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纏繞成型工藝是將浸過樹脂膠液的連續(xù)纖維（或布帶、預(yù)浸紗）按照一定規(guī)律纏繞到芯模上，然后經(jīng)固化、脫模，獲得制品。根據(jù)纖維纏繞成型時(shí)樹脂基體的物理化學(xué)狀態(tài)不同，分為干法纏繞、濕法纏繞和半干法纏繞三種?！?br style="margin: 0px; padding: 0px; outline: 0px; max-width: 100%; box-sizing: border-box !important; overflow-wrap: break-word !important; visibility: visible;"/>

干法纏繞是采用經(jīng)過預(yù)浸膠處理的預(yù)浸紗或帶，在纏繞機(jī)上經(jīng)加熱軟化至粘流態(tài)后纏繞到芯模上。由于預(yù)浸紗（或帶）是專業(yè)生產(chǎn)，能嚴(yán)格控制樹脂含量（精確到2%以內(nèi)）和預(yù)浸紗質(zhì)量。因此，干法纏繞能夠準(zhǔn)確地控制產(chǎn)品質(zhì)量。干法纏繞工藝的最大特點(diǎn)是生產(chǎn)效率高，纏繞速度可達(dá)100～200m/min，纏繞機(jī)清潔，勞動衛(wèi)生條件好，產(chǎn)品質(zhì)量高。其缺點(diǎn)是纏繞設(shè)備貴，需要增加預(yù)浸紗制造設(shè)備，故投資較大。此外，干法纏繞制品的層間剪切強(qiáng)度較低。

濕法纏繞是將纖維集束（紗式帶）浸膠后，在張力控制下直接纏繞到芯模上。濕法纏繞的優(yōu)點(diǎn)為：①成本比干法纏繞低40%；②產(chǎn)品氣密性好，因?yàn)槔p繞張力使多余的樹脂膠液將氣泡擠出，并填滿空隙；③纖維排列平行度好；④濕法纏繞時(shí)，纖維上的樹脂膠液，可減少纖維磨損；⑤生產(chǎn)效率高（達(dá)200m/min）。濕法纏繞的缺點(diǎn)為：①樹脂浪費(fèi)大，操作環(huán)境差；②含膠量及成品質(zhì)量不易控制；③可供濕法纏繞的樹脂品種較少。

半干法纏繞是纖維浸膠后，到纏繞至芯模的途中，增加一套烘干設(shè)備，將浸膠紗中的溶劑除去，與干法相比，省卻了預(yù)浸膠工序和設(shè)備；與濕法相比，可使制品中的氣泡含量降低。

三種纏繞方法中，以濕法纏繞應(yīng)用最為普遍；干法纏繞僅用于高性能、高精度的尖端技術(shù)領(lǐng)域。

纏繞管道工藝是增強(qiáng)樹脂成型工藝中，實(shí)現(xiàn)全自動化、生產(chǎn)率較高、原材料利用率高、制品成本較低的優(yōu)秀工藝。因而其具有廣闊的發(fā)展前景。此章節(jié)將近幾十年拉擠成型工藝?yán)p繞管道工藝進(jìn)展及設(shè)備進(jìn)行闡述。

從國內(nèi)發(fā)展情況看，1946 年，首個(gè)纖維纏繞技術(shù)專利在美國注冊，纖維纏繞成型工藝開始發(fā)展。按實(shí)現(xiàn)形成螺旋線的主運(yùn)動方式，所用的纏繞機(jī)的布局類型在20世紀(jì)60年代已基本完成，具體如下圖所示。

