高級(jí)復(fù)合材料的抗皺工藝一直是該行業(yè)發(fā)展的瓶頸問(wèn)題。全球業(yè)界都在此領(lǐng)域展開(kāi)不懈的努力研究。

現(xiàn)代復(fù)合材料產(chǎn)業(yè)的誕生要追溯到20世紀(jì)60年代，那時(shí)人們發(fā)明了芳綸和碳纖維在內(nèi)的高性能連續(xù)纖維。多年來(lái)，這類(lèi)纖維的可用性日益提升，加之擁有了高比強(qiáng)度和剛度特性，使一系列先進(jìn)的工程結(jié)構(gòu)在航空航天和汽車(chē)領(lǐng)域得以迅速應(yīng)用與發(fā)展。

基于不同基體體系（通常是聚合物）的連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，其結(jié)構(gòu)性能可以根據(jù)具體的設(shè)計(jì)要求、工藝條件和制造方法進(jìn)行調(diào)整。例如，與鋁相比，基于碳纖維的聚合物基復(fù)合材料部件的定制設(shè)計(jì)可使其重量降低30%，甚至與鋼材料相比降低了70%。

不過(guò)，要制造出高品質(zhì)、可靠的纖維復(fù)合結(jié)構(gòu)卻困難重重，這與增強(qiáng)材料的連續(xù)性直接相關(guān)。特別是用紡織形態(tài)制作具有一定幾何復(fù)雜性的結(jié)構(gòu)時(shí)，如雙彎曲部件，這一弱點(diǎn)更加凸顯。

這些制造問(wèn)題也引發(fā)業(yè)界地干（未固化）增強(qiáng)體及其固化體的變形和成型機(jī)理進(jìn)行研究。從20世紀(jì)70年代后期起到現(xiàn)在，各種不同形式材料的研究仍在繼續(xù)，相關(guān)的自動(dòng)化成型工藝也在不斷發(fā)展，并且制造工藝也日益復(fù)雜化。

復(fù)合材料制造面臨挑戰(zhàn)

隨著單向纖維復(fù)合材料的成功應(yīng)用，多向纖維的復(fù)合材料也在改變產(chǎn)品設(shè)計(jì)的速度、強(qiáng)度及成本。目前用于制造紡織纖維材料和預(yù)成型材料及在模具中的精確定位的技術(shù)，通常與高科技應(yīng)用有關(guān)，這些應(yīng)用要求部件的公差較低才能通過(guò)質(zhì)量測(cè)試。

另一方面，現(xiàn)有的紡織纖維類(lèi)型和結(jié)構(gòu)、生產(chǎn)技術(shù)及其廣泛的組合領(lǐng)域，其優(yōu)化的通用設(shè)計(jì)策略與成型過(guò)程模糊不清，而以下挑戰(zhàn)目前被認(rèn)為是與紡織復(fù)合材料產(chǎn)品和預(yù)制件的高效和可再生制造最為相關(guān):（1）通過(guò)正確選擇織物材料及其鋪層，優(yōu)化制造步驟的設(shè)置及廢物管理，如采用近似純潔凈化的生產(chǎn)方法和對(duì)干燥和預(yù)浸漬織物進(jìn)行無(wú)缺陷處理，從而減少缺陷且降低生產(chǎn)成本；（2）實(shí)現(xiàn)高保真的仿真工具，在復(fù)雜的三維形狀零配件成型方面尤為如此。

紡織復(fù)合材料的生產(chǎn)過(guò)程中，一個(gè)主要的難題就是起皺，設(shè)計(jì)師認(rèn)為這是質(zhì)量問(wèn)題的關(guān)鍵，因?yàn)槠鸢檿?huì)導(dǎo)致最終結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能和使用壽命降低80%，可能會(huì)給公司造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。起皺的嚴(yán)重程度受各種制造因素影響，包括模具選擇、材料特性、疊層結(jié)構(gòu)、刀具與零件的相互作用以及加工設(shè)備的質(zhì)量等。

在本質(zhì)上，尖角或緊固件邊緣（對(duì)成型性要求較高之處）產(chǎn)生過(guò)較大的剪切角會(huì)導(dǎo)致交織纖維產(chǎn)生屈曲，降低相鄰層間的層間粘合力。因此，了解制造過(guò)程的每一步和材料系統(tǒng)的成型機(jī)理是減少這些褶皺和控制最終部件性能的關(guān)鍵。

預(yù)測(cè)模擬模型的成功方法

當(dāng)前，幾乎已非常接近地預(yù)測(cè)，在紡織復(fù)合材料時(shí)需施加何種適當(dāng)?shù)牧Σ拍軠p少終端產(chǎn)品的褶皺，即通過(guò)在織物邊緣施加適當(dāng)二維邊界的方法即可實(shí)現(xiàn)，然后使用工具使其與實(shí)際的三維場(chǎng)景形成關(guān)聯(lián)。

