CN104354302B - 一种自动化贴膜式铺放复合材料预成型体的装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种自动化贴膜式铺放复合材料预成型体的装置及方法，在机架上设有供给系统、热压辊系统、铺放压紧及压力调整装置及输送导向轮。将供给系统供给的纤维和树脂膜送至热压辊系统压制成半预浸带，然后将半预浸带送至铺放压紧及压力调整装置，由机器人铺放臂带动机架从而带动铺放压紧及压力调整装置将半预浸带铺放在芯模上，并根据需要实时调整铺放压力及铺放路径，得到预成型体。本发明可根据铺放路径需要变化纤维铺放角度，并且可较精确控制复合材料预成型体的纤维与树脂之间比例，减少了预成型体后续加工工序以及材料的浪费，预成型体铺放质量高，与其他复合材料成型工艺兼容性好，能够完成多种不同纤维/树脂体系的预成型体成型。

Description

一种自动化贴膜式铺放复合材料预成型体的装置及方法
技术领域
本发明属于树脂基复合材料制造领域，具体涉及一种自动化贴膜式铺放复合材料预成型体的装置及方法。
背景技术
高性能纤维复合材料的推广，带动了复合材料在越来越多领域里替代原有材料，大大提升了原有构件的性能。与此同时，高性能纤维复合材料的成型技术也在逐步发展——从开始的小型化向大型化过渡，由原有的简单化向复杂化进展。目前成熟的复合材料成型技术是基于预浸带材料的基础之上，在进行手工或自动铺放后加热固化。但是，对于现有的预浸带铺放技术，在铺放过程中存在一些问题难以克服，如对于预浸带材料本身来说，预浸带是由树脂与纤维的复合，存在使用寿命问题，并且为了防止预浸带发生交联反应，需要储存在低温下；在预浸带在铺放过程中，树脂的高粘度会对铺放设备造成污染，损害设备寿命，尤其对于预浸带的成型来说，需要大型的热压罐进行固化，不仅成型效率低，而且设备昂贵；此外，在预浸带成型件的应用方面，对于具有复杂结构的构件，如飞机框架与汽车主体结构，由于预浸带在铺放过程中粘性较大，易出现褶皱、拼接空隙等缺陷，并且在曲率较小的部位，铺放压辊难以对预浸带进行压实，严重影响复合材料成型质量与铺放效率。
除了制备技术的缺陷以外，传统的纤维复合材料层合板通常采用平行顺直纤维铺放形成的复合材料叠层制备，且为了简化设计和施工便利，工程中经常采用0°、±45°和90°的铺层方向，复合材料的设计自由度受到很大限制。
发明内容
本发明的目的在于提供一种自动化贴膜式铺放复合材料预成型体的装置及方法，可实现高效自动化连续纤维铺放预成型体，可以根据铺放路径需要变化铺放角度，预成型体铺放质量高，并且可较精确控制复合材料预成型体的纤维与树脂之间比例，工艺兼容性好，能够完成多种不同纤维/树脂体系的预成型体成型。
为了实现上述目的，本发明采取如下的技术方案：
一种自动化贴膜式铺放复合材料预成型体的装置，包括机架和机器人铺放臂；机架上设有用于供给纤维和带有离型纸的树脂膜的供给系统，用于对供给的纤维进行张力检测的纤维张力传感器，用于将纤维和树脂膜压制成半预浸带的热压辊系统，用于铺放半预浸带的铺放压紧及压力调整装置，用于回收铺放时半预浸带上剥离的离型纸的离型纸回收辊，以及用于输送并导向纤维、树脂膜、半预浸带和离型纸的若干输送导向轮；机器人铺放臂与机架相连，通过机器人铺放臂带动机架，从而调控铺放压紧及压力调整装置铺放半预浸带的角度。
所述的机架包括相互连接固定的连接法兰和安装支撑机构，供给系统、热压辊系统、铺放压紧及压力调整装置、输送导向轮、纤维张力传感器和离型纸回收辊均设置在安装支撑机构上。
