CN101786327B - 一种旋转式湿法原位固化纤维铺放方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种旋转式湿法原位固化纤维铺放方法及装置。该方法应用于树脂基复合材料构件制造领域，是通过旋转式铺放装置将浸润有树脂的湿纤维束直接铺放在芯模表面，经过压紧、固化以形成复合材料构件。实现该方法的铺放装置包括：机架(1)，旋转铺放机构(2)，纤维浸胶机构(3)，夹持机构(4)，剪切机构(5)，固化机构(6)。机架是铺放装置的基础构件。纤维浸胶机构将干纤维束浸润上一定含量的树脂，旋转铺放机构在剪切机构及夹持机构的配合下将浸润有树脂的湿纤维束铺放在芯模表面，固化机构对铺放在芯模表面的湿纤维束进行固化。该方法及装置提高了湿法铺放工艺的自动化程度，取消了预浸带制作流程，具有高效、环保等优点。

Description

一种旋转式湿法原位固化纤维铺放方法及装置

技术领域：

本发明专利涉及树脂基复合材料制造领域，用于纤维铺放设备中，是一种采用湿法工艺制造树脂基复合材料构件的自动化装置。

背景技术：

纤维铺放装置主要应用于制造航空航天，船舶，汽车等工业领域中的有特殊要求的产品零件。所制造出的树脂基纤维增强复合材料产品具有比强度高、比模量高、耐腐蚀、耐疲劳、抗蠕变、导电、导热和热膨胀系数小等一系列优异性能。

纤维预浸带(窄带)铺放技术是制造复合材料构件的主要方法之一，使用该技术制造复合材料构件首先需要制作预浸带，然后通过纤维铺放机将预浸带铺放在芯模表面，再结合热压罐技术制造出复合材料构件。预浸带的制作需要专门的工艺装备，制作工艺复杂，制造费用高昂。制作出的预浸带需要专门的保存环境，且保质期较短，容易失效，这对预浸带的运输、存储、使用都提出了较高的要求。同时，预浸带在制作过程中通过添加溶剂(溶液浸渍法)来制作预浸带，在制作的后期需要通过加热使溶剂挥发，或者采用加热树脂(热熔浸渍法)来制作预浸带，这些方法都容易产生环境污染。

在采用纤维预浸带(窄带)铺放技术制造复合材料构件的过程中，由于预浸带在其宽度方向的自由度受到限制，容易产生褶皱，从而不能在铺放路径中任意变换角度，限制纤维铺放技术的应用。

树脂基复合材料构件的湿法制造工艺主要应用于手糊成型和纤维缠绕成型。手糊成型劳动强度大，构件质量不稳定。纤维缠绕不能制造具有负曲率的型面和非回转体类零件，其应用受到很大限制。

目前的湿法铺放工艺由于树脂具有较高的粘性和纤维束比较柔软，不能将浸润有树脂的湿纤维束采用自动化的方式连续铺放至芯模表面。为了满足我国各行各业对复合材料构件的需求，研究高自动化程度，低成本，环保的复合材料构件制造装置已经成为亟待解决的问题。

发明内容：

针对上述现有技术存在的缺陷或不足，本发明目的是提供一种旋转式湿法原位固化纤维铺放头装置，该装置应用湿法工艺，无需专门制作纤维预浸带，节省了制作预浸带所需的装备，简化了工艺，降低了成本。在复合材料构件的制造过程中直接制作具有一定树脂含量的湿纤维束，即作即用，取消了预浸带的制造环节，避免了由于预浸带的失效导致的浪费现象和质量问题，也避免了专门制作预浸带时产生的环境污染。而且，湿法铺放时湿纤维束中纤维丝的自由度大，使纤维束在铺放过程中任意变换角度成为可能。该装置采用纤维铺放技术，以自动化的方式将浸润有树脂的湿纤维束铺放至芯模表面，同时具有剪断，夹持，重送，固化等功能，提高了加工效率和加工质量，扩展了加工范围。

为了实现上述任务，本发明采取如下的技术解决方案：

一种旋转式湿法原位固化纤维铺放方法，首先，设置好旋转式铺放装置：所述的铺放装置包括：机架1、旋转铺放机构2、纤维浸胶机构3、夹持机构4、剪切机构5和固化机构6；所述的旋转铺放机构位于机架的中心位置，所述的纤维浸胶机构、剪切机构和固化机构沿纤维束输送方向依次固定在机架上；然后，旋转铺放机构将经过纤维浸胶机构浸润有树脂的湿纤维束铺放至芯模表面，在夹持机构，剪切机构，固化机构的配合下对预浸润纤维束进行夹持、剪断、重送、固化。

