必一体育app下载【复材资讯】热塑复材管状预制件 大批量生产工艺

　　从体育用品和自行车市场开始，法国初创公司3DiTex的目标是为复杂几何形状的热成型热塑性复合管提供连续预成型系统。

　　热塑性复合材料预制件，用于管道、自行车车架及其 他用途。法国初创公司3DiTex开发了一种用热塑性复合材料带或其他材料缠绕复杂形状、中空、可热成型 预制件的连续工艺。该公司的第一个目标市场是体育用品，包括自行车车架部件，以及不久后的完全集成自行车车架，如图所示。

　　从高性能体育用品到商业和国防航空航天零件，大量制造能力、易于回收的材料和设计自由是许多终端市场和应用所采用的材料的三个日益重要的要求。

　　3DiTex（法国Canéjan）是一家初创公司，旨在为这三家公司提供生产中空、管状、热塑性复合材料预制件和最终用途零件的工艺，能够模制成复杂的形状，并由更容易回收的热塑性甚至生物基材料制造，并具有大规模生产的潜力。

　　该公司的创始人 Bertrand Laine 和 Aymeric Azran 分别获得了材料科学和材料力学的博士学位，并在复合材料和技术纺织品领域工作了多年。他们是在研发公司 RT2i（自被圣戈班收购以来）从事3D针织预制棒技术工作时认识的，并于2016年决定利用他们的经验成立初创公司Nobrak，专门从事定制纤维放置(TFP-tailored fiber placement)技术的创新。

　　莱恩说：“当我们开始Nobrak时，我们修改了现有的TFP机器，制作了扁平的预成型件，然后可以冲压成型或通过其他工艺形成更复杂的几何形状。”。虽然该公司在这项技术上取得了成功，但他补充道，很快就很发现，Nobrak无法填补的一个市场缺口是，从自行车车架到航空航天支柱，许多应用和终端市场都需要空心管状预制件。为了满足这一需求，Laine和Azran开始研究生产中空预制件的方法，这些预制件可以成型为管状复合材料零件。

　　由此产生的技术是一种连续的、改进的缠绕工艺 ，该工艺被设计为一个模块化系统，用于制造高度材料优化的管状热塑性复合材料预制件，然后可以成型为最终 零件，包括形状和曲线复杂的零件。

　　Laine和Azran利用这种方法在2018年成立了第二家初创公司3DiTex。如今，Laine担任3DiTex的CEO， Azran担任Nobrak的 CEO。在过去的几年里，3DiTex一直在筹集资金，为其技术申请专利，并已发展成为一支由32名员工组成的团队。该公司计划在2024 年开设第一条官方试验线年开设第一家生产工厂，该公司已经在使用其最初的试验机为客户生产原型和商业零件。

　　3DiTex系统本质上是一条由一系列卷绕机组成的连续生产线，这些卷绕机将带或细丝铺设在心轴或支撑件上，以在预成型件穿过系统时逐层制造预成型件。据说，这一过程是连续拉挤生产线和细丝缠绕之间的交叉，将拉挤的速度和连续生产与以各种方向和角度缠绕预 浸带或细丝的能力相结合。

　　3DiTex系统的主要创新之一是其缠绕过程的工作方式，以创建多层织物预成型件，而无需典型的长丝缠绕系统的耗时来回运动。莱恩解释说，“这项技术的第一点是以连续的方式制造预成型件。这是一个开始。当然，其他技术也可以做到这一点，例如编织。因此，接下来的挑战变成了如何一次铺设所有层。我们也不想重新发明拉挤。我们希望能够制造复杂的几何形状，并且预成型件可以弯曲成不同的形状，而不仅仅是拉挤成型的直型材。”

　　由此产生的3DiTex系统是一系列卷绕器模块—莱恩称之为“圆盘”，指的是它们的圆形—它们沿着缠绕细丝或预浸带的固定心轴或支撑结构安装。每个模块独立工作，沿系统等距离定位，并编程为绕心轴旋转并沉积一个特定层。预制棒以指定的速度（通常为每分钟一米或更多）连续移动通过系统，模块铺设连续的层。模块可高度定制，编程为以指定的速度旋转，并以指定的角度为每个零件的每一层铺设材料。

