CN109177234A - 一种复合材料多丝束同步叠层合束铺放装置 - Google Patents

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Abstract

一种复合材料多丝束同步叠层合束铺放装置，涉及复合材料制造技术领域；包括预浸窄带放卷导向装置、叠层合束装置和网格铺放头；该多丝束同步叠层合束铺放装置可将2～3束纤维预浸窄带集合成单束叠层结构预浸窄带，再通过铺丝压辊一次铺放于网格凹槽中，实现单次铺放多层预浸窄带；本发明的装置可以应用于复合材料网格结构，具有铺放效率高，成型质量好的特点，实现了复合材料网格结构高效高质量的自动化成型。

Description

一种复合材料多丝束同步叠层合束铺放装置
技术领域
本发明涉及一种复合材料制备技术领域，特别是一种复合材料多丝束同步叠层合束铺放装置。
背景技术
复合材料网格结构能够充分发挥结构各向异性的优势，更好的满足结构上各个方向不同强度与刚度要求，提高结构效率，满足复合材料结构件的轻质化要求而被广泛采用，网格结构形式的复合材料构件已经占到复合材料舱段结构件的80％以上。
针对复合材料网格结构的成型，国内开展了回转结构自动化缠绕技术研究工作，采用测地线缠绕成型工艺，初步实现了回转结构矩形、三角形网格的自动化缠绕。随着复合材料的应用领域不断拓宽，新型异形网格结构已不再沿测地线或近测地线方向，国内成熟的网格缠绕成型工艺已无法适于此类网格结构成型；同时传统的网格缠绕技术无法实现凹形面的缠绕成型，并且网格缠绕成型存在节点架桥的问题。
基于自动铺丝技术的复合材料网格铺放工艺打破了传统网格缠绕技术测地线和不架桥等规则的限制，可进行异形网格的成型。而异形网格的铺放成型效率是影响生产进度的主要因素，现有的多铺放头铺放设备在进行异形网格结构成型时，多铺放头之间的轨迹规划及多自由度铺放头之间的协同这一问题尚没良好解决，使得多铺放头设备难以应用于异形网格的高效铺放成型，导致异形网格的铺放成型仅能采用单铺放头铺放的成型方式。目前单铺放头的铺放设备所用预浸窄带大多通过热熔法预浸料分切得到，在制备热熔预浸料时，若纤维层太厚，胶膜难以对纤维实现完全浸润，导致预浸料在分切后得到的预浸窄带刚度不够，容易在送纱辊处卡滞，因此现有的预浸窄带厚度一般低于0.20mm，这导致现有单铺放头设备单次铺放厚度低，铺放效率不高，无法满足异形网格的高效铺放成型。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的上述不足，提供一种复合材料多丝束同步叠层合束铺放装置，预浸窄带的叠层合束和铺放同步完成，本发明可以应用于复合材料异形网格结构的高效成型，不仅铺放效率高，同时具有成型质量好的特点，实现了复合材料异形网格结构高效高质量的自动化成型。
本发明的上述目的是通过如下技术方案予以实现的：
一种复合材料多丝束同步叠层合束铺放装置，包括预浸窄带放卷导向装置、叠层合束装置和网格铺放头；预浸窄带放卷导向装置在电机的驱动下实现多束预浸窄带的放纱及收膜，并按照预设的纱路方向将多束预浸窄带输送至叠层合束装置；叠层合束装置将多束预浸窄带贴合在一起，形成单束叠层结构预浸窄带；网格铺放头将上述单束叠层结构预浸窄带铺放于模具表面的网格凹槽中。