一种旋转式湿法原位固化纤维铺放头装置，该装置包括：机架1、旋转铺放机构2、纤维浸胶机构3、夹持机构4、剪切机构5、固化机构6；所述的旋转铺放机构位于机架的中心位置，所述的纤维浸胶机构、剪切机构和固化机构沿纤维束输送方向依次固定在机架上。在铺放时，夹持机构、剪切机构和固化机构沿着纤维束铺放方向依次位于已铺放纤维束表面上方；旋转铺放机构将经过纤维浸胶机构浸润有树脂的湿纤维束铺放至芯模表面，在夹持机构，剪切机构，及固化机构的配合下完成对预浸润纤维束的夹持、剪断、重送、固化。所述的机架1包括：连接法兰1-1，安装支撑机构1-2，端盖1-3，法兰一端连接安装支撑机构，一端连接纤维铺放机体。

所述的旋转铺放机构2包括：电机2-1，带传动装置2-2，电磁离合器2-3，分度装置2-4，同心旋转机构2-5，旋转支架2-6，压辊机构2-7，牵引通道2-8；电机经带传动装置、离合器、分度装置、同心旋转机构与旋转心轴连接，驱动安装在旋转心轴上的旋转支架旋转；电机经带传动装置、同心旋转机构和压辊机构连接，驱动安装在旋转支架端部的压辊机构旋转。

所述的旋转铺放机构2中的分度装置2-4的等分数大于等于三。

所述的旋转铺放机构2中的同心旋转机构2-5包括：外轴承2-5-1，旋转套筒2-5-2，内轴承2-5-3，旋转心轴2-5-4；外轴承安装在机架1上，旋转套筒同外轴承的内圈和内轴承的外圈连接，旋转心轴同内轴承的内圈连接。

所述的旋转铺放机构2中的旋转支架2-6由旋转臂2-6-1和安装孔2-6-2组成，旋转臂沿安装孔圆周方向均布设置；所述旋转臂数量大于等于三，同分度装置2-4的等分数相同。

所述的旋转铺放机构2中的压辊机构2-7包括：压辊体2-7-1，柔性层2-7-2，和树脂清理层2-7-3，压辊体安装在旋转支架的旋转臂端部，由电机2-1带动旋转，柔性层包裹在压辊体外圆柱面上，树脂清理层包裹在部分柔性层外圆柱面上。

所述旋转铺放机构2与机架1底部之间设置有牵引通道2-8；所述牵引通道由安装在相邻旋转臂之间的转动辊2-8-1和相对于转动辊设置的固定在机架上的固定辊2-8-2之间的缝隙构成。

所述的夹持机构4包括静电磁螺线管4-1、永磁片4-2和动电磁螺线管4-3；所述静电磁螺线管安装在机架1上，动电磁螺线管安装在旋转铺放机构2中的旋转臂上，永磁片4-2在静电磁螺线管和动电磁螺线管之间。

