機器人纏繞工藝
TANIQ機器人纏繞技術
TANIQ（荷蘭鹿特丹）于2022年發布了其TaniqWind壓力容器設計和長絲纏繞軟件，并在2024年JEC World（3月5日至7日，法國巴黎）上展示了其最新的TaniqWindPro。該公司是由Toray Advanced Composites（TAC，Nijverdal，Netherlands）領導的荷蘭液氫（LH2）財團的一部分，該財團于2021年開始了一個為期45個月的項目，以演示用于民用航空的LH2復合材料儲罐。對于這個聯盟，TANIQ正在貢獻其軟件和機器人纏繞專業知識。
TANIQ最近還與Fraunhofer生產技術研究所（IPT，Aachen，Germany）完成了一個為期三年的項目，使用熱塑性復合材料（TPC）的激光輔助膠帶纏繞（LATW-laser-assisted tape winding）開發復合H2壓力容器。它協助該項目的復合材料壓力容器設計，并在膠帶纏繞過程中提供關鍵參數控制的集成功能。
機器人纖維纏繞，特種橡膠復合材料
TANIQ開發了集成纖維、金屬線、橡膠和包裝帶（頂部）的機器人纏繞系統，用于特種增強橡膠軟管和壓力容器（中間和底部）。
TANIQ成立于2006年，是荷蘭代爾夫特理工大學航空航天系的子公司。TANIQ董事兼聯合創始人布洛瓦爾德（Soren Blomaard）表示：“我們最初是世界上最早使用工業機械臂進行長絲纏繞的公司之一。”。“當時的機器人纏繞還很新鮮。雖然我們有航空航天和復合材料結構集團的工程背景，但實際上我們決定首先進入一個相當利基的橡膠復合材料市場。這是一個很大的市場，橡膠產品內部有各種增強結構，最常見的是輪胎，它使用尼龍繩和金屬線。還有很多特種產品，如汽車軟管、空氣彈簧、汽車氣囊/救援袋、船用軟管和油管。對于這些應用，我們掌握了如何優化增強典型軟管或壓力容器的知識，并將其應用于這些特種增強橡膠應用。”
布洛瓦爾德（Blomaard）說：“我們發現，使用機器人進行放置將提供最高的精度，也有可能進一步自動化這些過程。”。“一旦我們實施了加固路徑，我們就開始將橡膠添加到工藝中。未固化的橡膠很難處理，我們花了幾年時間才開發出專用的纏繞工具和控制策略來管理這一過程。時至今日，我們仍在改進我們的系統，以處理硅橡膠等非常柔軟和膠質狀的材料。為了完成典型橡膠復合材料中所有材料的自動纏繞，我們添加了特殊包裝帶和金屬線的解決方案。我們不僅可以優化這些產品的設計，還可以自動制造它們。”他指出，汽車輪胎每30-60秒就會制造一次。“這是一個連續的、重復的、非?？斓倪^程。”
TANIQ的客戶主要從事特種應用，產品通常建立在鋼或分段心軸上，這可能需要數小時甚至數天的制造時間。布洛瓦爾德說：“例如，我們為核電站和潛艇制造伸縮縫。”。“這些接頭是金屬管道系統之間的橡膠補償器，每個接頭都有不同的規格，包括長度和爆裂壓力，這使得這一過程很難自動化。工程也是勞動密集型的。”這種自動化非常具有挑戰性的應用是TANIQ的重點。布洛瓦爾德說：“我們的軟件和機器人技術的結合提供了一個靈活的自動化解決方案，使這成為可能。”。
他繼續說道：“我們已經做了大約15年的這項工作，并且已經完全脫離了常規復合材料。”。“然后在2018年左右，我們收到了越來越多的公司的請求，詢問他們是否可以使用我們的機器人纏繞系統和更典型的壓力容器的設計軟件。就在那時，氫氣開發開始加快。我們意識到，我們為這些橡膠復合材料的設計和自動化開發的也是復合材料壓力容器的解決方案。與此同時，一家領先的長絲纏繞軟件公司被從市場上收購，為新軟件創造了市場機會。這是我們進軍復合材料行業的好時機。”
復合材料壓力容器的軟件和設備
TANIQ開始與大學和研究機構合作，探索如何將其技術用于更傳統的復合材料。布洛瓦爾德說：“我們用于設計軟管的整個理論是壓力容器理論。”。“纖維承擔了所有的載荷，而且你有一種基質材料來容納液體或氣體，所以設計橡膠壓力容器實際上與復合材料壓力容器非常相似；但也有很大的區別。”
TANIQ基于其在機器人纏繞和先進壓力容器設計方面的專業知識，于2022年發布了TaniqWind軟件。
