開發輕質、模塊化的復合材料擠奶平臺

2007年，懷卡托擠奶公司轉向復合材料旋轉平臺設計，以解決傳統混凝土平臺關于耐用性、運輸和組裝的難題。在之后的幾年里，不斷變化的需求導致了設計和工藝也在不斷創新

懷卡托擠奶系統公司（新西蘭）擁有50多年的發展歷史，為全世界的奶牛場提供技術解決方案。在其產品中，公司提供平臺、自動化、擠奶和牛奶冷卻設備以及儲存罐，這些都是運行高產和具有成本效益的在線式或旋轉式奶牛場所需的。

旋轉式擠奶平臺是扁平的圓形結構，可容納50至100多頭奶牛站在有門的擠奶棚中。平臺位于以滾筒為基礎的底盤和設備之上，為相對緩慢的360度旋轉提供動力，每頭奶牛經過時，由一到兩名固定的人類操作員管理擠奶設備。旋轉系統允許以最少的人員實現高效的擠奶過程。

對于Centrus平臺設計的每一次迭代，核心要求包括可制造性、可擴展性和輕質，以支持使用該平臺的奶牛和人，并幫助維持平臺下的底盤設備 

傳統意義上的懷卡托旋轉平臺由混凝土制成，這些平臺的重量可達100噸，給平臺下面的底盤和支持設備帶來很大壓力。混凝土平臺還必須在現場澆筑，使得制造條件難以控制，產品無法運輸到全球客戶。

2007年，懷卡托開始尋找一種方法來建造一個重量更輕的平臺，以提高其旋轉平臺設備的耐用性和壽命。通過工業生產解決方案專家Magnum Venus Products（MVP，美國），懷卡托被介紹給玻璃纖維復合材料——這使混凝土平臺的重量減少了75%，并使懷卡托轉向更高質量、工廠生產化的模塊化組件，可以方便地運輸給世界各地的客戶。

懷卡托的復合旋轉平臺產品，現在被命名為Centrus，在過去15年中經過了四代迭代發展，每一代都需要技術創新，并通過各種制造工藝不斷發展，包括真空袋灌注、輕型樹脂轉移成型（LRTM）和可重復使用的硅膠袋灌注。

最初原型：采用真空袋灌注

MVP的閉模產品經理表示，需要一種更具成本效益、勞動強度更低的工藝（簡單的手糊很快就被排除在平臺的工藝選擇之外）。

為了制造用于測試的前兩個原型，懷卡托公司使用了真空袋輔助灌注法（圖1）。該平臺由E-玻璃/乙烯基酯構成，在需要的地方加入了凱夫拉爾和PET泡沫芯層。

圖1. 真空袋灌注。在最初的原型開發中，懷卡托采用了由MVP優化的真空袋輔助灌注工藝

懷卡托公司為其首個復合材料原型選擇了該公司相對較小的九件式、直徑14米的平臺。技術人員將切割好的玻纖和芳綸纖維裝入母模，然后是預先切割好的PET泡沫芯和金屬部件（用于連接平臺和起落架）。連接好真空袋并在真空狀態下注入乙烯基酯。

這個過程的挑戰是凸起的金屬和泡沫插入物在灌注過程中會帶來樹脂流動問題，必須要對其進行優化。為此MVP公司為該裝置配備了一臺基于氣動的灌注機以控制樹脂流動壓力。此外，還設計了一個可重復使用的硅膠樹脂通道，以容納部件頂部的一個注射口。然后，樹脂通過真空袋下面的指定通道被引導到零件的特定區域。

真空袋灌注法被用于該平臺的首次試運行，因為對于一個剛開始接觸復合材料的公司來說，這是最容易執行的工藝，而且它在建造最初的全尺寸原型進行測試時效果良好。

第一批生產平臺（第一代）：采用LRTM工藝

隨著懷卡托開始增加產量，顯然需要更快的生產流程。最初的灌注平臺生產每個部分需要20個小時；懷卡托通過改用LRTM（一種封閉式成型工藝）來加快樹脂灌注和部件固化，使每個部件的周期時間減少到5小時。

在LRTM工藝中（圖2），懷卡托的技術人員將芳綸纖維、E-玻璃纖維、預切泡沫芯、金屬部件和額外的E-玻璃纖維層裝入下模。在這個設計中，樹脂通道被直接預切到泡沫芯中，取代了原來工藝中使用的硅樹脂通道。這樣，樹脂可以直接注入并穿過泡沫，然后再浸潤玻璃纖維。

在起重機的幫助下，上模被降到下模上，并通過真空密封。合模后，乙烯基酯樹脂在加熱和加壓下直接注入泡沫樹脂通道中。最終的部件通過滑輪系統脫模，然后涂上膠衣，上面有成型的握柄花紋和色素樹脂，供客戶使用。

利用這一工藝，懷卡托公司于2008年在新西蘭將其第一批商業產品推向市場。第一代商用Centrus平臺是一個54個攤位的平臺，由九個注入部分組成，每個部分6個攤位，總直徑15.4米（50.5英尺）。

