CN102049865A

CN102049865A - 一种多丝束纤维预浸铺放设备

Info

Publication number: CN102049865A
Application number: CN2010105411670A
Authority: CN
Inventors: 杨涛; 高殿斌; 徐大华; 葛邦
Original assignee: Tianjin Polytechnic University
Current assignee: Tianjin Polytechnic University
Priority date: 2010-11-12
Filing date: 2010-11-12
Publication date: 2011-05-11

Abstract

本发明公开了一种多丝束纤维预浸铺放设备，包括格栅；多丝束纱筒安装部分；张力调节部分；浸胶部分；含胶量控制部分；同步运动部分；铺放部分。首先将配制基体胶液放入胶槽，多丝束纤维筒纱固定于旋转活动支架上，多丝束纤维经过格栅排列整齐，然后经过张力三辊，由张力传感器测量并控制纤维铺放张力。其后多丝束纤维再经过胶槽浸胶，由挤胶辊将过多的胶体挤出，经过浸胶的多丝束纤维经过一个格栅排列成一个宽幅预浸料，最后经过铺放头铺放将形成复合材料构件。该方法集多丝束纤维浸胶、铺放于一体，提高铺放效率，同时纤维张力均匀，铺放精度高，含胶量控制在2％以内。

Description

一种多丝束纤维预浸铺放设备

技术领域

本发明涉及一种多丝束纤维预浸铺放设备。特别是玻璃纤维和碳纤维预浸铺放方法及设备，用于制造复合材料构件。

背景技术

近年来各种复合材料低成本制造技术应运而生，如渗透成型技术、低温低压固化技术、电子束固化技术、新型缠绕技术、复合材料纤维铺层技术等。其中复合材料铺层技术是近年来发展最快、最有效的自动化成型制造技术之一，在降低制造成本和提高复合材料性能方面显示出了极为突出的优越性和极大的潜力。复合材料铺层成型技术主要应用于航空构件。复合材料铺层成型由铺层机器人按结构所确定的铺层方向和铺层厚度，用多自由度的铺层头将多组纤维预浸带自动铺层在芯模表面，铺层过程中同时加热软化预浸带，压实形成制品型面。铺层成型对复合材料构件的适应性强。自动铺带高效、高质量，但由于采用宽带(75～300mm)和单自由度铺层头，不能完成复杂曲面、变厚度、加筋等成型，目前多用于大壁板、机翼等小曲率航空构件成型。复合材料铺层成型技术由于采用预浸料和低张力不受落纱稳定性的约束，可以根据设计要求选择铺层方向；由于每根丝束具有单独增加和切断功能，不受周期性约束，可以实现形体和各种铺层设计；由于采用压辊成型既可以实现任意曲面的成型又可以保证成型动力载荷自动可控，提高制品质量。由于铺层头采用多自由度机器人系统，不仅可以制造复杂型面的复合材料构件、完成对铺层进行剪裁以适应局部加厚/混杂、铺层递减以及开口铺层等多方面的需要，满足各种设计要求，而且具有表面光洁、精度高、速度快、质量稳定性能好的优点。特别适合于航空航天复合材料结构小批量、高精度要求，实现柔性制造。对于热固性复合材料体系，成型后既可以采用传统方法放入热压罐固化，也可以与电子束固化技术相结合，边铺层边固化从而取消热压罐；对于热塑性复合材料体系，一般在铺层过程中直接加热固结成型，这对低成本制造技术具有极大的吸引力。

