树脂基复合材料领域机器人加工的应用与发展趋势.pdf
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1、第2 期2023年6 月纤维复合材料FIBERCOMPOSITESNo.2103Jun.2023树脂基复合材料领域机器人加工的应用与发展趋势王秋野,赵洽宇,韩琳(哈尔滨玻璃钢研究院有限公司,哈尔滨150 0 2 8)摘要随着科学技术不断发展,目前各行业对于材料综合性能的要求也越来越高,树脂基复合材料因自身的结构和性能特点,正逐渐替代传统材料。特别是在航空航天、汽车和工业等领域,树脂基复合材料因其成本优势、性能特点,应用占比逐年提高。在复合材料加工成型的过程中,机器人有着显著的优势,可以使整个材料加工的自动化水平显著提升。尤其是一些难度较高的部件,也可以借助机器人顺利完成多道复杂加工工序。本文从
2、复合材料的应用人手,分析复合材料加工技术,探索机器人在复合材料加工领域的应用与发展趋势。关键词树脂基复合材料;机器人;自动化;加工Application and Development Trend of Robot Processing inthe Field of Resin Matrix CompositesWANG Qiuye,ZHAO Hanyu,HAN Lin(Harbin FRP Institute Co.,Ltd.,Harbin 150028)ABSTRACT With the continuous development of science and technology,th
3、e requirements of various industries for thecomprehensive properties of materials have become higher and higher,resin matrix composites can gather the advantages ofall parties,more and more popular with the public.Especially in aerospace,industry,automobile and other fields,resinmatrix composites ha
4、ve become the first choice for automation applications because of their low cost and superior perform-ance.In the process of composite molding,the robot has significant advantages,which can improve the automation level ofthe whole material processing.In particular,some dfficult parts can also be suc
5、cessfully completed with the help of robots.Starting with the wide application of composite materials,this paper analyzes some technologies of composite materials pro-cessing,and explores the application and development trend of robots in the field of composite materials processing.KEYWORDS resin ma
6、trix composites;robot;automation;processing车辆等行业。传统的手工加工方法无法满足日益增1引言长的需求,因此对复合材料的生产加工提出了低成树脂基复合材料具有高比强度、高比刚度、耐本、自动化、大型化等更高的要求。低成本复合材疲劳、耐腐蚀、性能可设计等优点,性能优于铝合料技术包括低成本的设计技术、制造技术和材料技金材料,可被用于制造关键结构零部件,因此复合术,核心是低成本的制造技术。以美国为代表的材料被广泛应用于航空航天、军事、医学、建筑和西方发达国家已经制订了低成本复合材料计划,复通讯作者:王秋野,男,高级工程师。研究方向为树脂基复合材料工艺与应用。E-
7、mail:w q y w y 0 9 2 8 16 3.c o m104合材料的低成本化已形成了当今世界复合材料技术发展研究的核心问题2 。美国国防部联合NASA,FAA和工业界共同发起并制订了低成本复合材料计划,目标是降低成本的50%3。为此西方发达国家发展了自动铺放技术研究,包括自动铺带技术和自动纤维铺放技术,设计开发了各种复合材料自动化成型加工专用设备,并将机器人技术广泛地应用于复合材料的加工工艺中。我国的复合材料加工技术与国外还存在较大差距。在先进的复合材料加工制造技术,如自动铺带技术、自动铺丝技术和机器人加工复合材料技术等方面,只进行了一定的理论研究,大部分的研究还未投入到实际生产中
8、转化为效益。机器人加工无疑给复合材料加工带来了更多好处。机器人是一种高度自动化柔性设备,相对于专用加工制造设备,其具有通用性强、成本低廉和性能指标稳定等优点,可以大幅度提高复合材料的生产效率,有利于实现复合材料制造的低成本化。本文探讨了复合材料的应用领域,分析了复合材料机器人加工技术,并探索机器人在复合材料加工领域的应用与发展趋势。2复合材料应用领域树脂基复合材料代替传统材料经历了从非承力结构、次承力结构到主承力结构的发展阶段,应用复合材料制造精密结构的关键部件,可以大大提升机械设备整体性能。同时由于复合材料的层合结构和材料可设计性的特点,复合材料的应用不仅可以满足承力结构需求,还可以满足功能
9、需求,实现结构-功能一体化。目前,树脂基复合材料被广泛应用于多个领域。2.1航空航天领域树脂基复合材料能够使飞机自身的结构重量大幅降低,同时提升飞机飞行的稳定性和可靠性。如波音B777就使用了大量的复合材料,如图1所示,占到了结构总重的11%,A380大型客机将复合材料应用到了中央翼盒,总用量达2 5%左右。由于树脂基复合材料在航空领域取得的突破性进展,人们逐渐探索将复合材料应用于导弹及相关发射领域。如用复合材料来设计制作导弹发射筒,可以减重20%以上。复合材料应用于火箭或导弹的舱体结构,使得火箭或导弹的总重量大幅下降,这样火箭发射时所需要的推动力就可以大幅降低,导弹的射程也能够变得更远,整个
10、导弹的机动性能得到了显著提升。应用复合材料制作火箭机身上的排气锥纤维复合材料体、人造卫星结构体、太阳能电池板、运载火箭和弹壳的一些零部件,也可以在柔韧性、结构稳定性、可塑性等方面获得显著增强。图1波音客机的碳纤维翼梁2.2汽车工业领域复合材料良好的性能在汽车工业领域也有着广泛的应用。复合材料层合结构的特点,可以更好地实现减震或降低噪音,另外,复合材料的抗疲劳性能比较好,这也是在汽车领域应用的一大优势。现在很多汽车都追求流线造型,对部件的整体性要求较高,应用复合材料可以更好地完善整体结构,造型损伤后也能进行快速修复。现在很多汽车内部的一些受力构件,如传动轴、发动机架及内部构件等也开始应用复合材料
11、,使汽车性能更加优越。同时由于新能源车的普及,树脂基复合材料作为轻量化材料,在汽车领域将有着更广泛的应用。碳纤维汽车传动轴如图2 所示。图2 碳纤维汽车传动轴2.3能源工业领域复合材料的优异特性使其在能源领域有着广泛的应用,如在储能装置、储氢压力容器领域等方向;火力发电工业方面的通风系统、排煤灰渣管道、循环水冷却系统、屋顶轴流风机、电缆保护设施以及电绝缘制品等方向;水力发电工业中的电站建设、大坝和隧道中防冲、耐磨、防冻、耐腐蚀过水面的保护、阀门、发电和输电中的各种电绝缘制品等;以及在新能源方面,用于复合材料风力发电机叶片、电杆及电绝缘制品等。树脂基复合材料的结构-功能一体化特点有着广阔的应用和
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