CN109094054B - 一种大幅宽多向连续纤维布的制造装置及操作方法 - Google Patents
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Abstract
一种大幅宽多向连续纤维布的制造装置及操作方法，包括运动机构、干纤维料筒架、张力控制装置、干纤维铺放头和铺放模具；干纤维料筒架和干纤维铺放头设置在运动机构上，运动机构能够带动干纤维铺放头沿X轴、Y轴或Z轴方向移动；干纤维料筒架和干纤维铺放头之间设置有张力控制装置，张力控制装置能够保证干纤维料筒架出来的干纤维丝束张力稳定；运动机构的下方设置有铺放模具；干纤维料筒架出来的干纤维丝束绕过张力控制装置进入干纤维铺放头；干纤维铺放头的出口对准铺放模具。本发明能够制造纤维连续的大幅宽多向布，无需缝合，确保后期复合材料构件中纤维连续，从而能够提高复合材料构件承载性能。
Description
技术领域
本发明属于复合材料增材制造技术领域，特别涉及一种大幅宽多向连续纤维布的制造装置及操作方法。
背景技术
先进复合材料具有轻质、高比强度、高比模量、抗疲劳、可设计和耐腐蚀等优点，随着复合材料的广泛应用，如何高效、低成本地制造出合格的复合材料构件成为行业中广泛关注的问题。为了制造大型复合材料构件，当需要布幅宽度较大(≥3米)的多向纤维布时，大多采用搭接，拼接缝合等方法实现，导致纤维无法连续，特别是在±45°、90°方向，从而影响大型构件的性能。另外在制造圆柱筒体、圆锥筒体等复合材料构件时，多采用纤维缠绕技术，纤维缠绕技术在制造大型复合材料构件时效率较低，且无法实现0°方向纤维缠绕，无法获得最优的复合材料构件性能。
发明内容
本发明的目的在于提供一种大幅宽多向连续纤维布的制造装置及操作方法，以解决上述问题。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种大幅宽多向连续纤维布的制造装置，包括运动机构、干纤维料筒架、张力控制装置、干纤维铺放头和铺放模具；干纤维料筒架和干纤维铺放头设置在运动机构上，运动机构能够带动干纤维铺放头沿X轴、Y轴或Z轴方向移动；干纤维料筒架和干纤维铺放头之间设置有张力控制装置，张力控制装置能够保证干纤维料筒架出来的干纤维丝束张力稳定；运动机构的下方设置有铺放模具；干纤维料筒架出来的干纤维丝束绕过张力控制装置进入干纤维铺放头；干纤维铺放头的出口对准铺放模具。
进一步的，运动机构包括横梁、立柱、和滑轨；四个立柱竖直设置且成矩形排列，两个滑轨分别设置在两个立柱的顶部之间，且两个滑轨互相平行；横梁横跨垂直设置在两个滑轨之间，横梁能够沿着滑轨方向滑动；横梁上设置有滑枕，滑枕能够在横梁上上下滑动；控制系统设置在运动机构侧面，用于控制运动机构带动干纤维铺放头沿X轴、Y轴或Z轴方向移动。
进一步的，干纤维铺放头设置在滑枕的正下方，干纤维铺放头和滑枕之间设置有转轴，干纤维铺放头能够绕转轴旋转；干纤维料筒架设置在滑枕上或横梁的端部；当横梁跨距≤8米时，干纤维料筒架设置在滑枕；当横梁跨距＞8米时，干纤维料筒架固定设置在横梁的一端或者两端；当干纤维料筒架设置在横梁的端部时，张力控制装置与干纤维铺放头之间设置有导向器，干纤维丝束依次绕过张力控制装置和导向器进入干纤维铺放头。
进一步的，横梁上滑枕的侧面设置有裁切装置；裁切装置包括裁切滑枕、切刀座和切刀；裁切滑枕设置在横梁上，能够垂直于横梁上下滑动，切刀座固定设置在裁切滑枕上，切刀安装在切刀座上，裁切滑枕带动切刀上下移动。
进一步的，干纤维铺放头的出口处设置有压实装置，压实装置包括压实气缸和压辊，压实气缸的输出端连接压辊，压辊设置在铺放模具的上方；压辊为由柔性材料制成；干纤维铺放头的侧面设置有定型剂喷涂装置；干纤维铺放头内设置有若干通道，通道上设置有干纤维导向装置。