CN200710308159.X公开了一种用纤维铺放技术制造树脂基复合材料构件的方法和设备。该方法和设备采用纤维铺放技术，使用压紧机构将纤维铺放层铺放在芯模表面，可以解决传统缠绕设备不能制造负曲率型面构件和非回转体类构件的问题。同时采用原位瞬时分层辐射固化以消除纤维铺层中张力对产品形状的影响，以及采用热压罐固化处理而带来的热变形大，容易产生裂纹，构件大小受热压罐容积限制，生产成本高、生产周期长问题与缺陷。该设备以工业机器人作为制造主体，改善了现今的铺放设备缺乏制造更加复杂型面的灵活性，和其结构复杂等问题。CN200810235374.6公开了一种复合材料组合铺放法及专用组合铺放头。其特征在于包括以下过程：使铺带过程与铺丝过程复合，利用同一台运动控制器同时实现铺放头和铺丝头的运动控制；在实际加工中，可以根据需要选择铺带，或铺丝，或同时进行铺带和铺丝。专用组合铺放头，其特征在于：包括铺带机构、通过定位螺栓和螺母分别固定在铺带机构两侧的两个单边铺丝头，三者在空间上不相互干涉；两个铺丝头之间的距离通过定位螺栓螺母调节，距离与铺带宽度相等。本发明使一台设备同时兼具铺放和铺丝的功能，相比同时购置铺放和铺丝设备，它不仅大大节省了设备成本，而且能解决单凭铺放或铺丝不能够解决的问题。CN 200810235373.1公开了一种复合材料预成型铺放法。其特征在于包括以下过程：(1)首先对复合材料铺放带开卷，剥离铺放带上的纸和膜；(2)接下来运行切割轨迹控制程序，利用超声振动刀将铺放带剪切成预设计的形状，将切割下的废料取出后；(3)对剪切好的铺放带贴纸贴膜、挤压缠绕成卷，以便保存或安装到铺放头上进行铺放。本发明可切割出各种复杂形状的铺放带，能够满足各种异型芯模铺放成型的需要。

先进复合材料成型技术逐步实现由手糊到机械化自动化的转变。目前还未见一种多丝束纤维预浸铺放设备相关报道。本发明涉及一种多丝束纤维预浸铺放方法及设备。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明拟解决的技术问题是：提供一种多丝束纤维预浸铺放设备，该设备集多丝束纤维浸胶、铺放于一体，提高铺放效率，同时纤维张力均匀，铺放精度高，含胶量控制在2％以内。

按照本发明通过一种具有权利要求1特征达到该目的。通过诸从属权利要求的特征和特征组合阐明本发明。

如图1，首先根据不同的复合材料基体及其应用的不同，合理配制基体胶液，放入纤维经过的路径上的胶槽(1-5)，胶槽的位置放置在张力传感器之后。多丝束纤维筒纱(1-3)固定于旋转活动支架上，纱筒采用胶圈摩擦的方式来进行固定，多筒纱在张力调节采用了同轴拉力张紧调节的方式，用伺服电机带动蜗轮蜗杆同轴调节，由伺服电机通过蜗轮减速器带动连杆(1-2)同步的使三个纱筒摩擦制动机构同时运动，达到同时调节张力的效果。纤维丝束经过张力三辊(1-4)和胶槽浸胶，张力传感器在胶槽位置之前，既满足预浸料浸胶要求，又使张力传感器能更好的工作在干纤维部分，多丝束纤维经过张力三辊测量并实施纤维铺放张力控制。多丝束纤维必须经过两道挤胶装置(1-6)将过多的胶体挤出，以控制多丝束纤维预浸复合材料的含胶量。经过浸胶的多丝束纤维经过一个格栅(1-7)排列成一个宽幅预浸料，最后经过缠绕滚缠绕铺放形成预浸布，最后经过铺放头铺放将形成将环形预浸布或复合材料构件(1-8)。

多丝束纤维预浸铺放设备纱筒安装部分采用胶圈摩擦的方式来进行固定，张力调节采用了同轴拉力张紧调节的方式，在张力调节中原动机构采用伺服电机带动蜗轮蜗杆同轴调节，由张力传感器反馈回来的信号通过伺服电机带动蜗轮减速器及连杆同步，使三个纱筒摩擦制动机构同时运动，达到同时调节张力的效果。

