摘 要 熱熔預(yù)浸設(shè)備是用來生產(chǎn)預(yù)浸料的專用設(shè)備，被廣泛應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域。隨著航空航天事業(yè)的發(fā)展，預(yù)浸設(shè)備的發(fā)展也呈現(xiàn)多樣化。本文首先闡述了發(fā)展熱熔預(yù)浸設(shè)備的重要意義；其次，詳細(xì)介紹了預(yù)浸設(shè)備的結(jié)構(gòu)特點及關(guān)鍵技術(shù)，包括三輥涂膠裝置的涂膠方式、紗架的張力控制系統(tǒng)、展紗裝置的多種展紗形式及頂視監(jiān)測系統(tǒng)；最后，對熱熔預(yù)浸設(shè)備的發(fā)展方向進(jìn)行展望。

關(guān)鍵詞 熱熔預(yù)浸設(shè)備；三輥涂膠裝置；在線監(jiān)測系統(tǒng)；展紗裝置；頂視監(jiān)測系統(tǒng)

Research Status of Hot-melt Prepreg Equipment

GAO Xiaoru，LI Jinliang，LI Geng

（Harbin FRP Institute Co.，Ltd.， Harbin 150028）

ABSTRACT Hot-melt prepreg equipment is a special equipment used to produce prepreg， which is widely used in aerospace field. With the development of aerospace industry， the development of prepreg equipment is also diversified. Firstly， this paper expounds the significance of developing hot melt prepreg equipment; Secondly， the structural characteristics and key technologies of prepreg equipment are introduced in detail， including the gluing mode of three-roll gluing device， the tension control system of yarn frame， various yarn spreading forms of yarn spreading device and the top-view monitoring system. Finally， the development direction of hot melt prepreg equipment is prospected.

KEYWORDS Hot-melt prepreg equipment; three-roll gluing device; online monitoring system; yarn spreading device; top view monitoring system

1 引言

熱熔預(yù)浸設(shè)備是用來生產(chǎn)預(yù)浸料的專用設(shè)備，被歐美等發(fā)達(dá)國家很早應(yīng)用于航空航天復(fù)合材料領(lǐng)域。但是歐美等國對預(yù)浸設(shè)備制造技術(shù)實行出口限制和技術(shù)封鎖，導(dǎo)致我國復(fù)合材料制造業(yè)長期處于被動地位。20世紀(jì)90年代，國內(nèi)多個設(shè)備制造商為打破國外壟斷壁壘相繼展開熱熔預(yù)浸設(shè)備制造技術(shù)研究，最終實現(xiàn)預(yù)浸設(shè)備的國產(chǎn)化，代表性企業(yè)有：廈門鑫美和設(shè)備制造有限公司、常州賽瑞工程技術(shù)有限公司、威海宏程機(jī)電設(shè)備有限公司、威海光威精密機(jī)械有限公司等[1-2]。

隨著航空航天事業(yè)的發(fā)展，預(yù)浸料需求越來越迫切，對預(yù)浸料的外觀、性能要求越來越高。因此，有必要發(fā)展高控制精度的國產(chǎn)化熱熔預(yù)浸設(shè)備，保證預(yù)浸料的批量化生產(chǎn)以及質(zhì)量的穩(wěn)定性，為航空航天結(jié)構(gòu)件的性能穩(wěn)定性打下基礎(chǔ)。本文介紹了熱熔預(yù)浸設(shè)備的結(jié)構(gòu)特點及關(guān)鍵技術(shù)，并展望了熱熔預(yù)浸設(shè)備的未來發(fā)展方向。

2 熱熔預(yù)浸設(shè)備結(jié)構(gòu)特點及關(guān)鍵技術(shù)

