CN104608398A - 一种纤维复合材料零部件预成型的铺设方法及设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种纤维复合材料零部件预成型的铺设设备及铺设方法。该设备生产的预成型可以通过高压釜、树脂注入、冲压、手糊等后期工艺制造成为复合材料零部件。在控制系统的控制下,所述预成型通过铺设设备在模具上铺设纤维原丝如碳纤维、玻璃纤维、凯夫拉纤维等制造完成。此方法可以铺设制造2D或者3D预成型;通过本申请提供的设备和方法可以做到高质量，高速度，高自动化的工业生产复合材料部件所必须的预成型，大大降低由于传统生产中人力密集造成的高成本，提高了产品的精度和质量稳定性；通过本申请的设备和方法，可以使原本造价极高的纤维复合材料广泛应用于汽车制造以及其他民用产品。

Description

一种纤维复合材料零部件预成型的铺设方法及设备

技术领域

本发明涉及一种纤维复合材料零部件预成型的快速铺设方法和设备。

背景技术

     随着石油价格的上涨和环境的污染，节能减排已经被众多汽车生产国提上了正式日程。欧美发达国家相继制定了极为严格的汽车排放标准：根据欧盟最新制定的二氧化碳排放标准，到2020年汽车每公里二氧化碳排放要从当前的130克降低到95克；同时根据我国计划于２０１６年实施的《乘用车燃料消耗量限值》和《乘用车燃料消耗量评价方法及指标》要求，到２０２０年，重量在９８０公斤至１０９０公斤的传统轿车百公里油耗将降到４．５升。这令汽车企业的轻量化道路迫在眉睫。研究显示，整车质量每减少１００公斤，百公里油耗可降低０．３升至０．６升。在国家大力倡导节能减排的大背景下，对于中国汽车业来说，轻量化成为车企的“不二选择”。材料轻量化是汽车轻量化的主要途径。其中，高性能碳纤维复合材料是欧美车企的主要应用对象。2013年，经过十余年的开发研制，德国宝马集团发布了全球第一款大规模制造的碳纤维复合材料家用轿车-i3。全部由碳复合材料打造的车体壳自重150公斤，比传统钢铁白车身减重250公斤。除了具备轻量化的车体，碳纤维复合材料汽车还具有其他突出的优点：1）降低90%的零件数量从而降低80%的模具制造成本；2）优化汽车的NVH（噪音、震动、声震粗糙度）。２０１５年，预期全球将有20000辆i3和5000辆i8售出（150亿人民币以上）。高性能碳纤维复合材料具有极高的比刚度（钢的5倍）、比强度（钢的8倍）。它的抗疲劳属性和抗化学腐蚀性也优于普通钢铁。由于复合材料复杂变化的多尺度结构，使其从原材料生产到最终工业应用不能完全自实现动化。工序多、周期长、产量低，导致了复合材料零部件的价格比较昂贵，往往不能在普通轿车上大量使用。本申请针对现有技术存在的问题提供了一种快速纤维原丝铺设的方法和设备。应用本方法，可以打破瓶颈，高质量、高速度、高自动化的生产复合材料零部件。

     现有铺丝技术通常采用传统的单铺丝头铺设，一般采用粘合剂固定丝束端部，因为粘合剂粘合力有限，一端粘合固定后，铺丝头移动速度不能过快过猛，以防止固定端脱落。另外，现有铺丝设备在推送柔软的原丝时候，原丝容易出现缠绕、打结现象。为克服原丝缠绕打结，设计者增加了许多辅助和监控装置，导致设备复杂，造价极高；复杂的设备再次增加了故障的风险。

发明内容

本申请针对现有技术存在的问题提供了一种快速铺设纤维原丝的方法和设备，应用本方法，可以做到高质量，高速度，高自动化的将纤维原丝铺设到模具表面；此方法可以铺设制造2D或者3D织物预成型；通过本申请提出的工艺方法和设备将大大降低由于传统复合材料生产中人力密集造成的高成本，提高产品的精度和质量稳定性。具体技术方案如下。

