一種快速自動(dòng)鋪放熱塑性復(fù)合材料構(gòu)件的裝置及方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種快速自動(dòng)鋪放熱塑性復(fù)合材料構(gòu)件的裝置，其特征在于，包括：用于牽引熱塑性預(yù)浸帶的送料裝置、用于將送料裝置提供的熱塑性預(yù)浸帶進(jìn)行鋪放的成型裝置、用于對由成型裝置鋪放的熱塑性預(yù)浸帶進(jìn)行超聲加熱的超聲加熱裝置，送料裝置、成型裝置、超聲加熱裝置均設(shè)置在鋪放模具上。本發(fā)明還公開了一種快速自動(dòng)鋪放熱塑性復(fù)合材料構(gòu)件的方法。本發(fā)明可實(shí)現(xiàn)熱塑性復(fù)合材料的100%界面強(qiáng)度；可以極大的節(jié)約鋪放成型的時(shí)間，提高效率；可以提高界面結(jié)合，實(shí)現(xiàn)結(jié)晶度與晶粒尺寸的控制，優(yōu)化構(gòu)件性能。
【專利說明】
一種快速自動(dòng)鋪放熱塑性復(fù)合材料構(gòu)件的裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及一種快速自動(dòng)鋪放熱塑性復(fù)合材料構(gòu)件的裝置，具體涉及一種快速自動(dòng)鋪放成型小曲率的熱塑性復(fù)合材料構(gòu)件的裝置。本發(fā)明還涉及基于快速自動(dòng)鋪放成型小曲率的熱塑性復(fù)合材料構(gòu)件的裝置進(jìn)行快速自動(dòng)鋪放熱塑性復(fù)合材料構(gòu)件的方法，本發(fā)明屬于復(fù)合材料構(gòu)件鋪放領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]復(fù)合材料自動(dòng)鋪放技術(shù)具有高效、高質(zhì)量、高可靠性、高材料利用率、低成本的優(yōu)點(diǎn)，特別適合于大尺寸和復(fù)雜構(gòu)件的制造，減少了拼裝零件的數(shù)目，節(jié)約了制造和裝配成本，并極大地降低了構(gòu)件的廢品率和制造工時(shí)。
[0003]根據(jù)基體樹脂的差異，復(fù)合材料可分為熱固性復(fù)合材料和熱塑性復(fù)合材料。相比于前者，熱塑性復(fù)合材料具有固化成型耗時(shí)少，良好的焊接性、抗沖擊韌性、可循環(huán)性、抗化學(xué)腐蝕性以及近乎無限的保質(zhì)期等優(yōu)點(diǎn)，具有廣泛的應(yīng)用前景。
[0004]為了適應(yīng)大尺寸構(gòu)件的高效/高質(zhì)量制備，采用纖維自動(dòng)鋪放技術(shù)來制備熱塑性復(fù)合材料構(gòu)件，這種方式采用了 “原位固結(jié)”的方式，在壓力和高溫的作用下熱塑性預(yù)浸帶相互貼合、界面發(fā)生大分子鏈的擴(kuò)散纏結(jié)、冷卻結(jié)晶形成整體。但是一方面熱塑性復(fù)合材料樹脂基體存在高黏度、高加工溫度以及高成型壓力等缺點(diǎn)。以目前航空構(gòu)件主要采用的熱塑性樹脂聚醚醚酮PEEK為例，作為半結(jié)晶性樹脂基體，其加工溫度必須達(dá)到其熔點(diǎn)Tm以上。PEEK的熔融溫度達(dá)到了334°C。這對鋪放設(shè)備的熱源提出了極高的要求。另一方面，鋪放成型的高效特征與熱塑性復(fù)合材料界面需要足夠的時(shí)間來完成充分的結(jié)合存在矛盾，從而限制了自動(dòng)鋪放的速度，根據(jù)現(xiàn)有報(bào)告，采用激光作為熱源的碳纖維/PEEK自動(dòng)鋪放成型的速度最高只能達(dá)到6m/min，且相比于熱壓罐成型，其鋪層界面層間強(qiáng)度僅為熱壓罐固化的85%-90%。為滿足航空航天對性能的要求，一般采用熱壓罐后固化的方式來進(jìn)一步提高構(gòu)件的性能。
