CN107914392B - 热固性树脂基复合材料电子束固化lom成型方法及装置 - Google Patents

Abstract

热固性树脂基复合材料电子束固化LOM成型方法及装置，复合材料预浸带料卷放置于放卷料筒上，通过输送装置输送至多点支撑板上，激光发射器对复合材料预浸带进行切割；通过第一机器手将切割好的复合材料转移至半成品零件上，经红外加热灯加热，压辊热压，最后通过低能电子束发射器进行低能电子束辐照固化，完成一层成型；重复上述步骤，直至完成所需零件成型。该装置采用的可电子束固化热固性树脂基体耐腐蚀，耐高温，绝缘性、粘接性能优异，强度高，LOM工艺成型速度快，不需要支撑，无翘曲，变形小。本发明的方法对成型尺寸无限制，并且纤维丝束材料选择广泛，热固性树脂基体性能优异，纤维方向可根据设计要求排布。

Description

热固性树脂基复合材料电子束固化LOM成型方法及装置

技术领域

本发明主要涉及热固性树脂基复合材料成型技术领域，具体涉及一种热固性树脂基复合材料电子束固化LOM成型方法及装置。

背景技术

复合材料构件具有高比模量、高比强度、耐疲劳、耐腐蚀、减震性好、可设计性能等诸多优势，在替代金属、节能减排以及特殊用材等多个方面发挥着独特的作用。

环氧树脂是一种耐腐蚀、绝缘性能和粘接性能良好的热固性高分子材料，但是由于其固化后，物质脆，抗冲击性、抗开裂性比较低，限制了其进一步的应用与发展。以环氧树脂作为基体材料制成的纤维增强热固性树脂基复合材料，综合了环氧树脂和纤维两者的优点，弥补各自缺陷，较普通热塑性树脂基复合材料的性能得到大幅提升。

复合材料传统的固化技术多采用热固化的方法，而热固化的方法需要高温高压的密闭环境，周期长，热压罐的形状尺寸又限制了成型构件的形状尺寸，故针对大型复合材料构件的固化极其困难，成本极高。

近年来，出现了一种新兴的辐照固化技术——电子束固化技术。电子束固化技术是指以电子加速器加速产生的高能电子束作为辐射源，通过诱导特殊的液体低聚物发生聚合交联反应，从而实现快速固化的技术，是一种新型非加热非加压的快速固化技术。低能电子束固化技术是指电子束能量低于300KeV的电子束固化技术。低能量虽然仅仅能够穿透固化几百乃至几十微米的复合材料厚度，但是它给我们带来了设备简单、辐射量小，屏蔽容易，操作便捷等诸多优势。

复合材料传统的成型工艺非常多，例如手动铺放成型、树脂传递模塑成型、纤维缠绕成型等，各工艺方法成型复合材料构件的精度，尺寸，结构强度等要求或性能参差不齐，难以均衡，存在自动化程度较低、精度差、尺寸形状限制、结构强度等性能无法满足要求等诸多问题。

叠层实体制造(Laminated Object Manufacturing，LOM)是最早出现的快速成形方法之一，LOM是根据三维CAD模型切片处理后每个截面的轮廓线，在计算机控制下，运用激光将片材切割出要求轮廓，轮廓外切割成细小碎片状，然后输送至工作平台通过热压机构压紧粘合，最后工作平台降低一个层厚，重新切割、送进、热压，如此循环，最终取出零件，剔除废料小块，获得所需三维产品。其优势在于成型速度快，不需要支撑，无翘曲，变形小等，缺陷在于激光损耗，片材种类局限于纸材，金属薄片等几种材料，精度差，只适用于简单零件，复杂多曲面构件成型困难。

