神奇！不断创新的复合材料式旋转挤奶平台发展史

开发轻质、模块化的复合材料挤奶平台

2007年，怀卡托挤奶公司转向复合材料旋转平台设计，以解决传统混凝土平台关于耐用性、运输和组装的难题。在之后的几年里，不断变化的需求导致了设计和工艺也在不断创新

怀卡托挤奶系统公司（新西兰）拥有50多年的发展历史，为全世界的奶牛场提供技术解决方案。在其产品中，公司提供平台、自动化、挤奶和牛奶冷却设备以及储存罐，这些都是运行高产和具有成本效益的在线式或旋转式奶牛场所需的。

旋转式挤奶平台是扁平的圆形结构，可容纳50至100多头奶牛站在有门的挤奶棚中。平台位于以滚筒为基础的底盘和设备之上，为相对缓慢的360度旋转提供动力，每头奶牛经过时，由一到两名固定的人类操作员管理挤奶设备。旋转系统允许以最少的人员实现高效的挤奶过程。

对于Centrus平台设计的每一次迭代，核心要求包括可制造性、可扩展性和轻质，以支持使用该平台的奶牛和人，并帮助维持平台下的底盘设备 

传统意义上的怀卡托旋转平台由混凝土制成，这些平台的重量可达100吨，给平台下面的底盘和支持设备带来很大压力。混凝土平台还必须在现场浇筑，使得制造条件难以控制，产品无法运输到全球客户。

2007年，怀卡托开始寻找一种方法来建造一个重量更轻的平台，以提高其旋转平台设备的耐用性和寿命。通过工业生产解决方案专家Magnum Venus Products（MVP，美国），怀卡托被介绍给玻璃纤维复合材料——这使混凝土平台的重量减少了75%，并使怀卡托转向更高质量、工厂生产化的模块化组件，可以方便地运输给世界各地的客户。

怀卡托的复合旋转平台产品，现在被命名为Centrus，在过去15年中经过了四代迭代发展，每一代都需要技术创新，并通过各种制造工艺不断发展，包括真空袋灌注、轻型树脂转移成型（LRTM）和可重复使用的硅胶袋灌注。

最初原型：采用真空袋灌注

MVP的闭模产品经理表示，需要一种更具成本效益、劳动强度更低的工艺（简单的手糊很快就被排除在平台的工艺选择之外）。

为了制造用于测试的前两个原型，怀卡托公司使用了真空袋辅助灌注法（图1）。该平台由E-玻璃/乙烯基酯构成，在需要的地方加入了凯夫拉尔和PET泡沫芯层。

图1. 真空袋灌注。在最初的原型开发中，怀卡托采用了由MVP优化的真空袋辅助灌注工艺

怀卡托公司为其首个复合材料原型选择了该公司相对较小的九件式、直径14米的平台。技术人员将切割好的玻纤和芳纶纤维装入母模，然后是预先切割好的PET泡沫芯和金属部件（用于连接平台和起落架）。连接好真空袋并在真空状态下注入乙烯基酯。

这个过程的挑战是凸起的金属和泡沫插入物在灌注过程中会带来树脂流动问题，必须要对其进行优化。为此MVP公司为该装置配备了一台基于气动的灌注机以控制树脂流动压力。此外，还设计了一个可重复使用的硅胶树脂通道，以容纳部件顶部的一个注射口。然后，树脂通过真空袋下面的指定通道被引导到零件的特定区域。

真空袋灌注法被用于该平台的首次试运行，因为对于一个刚开始接触复合材料的公司来说，这是最容易执行的工艺，而且它在建造最初的全尺寸原型进行测试时效果良好。

第一批生产平台（第一代）：采用LRTM工艺

随着怀卡托开始增加产量，显然需要更快的生产流程。最初的灌注平台生产每个部分需要20个小时；怀卡托通过改用LRTM（一种封闭式成型工艺）来加快树脂灌注和部件固化，使每个部件的周期时间减少到5小时。

在LRTM工艺中（图2），怀卡托的技术人员将芳纶纤维、E-玻璃纤维、预切泡沫芯、金属部件和额外的E-玻璃纤维层装入下模。在这个设计中，树脂通道被直接预切到泡沫芯中，取代了原来工艺中使用的硅树脂通道。这样，树脂可以直接注入并穿过泡沫，然后再浸润玻璃纤维。

在起重机的帮助下，上模被降到下模上，并通过真空密封。合模后，乙烯基酯树脂在加热和加压下直接注入泡沫树脂通道中。最终的部件通过滑轮系统脱模，然后涂上胶衣，上面有成型的握柄花纹和色素树脂，供客户使用。

利用这一工艺，怀卡托公司于2008年在新西兰将其第一批商业产品推向市场。第一代商用Centrus平台是一个54个摊位的平台，由九个注入部分组成，每个部分6个摊位，总直径15.4米（50.5英尺）。