圖2. 為了將其第一個Centrus平臺迅速推向市場，懷卡托選擇LRTM工藝

發展到更大平臺（第2代）：從LRTM到柔性成型工藝

Centrus平臺在新西蘭取得初步成功后，懷卡托決定向進軍全球市場。為了滿足美國對更大平臺的需求，該公司開發了第二代設計，其特點是有84個攤位，直徑26.4米（86.6英尺）的平臺。與第一代平臺一樣，第二代設計中的每個面板最初包括每個部分的六個模制攤位，后來在較小的配置中增加了五個和四個攤位的版本。

為更大的平臺開發了更大的LRTM模具，而在這開發過程中出現的一個挑戰是，凸起的金屬和泡沫核心部件使得僅用真空很難閉合和夾緊模具。為解決這一難題，MVP開發了一個垂直法蘭，作為上層模具的第二個翼形密封件，鉤住下層模具，在抽真空時將兩個模具吸在一起。

在新的、更大的平臺推向市場后，產品系列中又增加了一個較小的、有40個攤位的Centrus產品。Morris指出，隨著懷卡托公司不斷發展產品和開發新的尺寸以適應市場需求，必須為每次迭代開發和購買新的LRTM工具。

為了節省模具成本并適應設計和尺寸的變化，2016年，懷卡托公司轉而采用MVP稱為Flex Molding的工藝——本質上是一種使用可重復使用的定制硅膠膜作為上模的液體灌注工藝（圖3）。MVP硅膠機將液體硅膠噴到模具上，使其硬化成柔性上模。然后，將E-玻璃纖維織物和泡沫芯材裝到下模上，使用特殊法蘭涂上硅樹脂膜以確保適當的密封，然后進行樹脂灌注和脫模。

圖 3.  隨著懷卡托開始增加尺寸選項并優化其平臺設計，選擇了硅膠袋灌注工藝以節省工具成本。 第 2、3 和 4 代現在采用 Flex Molding

降低生產成本（第 3 代）：兩件式粘合設計

為進一步降低成本和勞動力，懷卡托決定將第 3 代設備的整體平臺設計更改為兩部分設計：一個平坦的整體甲板面板（人或牛站立的平臺）和一個底部，波紋肋結構（底盤和其他設備連接在其上），粘合在一起。這種加強筋結構最初是通過 LRTM 成型，而平板面板是在懷卡托工廠使用 Flex Molding 制造。這些是在 MVP 粘合劑分配系統的幫助下粘合而成（圖 4）。

這種設計意味著懷卡托現在可以制造一種尺寸的標準化面板，而不是使用已購買的特定模具尺寸制造定制 Centrus 產品，然后進行CNC加工以適應客戶的尺寸要求。從 Gen. 3 平臺開始一直到現在，每個攤位都是單獨構建為一個矩形面板，然后進行加工以適應所需的曲率和尺寸，而不是前幾代采用模制的六攤位部分不容易改變。使用這個系統，懷卡托每 8 小時輪班可以生產多達 16 個標準面板。

復雜形狀的波紋結構很難注入，但 MVP 開發了一種策略，在零件的一側有兩個真空點，并在波紋零件上留有樹脂通道——通道可以模塑進去。為簡化這一過程，懷卡托開始從 Fiber Composites Australia公司購買即用型拉擠部件。

圖 4. 兩部分設計。在懷卡托第三代，該平臺由兩部分組成：一個可以按訂單加工的整體式甲板，以及一個波紋上面板

大批量生產（第 4 代）：柔性成型和 CNC 加工

隨著 Centrus 產品和擠奶技術在過去幾年中的進步，對更大平臺的需求也在增加。 雖然最初的平臺設計為可容納 50 頭奶牛，但如今的 Centrus 平臺直徑需要超過 30 米，并且能夠承載 110 頭奶牛的重量加上擠奶設備的重量，總計約 96.8 公噸。

懷卡托當前一代的設計涉及柔性成型平板，類似于 Gen. 3 的甲板面板，但沒有拉擠附件。 通過夾在 E 玻璃纖維層之間的泡沫芯將形狀添加到面板上，然后 CNC 加工成最終尺寸。

從技術的角度來看，第三代的水平更高。但每次懷卡托想要制造不同尺寸的旋轉時，制造新模具變得過于昂貴，而且生產成品可能需要幾個月的時間。現在每月可以預制多達 200 個相同的面板，可以將它們存儲起來，然后快速加工成訂單。

如今，Centrus 平臺在全球范圍內發貨和銷售，包括澳大利亞、美國、歐洲、中國和南美的客戶。該產品與混凝土相比貴 10% 左右，但在市場上很受歡迎，因為你可以很容易看到優勢。減輕重量與使用復合材料密集型飛機獲得的效果相同——較低的結構重量意味著為飛機提供動力所需的燃料更少。這些平臺非常節能，在當今世界上非常受歡迎。除了減輕重量之外，與混凝土相比，復合材料平臺更耐用——將平臺的使用壽命從 20 年延長至 35 年——并延長了機械設備的使用壽命，由于重量輕，不透水（防止細菌等），并能夠實現更大的生產連續性和質量控制。

 本文由中國復合材料工業協會收集自網絡，文章不用于商業目的，僅供行業人士交流。