圖 螺旋纏繞

1965 年，北京 251 廠設(shè)計(jì)了我國首臺臥式纖維纏繞機(jī)“525”，該纏繞機(jī)于 2011 年“退休”。1966 年，設(shè)計(jì)了齒鏈?zhǔn)綑C(jī)械無級調(diào)節(jié)纏繞規(guī)律的環(huán)鏈臥式纖維纏繞機(jī)，此機(jī)不用掛輪，可便捷地調(diào)節(jié)纏繞規(guī)律與排紗密度，生產(chǎn)了多種規(guī)格的氣瓶。從結(jié)構(gòu)布局考慮，對生產(chǎn)15 L 及其以下氣瓶用的鏈條式纏繞機(jī)采取鏈傳動垂直面布置；生產(chǎn) 20 L 及其以上氣瓶用的鏈條式纏繞機(jī)采取鏈傳動水平面布置，其鏈輪由前者的兩只變?yōu)樗闹弧?/p>

圖 基本臥式纖維纏繞機(jī)

圖 無級調(diào)節(jié)纏繞規(guī)律的環(huán)鏈臥式纖維纏繞機(jī)傳動系統(tǒng)

(北京251廠)

圖 “525”我國第一臺環(huán)鏈臥式纖維纏繞機(jī)(北京251廠)

1966年，國家紡織工業(yè)部下達(dá)大型立式纖維纏繞機(jī)項(xiàng)目，七機(jī)部43所、中國紡織科學(xué)研究院、北京251廠、太原重型機(jī)械廠、陜西重型機(jī)械廠共五家單位參加。該項(xiàng)目于次年完成，迄今仍在使用。1984年，北京電力設(shè)備總廠引進(jìn)了加拿大立式纏繞機(jī)。

圖 立式繞臂纖維纏繞機(jī)

1974年，北京251廠成功研制X2型行星式纖維纏繞機(jī)，傳動系統(tǒng)中采用了三軸同心行星原理。

圖 行星式纖維纏繞機(jī)(北京251廠)

20世紀(jì)90年代起，囯內(nèi)一些大學(xué)和企業(yè)紛紛開展了MCFW和機(jī)器人纏繞機(jī)研發(fā)，如哈爾濱玻璃鋼研究院、武漢理工大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、中船625所、武漢九迪復(fù)合材料公司、哈爾濱理工大學(xué)、南京航空航天大學(xué)及其合作之上海萬格公司、蘇州中科時(shí)代電子技術(shù)公司、衡水華成公司、連云港中通公司、連云港唯德公司、石家莊萊德公司、湖南江南四棱數(shù)控機(jī)械有限公司、臺灣省工業(yè)研究院、臺灣省金財(cái)興公司等。2000年，筆者曾訪問位于新竹的工業(yè)研究院，得知其已成功研發(fā)了7軸纏繞機(jī)。幾年前我國海關(guān)已明令，我國四軸以上纏繞機(jī)限制出口，撫今追昔，筆者深為我國進(jìn)步而自豪！

圖 微機(jī)控制7軸4聯(lián)動雙小車重型纏繞機(jī)

（武漢理工大學(xué)）

微機(jī)控制纖維纏繞張力的紗架已在國內(nèi)外推廣，21世紀(jì)初蘇州中科時(shí)代開發(fā)成功，北京251廠實(shí)用最早（2004）。武工大、哈工大、江南四棱數(shù)控等單位現(xiàn)也已投入使用。

圖 蘇州中科時(shí)代公司開發(fā)的微機(jī)控制纖維纏繞張力的紗架及纏繞機(jī)

2014年，上海萬格復(fù)合材料技術(shù)公司綜合五家德國公司和三家國內(nèi)公司技術(shù)，成功開發(fā)機(jī)器人纖維纏繞氣瓶自動生產(chǎn)線，已出口日本。臺灣省購其10工位纏繞設(shè)備，生產(chǎn)的液化氣罐已獲德國認(rèn)證。

圖 國產(chǎn)纖維纏繞氣瓶自動生產(chǎn)線(上海萬格公司)