加拿大哥倫比亞大學(xué)（UBC）研究人員提出一種新的方法以研究紡織復(fù)合材料的起皺／去皺形態(tài)。相關(guān)研發(fā)人員最近在該校奧肯那根（Okanagan）校區(qū)的復(fù)合材料研究網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了多步驟測(cè)試，即依靠雙軸夾具框架進(jìn)行測(cè)試，該測(cè)試可評(píng)估在不同剪切角度下形成的不同尺寸平滑的褶皺所需力的大小。

專(zhuān)業(yè)圖像處理和三維掃描使分析所需的力可凸顯它對(duì)材料起皺和去皺形態(tài)造成的影響。該項(xiàng)目負(fù)責(zé)人博士生阿明·拉希迪（Armin Rashidi）表示，他們對(duì)梭織物起皺和去皺特性的分析揭示了一種新的現(xiàn)象，即紗線幾何形狀或生產(chǎn)過(guò)程中的不可控來(lái)源等各種參數(shù)影響起皺形態(tài)。

他們認(rèn)為可建立與二維特征相關(guān)測(cè)試和實(shí)際的3D機(jī)織物的成型操作模式，進(jìn)而可基于修改壓邊模具或壓邊框的幾何形狀，實(shí)現(xiàn)數(shù)字模擬設(shè)計(jì)的精確去皺。事實(shí)證明，預(yù)測(cè)數(shù)值模型可減少成型優(yōu)化過(guò)程中的試驗(yàn)和誤差。

另一種測(cè)試設(shè)備稱(chēng)為復(fù)合材料的“數(shù)字孿生體”，它可精確預(yù)測(cè)褶皺的大小和形狀。通過(guò)數(shù)字模擬實(shí)現(xiàn)所提及的去皺方法。全世界都有多個(gè)團(tuán)隊(duì)在進(jìn)行這類(lèi)研究。值得一提的是，哥倫比亞大學(xué)的研究人員最近推出一種混合建?？蚣埽糜陬A(yù)測(cè)三維表層織物的成型模式，它具有無(wú)與倫比的時(shí)間效率。在這種混合框架下，他們實(shí)施了多步驟優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，其中基于運(yùn)動(dòng)學(xué)的可初步模擬產(chǎn)生褶皺的部分區(qū)域，以及相應(yīng)的剪切角范圍，然后完整的有限元模型可進(jìn)一步精確捕獲褶皺的位置和大小。

該研究的下一步是，進(jìn)行張力輔助成型試驗(yàn)和改進(jìn)壓邊幾何概念，在成型過(guò)程中施加最佳邊界力，從而幫助實(shí)現(xiàn)最低成本的“被動(dòng)”減皺。

抗皺新工藝前景一片光明

新的復(fù)合材料工藝正在改變產(chǎn)品在先進(jìn)制造領(lǐng)域的設(shè)計(jì)和建造方式。輕質(zhì)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的制造趨勢(shì)及其自動(dòng)化制造過(guò)程表明，這類(lèi)材料的需求正在增加；為提高資源效率，減少二氧化碳排放和開(kāi)發(fā)能以絕對(duì)新穎的想法滿足消費(fèi)者需求的組件，正是復(fù)合材料研發(fā)的重要基礎(chǔ)。然而，紡織復(fù)合材料的制造商更傾向于尋找新的方法以確保最終產(chǎn)品無(wú)缺陷，尤其是起皺方面，因?yàn)樗鼤?huì)效降低其力學(xué)性能。

目前，隨著高保真仿真工藝的不斷研發(fā)，依靠定制測(cè)試設(shè)備和表征夾具，控制合理的成形系統(tǒng)進(jìn)行模擬研究，全球業(yè)界這方面的能力都在不斷提高。隨著這一領(lǐng)域的不斷創(chuàng)新，包括更多的聚合物樹(shù)脂和織物增強(qiáng)材料的出現(xiàn)，新型成型裝置不斷涌現(xiàn)，進(jìn)一步的研究為制造商提供了最新的分析方法，它特別促使在不同加工周期下多層織物復(fù)合材料的成型水平上升到更高的水平。

此外，隨著傳感嵌入式特征和覆蓋方法的持續(xù)發(fā)展，業(yè)界認(rèn)為，高級(jí)復(fù)合材料的褶皺問(wèn)題，無(wú)論是宏觀還是微觀方面的加工工藝，其基本成型機(jī)制下的創(chuàng)新研發(fā)都將為這一領(lǐng)域帶來(lái)福音，因?yàn)樵诓痪玫膶?lái)，復(fù)合材料4.0版將為此開(kāi)辟解決問(wèn)題的新興途徑，利用可靠的數(shù)字化來(lái)完成成型過(guò)程，促使褶皺問(wèn)題完美解決。

（據(jù)美國(guó)《高級(jí)紡織資源》網(wǎng)https://advancedtextilessource.com/2018/08/06/tacklingwrinkling-in-advanced-textile-composites/近期資料）