综合以上内容，无法实现对热固性复合材料构件的LOM快速成型制造。

发明内容

为解决现有技术中的问题，本发明的目的在于提供一种热固性树脂基复合材料电子束固化LOM成型方法及装置，使复合材料预浸料边输送，边激光切割，边热压粘合，边低能电子束辐照固化，实现纤维增强热固性树脂基复合材料构件的LOM快速成型制造。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种热固性树脂基复合材料电子束固化LOM成型装置，包括放卷料筒，上放置有热固性树脂基复合材料预浸带料卷，热固性树脂基复合材料预浸带经输送装置输送至多点支撑板上，多点支撑板上方设置有用于对热固性树脂基复合材料预浸带进行切割的激光发射器，多点支撑板一侧设置有第一机器手，通过第一机器手将激光发射器切割好的复合材料转移至半成型零件上，半成型零件一侧设置有用于对半成型零件上复合材料加热的红外加热灯、用于对用于对半成型零件上复合材料热压的压辊以及用于对半成型零件上复合材料辐照固化的低能电子束发射器。

本发明进一步的改进在于，输送装置包含两个相同的输送机构，每个输送机构包括上下两个用于复合材料预浸带通过的滚筒。

本发明进一步的改进在于，两个输送机构之间设置有张力控制装置。

本发明进一步的改进在于，第一机器手通过吸盘装置将切割好的复合材料转移至半成型零件上。

本发明进一步的改进在于，红外加热灯、压辊、低能电子束发射器集成于第二机器手上；吸盘装置6由多个小型真空吸盘圆形阵列组成，通过气管外接真空泵和高压气泵，吸附切割好的复合材料时真空泵工作，放置切割好的复合材料时高压气泵工作，利用气压的变化完成切割好的复合材料的吸附、转移、放置的功能。

本发明进一步的改进在于，半成型零件设置在能够上下移动的打印平台上；多点支撑板由多个支撑柱组成，每个支撑柱顶部镶嵌钢珠，钢珠球面与复合材料预浸带底面接触。

本发明进一步的改进在于，复合材料预浸带为碳纤维增强热固性树脂基复合材料预浸带。

本发明进一步的改进在于，红外加热灯加热温度为0～300℃，压辊的压力0～1200N，低能电子束发射器发射电子束能量为80Kev～300Kev，束流小于25mA。

本发明进一步的改进在于，压辊外部包裹有用于保护热压时复合材料表面质量的硅橡胶。

一种热固性树脂基复合材料电子束固化LOM成型方法，包括如下步骤：

(1)复合材料预浸带料卷放置于放卷料筒上，通过输送装置输送至多点支撑板上，激光发射器对复合材料预浸带进行切割；

(2)通过第一机器手将切割好的复合材料转移至半成品零件上，经红外加热灯加热，压辊热压，最后通过低能电子束发射器进行低能电子束辐照固化，完成一层成型；

(3)重复多次步骤(2)，直至完成所需零件成型。

与现有技术相比，本发明具有的有益效果：本发明通过设置输送装置、多点支撑板、激光发射器、红外加热灯、压辊以及低能电子束发射器，直接使用激光切割复合材料预浸带，切割好的复合材料通过第一机器人输送到打印平台，热压粘合后再通过低能电子束辐照固化，如此切割、输送、热压、辐照四步骤循环，得到所需三维零件；该装置采用的可电子束固化热固性树脂基体耐腐蚀，耐高温，绝缘性、粘接性能优异，强度高，LOM工艺成型速度快，不需要支撑，无翘曲，变形小，此外该装置结构简单，辐射量小，屏蔽容易，操作便捷。

进一步的，多点支撑板由多个支撑柱组成，每个支撑柱顶部镶嵌钢珠，钢珠球面与复合材料预浸带底面接触，支撑已切割好的复合材料预浸带，吸盘装置吸附切割好的复合材料时，切割好的复合材料受到向下的力的作用，钢珠球面保护切割好的复合材料被吸附起时，底部表面质量不被破坏。

本发明的方法对成型尺寸无限制，并且纤维丝束材料选择广泛，热固性树脂基体性能优异，纤维方向可根据设计要求排布；通过面与面叠层成型，跳过了点到线，线到面的步骤，直接由面到体，实现零件的快速制备；电子束辐照固化热固性树脂基体，速率快，效率高，固化机理为化学键合，层间性能优异；整个发明突破了传统复合材料成型，固化工艺的禁锢，综合了电子束辐照固化和LOM成型的优势，将复合材料的性能优势彻底表达，实现了纤维增强热固性树脂基复合材料构件的LOM快速成型制造，尤其适用于汽车，航空航天等领域大型复合材料构件的快速制备。