2010年，上海引進(jìn)意大利VEM公司連續(xù)管生產(chǎn)線投產(chǎn)。2016 年，新疆永昌公司引進(jìn)英國 Tech-no?bll 公司連續(xù)管生產(chǎn)線。近年連云港、重慶推出了相同原理的生產(chǎn)線。青島曾開發(fā)無凸輪的鋼帶式連續(xù)管機(jī)。國內(nèi)設(shè)備開發(fā)中的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)是，要重視工藝及其軟件，設(shè)備運(yùn)行要穩(wěn)定，忌鋼帶打滑與重疊。泉州福建路通管業(yè)科技股份有限公司引進(jìn)歐洲技術(shù)制造了凸輪鋼帶式連續(xù)管生產(chǎn)線,生產(chǎn)直徑最大達(dá)4 m。

河北省景縣恒安泰公司即采用美國Fiberspar連續(xù)管道生產(chǎn)工藝，其承擔(dān)的國家十二五863科技項(xiàng)目——柔性海底管道關(guān)鍵技術(shù)研究，于2016年通過國家科技部組織的專家驗(yàn)收。其連續(xù)管道生產(chǎn)線。

圖 河北省景縣恒安泰公司連續(xù)管道生產(chǎn)線

2020年，重慶慶陽控股（集團(tuán)）有限公司/河南省沁陽市復(fù)合材料研究院與濮陽縣福瑞普建材公司分別成功研制直徑為 10 mm~250 mm高效連續(xù)纏繞玻璃鋼管生產(chǎn)線。此線無鋼帶建模，在簡捷的設(shè)備上，低成本高效率完成玻璃鋼管道的連續(xù)成型，其生產(chǎn)速度可以達(dá)到 2 m/min。其訣竅系牽引履帶機(jī)公轉(zhuǎn)自轉(zhuǎn)同步進(jìn)行。韓國亦有此類似設(shè)備。小直徑非鋼帶連續(xù)纏繞玻璃鋼管生產(chǎn)線及其牽引部件見圖。

圖 小直徑非鋼帶連續(xù)纏繞玻璃鋼管生產(chǎn)線

從國外發(fā)展情況看，F(xiàn)W)發(fā)展甚快。知名廠家有美國安德遜公司、哥德華賽工程公司（Goldsworthy Engineering）、工程技術(shù)公司（Entec-Engineering Technology）、德囯百事得(BSD)公司、華特與威瑟(Waltritisch & Wachter)公司等?，F(xiàn)在國際市場上的纏繞機(jī)已達(dá)到六軸。

圖 美國安德遜公司微機(jī)控制6軸纖維纏繞機(jī)動作

2004年創(chuàng)立的法國 MFTech 公司最早研究機(jī)器人纏繞并將其商業(yè)化，由該公司提供的機(jī)器人纏繞設(shè)備充分利用了機(jī)器人的柔性，可采用抓取模具和帶動導(dǎo)絲頭兩種方式進(jìn)行纏繞成型。

圖  MFTech機(jī)器人纏繞

美國Fiberspar公司于1999年開始商業(yè)化生產(chǎn)連續(xù)纏繞柔性管，據(jù)稱是當(dāng)今全球業(yè)界的領(lǐng)導(dǎo)者。其生產(chǎn)工藝是：擠出高密度聚乙烯或交聯(lián)聚乙烯熱塑性塑料內(nèi)襯層（壓力防滲漏層）-多次環(huán)向纏繞玻纖環(huán)氧層(結(jié)構(gòu)層)-外包覆熱塑性塑料層（耐磨層）。整個(gè)生產(chǎn)線全部自動控制，由14臺纏繞機(jī)、牽引機(jī)、固化爐、收卷裝置以及兩臺擠出機(jī)等組成。在塑料管上纖維纏繞玻璃鋼后在線擠出外塑料保護(hù)層，制成管線。生產(chǎn)速度取決于管徑，一般為2.7 m/min ~ 3.6 m/min。一根管線連續(xù)生產(chǎn)長度可達(dá)10800 m，理論上可以達(dá)無限長度。