本申请提供了一种纤维复合材料零部件预成型的铺设设备，该设备生产的预成型可以通过高压釜、树脂注入、冲压、手糊等后期工艺制作成为复合材料零部件。所述预成型通过铺设设备在工作台的模具上、在控制系统的控制下铺设纤维预成型，其中所述铺设设备包括机器人（1）和（2）、分别由两台机器人控制的铺丝头（3）和铺丝头（4）、纤维原丝传送装置（8）、原丝张力保持装置（9）以及分别安装在铺丝头（3）和（4）上的剪切装置（13）和剪切装置（14）；所述机器人（1）、纤维原丝传递装置（8）与原丝张力保持装置（9）及铺丝头（3）顺序连接以将原丝传递到铺丝头（3）处；所述机器人（2）与铺丝头（4）连接；原丝由铺丝头（3）传递到铺丝头（4）,并由铺丝头（4）夹紧后进行铺设，最后通过剪切装置（13）和（14）剪切。

进一步地，上述铺丝头（3）包括压辊（31）、夹具（32）、喷胶口（33）、出丝口（34）以及夹具控制电机（35）；所述喷胶口（33）设在铺丝头（3）的末端；所述压辊（31）和夹具（32）同轴，设在铺丝头（3）的前端，夹具（32）与夹具控制电机（35）连接，夹具（32）在压辊（31）的前方；所述出丝口（34）设在压辊（31）与喷胶口（33）之间、夹具（32）的后方。

进一步地，上述铺丝头（4）包括压辊（41）、夹具（42）、喷胶口（43）以及夹具控制电机（45），所述喷胶口（43）设在铺丝头（4）的末端，所述压辊（41）和夹具（42）同轴，设在铺丝头（4）的前端，夹具（42）与夹具控制电机（45）连接，夹具（42）在压辊（41）的前方。

进一步地，上述纤维原丝传递装置（8）包括缠绕原丝的线轴（82）及传输原丝的导引轴（81）。

进一步地，上述原丝张力保持装置（9）包括至少三个张力保持滑轴（91）、提供驱动力的主动轮（92）、用于夹紧纤维丝的从动轮（93）、以及与主动轮（92）连接并控制主动轮的主动轮驱动电机（94）和与从动轮（93）连接的控制气缸（95），从动轮（93）可以前后短程运动；所述滑轴（91）、主动轮（92）和从动轮（93）顺序连接；所述张力保持滑轴固定在铺丝头（3）的上方，可以绕轴旋转。

     进一步地，上述剪切装置（13）包括剪切刀头（130）以及与其连接的剪切刀头控制气缸（131）；所述剪切装置（14）包括剪切刀头（140）以及与其连接的剪切刀头控制气缸（141）。

优选地，本申请所述铺设设备还包括缓冲装置（15），所述缓冲装置为弹簧、气缸或其他具有缓冲作用的装置。所述铺设设备还包括工作台（5）和模具（6），模具固定在工作台。

优选地，本申请所述张力保持滑轴表面设有凹槽；保证丝束不会横向滑移。

进一步地，本申请中所述纤维原丝可以为碳纤维、玻璃纤维、凯夫拉纤维或其他纤维。

     进一步地，本申请还提供了上述设备用于纤维复合材料零部件预成型的铺设方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

1) 预备: 铺丝头（3）和（4）分别在机器人（1）和（2）的带动下进入准备位置，同时加热喷胶口（33）和（43）中的粘合剂；

2）原丝传送到夹具（32）：原丝由纤维原丝传递装置（8）从后方的线轴（82）通过传送导引轴（81）经张力滑轴（91）及由主动轮（92）、从动轮（93）、剪切刀头（130）构成的缝隙，穿过出丝口（34），经过喷胶口（33）最后穿过夹具（32）传递到铺丝头（3）的前方，夹具（32）与压辊（31）同轴，由电机(35)驱动，将出丝口(34)的原丝夹紧拖出；原丝在夹具的导引下绕过压辊（31），伸向铺丝头(3)前部；