　　莱恩说：“通常情况下，绕线器在支架上来回、左右移动，这是一个一次性的过程。”。“但在我们的情况下，它永远不会回到右边，它只是一直朝一个方向连续前进，所以每个磁盘都必须为每层应用我们想要的全部材料。”

　　继续前进。沿线的每个圆盘形卷绕机都是独立编程的，每次铺设一层材料，同时预成型件连续向前移动，消除了长丝卷绕机在心轴上来回移动的典型过程。

　　他补充说，3DiTex系统中使用的心轴或支撑结构有两种选择。“你可以推动一个心轴——预成型件在其上形成——连续地穿过系统，也可以拉动预成型件本身，沿着固定的支架滑动。”这取决于用作基础预成型件的材料。

　　该系统通过3DiTex内部开发的设计和控制软件运行。莱恩说，对于每个零件，弯曲半径、直径等输入都用于创建零件的3D模型，“这使我们能够预测弯曲轨迹，以适应所有变化”。预制件是通过内部模拟软件设计的。他补充说，一开始这是一个反复试验的过程，需要制造物理预制件来与模拟预测的值进行比较，以完善软件。

　　莱恩解释说，可以使用许多不同的材料——碳、玻璃或亚麻纤维；干长丝或预浸带；热固性或热塑性树脂，包括生物基树脂；甚至是纸卷或金属丝——但这一过程是围绕着使用热塑性预浸带或将纱线与热塑性长丝混合而设计的。他说：“热塑性预浸带非常适合。它们很容易使用，但也符合我们使用可回收材料的战略，并有能力在未来进行大规模生产。”

　　可弯曲的热塑性预制件。虽然也可以使用其他材料，但该工艺主要设计用于热塑性预浸带。其中一个优 点是能够用手弯曲预成型件以插入模具中进行成型。

　　目前，3DiTex与树脂供应商合作伙伴Arkema（法国 Colombes）合作，开发其零件和工艺，用于Arkema的聚酰胺11（PA11）和聚邻苯二甲酰胺（PPA）产品以及其他材料。

　　莱恩指出，这一过程使不同类型的材料能够一次性铺设在同一个零件上，例如玻璃和碳纤维层的混合物，或者通过不同的独立模块在两者之间施加软木或泡沫等核心层。

　　一旦预成型件从3DiTex生产线中取出，就可以进行切割，然后由 3DiTex或客户将其成型为最终零件。莱恩指出，可以使用几种方法来制造这些零件，3DiTex主要使用热成型或压缩成型。对于每个零件，3DiTex 都设计并订购了一个开放式或封闭式模具，以及一个适合预成型件内部的囊状物。热塑性预成型件可以用手弯曲插入模具，最终零件在热和压力下成型。

　　目前，该公司可以为客户提供预制件或中空复合材料零件。莱恩解释说，“当我们刚成立公司时，我们还不知道自己到底想做什么——销售机器？销售预成型件？制造复合材料零件？我们决定从销售纺织品预成型件开始，但很快意识到，因为这是一种新工艺，如果我们只销售预成型品，那么有很多教育步骤可以向客户解释如何使用我们的产品制造零件。因此，我们意识到目前最好的方法是自己制造复合材料零件，这样我们就可以控制所有步骤。”

　　3DiTex 的工艺可以生产的最大长度零件是多少？莱恩解释道：“限制更多地取决于工具，这取决于客户和他们的要求，但到目前为止，我们生产的最长零件约为2米。”

　　3DiTex将体育用品作为其入门级终端市场，为生产滑雪杆的客户生产了第一批原型零件。莱恩指出，这些杆子“很简单，但不是完全直的，所以你不能用拉挤法制作。”3DiTex还与客户合作开发各种其他体育用品应用，如网球拍、曲棍球棒和棒球棍。

