纤维缠绕与自动铺丝技术制备复合材料压力容器的成本对比研究

摘要：纤维缠绕（FW）是复合材料压力容器（CPV）的传统制造工艺，但其无法便捷切断和重启纤维束的缺陷，限制了铺层构型优化与选择性增强能力。自动纤维铺放（AFP）技术可弥补该局限，却存在工艺复杂、效率偏低、材料与设备成本高昂的问题。本研究基于文献数据与行业调研，采用蒙特卡洛模拟方法，对比年产量10,000件工况下，车用、客/货车用及管式拖车用三类CPV采用FW与AFP工艺的相对成本差异，核算范围涵盖复合材料、耗材、铺层、固化、极靴及人工等环节。结果表明，在最优工艺配置下，受窄带预浸料高成本影响，AFP工艺最低成本为FW工艺的1.77倍；若仅从制造成本角度实现成本持平，AFP需使容器质量较FW基准值降低57.39%~63.22%，该目标在技术层面不具备可行性。

关键词：自动纤维铺放；纤维缠绕；复合材料压力容器；成本分析；储氢；碳纤维

1 引言

复合材料压力容器（CPV）广泛应用于汽车、航天航空领域的氢能及其他能源载体储运，核心优势在于轻量化与耐腐蚀性。目前绝大多数CPV采用纤维缠绕（FW）工艺制造，其原理是将浸渍树脂的连续纤维束在张力作用下缠绕至旋转芯模，通过纤维定向排布实现结构强度优化。但FW工艺存在显著局限：纤维带难以便捷切断与重启，易造成材料浪费，且无法实现复杂的局部增强铺层设计。

自动纤维铺放（AFP）技术作为替代方案应运而生，其核心原理是通过加热与辊压装置，将精密窄带纤维带直接铺覆于模具表面，具备完整的材料切断-续铺能力，可实现高度灵活的铺层设计。美国能源部氢能计划曾采用FW/AFP混合工艺，较纯FW工艺的Ⅳ型储氢罐实现32%减重；CCTD项目中，AFP技术用于制造大型低温燃料储箱，目标是较铝锂合金储箱降低30%成本。本团队前期也已验证AFP技术在高压CPV制造中的可行性。

当前针对AFP替代FW的经济可行性研究仍存在空白。现有研究显示，AFP成本效益与构件尺寸相关，更适用于大型部件，但CPV体积小、曲率高，与航空领域AFP典型应用差异显著，可能削弱其成本优势。现有CPV成本研究多聚焦纯FW工艺，均发现容器压力与成本呈非线性关系。图1为年产量100,000件时70MPaⅣ型CPV的典型成本构成，可见碳纤维是主要成本来源。美国能源部与Houchins等的研究虽涉及混合工艺或AFP成本，但未覆盖全流程工艺变量。

图1

本研究基于MATLAB开发集成蒙特卡洛模拟的流程型成本模型，针对车用、客/货车用、管式拖车用三类CPV，在年产量1~10,000件范围内，结合多组材料、设备及工艺参数核算归一化成本。模型输入数据主要来自行业供应商，先评估FW与AFP的典型基准方案，再通过引入替代材料、优化固化周期等降本措施，明确AFP具备成本竞争力的场景，最终结合技术成熟度分析其商业化可行性。

2 模型范围与假设

精准预测假设场景下的产品成本需明确模型范围与假设以限定分析边界。成本模型涵盖的影响因素，将成本划分为复合材料、耗材、铺层、固化、极靴、人工六大类，容器建模为“复合材料本体+两端极靴”的结构，经FW或AFP铺层后辅以耗材完成固化，铺层与固化阶段均计入人工成本。

部分参数未纳入分析，包括辅机系统、设计分析、厂房空间、检测、库存、固化前准备人工、设备维护及运输成本，原因是这些成本与具体生产工况强相关，且假设FW与AFP工艺下无显著差异。同时假定生产体系成熟稳定、两种工艺技术均已定型且缺陷率低；模型不区分容器类型，与芯模/内衬/模具方案无关；未考虑因工艺性能优势带来的运维阶段成本差异。需注意，模型输入成本的数量会影响最终容器成本绝对值及工艺间成本差异率，结论需结合具体输入参数解读。

3 成本模型核心原理

本研究在MATLAB中构建成本模型，单台容器成本为六大类成本之和，部分成本项存在工艺特异性。鉴于多数成本输入参数存在不确定性，模型采用蒙特卡洛算法，基于三角分布为各参数随机赋值。三角分布由参数的期望值、最小值、最大值构建（见图2），相较于常用的PERT分布，三角分布未对极值赋予更低权重，因本研究缺乏足够历史数据，无依据弱化极值影响。每个测试案例均运行100,000次模拟，生成容器成本分布。

图2

核心成本构成原理如下：设备小时费率需汇总设备资本性支出与运营性支出，再除以年工时计算；复合材料与耗材成本基于容器质量、表面积及材料损耗率核算，不同工艺（湿法/预浸料、热压罐/OoA固化）的耗材类型与成本构成存在差异；铺层成本与固化成本均需结合设备数量、工艺时间、设备费率与利用率计算，热压罐固化需额外考虑氮气成本；极靴成本为铝合金材料与机加工成本之和；人工成本分为铺层与固化两部分，按对应工序时间与人工费率核算。

