激光辅助带材缠绕热塑性复材：关键挑战与应对策略

热塑性复合材料（TPC）近年因大幅提升生产率、实现减重潜力而备受推崇。提升TPC生产率最热门话题之一，是在自动铺纤/带材铺放（AFP/ATP）过程中的原位固化（ISC）。

ISC最早于约束结构（如管材）验证，对缠绕压力容器与储罐仍具巨大潜力。此类结构可用激光辅助带材缠绕（LATW）制造，包含激光辅助带材铺放（LATP）机器与旋转芯模（图1）。

AFP/ATP铺放头装于六轴CNC机器人，用激光加热来料带材与基材熔融热塑性聚合物，辊压滚轮压实促进层间粘结与固化。

首层策略

像任何增材制造工艺，LATW首层是必须面对的问题。金属芯模（首选铝）缠绕后需脱模，故须涂脱模剂。

另一考量是固定。若首层采用环向缠绕（而非螺旋/轴向，图2），可在铺带始末手工贴胶带增强稳定性与来料带粘结。若需螺旋/轴向铺层，则应铺设完整带环并固定筒体边缘，用胶带防滑移。

针对IV型压力容器（塑料内衬+碳纤维复材缠绕）或塑料管缠绕，来料带将熔融粘结内衬，免胶带固定，但塑料内衬与TPC预浸带应同基体聚合物以确保粘结良好。

加热塑料内衬可能出问题：如其不吸收激光热，或用金属芯模，可调整激光角度全加热来料带。即不再按典型布局让激光分布在来料带与基材“之间”（图1），而是“更朝向”带材。这可避免激光反射、确保带材受热均匀、降低能耗。

如前所述，LATP/LATW通常将激光分布在来料带与基材之间。几何半径与铺层方向恒定时，分布恒定。但有特殊情况：如管状芯模“轴向”铺层（大致等同图3平模），来料带接受“相同”辐射，但基材接收激光投射“多于”环向铺层。注：大直径管中此差异可忽略。

加热时热塑性带材随温度升高、铺放速度加快（受热时间延长）因聚合物粘度降低而展宽变薄。闭环控温系统中——保持加热区“温度”恒定——轴向铺层带材比环向更宽；恒“功率”控制下，轴向铺层温度较低，带材展宽较小。必须理解并应对，因带材尺寸不均变化会导致间隙、重叠、增孔隙。

缠绕管材时半径几何恒定，但缠绕压力容器因端部封头几何变化。进出封头时机器人减速、激光光斑在基材上缩小，两者均可能导致温度骤升，引致薄弱截面、材料性能异或聚合物损伤。

另一考量：缠绕过程中纤维层堆积，被缠绕芯直径（芯模+已铺层）在变化。需调整铺层角度避免间隙。部分供应商提供可自动更新芯模直径的LATP/LATW软件；否则需人工或在线检测纠偏。

虽解决上述考量，仍难100%消除间隙、重叠、厚度变化等缺陷。缠绕工艺开发应以满足零件设计许用值为目标，而非追求“完美零件”增加不必要成本。

热管理是实现充分层间粘结与热塑性基体最大结晶度的关键。首层紧贴芯模，芯模作热沉，可能阻碍分子扩散、导致层间粘结差、结晶度低、孔隙高。应对策略：降低铺放速度、提高温度、调整激光角度，延长受热时间确保分子扩散。

但这不保证完全结晶。分子扩散——熔融冷却后分子重新缠结——远快于结晶（分子排序形成有序晶体）。薄件（约<2毫米）预期结晶度低于厚件（获更多固化遍数、少芯模散热）。薄厚件首层均建议降低铺放速度。

达成完全结晶建议：

带材尺寸是带材缠绕关键参数。稳定的供应商带宽带厚利于重复性均匀产品。但带材尺寸也决定设计灵活性：如管状芯模轴向铺层，带宽须足窄以顺应芯模曲率。芯模直径越大，可用带宽越宽。宽带吞吐率高，窄带顺应曲率变化强、易转向，更利设计。

虽LATW存更多问题挑战，但优质零件可造，且随复合管罐用于氢气等气体储存，该制造法将持续进步。

Yehiel Shaham是塑料与聚合物工程师，拥有近12年领先以色列塑料与国防企业热塑性材料开发制造经验。2016-2020年任RAFAEL热塑性复合材料（TPC）首席工程师，专精TP-AFP。现致力于在以色列工业推广TPC。

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