所述的供给系统包括用于供给纤维的纤维辊和用于供给树脂膜的树脂膜辊，纤维辊和树脂膜辊分别设置在机架的两侧，纤维辊和树脂膜辊上都安装有伺服电机，纤维和树脂膜的输送线路上均设有线速度传感器，通过线速度传感器测量纤维和树脂膜的送料速度，并通过伺服电机进行调节，使纤维和树脂膜的送料速度相匹配。
纤维的张力通过纤维张力传感器进行测量，并通过纤维辊上的伺服电机对纤维的张力进行调控。
所述的热压辊系统包括相互碾压的压力辊和加热辊；纤维和树脂膜通过压力辊的碾压和加热辊的加热形成半预浸带；其中压力辊由压辊和压力气缸组成，压力气缸与压辊相连并为压辊提供压力；加热辊由加热辊套、硅油和可控温加热棒组成，加热辊套内装有可控温加热棒，且加热辊套与可控温加热棒之间的间隙内填充有硅油；其中压力辊对纤维及树脂膜施加的压力和加热辊的加热温度根据半预浸带的成型需求设定，并分别通过压力气缸和可控温加热棒进行调节并输出。
所述的铺放压紧及压力调整装置包括压头和压头气缸，压头气缸与压头相连，为压头提供压力并进行压力调节；压头的材质为聚四氟乙烯。
所述的离型纸回收辊上配有力矩电机，能够堵转防止纤维拉断，并带动离型纸回收辊对离型纸进行回收。
一种自动化贴膜式铺放复合材料预成型体的方法，包括以下步骤：
1)由供给系统分别供给纤维和带有离型纸的树脂膜，其中纤维先通过输送导向轮输送至纤维张力传感器，经纤维张力传感器检测并调整其张力后，再通过输送导向轮输送至热压辊系统，同时树脂膜直接通过输送导向轮输送至热压辊系统；
2)对于输送至热压辊系统的纤维和树脂膜，在热压辊系统中对其进行加压加热，使纤维与树脂膜融合形成半预浸带，且半预浸带上带有离型纸；
3)半预浸带通过输送导向轮输送至铺放压紧及压力调整装置，由机器人铺放臂带动机架从而带动铺放压紧及压力调整装置将半预浸带铺放在芯模上，并根据需要利用机器人铺放臂调控铺放压紧及压力调整装置铺放半预浸带的角度，直至铺放完成，得到复合材料预成型体；同时半预浸带上的离型纸通过输送导向轮输送至离型纸回收辊，通过离型纸回收辊对离型纸进行回收。
所述的纤维为碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维及超高分子量聚乙烯纤维中的一种或多种纤维的混合物；纤维的形式为不同丝数的纤维丝束或不同面密度、不同编织形式的纤维编织布；树脂膜的面密度和厚度由纤维面密度及预成型件的尺寸决定。
经纤维张力传感器调控后的纤维的张力为0.1～20N；
热压辊系统压制纤维和树脂膜时的压力为0.5MPa～1MPa，加热温度为80℃～130℃；
铺放压紧及压力调整装置铺放半预浸带时的压力为0.3MPa～0.7MPa。
与现有技术相比，本发明带来的有益效果为：
本发明提供的自动化贴膜式铺放复合材料预成型体的装置，包括机架和与机架相连的机器人铺放臂，机架上设有供给系统、纤维张力传感器、热压辊系统、铺放压紧及压力调整装置和输送导向轮，能够通过热压辊系统将纤维和树脂膜热压成半预浸带，再通过铺放压紧及压力调整装置在芯模表面铺放半预浸带，铺放完成后即得到复合材料预成型体；由于机器人铺放臂与机架相连，在铺放半预浸带时，通过机器人铺放臂带动机架，从而可带动并调控铺放压紧及压力调整装置铺放半预浸带的角度，因而能够通过机器人铺放臂对半预浸带的铺放路径进行控制，可实现纤维自动化连续铺放，从而获得高质量的自动化贴膜式铺放复合材料预成型体。
本发明提供的自动化贴膜式铺放复合材料预成型体的方法，通过热压辊系统将纤维和树脂膜热压成半预浸带，再通过铺放压紧及压力调整装置将纤维与树脂膜压制成的半预浸带铺放到芯模表面，并通过机器人铺放臂对半预浸带的铺放路径进行控制，从而获得高质量的自动化贴膜式铺放复合材料预成型体。该方法具有以下优点：
一、可自动化连续铺放纤维以制备预成型体，铺放效率高。