預(yù)浸設(shè)備按照浸漬方式的不同，可分為溶劑法和熱熔法[3-5]。熱熔法又因制備預(yù)浸料的步驟有異，分為一步法和兩步法，如圖1所示。一步法是制膜和浸料在同一臺設(shè)備上一次完成，我國原有設(shè)備大多采用此法，即把增強材料直接浸漬到膠液中生產(chǎn)出的熱熔預(yù)浸復(fù)合材料。一步法生產(chǎn)的預(yù)浸料因無法對產(chǎn)品進(jìn)行在線自動控制，故產(chǎn)品質(zhì)量往往得不到保證，且環(huán)境污染較嚴(yán)重；兩步法是先在涂膠機(jī)上完成制膜任務(wù)，再于預(yù)浸機(jī)上將增強材料與樹脂膜復(fù)合形成預(yù)浸料。該方法生產(chǎn)過程中對質(zhì)量可控制嚴(yán)格，得到的預(yù)浸料品質(zhì)高，生產(chǎn)效率高，無污染，并實現(xiàn)了熱熔預(yù)浸料的工業(yè)化。國內(nèi)外熱熔預(yù)浸設(shè)備大多采用兩步法，該方法適于多種型號預(yù)浸料的批量化生產(chǎn)。

2.1 涂膜機(jī)結(jié)構(gòu)特點及關(guān)鍵技術(shù)

涂膜機(jī)主要包括離型紙放卷裝置、離型紙拼接裝置、牽引單元、三輥涂膠裝置、在線測厚系統(tǒng)、供膠系統(tǒng)、加熱裝置、冷卻裝置、收卷裝置等部件，如圖2所示。其中，三輥式涂膠裝置、在線測厚系統(tǒng)一直都是技術(shù)創(chuàng)新的重點。

2.1.1 三輥涂膠裝置

三輥涂膠裝置是設(shè)備的核心，由計量輥、涂膠輥和橡膠輥組成。涂膜裝置根據(jù)涂膠量的需要，可以設(shè)定為直涂，即涂膠輥運動方向和離型紙運動方向相同；也可設(shè)定為逆涂，即涂膜輥運動方向和離型紙運動方向相反。兩種涂膜方式的相關(guān)內(nèi)容如表1所示。

由表1可知，直涂方式適合粘度小、克重低的樹脂體系，逆涂方式適合粘度大、克重高的樹脂體系。國內(nèi)預(yù)浸設(shè)備制造商多采用單一的直涂或逆涂方式，如廈門鑫美和采用直涂涂膠方式、威海光威和威海宏程則采用逆涂涂膠方式。但是，單一涂膠方式不利于寬克重范圍膠膜的涂制，從而無法實現(xiàn)超薄預(yù)浸料到大絲束高克重預(yù)浸料的生產(chǎn)。針對該問題，國外熱熔預(yù)浸制造商則通過改變橡膠輥的位置，將橡膠輥從原來涂膠輥的下面移動到計量輥下面，即可實現(xiàn)直涂、逆涂的自由轉(zhuǎn)換。 CAVITEC公司對三輥涂膠裝置進(jìn)行改造。首先，計量輥和涂膠輥表面鍍鉻，在一定溫度下精加工制成，以消除涂膠時熱膨脹對間隙的影響。其次，計量輥和涂膠輥的支架安裝在精確的軌道上，可確保其與橡膠輥及相應(yīng)離型紙之間所需的距離；三個滾筒各有獨立的交流伺服電機(jī)驅(qū)動；為了防止涂膠過程中橡膠輥被鋼輥加熱，配備了一個冷卻水接頭，強制循環(huán)的冷卻水是橡膠輥在整個寬度范圍內(nèi)溫度均勻。最后，通過水平運動氣缸推動橡膠輥改變位置，使橡膠輥可以在涂膠輥和計量輥下方水平移動，從而實現(xiàn)直涂、逆涂的隨意轉(zhuǎn)換，極大拓寬樹脂膜單位面積質(zhì)量的范圍，具體轉(zhuǎn)換方式見圖3。而TEXKIMP公司在CAVITEC公司的基礎(chǔ)上，提出四輥涂膠理念，即在支撐輥下方配有一根水冷抗變形輥對其進(jìn)行支撐，這樣可減小橡膠輥的直徑，使轉(zhuǎn)移膠膜時涂膠輥和橡膠輥的接觸面積減小，以提高涂膠精度，制備低面密度的膠膜。該輥有還有兩個功能，既對支撐輥輥面進(jìn)行冷卻，又對支撐輥進(jìn)行額外的支撐，避免其在運行時出現(xiàn)變形。