进一步的，导向器为多通道导向器，导向器为陶瓷制成；干纤维铺放头为多通道铺放头。
进一步的，一种基于大幅宽多向连续纤维布的制造装置的操作方法，所述大幅宽多向连续纤维布的制造装置包括运动机构、干纤维料筒架、张力控制装置、干纤维铺放头和铺放模具；干纤维料筒架和干纤维铺放头设置在运动机构上，运动机构能够带动干纤维铺放头沿X轴、Y轴或Z轴方向移动；干纤维料筒架和干纤维铺放头之间设置有张力控制装置，张力控制装置能够保证干纤维料筒架出来的干纤维丝束张力稳定；运动机构的下方设置有铺放模具；干纤维料筒架出来的干纤维丝束绕过张力控制装置进入干纤维铺放头；干纤维铺放头的出口对准铺放模具；
运动机构包括横梁、立柱、和滑轨；四个立柱竖直设置且成矩形排列，两个滑轨分别设置在两个立柱的顶部之间，且两个滑轨互相平行；横梁横跨垂直设置在两个滑轨之间，横梁能够沿着滑轨方向滑动；横梁上设置有滑枕，滑枕能够在横梁上上下滑动；控制系统设置在运动机构侧面，用于控制运动机构带动干纤维铺放头沿X轴、Y轴或Z轴方向移动；
横梁上滑枕的侧面设置有裁切装置；裁切装置包括裁切滑枕、切刀座和切刀；裁切滑枕设置在横梁上，能够垂直于横梁上下滑动，切刀座固定设置在裁切滑枕上，切刀安装在切刀座上，裁切滑枕带动切刀上下移动；
干纤维铺放头的出口处设置有压实装置，压实装置包括压实气缸和压辊，压实气缸的输出端连接压辊，压辊设置在铺放模具的上方；压辊为由柔性材料制成；干纤维铺放头的侧面设置有定型剂喷涂装置；干纤维铺放头内设置有若干通道，通道上设置有干纤维导向装置；
所述一种基于大幅宽多向连续纤维布的制造装置的操作方法包括以下步骤：
1)通过控制系统设计要制造的布幅形状和铺放路径，通过运动机构带动干纤维铺放头运动，在铺放模具上按照设计好的布幅形状和铺放路径铺放干纤维丝束；
2)从干纤维铺放头出来的干纤维丝束通过压实装置压紧在铺放模具表面，同时定型剂喷涂装置将定型剂喷涂在干纤维铺放层上；
3)重复步骤1和步骤2，使得布幅能够逐层累积，通过裁切装置切割，最终形成所需要纤维布。
与现有技术相比本发明有以下技术效果：
本发明能够制造纤维连续的大幅宽多向布，无需缝合，确保后期复合材料构件中纤维连续，从而能够提高复合材料构件承载性能；
本发明工艺灵活，通过干纤维铺放技术和裁切技术的组合，能够制作出不同形状的多向布，如可制作出卷绕圆锥体的扇形形状。
本发明的干纤维多向布有利于采用液体成型工艺进行复合材料构件的制造，降低复合材料构件成本。
本发明采用成熟的机械运动机构，无需开发复杂的宽幅宽纺织机械，降低设备开发成本。
附图说明
图1是一种大幅宽多向布铺放设备结构示意图；
图2是一种大幅宽多向布铺放设备的俯视图；
图3是一种单侧干纤维料筒架设备结构示意图；
图4是一种双侧干纤维料筒架设备结构示意图；
图5是干纤维铺放原理图；
图6是裁切装置原理图；
图7是制作多向扇形布的示意图。
图中：1是运动机构，2是干纤维料筒架，3是张力控制装置，4是导向器，5是干纤维铺放头，6是裁切装置，7是铺放模具，11是立柱、12是横梁、13是滑枕，14是裁切滑枕，52是压实装置，53是定型剂喷涂装置，61是切刀座，62是切刀。
具体实施方式
以下结合附图，对本发明进一步说明：
请参阅图1-图6，一种大幅宽多向连续纤维布的制造装置，包括运动机构1、干纤维料筒架2、张力控制装置3、干纤维铺放头5和铺放模具7；干纤维料筒架2和干纤维铺放头5设置在运动机构1上，运动机构1能够带动干纤维铺放头5沿X轴、Y轴或Z轴方向移动；干纤维料筒架2和干纤维铺放头5之间设置有张力控制装置3，张力控制装置3能够保证干纤维料筒架2出来的干纤维丝束张力稳定；运动机构1的下方设置有铺放模具7；干纤维料筒架2出来的干纤维丝束绕过张力控制装置3进入干纤维铺放头5；干纤维铺放头5的出口对准铺放模具7。