3）原丝传送到夹具(42)：铺丝头(4)在机器人(2)的引导下迅速靠近铺丝头(3)并且夹具(42)同时向前伸出，靠近夹具(32)，夹具(32)将原丝导向夹具(42)，夹具(42)完成抓夹原丝的动作；

4）夹具(42)将原丝绕过压辊(41)导向铺丝头(4)后方：同时两个铺丝头在机器人的引导下进入铺丝预备位置；

5）铺设并且喷胶：铺丝头(3)和(4)在机器人的导引下进行铺设；在铺设的尾声，喷胶；

6）铺设完成并切丝：在铺丝完成后，由剪切装置(13)和（14）将原丝切断；压辊(31)和(41)将蘸有粘合剂的原丝压顺到模具表面；然后铺丝头(3)和(4)回到预备位;

7）工作台旋转：工作台带动模具旋转，为铺设下一层做准备。

优选地，上述铺设方法中步骤1）中所述粘合剂的温度为70℃以上，所述粘合剂为热塑性粘合剂。

有益效果：

１）通过本申请提供的铺设方法和原丝传递设备，可以将柔软的原丝传递到铺丝头部；利用两个机器人控制双铺丝头互相配合,可以将原丝铺设到模具表面并固定；

２）双机器人和双铺丝头的铺设过程像人的两只手，使控制更加简单灵巧；单铺丝头往往有铺设死角（机器人移动死点），双机器人铺设可以完全消灭铺设死角；

３）传统单铺设头铺设，一般采用粘合剂固定丝束端部。因为粘合剂粘合力有限，一端粘合固定后，铺丝头移动速度不能过快，以防止固定端脱落。采用本本申请提供的技术，丝束两端同时固定，极大降低脱落的风险；

４）纤维非常柔软。采取双铺设头辅助拉出的铺设方式，可以避免现有技术所描述的装置在推送原丝时候，原丝缠绕、打结现象；

５）铺设的预成型质量更稳定；

６）现有的单铺丝头铺设设备，为保障原丝传送的稳定，必须增加大量辅助装置和监控装置，导致设备复杂，造价极高；传送稳定性随外界温度、原丝种类、粘合剂的变化而变化；本申请增加一台辅助的铺丝头，反而可以大大降低设备整体的复杂度，大大提高生产的稳定性；而造价因为设备的复杂度降低而大大降低；

7）成本低、废料少、生产时间短、人工省、产品质量规格统一：利用价格低廉的原丝代替昂贵的织物；本申请提供的设备可以根据需要局部加强，减少边角料（面积）６０％以上；传统手工生产一件预成型需要熟练技工四个小时到一天的工时，而申请提出的工艺方法可以将单件工时缩短到半个小时以内，同时随着工艺的成熟和设备的改进，以及设备数量的增加，工时缩短还有巨大的空间；传统人力生产，产品质量参差不齐，废品率较高，实现自动化生产以后，只要通过前期测试，各项参数会被准确无误的执行，产品质量得以保障；本过程完全实现数字自动化和无人值守车间，达到工业4.0要求。