在能源化工及交通領(lǐng)域的應(yīng)用

圖 壓力容器、氣瓶、膜殼

汽車作為現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)在科技的帶動下快速發(fā)展，隨著汽車復(fù)合材料應(yīng)用水平的不斷提高，復(fù)合材料單車用量將逐漸增加，2015年我國汽車工業(yè)所需塑料、復(fù)合材料總量約為 165 萬 t。隨著成型技術(shù)和裝備的不斷發(fā)展，復(fù)合材料汽車零部件在汽車領(lǐng)域的應(yīng)用將日益擴(kuò)大。為了提高汽車輕質(zhì)、高強(qiáng)的性能，復(fù)合材料逐漸取代傳統(tǒng)汽車制造應(yīng)用材料，纏繞技術(shù)在汽車制造上的主要應(yīng)用為傳動軸、排氣管、渦輪增壓管、車載氣瓶、吸能器、保險(xiǎn)杠等。

海洋船舶領(lǐng)域?qū)?fù)合材料需求最多的是復(fù)合材料管道，纏繞成型的復(fù)合材料管道因具有耐腐蝕、耐油、耐高溫等特性被廣泛應(yīng)用于海上油氣運(yùn)輸、海洋平臺及船舶等領(lǐng)域。除此之外，還有疏浚管道、海底輸油軟管、潛艇耐壓殼體、深海探測器、潛水呼吸氣瓶、船桅桿等應(yīng)用。

圖 海上管道及管纜

圖 陸地油氣管道、海洋油氣管道

在航空航天及軍工領(lǐng)域的應(yīng)用

飛機(jī)復(fù)合材料構(gòu)件的自動化成型工藝主要包括纖維絲纏繞、纖維帶纏繞和纖維絲鋪放三種類型。由于纏繞制品的高強(qiáng)度、耐高溫、耐腐蝕等性能，目前纏繞制品在航空領(lǐng)域可用于雷達(dá)罩、發(fā)動機(jī)機(jī)匣、燃料儲箱、飛機(jī)副油箱和過濾器等零部件的成型，還可應(yīng)用于小型飛機(jī)與直升機(jī)機(jī)身、機(jī)翼、槳葉、起落架等結(jié)構(gòu)的成型?，F(xiàn)代大型噴氣客機(jī)上眾多的高壓氣瓶都是采用復(fù)合材料纏繞成型工藝制造的。

在航天領(lǐng)域，纏繞成型技術(shù)主要應(yīng)用于神舟飛船承力構(gòu)件、衛(wèi)星結(jié)構(gòu)、返回艙、空間系統(tǒng)、復(fù)合材料壓力容器、固體火箭發(fā)動機(jī)殼體等方面的制造。在國防軍工領(lǐng)域，纏繞成型技術(shù)主要應(yīng)用于大型導(dǎo)彈復(fù)合材料發(fā)射筒、魚雷發(fā)射管、姿控系統(tǒng)、槍架、火箭發(fā)射筒、軌道炮身管等。

先進(jìn)復(fù)合材料的纏繞、鋪放成型是固體火箭發(fā)動機(jī)殼體，大飛機(jī)機(jī)身、機(jī)翼，風(fēng)電葉片等核心部件的關(guān)鍵制造技術(shù)，對我國重大項(xiàng)目的實(shí)施和航空航天事業(yè)的發(fā)展有著舉足輕重的作用。多年來，我國復(fù)合材料纏繞、鋪放成型制造技術(shù)一直面臨“卡脖子”難題，2022年4月2日，由星火機(jī)床集團(tuán)公司聯(lián)合武漢理工大學(xué)研發(fā)的國家重點(diǎn)項(xiàng)目，多軸聯(lián)動復(fù)合材料數(shù)控纏繞設(shè)備正式交付委托方。由此，長期依賴國外的復(fù)合材料纏繞設(shè)備“卡脖子”難題得以徹底解決，星火機(jī)床集團(tuán)公司也全面實(shí)現(xiàn)了關(guān)鍵核心技術(shù)自主可控的重大突破。