运动机构1包括横梁12、立柱11、和滑轨；四个立柱11竖直设置且成矩形排列，两个滑轨分别设置在两个立柱11的顶部之间，且两个滑轨互相平行；横梁12横跨垂直设置在两个滑轨之间，横梁12能够沿着滑轨方向滑动；横梁12上设置有滑枕13，滑枕13能够在横梁12上上下滑动；控制系统设置在运动机构1侧面，用于控制运动机构1带动干纤维铺放头5沿X轴、Y轴或Z轴方向移动。
干纤维铺放头5设置在滑枕13的正下方，干纤维铺放头5和滑枕13之间设置有转轴15，干纤维铺放头5能够绕转轴15旋转；干纤维料筒架2设置在滑枕13上或横梁12的端部；当横梁12跨距≤8米时，干纤维料筒架2设置在滑枕13；当横梁12跨距＞8米时，干纤维料筒架2固定设置在横梁的一端或者两端；当干纤维料筒架2设置在横梁12的端部时，张力控制装置3与干纤维铺放头5之间设置有导向器4，干纤维丝束依次绕过张力控制装置3和导向器4进入干纤维铺放头5。
横梁12上滑枕13的侧面设置有裁切装置6；裁切装置6包括裁切滑枕14、切刀座61和切刀62；裁切滑枕14设置在横梁12上，能够垂直于横梁12上下滑动，切刀座61固定设置在裁切滑枕14上，切刀62安装在切刀座61上，裁切滑枕14带动切刀62上下移动。
干纤维铺放头5的出口处设置有压实装置52，压实装置52包括压实气缸和压辊，压实气缸的输出端连接压辊，压辊设置在铺放模具7的上方；压辊为由柔性材料制成；干纤维铺放头5的侧面设置有定型剂喷涂装置53；干纤维铺放头5内设置有若干通道，通道上设置有干纤维导向装置。
导向器4为多通道导向器，导向器为陶瓷制成；干纤维铺放头5为多通道铺放头。
所述一种基于大幅宽多向连续纤维布的制造装置的操作方法包括以下步骤：
1)通过控制系统设计要制造的布幅形状和铺放路径，通过运动机构1带动干纤维铺放头5运动，在铺放模具7上按照设计好的布幅形状和铺放路径铺放干纤维丝束；
2)从干纤维铺放头出来的干纤维丝束通过压实装置压紧在铺放模具7表面，同时定型剂喷涂装置53将定型剂喷涂在干纤维铺放层上；
3)重复步骤1和步骤2，使得布幅能够逐层累积，通过裁切装置6切割，最终形成所需要纤维布。
参见图1至图3，运动机构包括立柱、横梁、铺放滑枕和裁切滑枕。在铺放滑枕上安装有干纤维铺丝头，用于进行连续纤维多向布的铺放。在裁切滑枕上安装有裁切装置，用于对铺放在模具上的多向布进行裁切和修整。当进行铺放时，裁切装置在滑枕带动下向上移动，不影响正常的铺放，当进行裁切时，干纤维铺放头在滑枕带动下向上移动，避免影响裁切装置对多向布的裁切。二者通过同一套控制系统进行控制，动作互相协调。由于只需铺放平面，且为了便于操作人员进行操作，因此运动机构的立柱和横梁无需太高，桥架式立柱可采用大型工字钢作为主体进行加工制造。
参见图1至图4，为了增加铺放动作的灵活性，减小干纤维在长距离输送过程中的损伤，当横梁跨距较小时(≤8米)，将干纤维料筒架设置在横梁上，并与铺放滑枕连接，使得干纤维丝束到铺丝头的距离始终最短。此时，必须进行详细的计算和设计，以确保横梁有足够的刚度。并可采用后安装导轨的方法，即将横梁先安装好后，在已经“变形”的横梁上进行安装直线导轨，并调整导轨直线度和平行度到需要的精度。这样可以尽量避免由横梁自重引起的变形，确保铺放装置具有较高的运动精度。