在上述的一种复合材料多丝束同步叠层合束铺放装置，所述的叠层合束装置包括预浸窄带定位辊轮、合束辊组；预浸窄带定位辊轮的数量与预浸窄带的丝束数量一致；每个预浸窄带定位辊轮的表面设置凹槽，用于对凹槽内的预浸窄带进行定位；合束辊组由至少2组辊轮组成，各组辊轮之间非平行设置；每组辊组包括一个表面带凹槽的辊轮；通过预浸窄带定位辊轮的多束预浸窄带按照预先设置的叠层次序由合束辊组中的辊轮提供0.5-2N的叠合张力，多束预浸窄带在张力的作用下贴合在一起，形成单束叠层结构预浸窄带。
在上述的一种复合材料多丝束同步叠层合束铺放装置，包括红外加热装置，通过红外加热装置对合束辊组进行加热，使预浸窄带具有一定粘性，加热温度范围为30-80℃，优选40-50℃。
在上述的一种复合材料多丝束同步叠层合束铺放装置，所述的凹槽为“U”形槽，预浸窄带宽度＜槽宽w＜预浸窄带宽度+0.5mm，单层预浸窄带厚度＜槽深h1，3层预浸窄带厚度＜槽深h2。
在上述的一种复合材料多丝束同步叠层合束铺放装置，所述的合束辊组由 3组辊轮组成，呈“V”形排列，3组辊轮间的相对高度可调，3组辊轮之间的角度α为90-160°。
在上述的一种复合材料多丝束同步叠层合束铺放装置，合束辊组中每组辊轮还包括1个圆辊，圆辊与该组辊轮中表面带凹槽的辊轮上下排列。
在上述的一种复合材料多丝束同步叠层合束铺放装置，所述的预浸窄带放卷导向装置包括预浸窄带放卷辊轴、收膜轴、导向轮组；预浸窄带放卷辊轴在电机的驱动下进行旋转，实现放纱；收膜轴在预浸窄带的带动下被动回绕，实现对离型膜的剥离并收集，导向轮组对预浸窄带的纱路方向进行调节。
在上述的一种复合材料多丝束同步叠层合束铺放装置，所述的网格铺放头包括气动装置、止纱辊组件、送纱辊组件、铡刀、导纱辊组件、第一铺放压辊、第二铺放压辊及红外加热装置；止纱辊组件和送纱辊组件在气动装置的控制下实现止纱和送纱动作；导纱辊组件约束送纱的路径；首先通过第一铺放压辊的下压将预浸窄带粘在模具表面；然后通过设置在铺放头最顶端的第二铺放压辊将预浸窄带铺放于模具的网格凹槽中，第一铺放压辊的宽度大于第二铺放压辊的宽度，第二铺放压辊的直径大于第一铺放压辊的直径，预浸窄带宽度＜第二铺放压辊的宽度＜预浸窄带宽度+0.5mm，由红外加热装置对第一、二铺放压辊处的预浸窄带进行加热；铡刀在气动装置控制下实现预浸窄带的切断。
在上述的一种复合材料多丝束同步叠层合束铺放装置，所述的气动装置、止纱辊组件、送纱辊组件、铡刀、导纱辊组件放置在冷却装置中，温度为0-10℃，通过冷却装置保证预浸窄带不粘辊。
在上述的一种复合材料多丝束同步叠层合束铺放装置，所适用的预浸窄带丝束数为2-3束。
本发明相比现有技术具有如下优点：
(1)本发明所述的一种复合材料多丝束同步叠层合束铺放装置将多组具有特定槽宽及深度的“U”形辊集成于网格结构铺放装置中，实现了预浸窄带的叠层合束和铺放这两个步骤的同步进行，实现了复合材料网格结构高效高质量的自动化成型。
(2)本发明所述的叠层合束装置通过调节合束辊之间的相对位置，实现了合束张力的调节，并且通过加热装置对预浸窄带的粘度进行控制，在张力和粘度控制的协调作用下实现的预浸窄带间的良好合束效果，避免后续在送纱辊处出现层间脱开，铺放时出现散纱问题。