含胶量控制部分由一个精密丝杠调节上部挤胶辊，保证上、下挤胶辊间隙。挤胶机构与光栅尺检测机构联动进行测量和控制。

附图说明

以下借助实施例参照附图说明本发明的实施设备。其中：

图1本发明的多丝束纤维预浸铺放设备实施例的示意图；

图2本发明的丝束纤维预浸铺放设备中多丝束纱筒安装部分的示意图；

图3本发明的丝束纤维预浸铺放设备中含胶量控制部分的示意图；

具体实施方式

如图2，纱筒(2-3)采用胶圈摩擦的方式来进行固定，这样的固定方式节约了成本，在运转过程中还能达到减小噪音的效果，达到了使用要求。多筒纱在张力调节采用了同轴拉力张紧调节的方式，既保证了张力调节的同步，同时由于这部分的结构是在运动平台上的。为了满足快速精确地张力调节的目的，张力调节原动机构采用伺服电机(2-6)带动蜗轮蜗杆(2-5)同轴调节，实现张力的快速可调。由伺服电机通过蜗轮减速器带动连杆(2-7)同步的使三个纱筒摩擦制动机构(2-2)同时运动，达到同时调节张力的效果。同时，在每个制动调节机构的下面，都有一个可调节的调节螺栓(2-4)，同步的张力调节要求每个纱筒具有近似的制动力，调节螺栓的伸长，便可调节每个纱筒，最终使其制动力相同。在使用单筒铺放时，调节螺栓拨到适量系统便可以自动满足要求。多丝束纱筒安装部分固定在支架(2-1)上。

浸胶部分设计沉浸式密闭浸胶槽，纤维(3-1)经过浸胶槽浸胶(3-2)，浸胶槽包括两或多组直径不同的金属浸胶辊。该浸胶槽主要是针对溶液式浸胶方式所设计的，并对于所采用的不同树脂体系，能够实现上、下两种浸胶方式，并可独立更换可调温度的水浴恒温浸胶槽。

含胶量控制部分上挤胶辊(3-5)固定在下板(3-4)上，下挤胶辊(3-6)固定在下板(3-7)上保持不动，，由一个旋钮带动精密丝杠(3-8)调节上部挤胶辊(3-6)位置保证上、下挤胶辊间隙。挤胶机构与光栅尺(3-3)检测机构联动进行测量和控制上、下挤胶辊间隙。

先进复合材料成型技术逐步实现由手糊到机械化自动化的转变。复合材料自动铺层成型同一般的机械加工不同，复合材料自动铺层用铺层头将复合材料一层一层铺放在芯模表面，是一种新型刚柔耦合制造模式。该方法和设备集多丝束纤维浸胶、铺放于一体，提高铺放效率，同时纤维张力均匀，铺放精度高，含胶量控制在2％以内。

Claims

1.本发明公开一种多丝束纤维预浸铺放设备，其特征在于，该设备包括(1)多丝束纱筒安装部分；(2)张力调节部分；(3)浸胶部分；(4)含胶量控制部分；(5)格栅部分；(6)同步运动部分；(7)铺放部分。

2.按照权利要求1所述的多丝束纤维预浸铺放设备，其特征在于，所述的多丝束纱筒安装部分包括(1)纱筒采用胶圈摩擦的方式来进行固定；(2)多筒纱在张力调节采用了同轴拉力张紧调节方式；(3)张力调节原动机构采用伺服电机带动蜗轮蜗杆同轴调节，由伺服电机通过蜗轮减速器带动连杆同步的使三个纱筒摩擦制动机构同时运动，达到同时调节张力的效果；(4)每个制动调节机构的下面，都有一个可调节的调节螺栓，同步的张力调节要求每个纱筒具有近似的制动力，调节螺栓的伸长，便可调节每个纱筒，最终使其制动力相同。

3.按照权利要求1所述的多丝束纤维预浸铺放设备，其特征在于胶槽的位置放置在张力传感器之后，既满足预浸料浸胶要求，又使张力传感器能更好的工作在干纤维部分，多丝束纤维经过张力三辊测量并实施纤维铺放张力控制。

4.按照权利要求1所述的多丝束纤维预浸铺放设备，其特征在于，所述的含胶量控制部分(1)由一个精密丝杠调节上部挤胶辊，保证上、下挤胶辊间隙；(2)考虑挤胶控制与测量，挤胶机构与光栅尺检测机构联动。

5.按照权利要求1所述的多丝束纤维预浸铺放设备，其特征在于多丝束纤维必须经过两道挤胶装置将过多的胶体挤出，以控制多丝束纤维预浸复合材料的含胶量。

6.按照权利要求1所述的多丝束纤维预浸铺放方法，其特征在于多丝束纤维经过浸胶的多丝束纤维经过格栅排列成一个宽幅预浸料，提高铺放效率。