複材編織製程技術與應用
摘要
碳纖複合材料具有質量輕、高強度、高剛性之優異機械特性，近年來因全球減碳趨勢，於航空、汽機車等交通運輸業更是大幅應用複材進行產品及零組件設計，以達到減重節能的功效，然而傳統以人工疊貼成型已不能滿足巿場上急需穏定量產之模式，本文將針對各種自動化複材成型方式，如紡織 (Weaving)、疊貼 (Lay-up) 以及纏繞成型 (Filament Winding)等進行簡介，並著重說明較新的複材編織(Braiding)製程技術、製程優勢及其應用產業。
Because carbon composite have excellent mechanical properties of light weight, high strength, high rigidity resistance. In recent years, due to the global carbon reduction trend, in the aviation, automotive and other transportation industries, composite materials have been lots used for product or component to achieve weight reduction and energy saving effects. However, traditional manual lay-up molding has not been able to meet the market, the market is urgently need to the auto-mode of mass production. This article will introduce various automatic composite material molding methods, such as weaving, lay-up, and Filament Winding etc. And focuses on the newer Braiding process technology, process advantages and its application industries.
關鍵詞(Keywords)複合編織、疊層貼合、纖維纏繞 Composite braiding, Lay-up, filament winding
前言
根據國際市場研究機構Markets and Markets 2019/12報告[1] 運輸、建築和基礎設施行業的迅速發展，從而推動了對複合材料的需求，全球複合材料市場規模預計將從2019年的906億美元增長到2024年的1316億美元，在2019年至2024年之間的複合年增長率為7.7％；其中玻璃纖維複合材料在數量和價值上佔全球複合材料行業大頭，其主要用於風能、管道和儲罐、電氣電子產品以及建築基礎設施等領域。根據全球複合材料市場研究高級碳纖維材料的採用日益增加亦是主要趨勢之一，如碳纖維複合材料的份額相對要比玻璃纖維低得多，但由於在主要承重結構中替代鋁和鋼的巨大潛力，碳纖維的市場份額在未來幾年可能會進一步增加，如同Markets and Markets另一篇針對碳纖維市場預計報告[2]中透露碳纖維市場預計將從2019年的47億美元增長到2029年的133億美元增長率為11.0％，為較大增幅的複合材料。
圖1 複材巿場規模預測圖[1]
從應用產業來看，由於大多數複合材料的強度重量比都高於鋼和鋁，具有質量輕、高強度、高剛性之優異機械特性，且在亞太地區，歐洲和北美等地區，政府針對減少汽車二氧化碳排放的嚴格政策迫使汽車原始設備製造商生產節油輕便的汽車，因此原始設備製造商已開始使用複合材料，並已取代了傳統的鋼和鋁零件，成為在交通運輸產品中引入複合材料的主要驅動因素，報告指出汽車行業有望成為全球複合材料的最大市場。除此之外，由於碳纖維複合材料在風扇葉片、旋轉器、推力反向器、排氣管和發動機零件中得到採用，因此在航空發動機領域仍然是主要使用的材料。
從市場區域來看，目前北美地區佔全球複合材料市場收入約35％的最大市場份額，但由於中國和印度的經濟增長，且在交通運輸、風能、建築和基礎設施等行業應用擴大，巿場報告預估未來亞太地區在全球複合材料市場中將佔有最大的市場份額，而在亞太地區中，預計中國將在預測期內以最快的速度增長成為亞太地區最大的複合材料市場。台灣碳纖複材總體產量為全球第四，產業以中小企業居多，在原材料端的纖維生產，台灣也有一席之地，而這正是鄰近中國、印度的台灣複材產業發展擴張的機會與挑戰。
淺談現今複材自動化製程
在如此蓬勃發展的複材產業中，各式各樣的複合材料製造工藝及其設備不斷的被研發出，其製造工藝的選擇很大程度上取決於要製造的結構部件的形狀和尺寸，如大尺寸低曲度的飛機蒙皮與小尺寸的壓力容器、自行車零組件等，所採用的製程工藝均大不相同，根據中段製造過程，全球複合材料行業分為幾個部分，即織造(Weaving)、疊貼(Lay-up)、纏繞成型(Filament Winding)，以及較新的編織(Braiding)製程等，以下就各項製程作簡單介紹及應用情境說明：
類似傳統紡織業中的織機，透過操作梭子與經紗交錯形成X軸與Y軸之纖維布，如下圖2(a)所示，亦可於織造碳纖維時加上其他纖維透過不同紋理緹花強化其結構強度如下圖2(b)所示，是現今複材產業中最基礎且普遍的製程之一，通常是將織造完成之纖維布當作半成品販售，廠商或民眾透過購買乾纖維布或含浸過的纖維布，再經人工裁剪、上膠、疊貼、熱壓成型等製程後，即可完成複材零組件，然而由於都是購買匹量的原料，因此在使用上時常需人工修剪，材料使用率不高。
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