CN109367149A - 一种碳纤维复合板材及其复杂曲面的数字化成型方法 - Google Patents

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Abstract

一种碳纤维复合板材及其复杂曲面的数字化成型方法，碳纤维复合板材制备方法：将碳纤维进行布线编织成碳纤维布，将碳纤维布的前端牵引进入热熔浸胶机；树脂基料均匀搅拌，然后将混合料倒入料槽；将树脂基料送入热熔浸胶机中，与碳纤维布一起进行热压浸渍，保温固化制备碳纤维预浸板；环氧树脂层上层刷涂阻燃层，防火层外贴有保护膜；以平铺方式将碳纤维复合板材送入操作台；将压合后的成型板通过快速冷凝区预冷，冷凝区是紧靠在成型区的一个狭小空间，主要由上方的一排垂直于板材进给方向的冷凝喷头构成，喷头接入冷空气；将经过预冷的构件送入冷凝台进行二次冷却，通过冷凝台冷却固化后即可取出成型件，本发明能够缩短生产周期，提高生产效率。

Description

一种碳纤维复合板材及其复杂曲面的数字化成型方法
技术领域
本发明涉及碳纤维复合板材技术领域，特别涉及一种碳纤维复合板材及其复杂曲面的数字化成型方法。
背景技术
碳纤维是由有机纤维经过一系列热处理转化而成的一种材料，含碳量高于90％的无机高性能纤维是一种力学性能优异的新材料，它不但具有碳材料固有的本性特征，还兼备了纺织纤维的柔软可加工性，是新一代增强纤维。碳纤维复合板材与其他材料相比具有高强度、高刚度、高断裂韧性、高比模量、高阻尼、制件力学性能优异、安全性高、可设计性强和零部件一体化等特点，已广泛应用到汽车制造、运载火箭、飞机制造等各个领域，其多种加工成型工艺也得到广泛的应用，例如，它能够大幅提高汽车服役寿命、燃油效率和安全舒适性。碳纤维复合板材是工业领域中最理想的轻量化材料，其多种加工成型工艺得到了广泛应用。
目前碳纤维复合板材的成型工艺主要有热固化成型和热塑化成型两类，这两种方法适合大件板材的制备，多需要采用模具，模具造价高昂，可替换性差；而且由于以上成型方法的局限性，无法对成型图案和形状进行及时、灵活地更改与变换。
发明内容
为了克服上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种碳纤维复合板材及其复杂曲面的数字化成型方法，提供一种可变线性阵列，制造具有复杂曲面的碳纤维复合板材的数字化成型方法，将设计好的图案曲线建模编程后通过上下阵列探针变换实现无模复杂形状快速成型，相比于传统成型方法其具有精度高、成本低、图案可变、快速化成型的优势，能够缩短生产周期，提高生产效率。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种碳纤维复合板材及其复杂曲面的数字化成型方法，包括以下步骤；
碳纤维复合板材制备方法：包括的碳纤维编织层1，碳纤维编织层1上下两端依次铺设有环氧树脂层2、防火层3，保护膜4；
(a)碳纤维编织层1：将碳纤维进行布线编织成碳纤维布，将碳纤维布的前端牵引进入热熔浸胶机；
(b)树脂基料的制备：将固化剂、环氧树脂、脱模剂和填料按质量比30％-48％、30％-48％、2％-20％、2％-20％混合均匀搅拌30分钟后，然后将混合料倒入料槽；
(c)将树脂基料送入热熔浸胶机中，与碳纤维布一起进行热压浸渍，保温固化制备碳纤维预浸板；
(d)环氧树脂层2上层刷涂阻燃层，形成防火层3；
(e)防火层3外贴有保护膜4；
碳纤维复合板材的复杂曲面成型方法制备步骤：
(1)以平铺方式将碳纤维复合板材送入操作台；
(2)将压合后的成型板通过快速冷凝区预冷，冷凝区是紧靠在成型区的一个狭小空间，主要由上方的一排垂直于板材进给方向的冷凝喷头构成，喷头接入冷空气；
(3)将经过预冷的构件送入冷凝台进行二次冷却，冷凝台是一个3m*2m的方形平台，下方通入循环自来水，通过冷凝台冷却固化后即可取出成型件。
所述的步骤(b)中固化剂主要成分为乙烯基三胺，脱模剂采用塑性脱模剂，主要成分为硅油、硅酯。
所述的步骤(c)浸渍温度为150℃-220℃，保温90℃-120℃，2-4小时。
所述的步骤(d)中阻燃层主要成分为有机硅系阻燃剂。
所述的步骤(e)保护膜采用PE分离型纸，可耐高温、防止板材与机台黏贴，同时也可减少碳纤维板材的磨损。
所述的控制步骤中步骤(1)的进给速度3mm/s-10mm/s。
所述的控制步骤中步骤(1)的操作台为上下两个部分，下方是由数个具有一定面积的球面热探头组成，面积为0.5mm2-10mm2，探头温度0℃-250℃之间，可通过预先设定的图案控制探头的伸缩量从而形成特定的形状，上方是由一排垂直于板材前进方向的热探头构成，其伸缩量与其下方的探头伸缩量相对应，在板材进给过程中通过控制上下探头伸缩从而在不同部位形成特定曲面形状；其中探头变动频率为0.05-0.3s/次，合模间隔时间为2-10s；
所述的预冷区是通过喷头喷出25℃-40℃的空气。
本发明的有益效果：
用可变的热探头实现成型形状的变化，与传统模压式成型方法相比成型形状多样，不需要使用特定模具大大降低了生产成本，在一定温度与压力下成型复杂曲面零件，能够大大提高生产效率，缩短生产周期，可以实现大规模工业化生产。