当横梁跨距较大时(≥8米)，将干纤维料筒架固定设置在横梁的一端或者两端，在干纤维料筒架和铺放头之间增加导向系统，使得干纤维丝束从料筒架中经过较长的距离再引入铺放头中。采用这样的结构可以大大减小大跨距横梁的设计和制造难度，进而降低整个设备的制造成本，提高运行可靠性。但是在进行导向系统设计时必须实现对干纤维丝束的平顺导向，减少干纤维丝束的损伤，避免多束纤维丝束之间的互相缠绕。
参见图1，为了提高干纤维铺放设备的运动灵活性，在铺丝头和铺放滑枕之间可增加一个绕Z轴的旋转的转轴。当需要在平面模具上铺放出曲线路径或者轮廓时，可通过转轴的旋转，使得干纤维丝束更好地沿设计路径进行铺放。
参见图2和图5，干纤维铺放头结构主要包括干纤维导向装置、压实装置和定型剂喷涂装置。导向装置一般为多丝束通道，也可以采用单通道。采用不同的间距L，可以铺放出不同间隔的多向布。多通道的导向装置可设计为不同的排列结构形式，通道的直径也要根据干纤维丝束的直径进行设计。压实装置采用柔性材料，如硅橡胶，确保可靠压实。定型剂喷涂装置采用成熟的产品，如双头自动喷枪。
参见图1和图6，裁切装置主要包括裁切刀座和裁切刀，裁切刀座安装在裁切滑枕上，随滑枕一起移动。裁切刀安装在裁切刀座上，裁切刀采用复合材料裁切机上常用的高速振动刀，该振动刀能够快速更换刀片，裁切时刀具对材料的作用压力可调，能够进行不同深度和不同材料的复合材料多向布的裁切。为了提高裁切刀片的使用寿命，采用钨钢作为刀片材料。
参见图1、图2和图7，采用干纤维铺放设备可进行任意形状的多向布的铺放。当需要制造圆柱类复合材料构件时，圆柱面展开为矩形，因此需要制造出矩形幅面的多向布。而当需要制造圆锥体类复合材料构件时，圆锥面展开为扇形，因此需要铺放出扇形形状的多向布。干纤维丝束角度也可根据实际的需要进行设计，以优化复合材料构件的性能，如果需要制造圆锥体复合材料构件，则将干纤维的0°方向定义为沿扇形的直径方向。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种大幅宽多向连续纤维布的制造装置，其特征在于，包括运动机构(1)、干纤维料筒架(2)、张力控制装置(3)、干纤维铺放头(5)和铺放模具(7)；干纤维料筒架(2)和干纤维铺放头(5)设置在运动机构(1)上，运动机构(1)能够带动干纤维铺放头(5)沿X轴、Y轴或Z轴方向移动；干纤维料筒架(2)和干纤维铺放头(5)之间设置有张力控制装置(3)，张力控制装置(3)能够保证干纤维料筒架(2)出来的干纤维丝束张力稳定；运动机构(1)的下方设置有铺放模具(7)；干纤维料筒架(2)出来的干纤维丝束绕过张力控制装置(3)进入干纤维铺放头(5)；干纤维铺放头(5)的出口对准铺放模具(7)；
运动机构(1)上设置有裁切装置(6)；裁切装置(6)包括裁切滑枕(14)、切刀座(61)和切刀(62)；裁切滑枕(14)设置在横梁(12)上，能够垂直于横梁(12)上下滑动，切刀座(61)固定设置在裁切滑枕(14)上，切刀(62)安装在切刀座(61)上，裁切滑枕(14)带动切刀(62)上下移动；
干纤维铺放头(5)的出口处设置有压实装置(52)，压实装置(52)包括压实气缸和压辊，压实气缸的输出端连接压辊，压辊设置在铺放模具(7)的上方；压辊为由柔性材料制成；干纤维铺放头(5)的侧面设置有定型剂喷涂装置(53)；干纤维铺放头(5)内设置有若干通道，通道上设置有干纤维导向装置。
2.根据权利要求1所述的一种大幅宽多向连续纤维布的制造装置，其特征在于，运动机构(1)包括横梁(12)、立柱(11)、和滑轨；四个立柱(11)竖直设置且成矩形排列，两个滑轨分别设置在两个立柱(11)的顶部之间，且两个滑轨互相平行；横梁(12)横跨垂直设置在两个滑轨之间，横梁(12)能够沿着滑轨方向滑动；横梁(12)上设置有滑枕(13)，滑枕(13)能够在横梁(12)上上下滑动；控制系统设置在运动机构(1)侧面，用于控制运动机构(1)带动干纤维铺放头(5)沿X轴、Y轴或Z轴方向移动；横梁(12)上滑枕(13)的侧面设置有裁切装置(6)。