附图说明

图1 为本申请提供的铺设设备的三维结构示意图；

图2 为铺丝头3及原丝张力保持装置的结构示意图；

图3 为原丝传递装置、原丝张力保持装置及铺丝头的结构示意图；

图4 为铺设方法中步骤3）所述原丝传送到夹具42的过程结构示意图；

图5 为铺设方法中步骤4）所述夹具42将原丝绕过压辊41导向铺丝头4后方同时铺丝头3和4在机器人1和2驱动下分开的过程结构示意图；

图6 为铺设方法中步骤5）所述铺设过程结构示意图；

图7 为铺设方法中步骤5）所述喷胶过程结构示意图；            4

图8 为铺设方法中步骤6）所述铺设完毕过程结构示意图；

图9 为铺设方法中步骤6）所述剪切过程结构示意图；

图10 为铺设方法中步骤7）所述铺丝头3和4回到原位工作台旋转过程结构示意图；

图中：1-机器人，2-机器人，3-铺丝头，4-铺丝头，5-工作台，6-模具，7-原丝，31-压辊，32-夹具，33-喷胶口，34-出丝口，35-夹具控制电机，41-压辊，42-夹具，43-喷胶口，45-夹具控制电机，8-纤维原丝传递装置，81-导引轴，82-线轴，9-原丝张力保持装置，91-滑轴，92-主动轮，93-从动轮，94-主动轮驱动电机，95-从动轮控制气缸，10-夹具（32）将原丝绕过压辊（31）向铺丝头(3)前方传递，11-夹具(42)接过原丝并夹紧，12-夹具(42)将原丝绕过压辊(41)向后导向喷胶口(43)，13-剪切装置，130-剪切刀头，131-剪切刀头控制气缸，14-剪切装置，140-剪切刀头，141-剪切刀头控制气缸，15-缓冲装置，16-工作台带动模具旋转。

具体实施方式

     下面结合附图对本发明做进一步的解释说明。

   如图1所示，本申请提供的一种纤维复合材料零部件预成型的铺设设备，所述铺设设备在控制系统的控制下将纤维铺设在工作台5的模具6上，所述铺设设备包括机器人1和机器人2、分别由两台机器人控制的铺丝头3和铺丝头4、纤维原丝传送装置8、原丝张力保持装置9以及分别安装在铺丝头3和4上的剪切装置13和剪切装置14；所述机器人1、纤维原丝传递装置8与原丝张力保持装置9及铺丝头3顺序连接以将原丝传递到铺丝头3处；所述机器人2与铺丝头4连接；原丝由铺丝头3传递到铺丝头4,并由铺丝头4夹紧后进行铺设，最后通过剪切装置13和14剪切，完成铺设。

     如图2所示，为铺丝头3及原丝张力保持装置9的结构示意图，从图中可以看出铺丝头3包括压辊31、夹具32、喷胶口33、出丝口34以及夹具控制电机35；所述喷胶口33设在铺丝头3的末端；所述压辊31和夹具32同轴，设在铺丝头3的前端，夹具32与夹具控制电机35连接，夹具32在压辊31的前方；所述出丝口34设在压辊31与喷胶口33之间、夹具32的后方。夹具32通过电机35驱动可以绕轴转动任意角度；从图中同样可以看出原丝张力保持装置9的具体结构，原丝张力保持装置设在铺丝头的上方便于原丝的导入，其包括多个张力保持滑轴91、提供驱动力的主动轮92、用于夹紧纤维丝的从动轮93、以及与主动轮92连接并控制主动轮的主动轮驱动电机94和与从动轮93连接的并控制从动轮93的控制气缸95；所述滑轴91、主动轮92和从动轮93顺序连接；所述张力保持滑轴91固定在铺丝头3的上方，可以绕轴旋转。固定在铺丝头3上的剪切装置13设在铺丝头3的末端与出丝口34及喷胶口33邻近。

     原丝在图2装置中的运行情况为：原丝先经装置9的滑轴91及由主动轮、从动轮、剪切刀头130构成的缝隙，穿过出丝口34，经过喷胶口33最后穿过夹具32，到达铺丝头3的前方。

     铺丝头4的具体结构与铺丝头3的结构相似，包括压辊41、夹具42、喷胶口43以及夹具控制电机45，所述喷胶口43设在铺丝头4的末端，所述压辊41和夹具42同轴，设在铺丝头4的前端，夹具42与夹具控制电机45连接。只是缺少原丝导入时的出丝口。

    图3为原丝传递装置8、原丝张力保持装置9及铺丝头3和4的结构示意图，图2中进入原丝张力保持装置9中的原丝是从图3中的原丝传递装置8经线轴82和传输原丝的导引轴81传递来的，线轴82可以固定在工作区外的高处方便原丝的导入，导入的原丝然后经装置9保证张力后传送到铺丝头3的前方；然后铺丝头4在机器人2的控制下通过夹具42夹到原丝7。