图2. 为了将其第一个Centrus平台迅速推向市场，怀卡托选择LRTM工艺

发展到更大平台（第2代）：从LRTM到柔性成型工艺

Centrus平台在新西兰取得初步成功后，怀卡托决定向进军全球市场。为了满足美国对更大平台的需求，该公司开发了第二代设计，其特点是有84个摊位，直径26.4米（86.6英尺）的平台。与第一代平台一样，第二代设计中的每个面板最初包括每个部分的六个模制摊位，后来在较小的配置中增加了五个和四个摊位的版本。

为更大的平台开发了更大的LRTM模具，而在这开发过程中出现的一个挑战是，凸起的金属和泡沫核心部件使得仅用真空很难闭合和夹紧模具。为解决这一难题，MVP开发了一个垂直法兰，作为上层模具的第二个翼形密封件，钩住下层模具，在抽真空时将两个模具吸在一起。

在新的、更大的平台推向市场后，产品系列中又增加了一个较小的、有40个摊位的Centrus产品。Morris指出，随着怀卡托公司不断发展产品和开发新的尺寸以适应市场需求，必须为每次迭代开发和购买新的LRTM工具。

为了节省模具成本并适应设计和尺寸的变化，2016年，怀卡托公司转而采用MVP称为Flex Molding的工艺——本质上是一种使用可重复使用的定制硅胶膜作为上模的液体灌注工艺（图3）。MVP硅胶机将液体硅胶喷到模具上，使其硬化成柔性上模。然后，将E-玻璃纤维织物和泡沫芯材装到下模上，使用特殊法兰涂上硅树脂膜以确保适当的密封，然后进行树脂灌注和脱模。

图 3.  随着怀卡托开始增加尺寸选项并优化其平台设计，选择了硅胶袋灌注工艺以节省工具成本。 第 2、3 和 4 代现在采用 Flex Molding

降低生产成本（第 3 代）：两件式粘合设计

为进一步降低成本和劳动力，怀卡托决定将第 3 代设备的整体平台设计更改为两部分设计：一个平坦的整体甲板面板（人或牛站立的平台）和一个底部，波纹肋结构（底盘和其他设备连接在其上），粘合在一起。这种加强筋结构最初是通过 LRTM 成型，而平板面板是在怀卡托工厂使用 Flex Molding 制造。这些是在 MVP 粘合剂分配系统的帮助下粘合而成（图 4）。

这种设计意味着怀卡托现在可以制造一种尺寸的标准化面板，而不是使用已购买的特定模具尺寸制造定制 Centrus 产品，然后进行CNC加工以适应客户的尺寸要求。从 Gen. 3 平台开始一直到现在，每个摊位都是单独构建为一个矩形面板，然后进行加工以适应所需的曲率和尺寸，而不是前几代采用模制的六摊位部分不容易改变。使用这个系统，怀卡托每 8 小时轮班可以生产多达 16 个标准面板。

复杂形状的波纹结构很难注入，但 MVP 开发了一种策略，在零件的一侧有两个真空点，并在波纹零件上留有树脂通道——通道可以模塑进去。为简化这一过程，怀卡托开始从 Fiber Composites Australia公司购买即用型拉挤部件。

图 4. 两部分设计。在怀卡托第三代，该平台由两部分组成：一个可以按订单加工的整体式甲板，以及一个波纹上面板

大批量生产（第 4 代）：柔性成型和 CNC 加工

随着 Centrus 产品和挤奶技术在过去几年中的进步，对更大平台的需求也在增加。 虽然最初的平台设计为可容纳 50 头奶牛，但如今的 Centrus 平台直径需要超过 30 米，并且能够承载 110 头奶牛的重量加上挤奶设备的重量，总计约 96.8 公吨。

怀卡托当前一代的设计涉及柔性成型平板，类似于 Gen. 3 的甲板面板，但没有拉挤附件。 通过夹在 E 玻璃纤维层之间的泡沫芯将形状添加到面板上，然后 CNC 加工成最终尺寸。

从技术的角度来看，第三代的水平更高。但每次怀卡托想要制造不同尺寸的旋转时，制造新模具变得过于昂贵，而且生产成品可能需要几个月的时间。现在每月可以预制多达 200 个相同的面板，可以将它们存储起来，然后快速加工成订单。

如今，Centrus 平台在全球范围内发货和销售，包括澳大利亚、美国、欧洲、中国和南美的客户。该产品与混凝土相比贵 10% 左右，但在市场上很受欢迎，因为你可以很容易看到优势。减轻重量与使用复合材料密集型飞机获得的效果相同——较低的结构重量意味着为飞机提供动力所需的燃料更少。这些平台非常节能，在当今世界上非常受欢迎。除了减轻重量之外，与混凝土相比，复合材料平台更耐用——将平台的使用寿命从 20 年延长至 35 年——并延长了机械设备的使用寿命，由于重量轻，不透水（防止细菌等），并能够实现更大的生产连续性和质量控制。

 本文由中国复合材料工业协会收集自网络，文章不用于商业目的，仅供行业人士交流。