2.1.2 在線測厚系統(tǒng)

預(yù)浸料作為復(fù)合材料的中間材料，它的性能極大的影響復(fù)合材料的最終性能，而樹脂含量又是預(yù)浸料生產(chǎn)的重要控制指標(biāo)，因此樹脂膜涂制過程中的在線質(zhì)量監(jiān)測尤為重要。目前，常用的在線監(jiān)測技術(shù)有貝塔射線監(jiān)控、紅外監(jiān)測、X射線監(jiān)測。其中紅外監(jiān)測技術(shù)無放射線，不需要安全防護(hù)，對測量環(huán)境、產(chǎn)品抖動無要求，維護(hù)也比較簡單，并且紅外監(jiān)測技術(shù)除了檢測和監(jiān)控樹脂膜重量以及預(yù)浸料樹脂含量外，還可監(jiān)測和監(jiān)控預(yù)浸料揮發(fā)物含量、樹脂階段程度等。

基于以上因素，國內(nèi)設(shè)備廠商普遍采用紅外監(jiān)測方式實時監(jiān)測樹脂膜克重；國外預(yù)浸設(shè)備制造商則普遍采用兩個貝塔儀在線監(jiān)測。即離型紙通過第一個貝塔儀經(jīng)過非接觸式掃描，測得離型紙的單位面積質(zhì)量A，將數(shù)據(jù)傳輸給計算機(jī)。隨后離型紙通過涂膠單元，將樹脂基體涂覆到離型紙上。涂有樹脂基體的離型紙經(jīng)過第二個貝塔儀，通過非接觸掃描，測得離型紙和樹脂膜的總和為單位面積質(zhì)量B，數(shù)據(jù)同樣傳輸?shù)接嬎銠C(jī)，通過處理得到凈樹脂膜單位面積質(zhì)量C（C=B-A）。該方式能夠規(guī)避離型紙對膠膜克重的影響，從而減小誤差。

2.2 預(yù)浸機(jī)結(jié)構(gòu)特點及關(guān)鍵技術(shù)

預(yù)浸機(jī)主要包括紗架、分紗裝置、展紗裝置、織物放卷、上下膠膜放卷裝置、上下PE膜收卷裝置、加熱板、熱壓輥組系統(tǒng)、牽引裝置、上下離型紙收卷裝置、上下PE膜放卷裝置、PE膜復(fù)合裝置、厚度監(jiān)測系統(tǒng)、切邊裝置、預(yù)浸料收卷裝置、頂視檢察系統(tǒng)等，如圖4所示。其中，紗架、展紗裝置、頂視檢查系統(tǒng)一直是國內(nèi)外熱熔預(yù)浸制造商關(guān)注的焦點。

2.2.1 紗架

紗架為增強纖維紗架，紗筒個數(shù)由預(yù)浸料幅寬和其單位面積質(zhì)量確定，紗架的關(guān)鍵技術(shù)在于張力控制系統(tǒng)。

國內(nèi)設(shè)備制造商以宏程和光威為例，采用分調(diào)紗架，紗架出紗口安裝穿紗陶瓷環(huán)導(dǎo)紗，采用彈簧加摩擦片張力控制單團(tuán)紗線張力。但是該張力控制系統(tǒng)容易出現(xiàn)纖維張力控制不均的問題，從而影響預(yù)浸料的質(zhì)量。

國外設(shè)備制造商以CAVITEC為例，通過三碟離合器制動技術(shù)自動調(diào)節(jié)張力，該技術(shù)可消除放卷直徑減小時常見的較高張力問題，可消除紗架前部、后部張力不穩(wěn)定的問題，從而確保整個紗架的張力從滿卷到空卷、從錠子到錠子之間均保持恒定。TEXKIMP公司則在每個紗筒托架上裝有扭力張力控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)可控制每個紗筒的張力均勻穩(wěn)定，稱之為分調(diào)張力控制；除此之外，還配有中央調(diào)節(jié)張力控制機(jī)構(gòu)，通過一個中央調(diào)節(jié)器可以調(diào)節(jié)一整列紗架上的整體絲束張力，稱之為總調(diào)張力控制。通過分調(diào)張力及總調(diào)張力共同作用來確保纖維張力的均勻穩(wěn)定。