本发明提供一种碳纤维复合板材及其复杂曲面的数字化成型方法可实现数字化加工成型、动态调整图案、不需要使用模具、成型速度快、制件精度高。使用碳纤维复合板材及其复杂曲面数字化成型方法加工碳纤维复合板材将是未来必然的发展趋势。
附图说明
图1为根据本发明提供的一种碳纤维复合板材的结构示意图。
图2为操作台探头阵列示意图。
图3为根据程序设定的简单波形曲面探头阵列示意图。
图4为快速冷凝区示意图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步详细说明。
实施例1：
碳纤维复合板材制备方法：包括的碳纤维编织层1，碳纤维编织层1上下两端依次铺设有环氧树脂层2、防火层3，保护膜4(见图1)；
(a)碳纤维编织层1：将碳纤维进行布线编织成碳纤维布，将碳纤维布的前端牵引进入热熔浸胶机；
(b)树脂基料的制备：将固化剂、环氧树脂、脱模剂和填料按质量比48％、48％、2％、2％混合均匀搅拌30分钟后，然后将混合料倒入料槽；
(c)将树脂基料送入热熔浸胶机中，220℃下与碳纤维布一起进行热压浸渍，100℃保温3小时固化制备碳纤维预浸板；
(d)环氧树脂层2上层刷涂有机硅系阻燃剂，形成防火层3；
(e)防火层3外贴上PE分离型纸作为保护膜4。
碳纤维复合板材的复杂曲面成型方法制备步骤：
(1)以平铺方式将碳纤维复合板材送入操作台，控制进给速度3mm/s，其中操作台是由预先编程好的上下两个部分组成，下方是由数个具有一定面积2.0mm2的球面热探头组成，探头温度为165℃±5℃，可通过预先设定的图案控制探头的伸缩量从而形成特定的形状，上方是由一排垂直于板材前进方向的热探头构成，其伸缩量与其下方的探头伸缩量相对应(见图2图3)，在板材进给过程中通过控制上下探头伸缩从而在不同部位形成特定曲面形状；其中探头变动频率为0.05s/次，合模间隔时间为2s；
(2)将压合后的成型板通过快速冷凝区预冷，冷凝区是紧靠在成型区的一个狭小空间，主要由上方的一排垂直于板材进给方向的冷凝喷头构成，喷头接入冷空气；(见图4)
(3)将经过预冷的构件送入冷凝台进行二次冷却，冷凝台是一个3m*2m的方形平台，下方通入循环自来水，通过冷凝台冷却固化后即可取出成型件。
实施例2：
碳纤维复合板材制备方法：包括的碳纤维编织层1，碳纤维编织层1上下两端依次铺设有环氧树脂层2、防火层3，保护膜4；
(a)碳纤维编织层1：将碳纤维进行布线编织成碳纤维布，将碳纤维布的前端牵引进入热熔浸胶机；
(b)树脂基料的制备：将固化剂、环氧树脂、脱模剂和填料按质量比30％、30％、20％、20％混合均匀搅拌30分钟后，然后将混合料倒入料槽；
(c)将树脂基料送入热熔浸胶机中，180℃下与碳纤维布一起进行热压浸渍，90℃保温4小时，固化制备碳纤维预浸板；
(d)环氧树脂层2上层刷涂有机硅系阻燃剂，形成防火层3；
(e)防火层3外贴有PE分离型纸作为保护膜4。
碳纤维复合板材的复杂曲面成型方法制备步骤：
(1)以平铺方式将碳纤维复合板材送入操作台，控制进给速度10mm/s，其中操作台是由预先编程好的上下两个部分组成，下方是由数个具有一定面积10mm2的球面热探头组成，探头温度为205℃±5℃之间，可通过预先设定的图案控制探头的伸缩量从而形成特定的形状，上方是由一排垂直于板材前进方向的热探头构成，其伸缩量与其下方的探头伸缩量相对应，在板材进给过程中通过控制上下探头伸缩从而在不同部位形成特定曲面形状；其中探头变动频率为0.3s/次，合模间隔时间为10s；
(2)将压合后的成型板通过快速冷凝区预冷，冷凝区是紧靠在成型区的一个狭小空间，主要由上方的一排垂直于板材进给方向的冷凝喷头构成，喷头接入冷空气；
(3)将经过预冷的构件送入冷凝台进行二次冷却，冷凝台是一个3m*2m的方形平台，下方通入循环自来水，通过冷凝台冷却固化后即可取出成型件。
实施例3：
碳纤维复合板材制备方法：包括的碳纤维编织层1，碳纤维编织层1上下两端依次铺设有环氧树脂层2、防火层3，保护膜4；
(a)碳纤维编织层1：将碳纤维进行布线编织成碳纤维布，将碳纤维布的前端牵引进入热熔浸胶机；
(b)树脂基料的制备：将固化剂、环氧树脂、脱模剂和填料按质量比40％、45％、5％、10％混合均匀搅拌30分钟后，然后将混合料倒入料槽；
(c)将树脂基料送入热熔浸胶机中，200℃下与碳纤维布一起进行热压浸渍，120℃保温2小时，固化制备碳纤维预浸板；
(d)环氧树脂层2上层刷涂有机硅系阻燃剂，形成防火层3；
(e)防火层3外贴有PE分离型纸作为保护膜4。
碳纤维复合板材的复杂曲面成型方法制备步骤：
(1)以平铺方式将碳纤维复合板材送入操作台，控制进给速度5mm/s，其中操作台是由预先编程好的上下两个部分组成，下方是由数个具有一定面积8mm2的球面热探头组成，探头温度为195℃±5℃，可通过预先设定的图案控制探头的伸缩量从而形成特定的形状，上方是由一排垂直于板材前进方向的热探头构成，其伸缩量与其下方的探头伸缩量相对应，在板材进给过程中通过控制上下探头伸缩从而在不同部位形成特定曲面形状；其中探头变动频率为0.2s/次，合模间隔时间为7s；
(2)将压合后的成型板通过快速冷凝区预冷，冷凝区是紧靠在成型区的一个狭小空间，主要由上方的一排垂直于板材进给方向的冷凝喷头构成，喷头接入冷空气；
(3)将经过预冷的构件送入冷凝台进行二次冷却，冷凝台是一个3m*2m的方形平台，下方通入循环自来水，通过冷凝台冷却固化后即可取出成型件。