附图说明

图1是本发明的装置的原理示意图；

图中：1为放卷料筒，2为复合材料预浸带，3为输送装置，4为张力控制装置，5为激光发射器，6为吸盘装置，7为机器手，8为打印平台，9为半成型零件，10为红外加热灯，11为压辊，12为低能电子束发射器，13为机器手，14为多点支撑板。

具体实施方式

以下结合附图对本发明做进一步描述。

参见图1，本发明的一种热固性树脂基复合材料电子束固化LOM成型装置包括放卷料筒1，复合材料预浸带2，输送装置3，张力控制装置4，激光发射器5，吸盘装置6，机器手7，打印平台8，半成型零件9，红外加热灯10，压辊11，低能电子束发射器12，机器手13以及多点支撑板14，其中，半成型零件9设置在打印平台8上；复合材料预浸带2料卷放置于放卷料筒1上，所述输送装置3包含两个相同的输送机构，每个输送机构又包括两个上下并拢的滚筒，用于复合材料预浸带2夹持和输送；输送装置3设置在放卷料筒1之后，张力控制装置4设置在这两输送机构之间，复合材料预浸带2经每个输送机构的滚筒之间和张力控制装置4输送至多点支撑板14上，多点支撑板14上方设置有用于对复合材料预浸带2进行切割的激光发射器5，激光发射器5悬空设置，并且具备水平面上X、Y方向移动能力，垂直向下发射激光，切割复合材料预浸带2。该多点支撑板14由多个支撑柱组成，每个支撑柱顶部镶嵌用于支撑复合材料预浸带2的钢珠，已经切割好的复合材料通过集成于第一机器手7上的吸盘装置6吸附，移动，放置于打印平台8上的半成型零件9上，吸盘装置6由多个小型真空吸盘圆形阵列组成，通过气管外接真空泵和高压气泵，吸附时真空泵工作，放置时高压气泵工作，利用气压的变化完成吸附、转移、放置的功能，打印平台8具有竖直面内Z轴方向升降功能，每完成一个切割、输送、热压、辐照循环，下降一个层厚，剩下的复合材料预浸带边角料通过同样的输送装置、张力控制装置收拢于收卷料筒之上。将红外加热灯10、压辊11、低能电子束发射器12集成于第二机器手13上，红外加热灯10设置于第二机器手13的最前方，中间为压辊11，最后方为低能电子束发射器12，先将新放置的在半成型零件9上的切割好的复合材料通过红外加热灯10加热，其次通过压辊11热压，最后通过低能电子束发射器12进行低能电子束辐照固化，完成一层成型。

本发明中多点支撑板14由多个支撑柱组成，每个支撑柱顶部镶嵌钢珠，钢珠球面与复合材料预浸带底面接触，支撑已切割好的复合材料预浸带，吸盘装置吸附切割好的复合材料时，切割好的复合材料受到向下的力的作用，钢珠球面保护切割好的复合材料被吸附起时，底部表面质量不被破坏。

基于上述装置的热固性树脂基复合材料电子束固化LOM成型方法，包括如下步骤：

(1)复合材料预浸带2料卷放置于放卷料筒1上，通过输送装置3输送至多点支撑板14上，激光发射器5对复合材料预浸带2进行切割；

(2)通过第一机器手7将切割好的复合材料转移至半成品零件9上，经红外加热灯10加热，压辊11热压，最后通过低能电子束发射器12进行低能电子束辐照固化，完成一层成型，打印平台8下降一个层厚；

(3)重复多次步骤(2)，直至完成所需零件成型。

本发明中预浸带输送、激光切割、吸盘转移、红外灯和压辊热压，低能电子束辐照，工作平台下降一个层厚共同组成一个周期，循环往复完成所需零件成型。

本发明中通过协调控制系统控制放卷料筒1的放卷速率、输送装置2的输送速率、张力控制装置3的张力大小、激光发射器5的移动速度、吸盘装置6的吸附、松开以及第一机器手7的移动速度，使得预浸带输送速度合适，张力合适，激光切割和吸盘吸附取放彼此互不干涉，有序进行。