3.根据权利要求2所述的一种大幅宽多向连续纤维布的制造装置，其特征在于，干纤维铺放头(5)设置在滑枕(13)的正下方，干纤维铺放头(5)和滑枕(13)之间设置有转轴(15)，干纤维铺放头(5)能够绕转轴(15)旋转；干纤维料筒架(2)设置在滑枕(13)上或横梁(12)的端部；当横梁(12)跨距≤8米时，干纤维料筒架(2)设置在滑枕(13)；当横梁(12)跨距＞8米时，干纤维料筒架(2)固定设置在横梁的一端或者两端；当干纤维料筒架(2)设置在横梁(12)的端部时，张力控制装置(3)与干纤维铺放头(5)之间设置有导向器(4)，干纤维丝束依次绕过张力控制装置(3)和导向器(4)进入干纤维铺放头(5)。
4.根据权利要求1所述的一种大幅宽多向连续纤维布的制造装置，其特征在于，导向器(4)为多通道导向器，导向器为陶瓷制成；干纤维铺放头(5)为多通道铺放头。
5.一种基于大幅宽多向连续纤维布的制造装置的操作方法，其特征在于，所述大幅宽多向连续纤维布的制造装置包括运动机构(1)、干纤维料筒架(2)、张力控制装置(3)、干纤维铺放头(5)和铺放模具(7)；干纤维料筒架(2)和干纤维铺放头(5)设置在运动机构(1)上，运动机构(1)能够带动干纤维铺放头(5)沿X轴、Y轴或Z轴方向移动；干纤维料筒架(2)和干纤维铺放头(5)之间设置有张力控制装置(3)，张力控制装置(3)能够保证干纤维料筒架(2)出来的干纤维丝束张力稳定；运动机构(1)的下方设置有铺放模具(7)；干纤维料筒架(2)出来的干纤维丝束绕过张力控制装置(3)进入干纤维铺放头(5)；干纤维铺放头(5)的出口对准铺放模具(7)；
运动机构(1)包括横梁(12)、立柱(11)、和滑轨；四个立柱(11)竖直设置且成矩形排列，两个滑轨分别设置在两个立柱(11)的顶部之间，且两个滑轨互相平行；横梁(12)横跨垂直设置在两个滑轨之间，横梁(12)能够沿着滑轨方向滑动；横梁(12)上设置有滑枕(13)，滑枕(13)能够在横梁(12)上上下滑动；控制系统设置在运动机构(1)侧面，用于控制运动机构(1)带动干纤维铺放头(5)沿X轴、Y轴或Z轴方向移动；
横梁(12)上滑枕(13)的侧面设置有裁切装置(6)；裁切装置(6)包括裁切滑枕(14)、切刀座(61)和切刀(62)；裁切滑枕(14)设置在横梁(12)上，能够垂直于横梁(12)上下滑动，切刀座(61)固定设置在裁切滑枕(14)上，切刀(62)安装在切刀座(61)上，裁切滑枕(14)带动切刀(62)上下移动；
干纤维铺放头(5)的出口处设置有压实装置(52)，压实装置(52)包括压实气缸和压辊，压实气缸的输出端连接压辊，压辊设置在铺放模具(7)的上方；压辊为由柔性材料制成；干纤维铺放头(5)的侧面设置有定型剂喷涂装置(53)；干纤维铺放头(5)内设置有若干通道，通道上设置有干纤维导向装置；
所述一种基于大幅宽多向连续纤维布的制造装置的操作方法包括以下步骤：
1)通过控制系统设计要制造的布幅形状和铺放路径，通过运动机构(1)带动干纤维铺放头(5)运动，在铺放模具(7)上按照设计好的布幅形状和铺放路径铺放干纤维丝束；
2)从干纤维铺放头出来的干纤维丝束通过压实装置压紧在铺放模具(7)表面，同时定型剂喷涂装置(53)将定型剂喷涂在干纤维铺放层上；
3)重复步骤1和步骤2，使得布幅能够逐层累积，通过裁切装置(6)切割，最终形成所需要纤维布。
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