復(fù)合材料作為一種先進(jìn)材料，具有非常廣闊的發(fā)展空間。先進(jìn)復(fù)合材料具有質(zhì)量輕、比強(qiáng)度高、耐高溫和耐腐蝕等一系列優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用到航空航天、國防裝備及能源開發(fā)等領(lǐng)域，并推動了相關(guān)工業(yè)領(lǐng)域的快速發(fā)展。復(fù)合材料的廣泛應(yīng)用，在很大程度上取決于復(fù)合材料的成型工藝。其中，纏繞和鋪放技術(shù)是近年來發(fā)展快、有效的技術(shù)。

纏繞技術(shù)是指在控制張力和預(yù)定線型的條件下，將預(yù)浸膠纖維或布帶連續(xù)地纏繞在相應(yīng)于制品內(nèi)腔尺寸的芯?；騼?nèi)襯上，然后在室溫或加熱條件下使之固化成一定形狀制品的方法。

帶纏繞成型技術(shù)隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、信息技術(shù)、控制技術(shù)的發(fā)展，在功能方面不斷擴(kuò)大。從國外來看，美國已將帶纏繞成型工藝應(yīng)用于型號研制：MD-2 固體火箭發(fā)動機(jī)噴管部件中的 13 個(gè)零件，“侏儒”導(dǎo)彈的發(fā)動機(jī)噴管都是通過纏繞成型；歐洲、日本也在航天器、武器研制等領(lǐng)域廣泛地應(yīng)用帶纏繞成型工藝：歐洲“阿里安”火箭的助推器噴管，法國 M51 導(dǎo)彈的殼體，日本 M-3S2、H-I、H-H 火箭的助推器噴管都在使用纏繞成型的復(fù)合材料。

在國內(nèi)，我國自60年代就開始研制復(fù)合材料纏繞設(shè)備及其成型工藝。如北京玻璃鋼研究設(shè)計(jì)院、航天一院703所、航天四院 43 所、哈工大以及華中科技大學(xué)等單位先后研制出不同的復(fù)合材料纏繞成型設(shè)備。西工大通過自主研發(fā)的多功能布帶數(shù)控纏繞機(jī)，工作效率高，纏繞出的制品達(dá)到型號工藝要求，成為能夠滿足高性能發(fā)動機(jī)噴管以及宇航飛行器絕熱、耐燒蝕部件研制的關(guān)鍵配套設(shè)備。但是，上述纏繞成型設(shè)備基本上都是針對型面規(guī)則的回轉(zhuǎn)體零件研制開發(fā)的，對于諸如大飛機(jī)的機(jī)翼、機(jī)身、風(fēng)電葉片等大型非規(guī)則復(fù)雜結(jié)構(gòu)件無法實(shí)現(xiàn)纏繞成型。

隨著復(fù)合材料相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，帶纏繞、鋪放成型技術(shù)呈現(xiàn)出多工藝復(fù)合化、成型設(shè)備精密化、CAD/CAM技術(shù)應(yīng)用日益增多、成型設(shè)備與機(jī)器人結(jié)合化、熱塑性樹脂基復(fù)合材料逐漸增多及新型固化技術(shù)不斷應(yīng)用的發(fā)展趨勢。經(jīng)過 40 余年的研究與發(fā)展，我國復(fù)合材料纏繞、鋪放成型制造技術(shù)的研究和應(yīng)用已初具規(guī)模，但仍然面臨著國外技術(shù)的嚴(yán)密封鎖與技術(shù)儲備的嚴(yán)重不足。由星火機(jī)床集團(tuán)公司聯(lián)合武漢理工大學(xué)研發(fā)的多軸聯(lián)動復(fù)合材料數(shù)控纏繞設(shè)備正式交付委托方。由此，長期依賴國外的復(fù)合材料纏繞設(shè)備“卡脖子”難題得以徹底解決。