本发明中复合材料预浸带为碳纤维增强热固性树脂基复合材料预浸带，纤维种类可更换为玻璃纤维，凯夫拉纤维，树脂体系适用于所有可电子束固化树脂体系。

本发明中红外加热灯10加热温度0～300℃可调，压辊11外部包裹硅橡胶，保护热压时纤维表面质量，压力0～1200N可调，低能电子束发射器12发射电子束能量为80Kev～300Kev可调，束流小于25mA，三者集成于第二机器手13上，并按照先加热，后热压，最终辐照固化的顺序工作。

Claims (8)

1.一种热固性树脂基复合材料电子束固化LOM成型装置，其特征在于，包括放卷料筒(1)，上放置有热固性树脂基复合材料预浸带(2)料卷，热固性树脂基复合材料预浸带(2)经输送装置(3)输送至多点支撑板(14)上，多点支撑板(14)上方设置有用于对热固性树脂基复合材料预浸带(2)进行切割的激光发射器(5)，多点支撑板(14)一侧设置有第一机器手(7)，通过第一机器手(7)将激光发射器(5)切割好的复合材料转移至半成型零件(9)上，半成型零件(9)一侧设置有用于对半成型零件(9)上复合材料加热的红外加热灯(10)、用于对半成型零件(9)上复合材料热压的压辊(11)以及用于对半成型零件(9)上复合材料辐照固化的低能电子束发射器(12)；

两个输送机构之间设置有张力控制装置(4)；

红外加热灯(10)加热温度为0～300℃，压辊(11)的压力0～1200N，低能电子束发射器(12)发射电子束能量为80Kev～300Kev，束流小于25mA。

2.根据权利要求1所述的一种热固性树脂基复合材料电子束固化LOM成型装置，其特征在于，输送装置(3)包含两个相同的输送机构，每个输送机构包括上下两个用于复合材料预浸带(2)通过的滚筒。

3.根据权利要求1所述的一种热固性树脂基复合材料电子束固化LOM成型装置，其特征在于，第一机器手(7)通过吸盘装置(6)将切割好的复合材料转移至半成型零件(9)上。

4.根据权利要求3所述的一种热固性树脂基复合材料电子束固化LOM成型装置，其特征在于，红外加热灯(10)、压辊(11)、低能电子束发射器(12)集成于第二机器手(13)上；吸盘装置(6)由多个小型真空吸盘圆形阵列组成，通过气管外接真空泵和高压气泵，吸附切割好的复合材料时真空泵工作，放置切割好的复合材料时高压气泵工作，利用气压的变化完成切割好的复合材料的吸附、转移、放置的功能。

5.根据权利要求1所述的一种热固性树脂基复合材料电子束固化LOM成型装置，其特征在于，半成型零件(9)设置在能够上下移动的打印平台(8)上；多点支撑板(14)由多个支撑柱组成，每个支撑柱顶部镶嵌钢珠，钢珠球面与复合材料预浸带底面接触。

6.根据权利要求1所述的一种热固性树脂基复合材料电子束固化LOM成型装置，其特征在于，复合材料预浸带(2)为碳纤维增强热固性树脂基复合材料预浸带。

7.根据权利要求1所述的一种热固性树脂基复合材料电子束固化LOM成型装置，其特征在于，压辊(11)外部包裹有用于保护热压时复合材料表面质量的硅橡胶。

8.一种基于权利要求1所述装置的热固性树脂基复合材料电子束固化LOM成型方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)复合材料预浸带(2)料卷放置于放卷料筒(1)上，通过输送装置(3)输送至多点支撑板(14)上，激光发射器(5)对复合材料预浸带(2)进行切割；

(2)通过第一机器手(7)将切割好的复合材料转移至半成品零件(9)上，经红外加热灯(10)加热，压辊(11)热压，最后通过低能电子束发射器(12)进行低能电子束辐照固化，完成一层成型；

(3)重复多次步骤(2)，直至完成所需零件成型。

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