所述的夹持机构4包括紫外灯光源4-4和伸缩底板4-5；所述紫外灯光源安装在机架1上，伸缩底板安装在旋转铺放机构2中的旋转臂上。

所述的夹持机构)包括伸缩爪机构4-6，所述伸缩爪机构4-6安装在旋转铺放机构2中的旋转臂上。

所述的剪切机构5由切刀5-1和砧板5-2组成；切刀安装在机架1上，砧板安装在旋转支架端部并与压辊相邻设置，同时随旋转支架一起旋转。

所述的固化机构6安装在机架1上，位于旋转铺放机构2的一侧；所述的固化机构采用紫外光固化装置或者电子束固化装置对复合材料构件进行固化。

该装置的旋转铺放机构将经过纤维浸胶机构的预浸润湿纤维束铺放至芯模表面，在夹持机构，剪切机构，固化机构的配合下完成对预浸润纤维束的夹持、剪断、重送、固化等功能。

和现有技术相比，本发明带来的有益技术效果是：

一、采用湿法工艺方法，简化了预浸带制作工艺，缩短了产品制造周期，降低了成本。

二、复合材料构件制造用湿纤维束即作即用，简化了预浸带的制造环节，避免了由于预浸带的失效导致的浪费现象和质量问题，也避免了专门制作预浸带时产生的环境污染。

三、将湿法工艺和纤维铺放成型技术结合起来，扩大湿法工艺的应用范围，提高湿法工艺的自动化程度，降低了纤维铺放技术的成本。

四、纤维束在铺放过程中纤维丝的自由度大，能够实现纤维束任意定向技术。

五、所用的各种装置都是较成熟的实用技术装置，使本发明较容易实现，且成本合理，可以广泛应用于需要复合材料构件制造的行业。

附图说明：

图1是旋转式湿法铺放头结构示意图。

图2是纤维束在输送过程中的截面变化示意图；其中2-A是纤维束未被铺放的状态；2-B是纤维束被铺放后的状态。

图3是压辊机构和导向机构示意图。

图4是铺放头传动机构示意图。

图5是同心旋转机构示意图。

图6是分度装置所采用的槽轮机构示意图，是图4的左视图。

图7是带传动系统示意图。

图8是采用电磁力夹持纤维束机构示意图。

图9是采用粘接力夹持纤维束机构示意图。

图10是采用机械摩擦力夹持纤维束机构示意图。

图11是伸缩爪松开纤维束过程示意图。

图12是伸缩爪夹持纤维束过程示意图。

具体实施方式：

具体实施方式一：结合图1，图2，图8来说明本实施方式。本实施方式中的铺放头装置包括：机架1，旋转铺放机构2，纤维浸胶机构3，夹持机构4，剪切机构5，固化机构6。该铺放头装置连接在纤维铺放机8上，纤维束9穿过纤维浸胶机构，纤维束输送之前，由夹持机构夹持在A点，开始输送时，在旋转铺放机构的带动下，旋转至B点，然后夹持机构松开，通过压辊将纤维束压紧至芯模7表面，之后，固化机构对已经铺放在芯模表面的纤维束进行固化；当需要剪断时，夹持机构首先在A点夹紧纤维束，然后剪切机构将纤维束剪断，准备进行下一次输送，如此反复，完成纤维束重送，夹持，剪切，压紧，固化功能，完成复合材料构件的铺放加工。剪切机构中的切刀5-1采用合金刀片，砧板5-2采用聚四氟乙烯材料，防止纤维束剪断后和砧板粘连，也可以减轻刀片磨损。固化机构参考专利《一种原位固化纤维铺放紫外LED灯光强均匀性调节装置》，固化光源采用UV-LED光源，或者固化装置采用电子束固化，将电子枪安装固定在机架上，随铺放头一起运动。在A点，纤维束截面形状近似圆形(如图2所示)或者矩形，并列排布在压辊表面，当旋转至B点，纤维束经过压辊压紧后，纤维束截面形状近似为矩形，并列排布，从而形成一条纤维带。

具体实施方式二：结合图1，图3来说明本实施方式。本实施方式中的牵引通道2-8由转动辊2-8-1和固定辊2-8-2组成，转动辊安装在旋转支架上，随旋转支架一起旋转，固定辊安装在机架1上。导向机构的转动辊和固定辊形成一个纤维束输送通道，对纤维束进行引导，使纤维束在输送过程中平稳过渡，不会产生较大的应力集中。

具体实施方式三：结合图1，图3，图4来说明本实施方式。本实施方式中的压辊机构2-7由压辊体2-7-1，柔性层2-7-2，和树脂清理层2-8-3组成。压辊体安装在旋转支架2-6中的旋转支架2-6-2上，由电机2-1带动旋转；柔性层包裹在压辊体外圆柱面上；树脂清理层包裹在柔性层外圆柱面上。柔性包裹层采用硅橡胶材料，具有弹性好，耐腐蚀，防粘等特点。压辊压紧时通过硅橡胶层的变形来确保压辊的可靠压紧。树脂清理层采用化工海绵材料，海绵层覆盖压辊的部分表面，用于吸收压辊表面残留的多余树脂，保持压辊表面整洁。海绵层中可充入丙酮，以增强对压辊表面的清洗效果，同时，海绵层要定期更换，以保证树脂清理的效果。压辊体采用铝合金制造，具有质量轻的优点。

具体实施方式四：结合图1，图4，图5，图6，图7来说明本实施方式。本实施方式是旋转铺放机构2的一部分，包括：电机2-1，带传动装置2-2，电磁离合器2-3，分度装置2-4，同心旋转机构2-5，旋转支架2-6。电机采用步进电机，并采用平带传动装置，如图7中2-2-1所示。离合器采用小型电磁离合器，具有结构紧凑，响应速度快等特点。分度装置采用槽轮机构。当进行重送时，电机旋转，电磁离合器吸合，经平带传动装置、槽轮分度装置、同心旋转机构，带动旋转支架间断旋转。电机一直旋转，通过控制电磁离合器的通断时间来控制旋转支架的运动。当旋转支架处于输送位置时(图1中压辊和芯模接触的位置)，槽轮机构的锁止弧可以防止旋转支架在固定位置的摆动。