[0005]中國專利ZL200810235373.UZL201410597312.5涉及了復(fù)合材料構(gòu)件的鋪放方法和裝置，但是其并不適用于成型小曲率的熱塑性復(fù)合材料構(gòu)件的鋪放，其鋪放速度也較慢，熱塑性復(fù)合材料界面強(qiáng)度也不能滿足航空航天對性能的要求。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0006]為解決現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明的目的在于提供一種快速自動(dòng)鋪放熱塑性復(fù)合材料構(gòu)件的裝置及方法。以解決針對大尺寸小曲率類的熱塑性復(fù)合材料構(gòu)件，現(xiàn)有技術(shù)難以在提高復(fù)合材料自動(dòng)鋪放效率，同時(shí)滿足航空航天對性能的要求的技術(shù)問題。
[0007]為了實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)，本發(fā)明采用如下的技術(shù)方案:
[0008]—種快速自動(dòng)鋪放熱塑性復(fù)合材料構(gòu)件的裝置，其特征在于，包括:用于牽引熱塑性預(yù)浸帶的送料裝置、用于將送料裝置提供的熱塑性預(yù)浸帶進(jìn)行鋪放的成型裝置、用于對由成型裝置鋪放的熱塑性預(yù)浸帶進(jìn)行超聲加熱的超聲加熱裝置，送料裝置、成型裝置、超聲加熱裝置均設(shè)置在鋪放模具上。
[0009]前述的快速自動(dòng)鋪放熱塑性復(fù)合材料構(gòu)件的裝置的一種快速自動(dòng)鋪放熱塑性復(fù)合材料構(gòu)件的方法，其特征在于，包括如下步驟:
[0010]步驟一:熱塑性預(yù)浸帶從送料裝置牽引出來后，由成型裝置將熱塑性預(yù)浸帶鋪設(shè)在鋪放模具或已鋪放預(yù)浸帶的表面；
[0011 ]步驟二:超聲加熱裝置對已經(jīng)鋪放的預(yù)浸帶進(jìn)行超聲加熱；
[0012]步驟三:重復(fù)步驟一和步驟二，直至整個(gè)熱塑性復(fù)合材料構(gòu)件完全成形；
[0013]步驟四:將已經(jīng)成型的熱塑性復(fù)合材料構(gòu)件進(jìn)行整體加壓加熱，再進(jìn)行固化處理，完成熱塑性復(fù)合材料構(gòu)件的制備。
[0014]前述的一種快速自動(dòng)鋪放熱塑性復(fù)合材料構(gòu)件的方法，其特征在于，所述步驟二包括:每間隔一定的距離S，超聲加熱裝置按照預(yù)先設(shè)定的固結(jié)點(diǎn)對預(yù)浸料施加壓力及超聲振動(dòng)。
[0015]前述的一種快速自動(dòng)鋪放熱塑性復(fù)合材料構(gòu)件的方法，其特征在于，所述步驟二中的超聲加熱包括:超聲振動(dòng)頻率為20kHz，振幅為0.15μπι，維持作用時(shí)間為2s。
[0016]前述的一種快速自動(dòng)鋪放熱塑性復(fù)合材料構(gòu)件的方法，其特征在于，所述步驟四中的固化處理包括:固化溫度為360°C，固化壓力1.2MPa，保溫時(shí)間lOmin，升溫和降溫速率為 2°C/min0