二、可根据铺放路径需要变化纤维铺放角度，预成型体铺放质量高，铺放空隙小，不易发生褶皱。
三、原材料无需特殊的储存环境，可以根据形状进行铺放路径规划，减少对原材料的浪费。
四、可根据成型需要，选择不同的预成型体的后续固化工艺。
五、可较精确控制复合材料预成型体的纤维与树脂之间比例，可完成多种不同纤维/树脂体系的预成型体成型，复合材料的成分设计性强。
六、可根据构件受力情况来设计纤维的取向，实现连续性纤维铺放，最大限度地发挥纤维的承载能力，提高复合材料的结构有效性。
附图说明
图1为本发明的自动化贴膜式铺放复合材料预成型体的装置的机架部分的具体结构示意图；
图2为本发明的自动化贴膜式铺放复合材料预成型体的装置的整体结构示意图；
图3为本发明的自动化贴膜式铺放复合材料预成型体的装置的纤维张力传感器的具体结构示意图；
图4为本发明的自动化贴膜式铺放复合材料预成型体的装置的加热辊的具体结构示意图；
图5为本发明的自动化贴膜式铺放复合材料预成型体的装置的压力辊的具体结构示意图；
其中：1为机架，1-1为连接法兰，1-2为安装支撑机构，2-1为纤维辊，2-2为树脂膜辊，3-1为输送导向轮，3-2为纤维张力传感器，4-1为加热辊，4-1-1为加热辊套，4-1-2为硅油，4-1-3为可控温加热棒，4-2为压力辊，4-2-1为压辊，4-2-2为压力气缸，5-1为压头，5-2为压头气缸，6为离型纸回收辊，7为纤维，8为树脂膜，9为半预浸带，10为机器人铺放臂，11为离型纸，12为线速度传感器。
具体实施方式
以下内容是结合附图和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，还可以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。
具体的，参见图1至图5，本发明提供的自动化贴膜式铺放复合材料预成型体的装置，包括机架1和机器人铺放臂10；机架1包括相互连接固定的连接法兰1-1和安装支撑机构1-2，安装支撑机构1-2上设有用于供给纤维7和带有离型纸的树脂膜8的供给系统，用于对供给的纤维7进行张力检测的纤维张力传感器3-2，用于将纤维7和树脂膜8压制成半预浸带9的热压辊系统，用于铺放半预浸带9的铺放压紧及压力调整装置，用于回收铺放时半预浸带9上剥离的离型纸11的离型纸回收辊6，以及用于输送并导向纤维7、树脂膜8、半预浸带9和离型纸11的若干输送导向轮3-1；机器人铺放臂10与机架1相连，通过机器人铺放臂10带动机架1，从而随时调控铺放压紧及压力调整装置铺放半预浸带9的角度。
其中，供给系统包括用于供给纤维7的纤维辊2-1和用于供给树脂膜8的树脂膜辊2-2，纤维辊2-1和树脂膜辊2-2分别设置在机架的两侧，纤维辊2-1和树脂膜辊2-2上都安装有伺服电机，纤维7和树脂膜8的输送线路上均设有线速度传感器12，通过线速度传感器12测量纤维7与树脂膜8的送料速度，并将线速度相关数据传入到工艺参数控制系统当中，通过伺服电机进行调节，使纤维7与树脂膜8的送料速度相匹配。
纤维7的张力通过纤维张力传感器3-2获得，并传入到工艺参数控制系统当中，通过纤维辊2-1上的伺服电机对纤维的张力进行控制，经调控后的纤维张力为0.1～20N。