2.2.2 展紗裝置

纖維擴(kuò)展，尤其是大絲束、超薄預(yù)浸料的纖維擴(kuò)展，受到設(shè)備制造商的廣泛關(guān)注。目前，纖維展紗方式主要有：張力輥擴(kuò)展法、振動輥擴(kuò)展法、文丘里效應(yīng)擴(kuò)展法、超聲波擴(kuò)展法、氣流擴(kuò)展法等[6-8]。

國內(nèi)設(shè)備普遍采用張力輥擴(kuò)展法、振動輥擴(kuò)展法和氣流擴(kuò)展法。廈門鑫美和、常州賽瑞以張力輥擴(kuò)展法和振動輥擴(kuò)展法相結(jié)合為主，威海光威以張力輥擴(kuò)展法為主，宏程則在張力輥擴(kuò)展法和振動輥擴(kuò)展法的基礎(chǔ)上完成了超聲波擴(kuò)展法的攻關(guān)，臺灣聚合興通過多自由度振動展紗機(jī)構(gòu)實現(xiàn)了超薄預(yù)浸料的生產(chǎn)。

國外設(shè)備制造商，如TEXKIMP公司在張力輥擴(kuò)展法及振動輥擴(kuò)展法的基礎(chǔ)上，將最后一根展絲桿盡可能靠近第一組加熱輥，并配張力傳感器，顯示展絲后的片紗張力。該設(shè)置能動態(tài)監(jiān)測纖維整體張力，為預(yù)浸料的穩(wěn)定生產(chǎn)提供保證。由此可以看出，熱熔預(yù)浸設(shè)備正朝全過程動態(tài)監(jiān)測、智能化方向發(fā)展。

2.2.3 頂視檢查系統(tǒng)

預(yù)浸機(jī)的頂視檢查系統(tǒng)包括斷紗監(jiān)測系統(tǒng)、預(yù)浸料面密度在線監(jiān)測系統(tǒng)及預(yù)浸料表面缺陷在線監(jiān)測系統(tǒng)。頂視監(jiān)測系統(tǒng)可全方位監(jiān)測纖維、預(yù)浸料的外觀狀態(tài)及質(zhì)量穩(wěn)定性，從而保證預(yù)浸料的批量化生產(chǎn)。

斷紗監(jiān)測系統(tǒng)采用紅外光源監(jiān)測探頭，紗架前端配有紅外光束，每一行紗的下方均裝有探測頭，系統(tǒng)使用非接觸式傳感器，當(dāng)一束纖維斷頭時，切斷紅外光束，發(fā)出信號，操作人員即可采取措施，從而保證預(yù)浸料的質(zhì)量穩(wěn)定性；預(yù)浸料面密度在線監(jiān)測系統(tǒng)配有非接觸掃描儀，預(yù)浸料生產(chǎn)過程中連續(xù)掃描，隨時可以觀察預(yù)浸料樹脂含量及變化，并進(jìn)行記錄，確保預(yù)浸料質(zhì)量；預(yù)浸料表面缺陷在線監(jiān)測系統(tǒng)用以在線自動檢測預(yù)浸料表面質(zhì)量，分析預(yù)浸料表面缺陷、瑕疵，并給出優(yōu)化預(yù)浸料生產(chǎn)過程的信息。

針對頂視監(jiān)測系統(tǒng)，國內(nèi)預(yù)浸設(shè)備制造商未配備完整裝備系統(tǒng)，多數(shù)只配備預(yù)浸料面密度在線監(jiān)測系統(tǒng)。國外預(yù)浸設(shè)備制造商憑借豐富的航空復(fù)合材料生產(chǎn)經(jīng)驗，在該方面設(shè)計理念則更為成熟，CAVITEC采用帶有圖像處理硬件和軟件的攝像頭系統(tǒng)，用于檢測間隙、纖維斑（毛球）和纖維變形；安裝貝塔射線檢測儀，對預(yù)浸料的面密度及樹脂含量實時監(jiān)測并記錄。TEXKIMP公司則設(shè)計一套EMS視頻系統(tǒng)，可以在線視頻監(jiān)測表面疵點和預(yù)浸料纖維縫隙。同時配備了貝塔在線監(jiān)測儀，用于監(jiān)測并記錄預(yù)浸料的樹脂含量。