[0017]本發(fā)明的有益之處在于:本發(fā)明利用超聲加熱實(shí)現(xiàn)熱塑性復(fù)合材料非原位固結(jié)的優(yōu)點(diǎn)在于:(I)超聲加熱屬于體加熱、屬于高效加熱方式，可實(shí)現(xiàn)熱塑性復(fù)合材料的100%界面強(qiáng)度；(2)采用非連續(xù)原位固結(jié)成型的方式實(shí)現(xiàn)了大型構(gòu)件的高效鋪放，可以極大的節(jié)約鋪放成型的時(shí)間，提高效率；(3)采用熱壓后固化的方式可以提高界面結(jié)合，通過控制半結(jié)晶性熱塑性樹脂的冷卻過程，實(shí)現(xiàn)結(jié)晶度與晶粒尺寸的控制，優(yōu)化構(gòu)件性能。
【附圖說明】
[0018]圖1是本發(fā)明一種快速自動(dòng)鋪放熱塑性復(fù)合材料構(gòu)件的裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0019]圖2是本發(fā)明一種快速自動(dòng)鋪放熱塑性復(fù)合材料構(gòu)件的方法的流程圖。
[0020]圖中附圖標(biāo)記的含義:
[0021 ] 1、料盤，2、預(yù)浸帶，3、送料輥，4、壓輥，5、電機(jī)，6、超聲加熱裝置，7、已鋪放預(yù)浸帶，
8、鋪放模具。
【具體實(shí)施方式】
[0022]以下結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對本發(fā)明作具體的介紹。
[0023]參照圖1所示，本發(fā)明的一種快速自動(dòng)鋪放熱塑性復(fù)合材料構(gòu)件的裝置，包括:用于牽引熱塑性預(yù)浸帶的送料裝置、用于將送料裝置提供的熱塑性預(yù)浸帶進(jìn)行鋪放的成型裝置、用于對由成型裝置鋪放的熱塑性預(yù)浸帶進(jìn)行超聲加熱的超聲加熱裝置，送料裝置、成型裝置、超聲加熱裝置均設(shè)置在鋪放模具上。進(jìn)一步，具體來說，送料裝置，包括料盤1、一對送料輥3;成型裝置，包括壓輥4、超聲加熱裝置6和電機(jī)5;以及預(yù)浸帶2、已鋪放預(yù)浸帶7和鋪放模具8。本發(fā)明利用超聲振動(dòng)實(shí)現(xiàn)熱塑性預(yù)浸料在模具表面的快速定位及貼合，實(shí)現(xiàn)大尺寸小曲率構(gòu)件的快速成形，最終通過后固化實(shí)現(xiàn)高性能熱塑性復(fù)合材料構(gòu)件的成型。采用傳統(tǒng)自動(dòng)鋪放工藝，在鋪帶頭的作用下按照設(shè)計(jì)的軌跡，實(shí)現(xiàn)預(yù)浸帶在模具表面的鋪敷;在此基礎(chǔ)上，附加一道工序，采用超聲裝置，按照預(yù)設(shè)的位置，對預(yù)浸帶進(jìn)行加壓、超聲加熱，實(shí)現(xiàn)預(yù)浸帶與模具以及預(yù)浸帶之間的精準(zhǔn)定位以及貼合，形成一個(gè)整體，為熱壓后固化工藝提供符合要求，具有精準(zhǔn)鋪層角度和幾何外形的熱塑性復(fù)合材料預(yù)制件。首先通過鋪放頭的送料裝置，沿著被鋪放模具表面按照預(yù)設(shè)的軌跡進(jìn)行連續(xù)鋪放，同時(shí)每間隔一定的距離S，利用進(jìn)給裝置帶動(dòng)超聲加熱裝置，按照預(yù)先設(shè)定的固結(jié)點(diǎn)對預(yù)浸料施加壓力及超聲振動(dòng)，具體的超聲工藝參數(shù)取決于熱塑性預(yù)浸料的基體樹脂性能。