2022年，TANIQ發布了適用于長絲纏繞復合材料壓力容器的TaniqWind軟件。這是該公司已經使用了很長時間的內部開發軟件，但進行了一些關鍵升級。布洛瓦爾德說：“我們包括了各種改進和功能，這樣用戶就可以非常容易地完成設計過程中的某些步驟。”。“我們與Altair Engineering（美國密歇根州特洛伊市）合作了一年，為他們的多尺度建模方法創建了一個自定義的有限元分析導出功能，這使得設計壓力容器、在有限元分析包中進行分析，然后在兩者之間迭代以進一步優化變得非常高效。我們已經有大約20名軟件用戶。在TaniqWind Pro中，我們進一步擴展了有限元分析功能，現在支持HyperWorks和Abaqus的外殼、2DA和3D元素。”
GKN Fokker（荷蘭Hoogeveen）的復合材料團隊在TANIQ提供的新型長絲纏繞機器人前。
與此同時，TANIQ繼續與多家公司和機構合作，如Fraunhofer IPT和荷蘭LH2財團。布洛瓦爾德說：“我們還向GKN Fokker（荷蘭胡格芬）出售了第一個帶有TaniqWind Pro軟件的機器人設備集成解決方案，用于制造導彈罐和復合材料壓力容器。我們的專業知識實際上是在機器人纏繞方面，這就是我們開發這種先進設計軟件的原因。我們最初專注于纏繞軟件，但我們了解到人們對我們的機器人纏繞系統也有同樣的興趣，因此，我們在提供這種集成軟件和機器人解決方案方面處于獨特的地位。我們對我們在如此短的時間內在復合材料壓力器皿方面取得的進展感到非常高興，這在一定程度上是由所有致力于儲氫和尋找解決方案的公司推動的。”
優化存儲效率，改進數字模型
使用TaniqWind等先進軟件進行設計優化，可以在多大程度上提高儲罐的儲存效率？布洛瓦爾德說：“我們認為首先應該關注設計的可靠性及其可制造性。”。“在預設計階段，可以使用軟件快速設計復合材料層，并使用有限元分析軟件分析和優化性能。這些工具非常適合預設計階段但不適合制造。”
“由于這些復合材料層被簡化了，”他繼續說道，“它們不是1:1可制造的，確切的設計參數無法轉化為實際的纏繞程序。這意味著需要為生產設計新的層，這些層將與建模設計略有偏差。此外，定義局部層厚度的堆積預測通常與實際堆積輪廓不一致，尤其是對于膠帶而言。這意味著您將材料放置在不同的輪廓上，導致與建模不同的堆積，這有時會導致滑動纖維或膠帶纏繞工具錯位的問題。因此，使用我們的TaniqWind Pro軟件，我們專注于兩件事：
- 考慮纏繞過程的所有物理標準的可制造性設計
- 優化厚度累積計算。
“我們一直在研究纏繞罐的所有現有堆積模型，以及細絲的干式纏繞和濕式纏繞與TPC膠帶纏繞之間的差異。這將產生不同的堆積行為。我們已經對其他軟件進行了一些改進，因為我們在軟件中集成了兩種材料組的不同理論和多項式近似，但我認為在未來2-3年里，還有更多的收獲。你可以隨心所欲地建模，但如果模型的輸入不能代表你實際要建造的罐，那么你就無法進行更高存儲效率和更輕重量所需的最終改進。”
TaniqWind Pro軟件有一個強大的有限元分析工具箱，用于為Hyperworks和Abaqus生
成外殼、二維和三維元素的有限元模型，并允許用戶在軟件中預覽和優化網格質量。
他繼續說道：“不僅是堆積和過渡區域，還有某些區域的空隙因素和壓實。”。“我認為，如果我們能夠更好地預測這些情況，那么我們的設計將更加現實，這意味著有限元分析模型將更加可靠，纏繞程序也可以是第一次正確的。目前，我認為生產的準確性已經相對較好，但還可以進一步提高。然而，擁有可靠的設計還有更多的好處，尤其是對于厚壁壓力容器和我討論的關鍵領域。”
布洛瓦爾德指出：“市場對擁有更高效的壓力容器和降低壓力容器中碳纖維成本的吸引力以前沒有今天那么大。”。“我們正在合作開發，在生產中，我們實際上試圖測量每一層和每一個輪廓，并將其反饋到我們的軟件中，以實際了解這些構建是如何變化的，并使其更加準確。”
使用傳感器？
如何使用傳感器來幫助驗證有限元分析模型？布洛瓦爾德說：“我們與Com&Sens（比利時?？耍┖献髁艘粋€項目，他們將光纖（optical fiber）放置在壓力容器中，以測量光纖中的加工應力，然后進行測試，以測量容器加壓時的應力集中。”。“它被用來測量纏繞過程中容器不同區域的應力。這意味著你有不同的壓實度，因此壓力容器的不同區域的空隙率會不同。它也被用來測量加壓過程中各層的應力，這很有趣，但你仍然必須對數據做些什么。你如何將其轉化為更好的下一個壓力容器設計？當你知道一些層被激活到其最大應力水平，而其他層幾乎沒有激活，因此沒有貢獻時，你可以調整，例如，疊層設計，或利用層的預張力來優化整個結構。”
纏繞TPC儲罐