Claims (7)

1.一种碳纤维复合板材及其复杂曲面的数字化成型方法，其特征在于，包括以下步骤；
碳纤维复合板材制备方法：包括的碳纤维编织层(1)，碳纤维编织层(1)上下两端依次铺设有环氧树脂层(2)、防火层(3)，保护膜(4)；
(a)碳纤维编织层(1)：将碳纤维进行布线编织成碳纤维布，将碳纤维布的前端牵引进入热熔浸胶机；
(b)树脂基料的制备：将固化剂、环氧树脂、脱模剂和填料按质量比30％-48％、30％-48％、2％-20％、2％-20％混合均匀搅拌30分钟后，然后将混合料倒入料槽；
(c)将树脂基料送入热熔浸胶机中，与碳纤维布一起进行热压浸渍，保温固化制备碳纤维预浸板；
(d)环氧树脂层(2)上层刷涂阻燃层，形成防火层3；
(e)防火层(3)外贴有保护膜(4)；
碳纤维复合板材的复杂曲面成型方法制备步骤：
(1)以平铺方式将碳纤维复合板材送入操作台；
(2)将压合后的成型板通过快速冷凝区预冷，冷凝区是紧靠在成型区的一个狭小空间，主要由上方的一排垂直于板材进给方向的冷凝喷头构成，喷头接入冷空气；
(3)将经过预冷的构件送入冷凝台进行二次冷却，冷凝台是一个3m*2m的方形平台，下方通入循环自来水，通过冷凝台冷却固化后即可取出成型件。
2.根据权利要求1所述的一种碳纤维复合板材及其复杂曲面的数字化成型方法，其特征在于，所述的步骤(b)中固化剂主要成分为乙烯基三胺，脱模剂采用塑性脱模剂，主要成分为硅油、硅酯。
3.根据权利要求1所述的一种碳纤维复合板材及其复杂曲面的数字化成型方法，其特征在于，所述的步骤(c)浸渍温度为150℃-220℃，保温90℃-120℃，2-4小时。
4.根据权利要求1所述的一种碳纤维复合板材及其复杂曲面的数字化成型方法，其特征在于，所述的步骤(d)中阻燃层主要成分为有机硅系阻燃剂。
5.根据权利要求1所述的一种碳纤维复合板材及其复杂曲面的数字化成型方法，其特征在于，所述的控制步骤中步骤(1)的进给速度3mm/s-10mm/s。
6.根据权利要求1所述的一种碳纤维复合板材及其复杂曲面的数字化成型方法，其特征在于，所述的控制步骤中步骤(1)的操作台为上下两个部分，下方是由数个具有一定面积的球面热探头组成，面积为0.5mm2-10mm2，探头温度在0℃-250℃之间，可通过预先设定的图案控制探头的伸缩量从而形成特定的形状，上方是由一排垂直于板材前进方向的热探头构成，其伸缩量与其下方的探头伸缩量相对应，在板材进给过程中通过控制上下探头伸缩从而在不同部位形成特定曲面形状；其中探头变动频率为0.05-0.3s/次，合模间隔时间为2-10s。
7.根据权利要求1所述的一种碳纤维复合板材及其复杂曲面的数字化成型方法，其特征在于，所述的预冷区是通过喷头喷出25℃-40℃的空气。
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