热压辊系统包括相互碾压的压力辊4-2和加热辊4-1；纤维7和树脂膜8通过压力辊4-2的碾压和加热辊4-1的加热形成半预浸带9；其中压力辊4-2由压辊4-2-1与压力气缸4-2-2组成，压力气缸4-2-2为压辊4-2-1提供压力，将压辊4-2-1装入到压力气缸4-2-2的下方，通过向压力气缸4-2-2中通气使压辊4-2-1压制纤维与树脂膜；加热辊4-1由加热辊套4-1-1、硅油4-1-2和可控温加热棒4-1-3组成，加热辊套4-1-1内装有可控温加热棒4-1-3，且加热辊套4-1-1与可控温加热棒4-1-3之间的间隙内填充有硅油4-1-2，通过加热可控温加热棒4-1-3使加热辊4-1产生热量，对纤维7和树脂膜8进行加热，其中加热辊套4-1-1由18Ni马氏体时效钢制成，硅油4-1-2采用二甲基硅油。相关压力辊4-2对纤维7及树脂膜8施加的压力与加热辊4-1的加热温度数据参数根据半预浸带9的成型需求进行设定，并由工艺参数控制系统分别通过压力气缸4-2-2与可控温加热棒4-1-3进行调节并输出。根据所选树脂膜种类的不同，热压辊系统压制纤维7和树脂膜8时的压力范围为0.5MPa～1MPa，加热温度范围为50℃～130℃。
铺放压紧及压力调整装置包括压头5-1和压头气缸5-2，将压头5-1装入压头气缸5-2的下方，通过压头气缸5-2为压头5-1提供压力；压头5-1的材质为聚四氟乙烯。压头5-1的压力由工艺参数控制系统通过压头气缸5-2进行调节。铺放压紧及压力调整装置铺放半预浸带9时的压力为0.3MPa～0.7MPa。
离型纸回收辊6设置于树脂膜辊2-2的下方，离型纸回收辊6上配有力矩电机，能够堵转防止纤维拉断，并带动离型纸回收辊6对离型纸11进行回收。
本发明提供的自动化贴膜式铺放复合材料预成型体的方法，包括以下步骤：
1)由供给系统分别供给纤维7和带有离型纸的树脂膜8，其中纤维7先通过输送导向轮3-1输送至纤维张力传感器3-2，经纤维张力传感器3-2检测并调整其张力为0.1～20N后，再通过输送导向轮3-1输送至热压辊系统，同时树脂膜8直接通过输送导向轮3-1输送至热压辊系统，输送过程中通过线速度传感器12检测纤维和树脂膜的送料速度，并调节两者的送料速度相匹配；其中，纤维7为碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维及超高分子量聚乙烯纤维中的一种或多种纤维的混合物；纤维7的形式为不同丝数的纤维丝束或不同面密度、不同编织形式的纤维编织布；树脂膜8的面密度和厚度由纤维面密度及预成型件的尺寸决定。
2)输送至热压辊系统的纤维7和树脂膜8，在热压辊系统中用加热辊4-1和压力辊4-2同时对纤维7和树脂膜8进行加压加热，使纤维与树脂膜融合形成为半预浸带9，且半预浸带9上带有离型纸11；其中压力辊4-2的加压压力为0.5MPa～1MPa，加热辊4-1的加热温度为80℃～130℃；
3)半预浸带9通过输送导向轮3-1输送至铺放压紧及压力调整装置，机器人铺放臂10带动机架从而带动铺放压紧及压力调整装置以0.3MPa～0.7MPa的压力将半预浸带9铺放在芯模上，并根据需要利用机器人铺放臂10随时调控铺放压紧及压力调整装置铺放半预浸带9的角度，直至铺放完成，得到复合材料预成型体；同时半预浸带9上的离型纸11通过输送导向轮3-1输送至离型纸回收辊6，通过离型纸回收辊6对离型纸11进行回收。
经过自动化贴膜式铺放复合材料预成型体的方法铺放得到的预成型体的后续固化工艺，可以为真空辅助树脂传递模塑(VRTEM)、共注射树脂传递模塑(CIRTM)、树脂膜渗透成型(RFI)、西曼复合材料公司树脂渗透成型法(SCRIMP)等。
下面给出两个本发明提供的自动化贴膜式铺放复合材料预成型体的方法的具体铺放实施例。
实施例1
纤维丝数为24k的T700碳纤维与宽度为8mm、厚度为0.1mm、面密度为200g/m2E51双酚A环氧树脂膜由供给系统供给，通过张力控制(0.1N)和输送进入到热压辊系统当中，加热加压(0.5MPa、130℃)使上述干的碳纤维与树脂膜融合，成为具有较大粘度的半预浸带，在热压完成后，半预浸带的离型纸由离型纸回收辊进行回收，半预浸带再输送到铺放压紧及压力调整装置处，通过压制铺放(0.3MPa)半预浸带使碳纤维铺放到芯模表面。在铺放过程中，可通过机器人铺放臂对压头进行铺放角度的控制，实现可变化铺放角度下的半预浸带铺放。经铺放得到的预成型体可经过真空辅助树脂传递模塑进行后续固化。
