自動化高速鋪帶設備
雙碳背景下，氫能在我國有廣闊應用前景。2019年以來國家頂層設計密集出臺，2022年3月《氫能產業發展中長期規劃（2021-2035年）》出臺，產業發展政策東風已至。燃料電池汽車（FCEV）是未來氫能應用的核心，也是政策推廣支持重點，未來將呈現出與純電動汽車互補發展的產業格局。氫動力燃料電池(FCEV)的引入可以成為實現綠色長途道路移動的技術推動者。未來十年FCEV產量將會成指數增長，這也直接推動了高性能復合材料壓力容器的需求呈指數級增長。
圖1?氫燃料電池車（FCEV）用儲氫瓶
圖2?全球氫燃料電池車產量預測
復合材料壓力容器是H2-FCEV的關鍵儲存系統，壓力高達700bar，圓柱形罐儲存FCEV中使用的氫氣。其中主要成本是碳纖維材料，占總成本的50%以上。
圖3?儲氫系統的成本分布
在典型的壓力容器（PV）上，纖維取向在整個結構的厚度和表面上都不同。通常，壓力容器（PV）是通過將浸漬纖維長絲采用不同角度的纏繞方式（取向）纏繞在聚合物襯里上制造而成。纏繞方式主要有三種：·?低角度螺旋纏繞（LAHL）：0° < θ < 45°· 高角度螺旋纏繞（HAHL）：45° < θ < 90°
圖4?壓力容器的三種纏繞方式
由圖可知，隨著纖維增強與應力之間的角度偏差增加，復合材料鋪層的強度顯著降低。原則上，高角度螺旋纏繞層與環向和軸向的偏差范圍為20°~75°，這意味著它們的實際性能只發揮了材料全部潛力的15%至50%。簡而言之，氣瓶上的高角度螺旋纏繞（HAHL）并沒有達到最理想的狀態。為什么在壓力容器（PV）上使用高角度螺旋纏繞（HAHL）呢？其主要原因是，它們對瓶體圓頂過渡部分的應力有很大的貢獻。因此，如何以更有效的方式處理高角度螺旋纏繞（HAHL）的增強材料呢？答案是在瓶體的圓頂過度部分采用鋪帶的方式替代高角度螺旋纏繞（HAHL）。根據ABAQUS模型計算，考慮了使用帶材進行局部強度增強，在圓頂部采用碳纖維帶材，其目的是減少圓柱部分和圓頂部分之間剛度的不連續性，并實現與螺旋纏繞相同的應力。
圖5?壓力容器的圓頂部采用鋪帶方式替代傳統的纏繞方式
采用鋪帶工藝，不僅使復合材料厚度上的應力分布更加均勻，同時減少了碳纖維材料的使用量，可謂一舉兩得。根據美國能源部的文獻調查，得出結論，采用圓頂部鋪帶方式加固可減少碳纖維材料用量減少15%。圖6?圓頂部鋪帶方式可減少材料的使用量
圖7 自動化高速鋪帶流程
圖8?設備整體結構
圖9 自動化高速鋪帶設備各個單元
圖10?自動化高速鋪帶設備
圖11?實際運行場景
圖12?實際鋪帶效果
圖13?專用CAD/CAE設計軟件
連續碳纖維增強熱塑性單向預浸(TPUD)帶作為單向拉伸強度和模量極高的材料，其綜合性能遠遠超過CFRTP粒料，在可塑性和產品復雜性方面又遠遠優于CFRTP紗線。這種工藝對連續碳纖維展絲以及與熱塑性樹脂的浸漬都提出了很高的要求。熱塑性樹脂的粘度非常大，因此展紗要展得足夠開、足夠薄，樹脂基體的浸涂量要均勻，碳纖維必須在樹脂基體里得到充分的浸潤，才能保證良好的性能效果。經過連續數年的努力，納盛通已經擁有連續碳纖維增強PA/PPS/PEEK等系列單向預浸帶的制作工藝，采用這種預浸帶制作的零部件均具有較高的拉伸延伸率和斷裂拉伸強度，以及良好的抗沖擊強度，在耐高溫、耐磨、耐腐蝕和輕量化方面有出色表現。用于儲氫瓶等的增強片材，材料可人工鋪放，也可以通過纏繞或自動鋪放（自動鋪帶、自動鋪絲）直接加工鋪層。
采用自動化鋪帶系統，與全纏繞方式相比，每個儲氫瓶的重量減輕16%，成本降低11%，加工時間減少16%。1. 替代高角度螺旋纏繞。節省15%材料使用量和成本、提高5%的儲存容積。2. 實現自動化工業規模生產。易于集成，無需額外的后期處理。4. 柔性FPP系統技術。適用于不同尺寸、不同幾何形狀瓶體的鋪層。
原文始發于微信公眾號（艾邦復合材料網）：IV型高壓儲氫瓶制造的里程碑——自動化高速鋪帶機