2.2.4 預(yù)浸料收卷裝置

收卷裝置多采用雙工位獨立收卷方式，即將人工將雙面膠帶粘貼到新的收卷紙筒上，將預(yù)浸料壓覆在紙筒上并橫向切割，以便新紙筒收卷。預(yù)浸料自動從頂部轉(zhuǎn)到紙筒上，可以確保卷繞啟動過程完美而不產(chǎn)生褶皺，非人工操作，安全可靠，不會造成對人身的傷害。

由于預(yù)浸料低摩擦系數(shù)特性，收卷時經(jīng)常出現(xiàn)寶塔形堆疊現(xiàn)象。針對該問題，國內(nèi)熱熔預(yù)浸制造商沒有相應(yīng)的設(shè)計改造，而TEXKIMP公司則設(shè)計了錐度張力控制系統(tǒng)，可自行設(shè)定直線和曲線錐度張力，避免收卷時出現(xiàn)寶塔現(xiàn)象。

3 展望

（1）三輥涂膠裝置、加熱輥精度、在線測厚系統(tǒng)是影響涂膜機(jī)精度的重要部位；紗架張力控制、展紗裝置及頂視檢查系統(tǒng)是影響預(yù)浸料外觀質(zhì)量的關(guān)鍵部位，熱熔預(yù)浸設(shè)備也多圍繞這些構(gòu)件展開研究。

（2）隨著熱熔預(yù)浸設(shè)備的發(fā)展，其單個組件的功能性已日趨完善，未來的發(fā)展主要圍繞在自動化、在線動態(tài)監(jiān)測等智能化方面展開。如針對纖維張力、膠膜涂制工藝、涂膠控制程序、輥壓驅(qū)動方式、預(yù)浸機(jī)展紗方式等參數(shù)對預(yù)浸料性能的影響開展系統(tǒng)研究，最終實現(xiàn)預(yù)浸料樹脂含量、面密度、厚度可通過控制邏輯動態(tài)調(diào)整，從而實現(xiàn)預(yù)浸料的批量化穩(wěn)定化生產(chǎn)。

參 考 文 獻(xiàn)

［1］常處辛.熱熔法預(yù)浸料制備設(shè)備及其關(guān)鍵技術(shù)的研究[D].武漢：武漢理工大學(xué)，2012.

[2]桑如岳，王蓓.寬幅熱熔預(yù)浸復(fù)合材料生產(chǎn)設(shè)備的研制[J].輕工機(jī)械，2006，（2）：135-137.

[3]張風(fēng)翻，于華，張雯婷.熱固性樹脂基復(fù)合材料預(yù)浸料使用手冊[M].北京：中國建材工業(yè)出版社，2019：120-130.

[4]張風(fēng)翻.航空制造工程手冊（非金屬結(jié)構(gòu)工藝）[M].北京：航空工業(yè)出版社，1996.

[5]C.A.Litzler Co.，Inc. UD and Woven Solvent Prepreg Line，proposal 13232R1，2011.

[6]李蓓蓓，朱家強，李煒.國內(nèi)外展紗技術(shù)及設(shè)備研究進(jìn)展[J].玻璃鋼/復(fù)合材料，2014（11）.

[7]Kazumasa Kawabe，Shigeru Tomoda. Method of Producing a Spread Multi-Filament bundle and an Apparatus Used in the Same： US 7832068 B2 [P].2010-11-16.

[8]朱星名，梁樂家.寬幅纖維展寬排布設(shè)備：中國CN 201220350444[P].2012-07-18.

基金項目：中國建材集團(tuán)攻關(guān)專項資助（2021YCJS02-03-03）

通訊作者：高小茹，女，碩士，高級工程師。研究方向為樹脂基復(fù)合材料性能研究。E-mail：sato2003@163.com