实施例2
纤维丝数为3k、宽度为10mm、面密度为200g/m2的无捻粗纱玻璃纤维布与宽度为10mm厚度为0.1mm面密度为300g/m2E44双酚A环氧树脂与氰酸酯共混的树脂膜由供给系统供给，通过张力控制(20N)和输送进入到热压辊系统当中，加热加压(1MPa、80℃)使上述干的纤维与树脂膜融合，成为具有较大粘度的半预浸带，在热压完成后，半预浸带的离型纸由离型纸回收辊进行回收，半预浸带再输送到铺放压紧及压力调整装置处，通过压制铺放(0.7MPa)半预浸带使纤维铺放到芯模表面。在铺放过程中，可通过机器人铺放臂对铺放压紧及压力调整装置进行铺放角度的控制，实现可变化铺放角度下的半预浸带铺放。经铺放得到的预成型体可经过真空辅助树脂传递模塑进行后续固化。
相对于现有的预浸带铺放技术，本发明可实现纤维自动化连续铺放，预成型体铺放质量高，铺放空隙小，不易发生褶皱；原材料无需特殊的储存环境，可以根据形状进行铺放路径规划，减少对原材料的浪费；可根据成型需要，选择不同的预成型体的后续固化工艺；此外，本发明公开的自动化贴膜式铺放复合材料预成型体的方法及装置，可以完成多种不同纤维/树脂体系的预成型体成型，复合材料的成分设计性强；可根据构件受力情况来设计纤维的取向，实现连续性纤维铺放，最大限度地发挥纤维的承载能力，提高复合材料的结构有效性。

Claims (10)

1.一种自动化贴膜式铺放复合材料预成型体的装置，其特征在于：包括机架(1)和机器人铺放臂(10)；机架(1)上设有用于供给纤维(7)和带有离型纸的树脂膜(8)的供给系统，用于对供给的纤维(7)进行张力检测的纤维张力传感器(3-2)，用于将纤维(7)和树脂膜(8)压制成半预浸带(9)的热压辊系统，用于铺放半预浸带(9)的铺放压紧及压力调整装置，用于回收铺放时半预浸带(9)上剥离的离型纸(11)的离型纸回收辊(6)，以及用于输送并导向纤维(7)、树脂膜(8)、半预浸带(9)和离型纸(11)的若干输送导向轮(3-1)；机器人铺放臂(10)与机架(1)相连，通过机器人铺放臂(10)带动机架(1)，从而调控铺放压紧及压力调整装置铺放半预浸带(9)的角度。
2.根据权利要求1所述的自动化贴膜式铺放复合材料预成型体的装置，其特征在于：所述的机架(1)包括相互连接固定的连接法兰(1-1)和安装支撑机构(1-2)，供给系统、热压辊系统、铺放压紧及压力调整装置、输送导向轮(3-1)、纤维张力传感器(3-2)和离型纸回收辊(6)均设置在安装支撑机构(1-2)上。
3.根据权利要求1所述的自动化贴膜式铺放复合材料预成型体的装置，其特征在于：所述的供给系统包括用于供给纤维(7)的纤维辊(2-1)和用于供给树脂膜(8)的树脂膜辊(2-2)，纤维辊(2-1)和树脂膜辊(2-2)分别设置在机架(1)的两侧，纤维辊(2-1)和树脂膜辊(2-2)上都安装有伺服电机，纤维(7)和树脂膜(8)的输送线路上均设有线速度传感器(12)，通过线速度传感器(12)测量纤维(7)和树脂膜(8)的送料速度，并通过伺服电机进行调节，使纤维(7)和树脂膜(8)的送料速度相匹配。
4.根据权利要求3所述的自动化贴膜式铺放复合材料预成型体的装置，其特征在于：纤维(7)的张力通过纤维张力传感器(3-2)进行测量，并通过纤维辊(2-1)上的伺服电机对纤维(7)的张力进行调控。