[0024]利用超聲加熱實(shí)現(xiàn)固結(jié)點(diǎn)的快速界面結(jié)合，同時(shí)達(dá)到100%結(jié)合強(qiáng)度，控制復(fù)合材料構(gòu)件的鋪層方向及幾何外形尺寸。熱塑性復(fù)合材料構(gòu)件整體成形后，通過熱壓后固化，控制壓力和溫度，實(shí)現(xiàn)界面的充分浸潤與界面分子鏈的擴(kuò)散和纏結(jié)，提高整體的界面結(jié)合強(qiáng)度;控制冷卻速率，調(diào)節(jié)半結(jié)晶性熱塑性樹脂的冷卻結(jié)晶過程，控制結(jié)晶度和晶粒尺寸，實(shí)現(xiàn)性能的優(yōu)化。
[0025]如圖2，本發(fā)明的一種快速自動(dòng)鋪放熱塑性復(fù)合材料構(gòu)件的方法包括如下步驟:
[0026]步驟一:熱塑性預(yù)浸帶從送料裝置牽引出來后，由成型裝置將熱塑性預(yù)浸帶鋪設(shè)在鋪放模具或已鋪放預(yù)浸帶的表面；
[0027]步驟二:超聲加熱裝置對已經(jīng)鋪放的預(yù)浸帶進(jìn)行超聲加熱；
[0028]以碳纖維/PEEK預(yù)浸帶的成型為例，本發(fā)明工作時(shí)，首先在送料輥3的作用下將熱塑性預(yù)浸帶2從料盤I中牽引出來;在壓輥4的作用下按照預(yù)設(shè)的軌跡鋪放在鋪放模具8或已鋪放預(yù)浸帶7的表面，然后超聲加熱裝置6在電機(jī)5的作用下在預(yù)浸料表面產(chǎn)生壓力，同時(shí)進(jìn)行超聲加熱，其中超聲振動(dòng)頻率為20kHz，振幅為0.15μπι維持作用時(shí)間為2s，使得在固結(jié)點(diǎn)的預(yù)浸帶的界面形成完整的貼合，實(shí)現(xiàn)預(yù)浸帶鋪層方向的精準(zhǔn)定位。當(dāng)非連續(xù)固結(jié)點(diǎn)的間距s為Im時(shí)，整個(gè)鋪放速率理論值可以達(dá)到30m/min，與熱固性復(fù)合材料的鋪放速率相當(dāng)。
[0029]步驟三:重復(fù)步驟一和步驟二，直至整個(gè)熱塑性復(fù)合材料構(gòu)件完全成形；
[0030]通過上述步驟完成單層預(yù)浸料的鋪放定位成形后，重復(fù)進(jìn)行第二層的鋪放，直至整個(gè)熱塑性復(fù)合材料構(gòu)件完全成形。
[0031]步驟四:將已經(jīng)成型的熱塑性復(fù)合材料構(gòu)件進(jìn)行整體加壓加熱，再進(jìn)行固化處理，完成熱塑性復(fù)合材料構(gòu)件的制備。
[0032]最后整體加壓加熱進(jìn)行后固化處理(固化溫度為360°C，固化壓力1.2MPa，保溫時(shí)間lOmin，升溫和降溫速率為2°C/min)，實(shí)現(xiàn)大尺寸小曲率的熱塑性復(fù)合材料構(gòu)件的高效制備。
[0033]本發(fā)明針對大尺寸小曲率類的熱塑性復(fù)合材料構(gòu)件，提出采用非連續(xù)原位固結(jié)自動(dòng)鋪放成型方式，結(jié)合后固化的方式來提高復(fù)合材料自動(dòng)鋪放效率，同時(shí)滿足航空航天對性能的要求。綜合對比幾種常規(guī)加熱方式:熱風(fēng)、紅外、激光以及超聲振動(dòng)，其中超聲振動(dòng)加熱機(jī)理屬于體加熱，具有快速以及周期短等突出優(yōu)點(diǎn)，適合作為熱源實(shí)現(xiàn)固結(jié)點(diǎn)的快速原位非連續(xù)固結(jié)。
[0034]超聲加熱的工藝參數(shù)取決于熱塑性復(fù)合材料基體樹脂的類型，通過調(diào)節(jié)超聲頻率、功率、幅值以及壓力、作用時(shí)間等實(shí)現(xiàn)熱塑性預(yù)浸料的非連續(xù)原位固結(jié)，實(shí)現(xiàn)預(yù)浸帶的鋪層方向以及幾何外形的精準(zhǔn)控制。