(3)本发明所述的第一铺放压辊宽度大于第二铺放压辊，第二铺放压辊直径大于第一铺放压辊，第一铺放压辊宽度较大直径小，稳定性高，可实现预浸窄带与模具之间的良好贴合，第二铺放压辊直径大于第一铺放压辊可实现深凹槽的铺放成型，采用双铺放辊的结构形式，同时实现了预浸窄带与模具良好贴合及深槽铺放。
(4)本发明所述的复合材料多丝束同步叠层合束铺放装置可将具有功能特性的窄带与普通预浸窄带同步叠层合束铺放，实现混杂铺放功能。
附图说明
图1为本发明复合材料多丝束同步叠层合束铺放装置示意图；
图2为本发明预浸窄带定位辊示意图；
图3(a)为本发明预浸窄带向上经过凹槽时圆辊与凹槽辊排列情况，图3 (b)预浸窄带向下经过凹槽时圆辊与凹槽辊排列情况；
图4为本发明合束辊相对位置示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细的描述：
本发明的一种复合材料多丝束同步叠层合束铺放装置，该装置以复合材料网格结构高效高质量成型为目标，提出了一种适用于网格结构的高效同步叠层合束铺放装置；
如图1所示为复合材料多丝束同步叠层合束铺放装置示意图，由图可知，一种复合材料多丝束同步叠层合束铺放装置，包括预浸窄带放卷导向装置、叠层合束装置和网格铺放头；预浸窄带放卷导向装置包括预浸窄带放卷辊轴1、收膜轴2、导向轮组3；叠层合束装置包括预浸窄带定位辊轮4、合束辊组5；网格铺放头包括气动装置6、止纱辊组件7、送纱辊组件8、铡刀9、导纱辊组件10、第一铺放压辊11、第二铺放压辊12及红外加热装置13。
如图2所示为预浸窄带定位辊示意图，由图可知，预浸窄带定位辊轮表面为“U”形凹槽结构，槽宽为w，槽深为h1；其中，预浸窄带宽度＜槽宽w＜预浸窄带宽度+0.5mm，单层预浸窄带厚度＜槽深h1，3层预浸窄带厚度＜槽深h2
如图3(a)、图3(b)所示为合束辊组的排布示意图，由图可知，每组合束辊组均由1个圆辊和1个表面为“U”形凹槽结构的辊轮组成，当预浸窄带向上经过凹槽时圆辊与凹槽辊排列情况如图3(a)，当预浸窄带向下经过凹槽时圆辊与凹槽辊排列情况如图3(b)。
如图4所示为合束辊相对位置示意图，3组辊轮呈“V”形排列，夹角为α，α最优取值范围为90-160°。
实施例
预浸窄带单侧带有隔离膜，经放卷轴放出后，有隔离膜一侧与收膜轴接触，收膜轴采用被动旋转回绕方式，在预浸纱运动过程中，预浸纱带动收膜轴旋转，其表面的离型膜被收膜轴剥离并收集，无覆膜的预浸窄带经过导向轮组；
预浸窄带叠层合束装置中的预浸窄带定位辊将多条预浸窄带束形成上下错落的状态，经过合束辊组，在张力作用下，紧密贴合在一起，形成单束叠层结构；
该叠层预浸窄带依次通过止纱辊组件、送纱辊组件，在电机及气动装置的控制下实现对预浸窄带送纱状态的控制，再经过铡刀和导纱辊组件，通过控制铡刀实现对合束预浸窄带的切断状态的控制，第一铺放压辊将预浸窄带压贴在网格模具表面，再由第二铺放压辊将丝束铺放于网格结构模具表面的筋条凹槽中，从而实现叠层结构预浸窄带的铺放，铺放头处的红外加热装置，使预浸窄带受热并具备一定粘性以满足工艺需要。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (10)

1.一种复合材料多丝束同步叠层合束铺放装置，其特征在于包括预浸窄带放卷导向装置、叠层合束装置和网格铺放头；
预浸窄带放卷导向装置在电机的驱动下实现多束预浸窄带的放纱及收膜，并按照预设的纱路方向将多束预浸窄带输送至叠层合束装置；