　　展望未来，该公司认为自行车车架最具潜力。莱恩指出，“我们特别针对自行车，因为车架很复杂，所以我们看到了我们的工艺和产品的好机会。”

　　3DiTex在该市场的第一个客户是自行车制造商Caminade（Ille-sur-TêT，法国），该公司专门生产高端定 制自行车，这些自行车由其模块化设计和组件组装而成，以满足客户的特定测量和需求。目前，该公司的大多数 自行车车架部件都是由钛、铝或短纤维拉挤复合材料制 成的直中空管，用注塑塑料或钛连接器连接成整个车架。3DiTex向 Caminade 介绍了利用其技术将连续单向纤维的更高刚度以及将框架组件成型为更复杂或弯曲形状的可能性结合在一起的想法。

　　优化设计。使用其工艺，3DiTex 能够将 Caminade典型的直自行车车架部件（此处所示的几个部件之一）优化为更复杂的曲线年夏天，Caminade向3DiTex提供了几种不同类型管道所需的设计参数：直径、长度、形状和机械性能。3DiTex随后使用碳纤维热塑性预浸带为每种所需的管形和长度提供了兼容的设计。莱恩补充道，该公司的工艺不仅可以实现更复杂的形状，而且可以在零件的特定区域实现管道厚度、灵活性或刚度的变化。

　　截至2023年10月，Caminade正在进行新车架部件的资格测试，目标是在年底前将其作为客户定制自行车的一种选择推出。

　　莱恩解释说，作为该技术的下一步，该公司计划不仅提供预成型件或热成型复合管，还提供连接其管的能力，以制造更复杂的成品，而不需要单独的连接器、紧固件或粘合剂。

　　无粘合剂和紧固件连接。作为下一步，3DiTex开发了一种改进的注射二次成型工艺，将其部件连接在一起，以制造完整的自行车车架或其他产品。这里展示的是3DiTex自行车车架概念的3D模型。

　　该团队开发了莱恩所说的“类似于塑料注射二次成型的工艺”，在管接头上成型一块额外的连续纤维材料——可能是姐妹公司Nobrak生产的专用织物——以在没有其他粘合或紧固件的情况下连接两块。莱恩说：“这可以连接管道，还可以增加几何形状，用连续纤维加固需要额外加固的区域。”

　　为了演示这项技术，3DiTex正在建造一个完整的自行车架演示器，该演示器将结合原始的预成型技术、管的热成型和3DiTex改进的注射二次成型工艺，将管连接成一个最终零件。

　　莱恩指出：“我们的目标不是与全注塑塑料自行车车架或大批量铝车架竞争。”。“我们只计划在需要结合车架零件的小区域使用注塑成型。我们正在与全一体式碳纤维车架竞争，目前这些车架通常是手工制造和定制的，并为此提供了更大的体积选择。”

　　就性能而言，莱恩认为这项技术非常适合中等容量的电动城市自行车，例如，在这种自行车中，既需要重量轻，又需要携带电池和电子产品的强度。

　　由于最近获得的资金，该公司的工业化前试验线年夏天上线年年中，该公司计划开设3000平方米的生产工厂，并将员工人数增加一倍。莱恩解释道：“在我们目前的空间里，我们有能力生产几百个零件。在我们工业化前的工厂里，我们将处于中批量范围，客户每年的产能约为1000至10000个零件。然后到2025年，我们将实现每年10000至100000个零件的大批量产能目标。”他补充道，“这一过程涉及大量投资。这是一个高度优化的工艺和纺织品，在心轴或支架、热成型工艺工具和每个零件的设计工作方面都有大量投资。因此，一旦我们有能力，大批量生产最终将在经济上最有意义。”

　　在接下来的几年里，包括自行车车架在内的体育用品市场将继续是 3DiTex 的主要关注点。莱恩表示，未来，该公司正在与航空航天行业的潜在客户进行对话，并正在考虑扩大业务的可能性，向出于保密或地理原因需要现场生产零件的客户销售机器。