[0035]可見，本發(fā)明利用超聲加熱實(shí)現(xiàn)熱塑性復(fù)合材料非原位固結(jié)的優(yōu)點(diǎn)在于:(I)超聲加熱屬于體加熱、屬于高效加熱方式，可實(shí)現(xiàn)熱塑性復(fù)合材料的100%界面強(qiáng)度；(2)采用非連續(xù)原位固結(jié)成型的方式實(shí)現(xiàn)了大型構(gòu)件的高效鋪放，可以極大的節(jié)約鋪放成型的時(shí)間，提高效率；(3)采用熱壓后固化的方式可以提高界面結(jié)合，通過控制半結(jié)晶性熱塑性樹脂的冷卻過程，實(shí)現(xiàn)結(jié)晶度與晶粒尺寸的控制，優(yōu)化構(gòu)件性能。
[0036]以上顯示和描述了本發(fā)明的基本原理、主要特征和優(yōu)點(diǎn)。本行業(yè)的技術(shù)人員應(yīng)該了解，上述實(shí)施例不以任何形式限制本發(fā)明，凡采用等同替換或等效變換的方式所獲得的技術(shù)方案，均落在本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種快速自動(dòng)鋪放熱塑性復(fù)合材料構(gòu)件的裝置，其特征在于，包括:用于牽引熱塑性預(yù)浸帶的送料裝置、用于將送料裝置提供的熱塑性預(yù)浸帶進(jìn)行鋪放的成型裝置、用于對由成型裝置鋪放的熱塑性預(yù)浸帶進(jìn)行超聲加熱的超聲加熱裝置，送料裝置、成型裝置、超聲加熱裝置均設(shè)置在鋪放模具上。2.基于權(quán)利要求1所述的快速自動(dòng)鋪放熱塑性復(fù)合材料構(gòu)件的裝置的一種快速自動(dòng)鋪放熱塑性復(fù)合材料構(gòu)件的方法，其特征在于，包括如下步驟: 步驟一:熱塑性預(yù)浸帶從送料裝置牽引出來后，由成型裝置將熱塑性預(yù)浸帶鋪設(shè)在鋪放模具或已鋪放預(yù)浸帶的表面； 步驟二:超聲加熱裝置對已經(jīng)鋪放的預(yù)浸帶進(jìn)行超聲加熱； 步驟三:重復(fù)步驟一和步驟二，直至整個(gè)熱塑性復(fù)合材料構(gòu)件完全成形； 步驟四:將已經(jīng)成型的熱塑性復(fù)合材料構(gòu)件進(jìn)行整體加壓加熱，再進(jìn)行固化處理，完成熱塑性復(fù)合材料構(gòu)件的制備。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種快速自動(dòng)鋪放熱塑性復(fù)合材料構(gòu)件的方法，其特征在于，所述步驟二包括:每間隔一定的距離s，超聲加熱裝置按照預(yù)先設(shè)定的固結(jié)點(diǎn)對預(yù)浸料施加壓力及超聲振動(dòng)。4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種快速自動(dòng)鋪放熱塑性復(fù)合材料構(gòu)件的方法，其特征在于，所述步驟二中的超聲加熱包括:超聲振動(dòng)頻率為20kHz，振幅為0.15，維持作用時(shí)間為2s。5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種快速自動(dòng)鋪放熱塑性復(fù)合材料構(gòu)件的方法，其特征在于，所述步驟四中的固化處理包括:固化溫度為360°C，固化壓力1.2MPa，保溫時(shí)間lOmin，升溫和降溫速率為2°C/min。
【文檔編號】B29C70/34GK105904739SQ201610225226
【公開日】2016年8月31日
【申請日】2016年4月12日
【發(fā)明人】李勇, 褚奇奕, 還大軍, 肖軍
【申請人】南京航空航天大學(xué)