叠层合束装置将多束预浸窄带贴合在一起，形成单束叠层结构预浸窄带；
网格铺放头将上述单束叠层结构预浸窄带铺放于模具表面的网格凹槽中。
2.根据权利要求1所述的复合材料多丝束同步叠层合束铺放装置，其特征在于：所述的叠层合束装置包括预浸窄带定位辊轮(4)、合束辊组(5)；预浸窄带定位辊轮的数量与预浸窄带的丝束数量一致；每个预浸窄带定位辊轮的表面设置凹槽，用于对凹槽内的预浸窄带进行定位；合束辊组由至少2组辊轮组成，各组辊轮之间非平行设置；每组辊组包括一个表面带凹槽的辊轮；通过预浸窄带定位辊轮的多束预浸窄带按照预先设置的叠层次序由合束辊组中的辊轮提供0.5-2N的叠合张力，多束预浸窄带在张力的作用下贴合在一起，形成单束叠层结构预浸窄带。
3.根据权利要求2所述的复合材料多丝束同步叠层合束铺放装置，其特征在于：还包括红外加热装置，通过红外加热装置(14)对合束辊组(5)进行加热，使预浸窄带具有一定粘性，加热温度范围为30-80℃，优选40-50℃。
4.根据权利要求2所述的复合材料多丝束同步叠层合束铺放装置，其特征在于：所述的凹槽为“U”形槽，预浸窄带宽度＜槽宽w＜预浸窄带宽度+0.5mm，预浸窄带总厚度＜槽深。
5.根据权利要求2所述的复合材料多丝束同步叠层合束铺放装置，其特征在于：所述的合束辊组由3组辊轮组成，呈“V”形排列，3组辊轮间的相对高度可调，3组辊轮之间的角度α为90-160°。
6.根据权利要求2所述的复合材料多丝束同步叠层合束铺放装置，其特征在于：合束辊组中每组辊轮还包括1个圆辊，圆辊与该组辊轮中表面带凹槽的辊轮上下排列。
7.根据权利要求1所述的复合材料多丝束同步叠层合束铺放装置，其特征在于：所述的预浸窄带放卷导向装置包括预浸窄带放卷辊轴(1)、收膜轴(2)、导向轮组(3)；预浸窄带放卷辊轴在电机的驱动下进行旋转，实现放纱；收膜轴在预浸窄带的带动下被动回绕，实现对离型膜的剥离并收集，导向轮组对预浸窄带的纱路方向进行调节。
8.根据权利要求1所述的复合材料多丝束同步叠层合束铺放装置，其特征在于：所述的网格铺放头包括气动装置(6)、止纱辊组件(7)、送纱辊组件(8)、铡刀(9)、导纱辊组件(10)、第一铺放压辊(11)、第二铺放压辊(12)及红外加热装置(13)；止纱辊组件和送纱辊组件在气动装置的控制下实现止纱和送纱动作；导纱辊组件(10)约束送纱的路径；首先通过第一铺放压辊的下压将预浸窄带粘在模具表面；然后通过设置在铺放头最顶端的第二铺放压辊将预浸窄带铺放于模具的网格凹槽中，第一铺放压辊的宽度大于第二铺放压辊的宽度，第二铺放压辊的直径大于第一铺放压辊的直径，预浸窄带宽度＜第二铺放压辊的宽度＜预浸窄带宽度+0.5mm，由红外加热装置(13)对第一、二铺放压辊处的预浸窄带进行加热；铡刀在气动装置控制下实现预浸窄带的切断。
9.根据权利要求1所述的复合材料多丝束同步叠层合束铺放装置，其特征在于：所述的气动装置(6)、止纱辊组件(7)、送纱辊组件(8)、铡刀(9)、导纱辊组件(10)放置在冷却装置(15)中，温度为0-10℃，通过冷却装置保证预浸窄带不粘辊。
10.根据权利要求1所述的复合材料多丝束同步叠层合束铺放装置，其特征在于：所适用的预浸窄带丝束数为2-3束。
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