具体实施方式五：结合图1，图4，图6，图7来说明本实施方式。本实施方式是旋转铺放机构2的一部分，包括：电机2-1，带传动装置2-2，同心旋转机构2-5，压辊机构2-7。采用具体实施方式四所述的电机，经平带传动装置2-2-4、同心旋转机构2-5、带动三个压辊旋转，其中2-2-3是带传动张紧轮。当压辊旋转时，依靠压辊和芯模间的摩擦力F带动纤维束向前传送(如图6所示)。同时，压辊机构与固化机构之间存在一定的距离，这样一方面可以防止紫外光或者电子束能量辐射到压辊表面，使压辊表面的残留树脂固化和加速压辊的老化；另一方面，通过这段距离可以释放压辊对纤维束进行挤压时所产生的应力，提高复合材料构件成型精度和复合材料构件质量。

具体实施方式六：结合图1，图4，图6来说明本实施方式。本实施方式是机架1，包括连接法兰1-1，安装支撑机构1-2，端盖1-3。法兰采用标准法兰ISO-82，安装支撑机构采用铝合金制造，用于支撑旋转铺放机构和其他部件。端盖采用螺钉1-4固定在安装支撑机构端面，便于拆卸。

具体实施方式七：结合图1来说明本实施方式。本实施方式是纤维浸胶机构3。纤维浸胶机构安装在铺放头上，当纤维束通过纤维浸胶机构后，会浸润有一定含量的树脂。纤维浸胶机构通过加热、加压等方式保证纤维束可靠地浸润上定量的树脂。

具体实施方式八：结合图1，图4，图5来说明本实施方式。本实施方式是同心旋转机构2-5，该机构包括：外轴承2-5-1，旋转套筒2-5-2，内轴承2-5-3，旋转心轴2-5-4。外轴承安装在机架1上，旋转套筒同外轴承的内圈和内轴承的外圈连接，旋转心轴同内轴承的内圈连接。同心旋转机构通过内、外轴承与旋转套筒、旋转心轴的机械配合，可以协调压辊和旋转支架之间的相互运动。外轴承外圈同机架、旋转套筒同外轴承的内圈的机械配合采用过盈配合，使旋转套筒主要由外轴承来支撑；而内轴承外圈同旋转套筒、内轴承内圈同旋转心轴的机械配合均采用间隙配合，尽量减小旋转套筒旋转时对旋转心轴的影响。

具体实施方式九：结合图1，图8来说明本实施方式。本实施方式采用电磁力夹持纤维束。当需要夹持纤维束时，改变静电磁螺线管4-1磁极，使其和永磁片4-2产生排斥力，同时改变动电磁螺线管4-3的磁极，使其和永磁片产生吸引力，从而将纤维束夹持在永磁片和动电磁螺线管之间。当需要松开纤维束时，动电磁螺线管通过再次改变磁极，使其和永磁片之间产生排斥力，从而松开对纤维束的夹持。

具体实施方式十：结合图1，图9来说明本实施方式。本实施方式采用粘结力夹持纤维束。当需要夹持纤维束时，紫外灯光源4-4对排布在伸缩底板4-5上的纤维束进行照射，使纤维束粘结在伸缩底板上。当需要松开纤维束时，伸缩底板抽回，使粘结在底板上的纤维束脱落，从而松开对纤维束的夹持。紫外灯光源采用UV-LED光源。

具体实施方式十一：结合图1，图10，图11，图12来说明本实施方式。本实施方式采用机械摩擦力夹持纤维束。当需要夹持纤维束时，伸缩爪机构4-6缩回，伸缩爪将纤维束抱住，依靠摩擦力将纤维束夹持在旋转臂上。当需要松开纤维束时，伸缩爪伸出，放开对纤维束的夹持。

具体实施方式十二：结合图1，图6，图7来说明本实施方式。本实施方式所采用的槽轮机构，具有分度功能，通过旋转心轴2-5-4同旋转支架2-6连接，带动旋转支架间歇运动。通过槽轮机构的过渡，可以使由同一个电机2-1所驱动的压辊机构和旋转支架旋转方向相反，以保证该铺放头装置的正常工作。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下所做出若干简单的推演或替换都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定专利保护范围。

Claims (9)

