感应辅助拉绕连续成型工艺的研究

规模化制造成本高、量产稳定性不足的问题，长期制约复合材料结构件在汽车、高端装备等产业化落地。连续成型制造技术依托自动化集成生产、成型质量一致性高、综合生产成本低的核心优势，成为破解复合材料批量量产瓶颈的核心技术路径。

针对热塑性复合材料管材高效量产需求，研发了感应辅助拉绕连续成型工艺。该工艺融合连续纤维缠绕与在线同步固结核心技术，以碳纤维增强热塑性复合混纺纱为原材料，可制备纤维构型精准可控、抗扭刚度优异、适配复杂载荷工况的轻量化管状构件。相较于传统热固性复合材料成型工艺，该技术具备自动化适配性强、生产效率高、构件可焊接、可回收复用等突出优势，符合当下复合材料绿色制造与规模化量产的产业发展趋势。

一、通过拉绕工艺实现定制纤维结构

传统复合材料管材多采用编织增强体制备，会导致纤维交叉点产生，受力过程中引发局部应力集中，大幅降低构件承载稳定性与疲劳寿命。而纤维缠绕工艺可有效规避纤维交叉应力集中问题，实现纤维按结构设计需求定向排布、连续铺放，纤维利用率与力学性能显著提升。感应辅助拉绕工艺整合连续拉挤成型与精准可控纤维缠绕技术，将复合混纺纱按预设缠绕角度均匀包覆于移动芯模表面，构建适配弯曲、扭转复合载荷工况的最优纤维受力构型，适用于多场景轻量化管状承载构件的一体化成型。

工艺可通过精准调控纤维缠绕角度，匹配不同工况的力学性能需求，实现管材刚度、强度的定制化设计。搭配热塑性基体材料体系后，该工艺可实现短周期连续成型，成型构件兼具可焊接装配、损伤容限高、可回收再加工等特性，既满足高端装备轻量化设计要求，又可降低构件制造、运维及报废全生命周期成本，为复合材料管材高效智能制造与循环利用提供技术支撑。

图1 拉绕成型核心设备

核心设备模块：牵引传动机构、精准缠绕单元、感应加热固结单元、恒温冷却定型单元

核心运行方式：沿芯模轴向连续牵引、同步缠绕、在线固结冷却

图2 感应辅助拉绕连续成型生产线整体结构示意图

二、感应加热：高效热源技术

热塑性复合材料连续成型的核心技术瓶颈为高效、精准、均匀的热能输入，相较于传统热固性树脂，热塑性基体熔体黏度更高，常规外加热方式存在升温慢、热损耗大、基体熔融不均、浸渍效果差等问题。为攻克该痛点，针对性开发适配热塑性缠绕型材连续固结的专用感应加热工装系统，实现成型过程的精准控温与高效热输入。

成型过程中，碳纤维增强尼龙6（PA6）复合混纺纱通过设备工装区域时，依托碳纤维电磁感应特性实现基体快速精准受热，熔融后的基体树脂可快速浸润纤维束，在连续化生产流程中同步完成纤维浸渍、基体固结、型材定型全工序。与传统外加热系统相比，感应加热技术具备局部精准供热、升温速率快、热惯性小、能量利用率高、工艺参数动态可调、设备集成度高等显著优势。设备采用感应线圈环绕陶瓷固结腔体的紧凑型结构设计，加热工序下游直接衔接恒温冷却定型段，将加热、浸渍、固结、控温冷却多道工序一体化集成，实现碳纤维热塑性复合管材的高效、连续、稳定化加工。

三、经济与产业化潜力

为验证工艺产业化落地可行性与经济效益，进行了中试产线与工业化量产产线的对标测算，系统评估规模化生产后的成本优势与产能提升空间。其中，中试产线主要用于工艺参数迭代优化、产品性能验证与技术打磨；工业化量产产线通过搭载大容量纱卷、提速生产系统、全自动物料输送与换卷设备，实现生产效率与自动化水平的全方位升级。

成本分析结果表明，该工艺规模化后的成本降幅核心来源于生产效率提升与非生产工时压缩，而非原材料替代。从中试产线迭代至工业化量产产线后，管材综合制造成本可降低 50%~60%。核心增效指标如下：生产线运行速率由 0.2m/min 提升至 1.5m/min，产能大幅扩容；大容量纱卷可有效减少设备停机换料频次；全自动纱线换卷系统替代人工操作，降低人工成本与操作误差。多重优化措施显著提升设备有效利用率，大幅削减停机、换料、人工干预带来的额外能耗与时间成本，产业化性价比优势突出。

批量试验与经济性测算结果证实，感应辅助拉绕连续成型工艺完美适配热塑性复合材料管材的规模化、低成本量产需求。依托热塑性基体可焊接装配、绿色可回收、成型周期短、性能稳定性佳的综合优势，该工艺为汽车、航空航天、高端装备等领域的轻量化结构件量产提供了高效、经济、环保的全新技术方案，产业化应用前景广阔。

四、应用领域

该工艺成型的复合材料管材具备纤维构型可控、抗扭刚度优异、可连续化一体成型的核心特性，可适配弯曲、扭转复合复杂载荷工况，是高端轻量化管状承载结构的优选制备技术。相较于常规拉挤型材固定纤维排布、力学适配性差的短板，本工艺可通过纤维角度优化实现载荷精准传递，极大拓宽了复合材料管状结构件的设计空间与应用场景。

1. 汽车领域

可应用于新能源及传统燃油车车身空间框架、碰撞防护副车架、高强度座椅骨架、模块化整车承载平台等核心轻量化承载构件，可在保证车身结构强度与碰撞安全性的前提下，有效实现整车减重，助力车辆节能降耗与续航提升。

2. 航空航天领域

适用于航空航天飞行器次级承力结构、机舱内饰支撑框架、高精度轻量化管状装配件等部件，产品成型一致性、尺寸精度与力学稳定性优异，可满足航空领域高可靠、轻量化、长寿命的严苛使用要求。

3. 运动休闲领域

可批量制备高端自行车车架、专业运动球杆、轻量化船桨、户外装备承载配件等产品。相较于传统金属材质构件，成品兼具轻量化、高比刚度、耐疲劳、造型设计灵活等多重优势，可有效提升产品使用体验与核心性能。

目前该工艺已成功制备航空结构件、高端自行车零部件、车用轻量化管状车架等多款示范产品（如图3所示），且可适配多种先进装配连接工艺。其中，滑翔机结构件、卡丁车车架采用增材制造聚合物套筒接头，实现结构模块化装配与极致轻量化；自行车头管采用复合材料套筒焊接成型，充分验证了该成型工艺与热塑性复合材料焊接技术的良好兼容性与适配性。

这些示范产品充分印证了感应辅助拉绕工艺的通用性与可靠性，证明该工艺制备的连续成型热塑性复合材料管材，可广泛适配多行业复杂轻量化承载结构的设计与量产需求，具备极强的工程落地价值。

图3 感应辅助拉绕工艺制备热塑性复合材料管材示范件

样品排布（从左至右）：焊接一体化复合材质自行车头管、热塑性复合材料卡丁车轻量化车架、搭载增材制造聚合物套筒接头的滑翔机轻量化结构件