圖 多軸聯(lián)動復(fù)合材料數(shù)控纏繞設(shè)備

這次交付用戶的設(shè)備是國家重點(diǎn)項(xiàng)目關(guān)鍵設(shè)備，是集新工藝、新材料制造技術(shù)、自動控制技術(shù)等為一體的智能化高新技術(shù)產(chǎn)品，能夠完成各種非金屬玻璃纖維、碳纖維復(fù)合材料產(chǎn)品的筒形、球形、錐形等形狀的纏繞加工生產(chǎn)。該設(shè)備主要有自動化程度高、精度高、可靠性強(qiáng)等特點(diǎn)，突破了國內(nèi)很多的技術(shù)瓶頸，解決了國內(nèi)（技術(shù)）卡脖子問題，填補(bǔ)了國內(nèi)空白。

生物基“以竹代塑”

竹纏繞復(fù)合材料，以水溶性氨基類樹脂為膠黏劑，采用纏繞工藝加工成型的新型生物基材料，屬于新型生物基材料。竹纏繞技術(shù)，打破了數(shù)千年來人類對于竹子的應(yīng)用形成的固有認(rèn)識，開啟了傳統(tǒng)竹產(chǎn)業(yè)變革的新征程。竹纏繞復(fù)合材料技術(shù)可以廣泛應(yīng)用于市政、水利、建筑、交通、石油化工、海洋、航天、國防建設(shè)等多個(gè)領(lǐng)域，對于國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有重要作用。

圖 國際竹藤中心與浙江鑫宙竹基復(fù)合材料科技有限公司研發(fā)的竹纏繞產(chǎn)品

高精度多軸纖維纏繞

高精度多軸纖維纏繞生產(chǎn)線是生產(chǎn)制作高精度、高強(qiáng)度等高性能纖維纏繞制品的生產(chǎn)線，主要由纏繞機(jī)軌道或門架、驅(qū)動床頭、床尾、纏繞小車、浸膠系統(tǒng)、導(dǎo)絲嘴翻轉(zhuǎn)裝置、伸臂進(jìn)給裝置及紗架、電子氣動伺服張力控制系統(tǒng)、加熱裝置、PLC控制系統(tǒng)和電氣控制系統(tǒng)及安全防護(hù)系統(tǒng)等部分組成。能滿足各種樹脂和纖維體系的球體、錐體、圓柱體、(半)橢球體、矩形體以及組合體等軸對稱結(jié)構(gòu)件纏繞制品的制作。適用于對產(chǎn)品性能要求較高的運(yùn)輸及航空航天領(lǐng)域。

圖 多軸纖維纏繞機(jī) COMET

碳纖維連續(xù)纏繞

碳纖維，因其出色的性能，逐漸成為氫氣瓶制造的主流材料。然而，早期在國內(nèi)，由于70 MPa碳纖維纏繞IV型瓶的制備技術(shù)不成熟和規(guī)?；a(chǎn)難度大，造成了較高的制備成本，限制了這一技術(shù)的廣泛應(yīng)用。但隨著技術(shù)的持續(xù)發(fā)展和生產(chǎn)規(guī)模的擴(kuò)大，成本逐漸降低，這為氫氣瓶的進(jìn)一步普及和應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

在氫氣瓶的技術(shù)進(jìn)化中，Ⅲ型和Ⅳ型氣瓶標(biāo)志著一個(gè)重要的轉(zhuǎn)變。這兩種類型的氣瓶主要由內(nèi)膽和纖維纏繞層組成，采用了先進(jìn)的復(fù)合材料技術(shù)。內(nèi)膽通常由金屬或其他材料制成，而外圍則由碳纖維、玻璃纖維等高強(qiáng)度纖維復(fù)合材料纏繞而成，顯著提高了氣瓶的承壓能力和安全性。

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