     图4-图10为应用上述铺设设备铺设原丝时各个工艺步骤所对应的过程结构示意图，即主要包括如下步骤，

1) 预备: 铺丝头3和4分别在机器人1和2的带动下进入准备位置，粘合剂（如图2所示33、43）开始加热到７０℃以上，加热温度根据室温的变化而调节；粘合剂采用工业常见的热塑性粘合剂；喷胶口设置在铺丝头的后方（图7）；

2）原丝传送到夹具32：原丝7由纤维原丝传递装置8从后方的线轴82通过导引轴81传递到铺丝头3，经过原丝张力保持装置9使得纤维保证张力，达到出丝口34，并且由夹具32夹住；夹具32与压辊31同轴，由电机驱动，将出丝口34的原丝7夹紧拖出；原丝7在夹具32的导引下绕过压辊31伸向铺丝头3的前部；

3）原丝传送到夹具42：如图4所示，铺丝头4在机器人2的引导下迅速靠近铺丝头3并且夹具42同时向前伸出，靠近夹具32，夹具32将原丝7导向夹具42，夹具42完成抓夹原丝7的动作；

4）如图5所示，夹具42将原丝绕过压辊41导向铺丝头4后方：同时两个铺丝头在机器人的引导下进入铺丝预备位置；

5）如图6和7所示为铺设并且喷胶的步骤：按照由控制系统预先计算好的路径，铺丝头3和4在机器人的导引下将原丝铺设到模具6表面；由于夹具42的牵引，原丝从线轴，通过铺丝头3被抽出；在铺设的尾声，喷胶过程开启；

6）图8和9为铺设完成并切丝的过程：在铺丝完成后，由剪切装置13和14将原丝7切断；铺丝头3和4贴模具6表面继续滑行，压辊31和41将蘸有粘合剂的原丝压顺到模具6表面；然后铺丝头3和4回到原始预备位；

7）图10为工作台旋转：工作台带动模具旋转，为铺设下一层做准备。

   综上所述，本申请提供的铺设设备及方法具有新材料、节能减排、高自动化的特点。应用本方法，可以做到高质量，高速度，高自动化的将纤维原丝铺设到模具表面。解决了现有技术中存在的:1)传统铺丝设备不能铺设未处理原丝；２）只能铺设具有简易几何形状的预成型（灵活度差）；３）铺设速度低（效率低）；４）铺设过程故障率高；５）产品质量不稳定；６）机械设备过于复杂以至造价过高等等问题。此方法可以铺设制造2D或者3D预成型。铺设好的预成型，通过高压釜、注塑、冲压等成型工艺，使树脂固化凝结，可以用来工业化快速、高效生产汽车，飞机，体育用品所使用的复合材料承力零部件和非承力部件，大大降低由于传统生产中人力密集造成的高成本，提高了产品的精度和质量稳定性。

   以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种纤维复合材料零部件预成型的铺设设备，其特征在于，所述铺设设备包括机器人（1）和（2）、分别由两台机器人控制的铺丝头（3）和铺丝头（4）、纤维原丝传送装置（8）、原丝张力保持装置（9）以及分别安装在铺丝头（3）和（4）上的剪切装置（13）和剪切装置（14）；所述机器人（1）、纤维原丝传递装置（8）与原丝张力保持装置（9）及铺丝头（3）连接以将原丝传递到铺丝头（3）处；所述机器人（2）与铺丝头（4）连接。

2.根据权利要求1所述的一种纤维复合材料零部件预成型的铺设设备，其特征在于，所述铺丝头（3）包括压辊（31）、夹具（32）、喷胶口（33）、出丝口（34）以及夹具控制电机（35）；所述喷胶口（33）设在铺丝头（3）的末端；所述压辊（31）和夹具（32）同轴，设在铺丝头（3）的前端，夹具（32）与夹具控制电机（35）连接；所述出丝口（34）设在压辊（31）与喷胶口（33）之间。

