激光辅助胶带放置与缠绕为复合材料 4.0 生产开发软件

OTOMcomposite（荷兰恩斯赫德）是一家初创公司，为自动纤维铺放 (AFP)、激光辅助胶带铺放 (LATP) 和激光辅助胶带缠绕 (LATW) 技术提供工程服务和软件。LATP 和 LATW 是生产先进热塑性复合材料部件的有前途的制造技术（参见LATW 的挑战）。该过程的主要要素如图 1 所示。（有关详细信息，请参见“干纤维铺放：超越极限”）。

激光辅助丝锥放置 LATP 工艺的示意图和照片

图 1.激光辅助胶带放置 (LATP) 和胶带缠绕 (LATW) 工艺的主要元素。照片来源：Amin Zaami 等人的“IV 型压力容器连续激光辅助相邻环箍缠绕过程中的温度变化”。阿尔。

当纤维增强预浸带被“原位”加固时，可以在这些过程中实现全自动单步制造，这可以降低生产成本并消除后加固或固化步骤。尽管这些制造技术具有优势，但要预测和控制该过程仍是一项艰巨的任务，包括层压温度、热塑性基质的结晶度、残余应力和整体质量。这些受激光照射和反射（参见下面的图 2）、局部工具几何形状、实现的固结和特定工艺参数的影响。

OTOMcomposite 在 LATP 和 LATW 期间彻底分析过程温度的重要能力中发挥着重要作用，这对于最终的零件属性和性能至关重要。

• AmbliFibre 项目后的软件开发

在欧盟资助的 ambliFibre 项目中，特温特大学开始为 LATW/LATP 过程开发基于模型的在线过程控制。与弗劳恩霍夫生产技术研究所（IPT，德国亚琛）密切合作，在该项目期间/之后发布了 20 多篇科学出版物。2017 年，Amin Zaami 博士看到了为 LATP/LATW 工艺生产商业工具的潜力，并开始开发 OTOM（光热优化模型）工具，该工具结合了高级有限元建模 (FEM) 和光线追踪。

光线追踪是一种在 AFP 过程中追踪光的路径并模拟其与物体相遇效果的技术。光线追踪光学模型提供了来自 AFP 激光器的热通量边界条件，用于有限元分析。与 AFP 控制软件（通常不关注粘合/加热阶段，而仅关注定位和速度控制）结合使用时，OTOM 可以更快地优化热塑性复合材料部件的加工和性能。

• 用 4.0 数字化制造取代反复试验

据说 OTOM V.1.20 软件消除了 LATP/LATW 过程中的试错阶段。根据产品的复杂程度，吞吐量可以提高数百个百分点，特别是对于新产品开发 (NPD)。这反过来又显着减少了设计、检验试验和工艺参数优化所需的时间。

                                    预浸带的激光反射照片
图 2.激光与预浸带相互作用导致的各向异性反射。照片来源：Amin Zaami 等人的“用于激光复合制造的纤维增强热塑性胶带的光学表征”。阿尔。

LATP 和 LATW 模拟中不同的激光照射几何形状

图3 。不同的激光照射几何形状。图片来源：“激光辅助胶带缠绕的 3D 数值建模……”作者：Amin Zaami 等。阿尔。

LATP 和 LATW 模拟中几何变化的基底曲率
图。4 . 几何变化的基材曲率。图片来源：“复合材料压力容器激光辅助胶带缠绕的新工艺优化框架：控制非稳态粘合温度”，作者：Amin Zaami 等。阿尔。

由于所使用的纤维增强热塑性复合带具有复杂的几何形状、不同的工具曲率以及各向异性的光学和热性能，因此 LATP/LATW 过程难以描述、预测和优化。还有一些问题，例如不稳定的加工、机器停机、材料过热产生的烟雾、材料降解、挤出（熔化的基质压出胶带边缘） 以及需要减少生产时间。这些可以通过诸如 OTOM 之类的工具来解决，该工具提供在线监控、基于模型的控制和工业 4.0 数字制造。

OTOM 的长期目标是通过补偿制造过程中的可变性来实现稳健的 LATP/LATW 部件生产，以实现可重复和可预测的复合部件属性和性能。OTOM 已使用最先进的数值技术和实验研究得到验证。该工具能够针对特定优化目标（例如，找到优化的激光功率，找到朝向加热区的优化激光角度）优化每个工艺参数，以获得最高的工艺效率和产品质量。

AFP 激光器与复合层压板的相互作用、几何变化基板的温度定位甚至模具几何效应都可以在一个地方完全模拟和优化。据报道，基于多物理场的 OTOM 建模工具为数字化 LATP/LATW 过程铺平了道路，以最小的生产时间和成本提供卓越的最终产品质量。

• OTOM复合材料

随着业务在 COVID-19 大流行之后反弹，OTOMcomposite 于 2021 年推出，正在为越来越多的组织提供服务和软件解决方案。OTOMcomposite 为客户远程或现场提供工程服务，包括生产线和产品质量评估、技术咨询和定制工程软件。这些服务提供给航空航天、石油和天然气、运输、汽车和绿色能源领域的公司和研究机构。OTOMcomposite 还寻求与其他研发部门合作，应用与复合材料相关的领先技术，并参与公共和私人资助的研发项目。如需更多信息，请联系OTOMcomposite@outlook.com。