4 测试容器设计与输入参数

本研究选取车用、客/货车用、管式拖车用三类CPV开展测试（见图3）。车用容器参考丰田Mirai燃料电池车的70MPa储氢罐；客/货车用容器压力35MPa，尺寸参考现有系统；管式拖车用容器工作压力25MPa，需适配40英尺标准集装箱。

图3

车用容器极孔直径参考文献并按比例缩放至其他型号；容器质量通过FW专用软件WoundSIM计算，先基于网格理论确定层合板总厚度，再优化螺旋缠绕角以实现封头全覆盖与厚度均匀性，设计压力安全系数按ISO 11119-3:2020取3。层合结构参考Nebe等提出的“BC”序列，组合低角度螺旋层、高角度螺旋层与环向层。容器复合材料密度取1548.5kg/m³，对应湿法缠绕与预浸料的质量。

输入参数综合文献数据与行业调研，成本均换算为2024年5月美元汇率，老旧数据已做通胀修正，完整数据见关联的Mendeley数据集。关键参数说明如下：固化设备调研多规格热压罐与烘箱，车用、客/货车用容器可多台批固化，管式拖车容器因尺寸过大无法批固化；选取三种材料体系，采用高供应市场的典型价格；FW工艺沉积速率参考行业标准，AFP设置高速与低速两个档位；假设AFP容器可实现0%或20%的减重，参考现有研究成果。

5 结果分析

本研究模拟多组参数组合，对比不同产量与工艺场景下的成本差异，AFP设置四种构型（高低沉积速率、有无减重），测试场景包括基准方案与三类优化方案。

基准场景为湿法FW与窄带预浸料AFP（单台独立固化），图4为年产量10,000件时归一化成本，可见所有构型下FW成本均显著低于AFP：高速+减重AFP成本优势最明显，但三类容器成本仍分别高出FW 60.4%、83.7%、104.7%；低速+标准质量AFP成本差异最大。车用容器因复合材料用量最少，成本最接近持平；管式拖车容器差异最大。成本曲线的“锯齿”形态源于设备利用率变化，10,000件/年时各案例均达成本稳态。图5为基准场景的成本构成，复合材料为核心成本项，耗材成本占比可忽略。

图4

图5

为进一步探索AFP工艺的成本优化空间，本研究额外设置三类优化场景开展模拟分析。在批次固化场景中，针对车用、客/货车用容器采用多规格热压罐/烘箱进行批量固化处理，结果显示该方式虽能有效降低所有工艺构型的成本，但同时也扩大了AFP与FW之间的成本差距。束状预浸料工艺场景下，分别测试了热压罐固化与OoA（非热压罐）固化两种模式：束状预浸料虽可提升沉积速率，但受其更高材料成本的影响，仅车用、客/货车用FW工艺成本维持在基准值及以下，工艺间成本差距有所缩小；而OoA固化相较于热压罐固化，可使车用、客/货车用容器成本实现小幅下降。多轴FW场景中，为车用、客/货车用FW工艺配备双轴缠绕机，结果表明双轴配置仅能使FW成本小幅降低，所有AFP构型的成本仍显著高于FW工艺。

6 讨论

所有模拟场景中，AFP均未实现与FW的成本持平或反超，最优工艺配置下，三类容器AFP最低成本分别为FW的1.77倍、1.82倍、1.86倍。图6为各场景成本汇总，AFP成本降幅最大的节点为批次固化，其次是OoA固化；管式拖车容器因材料用量大，对AFP参数最敏感。

图6

工艺成本差异的核心驱动因素是材料成本，窄带预浸料中位价为束状预浸料的2.31倍，该差距无法通过AFP减重抵消。若AFP可兼容束状预浸料，材料成本差异将消除，其质量优化潜力有望覆盖设备成本劣势。图7为最优场景的成本构成，复合材料成本占比进一步提升。图8显示AFP实现成本持平所需减重量为57.39%~63.22%，远高于现有技术水平；大型容器若能实现高沉积速率，可降低减重需求。

图7

图8

除成本外，AFP的技术优势也需纳入考量：在航天航空等轻量化优先领域，AFP虽成本高但仍具应用价值；汽车等大批量领域则更适合FW的高沉积速率。此外，AFP的柔性可实现容器与其他部件的集成设计、关键区域局部增强，或制造超大尺寸容器。

7 结论

本研究开发基于蒙特卡洛模拟的流程型成本模型，对比FW与AFP制造三类CPV的相对成本，得出以下结论：基准场景下，AFP成本为FW的1.6~2.95倍，复合材料是成本主导因素；批次固化等降本措施未能扭转AFP的成本劣势，即使假设AFP容器减重20%仍不具备竞争力；车用容器成本最接近持平，管式拖车容器差距最大；AFP实现成本持平需减重57.39%~63.22%，远超现有技术水平；大型容器若能实现高沉积速率，可降低减重需求。

未来研究需进一步明确AFP在CPV构型下的实际减重潜力与沉积速率，验证束状预浸料与AFP的工艺适配性，若实现兼容，AFP有望在材料成本趋同后结合轻量化优势成为经济型方案。