5.根据权利要求1所述的自动化贴膜式铺放复合材料预成型体的装置，其特征在于：所述的热压辊系统包括相互碾压的压力辊(4-2)和加热辊(4-1)；纤维(7)和树脂膜(8)通过压力辊(4-2)的碾压和加热辊(4-1)的加热形成半预浸带(9)；其中压力辊(4-2)由压辊(4-2-1)和压力气缸(4-2-2)组成，压力气缸(4-2-2)与压辊(4-2-1)相连并为压辊(4-2-1)提供压力；加热辊(4-1)由加热辊套(4-1-1)、硅油(4-1-2)和可控温加热棒(4-1-3)组成，加热辊套(4-1-1)内装有可控温加热棒(4-1-3)，且加热辊套(4-1-1)与可控温加热棒(4-1-3)之间的间隙内填充有硅油(4-1-2)；其中压力辊(4-2)对纤维(7)及树脂膜(8)施加的压力和加热辊(4-1)的加热温度根据半预浸带(9)的成型需求设定，并分别通过压力气缸(4-2-2)和可控温加热棒(4-1-3)进行调节并输出。
6.根据权利要求1所述的自动化贴膜式铺放复合材料预成型体的装置，其特征在于：所述的铺放压紧及压力调整装置包括压头(5-1)和压头气缸(5-2)，压头气缸(5-2)与压头(5-1)相连，为压头(5-1)提供压力并进行压力调节；压头(5-1)的材质为聚四氟乙烯。
7.根据权利要求1所述的自动化贴膜式铺放复合材料预成型体的装置，其特征在于：所述的离型纸回收辊(6)上配有力矩电机，能够堵转防止纤维拉断，并带动离型纸回收辊(6)对离型纸(11)进行回收。
8.一种基于权利要求1-7中任意一项所述的装置的自动化贴膜式铺放复合材料预成型体的方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)由供给系统分别供给纤维(7)和带有离型纸的树脂膜(8)，其中纤维(7)先通过输送导向轮(3-1)输送至纤维张力传感器(3-2)，经纤维张力传感器(3-2)检测并调整其张力后，再通过输送导向轮(3-1)输送至热压辊系统，同时树脂膜(8)直接通过输送导向轮(3-1)输送至热压辊系统；
2)对于输送至热压辊系统的纤维(7)和树脂膜(8)，在热压辊系统中对其进行加压加热，使纤维(7)与树脂膜(8)融合形成半预浸带(9)，且半预浸带(9)上带有离型纸(11)；
3)半预浸带(9)通过输送导向轮(3-1)输送至铺放压紧及压力调整装置，由机器人铺放臂(10)带动机架从而带动铺放压紧及压力调整装置将半预浸带(9)铺放在芯模上，并根据需要利用机器人铺放臂(10)调控铺放压紧及压力调整装置铺放半预浸带(9)的角度，直至铺放完成，得到复合材料预成型体；同时半预浸带(9)上的离型纸(11)通过输送导向轮(3-1)输送至离型纸回收辊(6)，通过离型纸回收辊(6)对离型纸(11)进行回收。
9.根据权利要求8所述的自动化贴膜式铺放复合材料预成型体的方法，其特征在于：所述的纤维(7)为碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维及超高分子量聚乙烯纤维中的一种或多种纤维的混合物；纤维(7)的形式为不同丝数的纤维丝束或不同面密度、不同编织形式的纤维编织布；树脂膜(8)的面密度和厚度由纤维面密度及预成型件的尺寸决定。
10.根据权利要求8或9所述的自动化贴膜式铺放复合材料预成型体的方法，其特征在于：经纤维张力传感器(3-2)调控后的纤维(7)的张力为0.1～20N；
热压辊系统压制纤维(7)和树脂膜(8)时的压力为0.5MPa～1MPa，加热温度为80℃～130℃；
铺放压紧及压力调整装置铺放半预浸带(9)时的压力为0.3MPa～0.7MPa。
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