1.一种旋转式湿法原位固化纤维铺放方法，其特征在于：首先，设置好旋转式铺放装置，所述的铺放装置包括：机架（1）、旋转铺放机构（2）、纤维浸胶机构（3）、夹持机构（4）、剪切机构（5）和固化机构（6）；所述的旋转铺放机构位于机架的中心位置，所述的纤维浸胶机构、剪切机构和固化机构沿纤维束输送方向依次设置在机架上；然后，旋转铺放机构将经过纤维浸胶机构浸润有树脂的湿纤维束铺放至芯模表面，在夹持机构，剪切机构，固化机构的配合下对湿纤维束进行夹持、剪断、重送、固化。

2.一种旋转式湿法原位固化纤维铺放头装置，其特征在于，该装置包括：机架（1）、旋转铺放机构（2）、纤维浸胶机构（3）、夹持机构（4）、剪切机构（5）、固化机构（6）；所述的旋转铺放机构位于机架的中心位置，所述的纤维浸胶机构、剪切机构和固化机构沿纤维束输送方向依次设置在机架上；在铺放时，夹持机构、剪切机构和固化机构沿着纤维束铺放方向依次位于已铺放纤维束表面上方；旋转铺放机构将经过纤维浸胶机构浸润有树脂的湿纤维束铺放至芯模表面，在夹持机构，剪切机构，固化机构的配合下完成对湿纤维束的夹持、剪断、重送、固化。

3.如权利要求2所述的一种旋转式湿法原位固化纤维铺放头装置，其特征在于，所述的旋转铺放机构（2）包括：电机（2-1），带传动装置（2-2），电磁离合器（2-3），分度装置（2-4），同心旋转机构（2-5），旋转支架（2-6），压辊机构（2-7），牵引通道（2-8）；电机经带传动装置、电磁离合器、分度装置、同心旋转机构与旋转心轴连接，驱动安装在旋转心轴上的旋转支架旋转；电机经带传动装置、同心旋转机构和压辊机构连接，驱动安装在旋转支架端部的压辊机构旋转。

4.如权利要求3所述的一种旋转式湿法原位固化纤维铺放头装置，其特征在于，所述同心旋转机构（2-5）包括：外轴承（2-5-1），旋转套筒（2-5-2），内轴承（2-5-3），旋转心轴（2-5-4）；外轴承安装在机架（1）上，旋转套筒同外轴承的内圈和内轴承的外圈连接，旋转心轴同内轴承的内圈连接；所述旋转支架（2-6）由旋转臂（2-6-1）和安装孔（2-6-2）组成，旋转臂沿安装孔圆周方向均布设置；所述旋转臂数量大于等于三，同分度装置（2-4）的等分数相同；所述压辊机构（2-7）包括：压辊体（2-7-1），柔性层（2-7-2），和树脂清理层（2-7-3），压辊体安装在旋转支架的旋转臂端部，由电机（2-1）带动旋转，柔性层包裹在压辊体外圆柱面上，树脂清理层包裹在部分柔性层外圆柱面上。

5.如权利要求3所述一种旋转式湿法原位固化纤维铺放头装置，其特征在于：所述旋转铺放机构（2）与机架（1）底部之间设置有牵引通道（2-8）；所述牵引通道由安装在相邻旋转臂之间的转动辊（2-8-1）和相对于转动辊设置的固定在机架上的固定辊（2-8-2）之间的缝隙构成。

6.如权利要求3所述一种旋转式湿法原位固化纤维铺放头装置，其特征在于：所述的夹持机构（4）包括静电磁螺线管（4-1）、永磁片（4-2）和动电磁螺线管（4-3）；所述静电磁螺线管安装在机架（1）上，动电磁螺线管安装在旋转铺放机构（2）中的旋转臂上，永磁片（4-2）在静电磁螺线管和动电磁螺线管之间。

7.如权利要求2所述一种旋转式湿法原位固化纤维铺放头装置，其特征在于：所述的夹持机构（4）包括伸缩爪机构（4-6），所述伸缩爪机构（4-6）安装在旋转铺放机构（2）中的旋转臂上。

8.如权利要求2所述的一种旋转式湿法原位固化纤维铺放头装置，其特征在于，所述的剪切机构（5）由切刀（5-1）和砧板（5-2）组成；切刀安装在机架（1）上，砧板安装在旋转支架端部，并与压辊相邻设置，同时随旋转支架一起旋转。

9.如权利要求2所述的一种旋转式湿法原位固化纤维铺放头装置，其特征在于，所述的固化机构（6）安装在机架（1）上，位于旋转铺放机构（2）的一侧；所述的固化机构（6）采用紫外光固化装置或者电子束固化装置对复合材料构件进行固化。

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