布洛瓦爾德表示，在TANIQ與Fraunhofer IPT共同完成的探索TPC壓力容器的項目中，Fraunhoffer團隊主要感興趣的是在激光輔助膠帶纏繞（LATW）軌跡的任何點向膠帶施加適量的熱量。他解釋道：“挑戰在于，纏繞速度隨著輪廓的變化而變化，在圓頂的轉彎區達到最低速度。”。“這需要按節調整激光功率，以防止加熱不足/過熱。我們的工作是幫助將激光輔助膠帶纏繞（LATW）工藝參數的控制集成到纏繞軟件中。最初，Fraunhofer會為機器人制定纏繞程序，然后手動將激光強度值添加到機器路徑的各個點。我們在軟件中添加了一個功能，他們可以設置每層或層內每節的可變工藝值（激光功率、輥壓縮、膠帶張力）。能夠從軟件中控制這些變量，在可靠性和效率方面都有了巨大的提高。”
在同一項目中，TANIQ還與Pixargus（德國Würselen）合作，后者為碳纖維膠帶生產過程中的缺陷測量提供工業系統。布洛瓦爾德指出：“他們可以光學測量表面缺陷，然后也可以對其進行處理，以便進行在線或離線分析。”。“在Fraunhofer IPT的這個項目中，Pixargus開發了一種集成到膠帶纏繞系統中的掃描儀。在纏繞過程中，我們可以測量膠帶表面的各種缺陷，并根據損壞的嚴重程度對這些缺陷進行分類，然后將每個缺陷與產品中的一個點聯系起來。因此，我們可以知道產品中的哪些缺陷。然后，當測試這些壓力容器時，我們可以看到這些缺陷周圍是否真的發生了故障。”
他繼續說道：“這個項目的規模相對較小，有10個原型，但它仍然非常有趣，因為我們已經看到了膠帶質量的很大變化。”。“擁有這種連續測量膠帶質量并幫助決定影響是否過大的能力是很重要的。你實際上可以停止這一過程并進行干預，將該罐從生產中取出或從生產中撤出該材料。”
TaniqWind Pro軟件允許用戶定義繞組輪廓每段的可變工藝設置，例如沿輪廓設置可變激光強度以適應不同的繞組速度。
該項目還將熱塑性激光輔助膠帶纏繞（LATW）儲罐與采用濕法纏繞制成的IV型熱固性復合材料壓力容器進行了比較。目前，由于TPC帶的成本更高、激光輔助膠帶纏繞（LATW）應用頭的投資以及與濕法纏繞或熱固性纏繞相比較慢的生產速度，TPC罐的制造成本要高得多。然而，布洛瓦爾德指出，一個重要的好處是通過熔化塑料可以回收碳帶。Fraunhofer IPT開發了一種技術，用于在使用壽命結束時從這些TPC儲罐中回收連續纖維。他解釋道：“這會改變價值，因為你不是在切碎容器并重復使用短切纖維復合材料，而是在實際上扭轉這個過程。”。“由于這種可回收性，我認為最終我們將在未來看到熱塑性復合材料罐。”
布洛瓦爾德指出，雖然TANIQ比較了不同的纏繞系統，但“我們也相信混合系統的發展。這可能涉及在單個儲罐中使用不同的材料（如玻璃纖維和碳纖維），或纏繞和放置的組合過程。”TANIQ目前與Cevotec（德國Unterhaching）等多家研究機構和公司合作，這些研究機構和企業正在將局部圓頂加固與絲束或TPC膠帶的纏繞相結合。布洛瓦爾德說：“我們正在開發設計這些局部路徑和圖案的功能，計算局部厚度積累，并將這些數據導出到有限元分析軟件中。”。“通過合并這些功能，TaniqWind Pro軟件從纏繞軟件擴展到放置軟件，機器人纏繞系統和膠帶纏繞系統合并為混合生產工作站。”
纏繞技術發展
布洛瓦爾德指出，在儲罐設計和生產方面已經開發了大量技術。他說：“過去，我覺得大學領先于工業，但在復合材料壓力容器方面，工業似乎遠遠領先于大學。”。“我們在各種項目的合作中都看到了這一點，我們雇傭了曾在其中一些儲罐公司工作的人員。壓力容器的設計、測試和測試設置都有很高的細節，而且某些公司內部已經開發了很多知識。他們遙遙領先，但什么都沒有發表。令人驚訝的是，有這么多不同的公司正在單獨研究同一個解決方案。似乎很少有人分享。”
布洛瓦爾德說，這些公司通常只關注他們正在建造的儲罐類型，并花了數年時間進行試錯，以優化這些設計，實現批量生產。但隨著整個行業向更數字化的生產轉移，這些公司也在進行測量，并試圖確保他們所建模的實際上是他們正在構建的。布洛瓦爾德說：“這種活動是勞動密集型和耗時的。”。“我們的目標是開發一款軟件，如果你想從頭開始進行新的設計，那么這些預測將已經很好了，或者至少比以前可靠得多。我們認為，從軟件的角度來看，如果你能將這些知識和這些模型相結合，那么對于那些沒有時間或能力進行這種迭代優化的公司來說，效率會高得多。我們的目標就是幫助實現未來車輛所需的新型復合材料油箱設計。”
原文見，《Optimizing robotic winding of composite tanks and pipes 》 2024.4.12
楊超凡 2024.4.16
