們工業化前的工廠里，我們將處于中批量范圍，客戶每年的產能約為1000至10000個零件。然后到2025年，我們將實現每年10000至100000個零件的大批量產能目標。”他補充道，“這一過程涉及大量投資。這是一個高度優化的工藝和紡織品，在心軸或支架、熱成型工藝工具和每個零件的設計工作方面都有大量投資。因此，一旦我們有能力，大批量生產最終將在經濟上最有意義。”

在接下來的幾年里，包括自行車車架在內的體育用品市場將繼續是 3DiTex 的主要關注點。萊恩表示，未來，該公司正在與航空航天行業的潛在客戶進行對話，并正在考慮擴大業務的可能性，向出于保密或地理原因需要現場生產零件的客戶銷售機器。

注：原文見《Thermoplastic composite, tube-shaped preforms for large-volume manufacturing 》 2023.11.24

楊超凡 2023.11.25