3.根据权利要求1所述的一种纤维复合材料零部件预成型的铺设设备，其特征在于，所述铺丝头（4）包括压辊（41）、夹具（42）、喷胶口（43）以及夹具控制电机（45），所述喷胶口（43）设在铺丝头（4）的末端，所述压辊（41）和夹具（42）同轴，设在铺丝头（4）的前端，夹具（42）与夹具控制电机（45）连接。

4.根据权利要求1所述的一种纤维复合材料零部件预成型的铺设设备，其特征在于，所述纤维原丝传递装置（8）包括缠绕原丝的线轴（82）及传输原丝的导引轴（81）。

5.根据权利要求2所述的一种纤维复合材料零部件预成型的铺设设备，其特征在于，所述原丝张力保持装置（9）包括至少三个张力保持滑轴（91）、提供驱动力的主动轮（92）、用于夹紧纤维丝的从动轮（93）、以及与主动轮（92）连接并控制主动轮的主动轮驱动电机（94）和与从动轮（93）连接的控制气缸（95）；所述滑轴（91）、主动轮（92）和从动轮（93）连接；所述张力保持滑轴固定在铺丝头（3）的上方。

6.根据权利要求1所述的一种纤维复合材料零部件预成型的铺设设备，其特征在于，所述剪切装置（13）包括剪切刀头（130）以及与其连接的剪切刀头控制气缸（131）；所述剪切装置（14）包括剪切刀头（140）以及与其连接的剪切刀头控制气缸（141）。

7.根据权利要求1所述的一种纤维复合材料零部件预成型的铺设设备，其特征在于，所述铺设设备还包括缓冲装置（15），所述缓冲装置为弹簧、气缸或其他具有缓冲作用的装置；所述铺设设备还包括工作台（5）和模具（6）。

8.根据权利要求5所述的一种纤维复合材料零部件预成型的铺设设备，其特征在于，所述张力保持滑轴（91）表面设有凹槽。

9.上述权利要求所述设备用于纤维复合材料零部件预成型的铺设方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

1) 预备: 铺丝头（3）和（4）分别在机器人（1）和（2）的带动下进入准备位置，同时加热喷胶口（33）和（43）中的粘合剂；

2）原丝传送到夹具（32）：原丝由纤维原丝传递装置（8）从后方的线轴（82）通过传送导引轴（81）经张力滑轴（91）及由主动轮（92）、从动轮（93）、剪切刀头（130）构成的缝隙，穿过出丝口（34），经过喷胶口（33）最后穿过夹具（32）传递到铺丝头（3）的前方，夹具（32）与压辊（31）同轴，由电机(35)驱动，将出丝口(34)的原丝夹紧拖出；原丝在夹具的导引下绕过压辊（31），伸向铺丝头(3)前部；

3）原丝传送到夹具(42)：铺丝头(4)在机器人(2)的引导下迅速靠近铺丝头(3)并且夹具(42)同时向前伸出，靠近夹具(32)，夹具(32)将原丝导向夹具(42)，夹具(42)完成抓夹原丝的动作；

4）夹具(42)将原丝绕过压辊(41)导向铺丝头(4)后方：同时两个铺丝头在机器人的引导下进入铺丝预备位置；

5）铺设并且喷胶：铺丝头(3)和(4)在机器人的导引下进行铺设；在铺设的尾声，喷胶；

6）铺设完成并切丝：在铺丝完成后，由剪切装置(13)和（14）将原丝切断；压辊(31)和(41)将蘸有粘合剂的原丝压顺到模具表面；然后铺丝头(3)和(4)回到预备位;

7）工作台旋转：工作台带动模具旋转，为铺设下一层做准备。

10.根据权利要求9所述纤维复合材料零部件预成型的铺设方法，其特征在于，步骤1）中所述粘合剂的温度为70℃以上，所述粘合剂为热塑性粘合剂。