CN111070720A - 一种纤维增强复合材料纤维位置控制装置和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种纤维增强复合材料纤维位置控制装置和方法，有一底座，通过连接板分别固定两个微孔模具固定架和四个三坐标轴微动平台。微孔模具固定架上固定有微孔模具及L形支架，三坐标轴微动平台上固定有镊子和光学显微镜。光学显微镜通过三坐标轴微动平台进行控制，可以进行视野和焦距的调整，所述弯头镊子尖端采用胶带包裹，用以夹持单根纤维丝，通过三坐标轴微动平台进行控制，可以半自动地实现纤维丝的对准和穿入微孔模具中的微孔。左右各有一个中心对称的微孔模具、光学显微镜、弯头镊子及其他配套设施，可通过先后在左右两边作业实现纤维的规则分布，适用于所有长连续纤维，可以使纤维增强复合材料单个铺层的厚度大大降低。
Description
技术领域
本发明属于机械工程技术领域，具体涉及一种纤维增强复合材料纤维位置控制装置和方法，可以实现复合材料内部纤维的均匀排布。
技术背景
纤维增强复合材料具有高比模量、高比强度、抗疲劳、耐腐蚀、可设计和易成型等优点，在飞机、舰船、车辆等制备上得到了大规模的应用。然而，相对于传统的金属材料，纤维增强复合材料是非均质多相材料，制备工艺的一致性控制较难。由于纤维增强复合材料具有复杂的细观结构，其纤维随机分布对宏观强度的影响非常复杂，导致复合材料力学性能降低的同时分散性也相应较大。
复合材料细观纤维分布形态控制方法，目前常用的技术是用扩纤法对纤维丝束进行横向均匀、无损展开，使得纤维含量在平面内的各个部分分布均匀，制备成较薄纤维干纱或预浸料。现阶段常用的有辊筒扩纤法、气流负压扩纤法和超声波扩纤法，然而干纱或预浸料的厚度依然较大，并且纤维分布依然处于随机状态，只是降低了富脂区及富纤维区的含量;目前尚未有技术通过微孔穿丝实现位置的精确控制。
发明内容
本发明的主要目的是提供一种纤维增强复合材料纤维分布形态控制方法和装置，从而克服现有技术的不足。
本发明通过以下技术方案实现，包括底座，底座通过第一连接板设有第一LD80三坐标轴微动平台、第一六边形杆和第一光学显微镜；底座通过第二连接板设有第一微孔模具固定架、第一微孔模具和第一L形支架；底座通过第三连接板设有第一LD60三坐标轴微动平台、第一LD60增高块和第一弯头镊子；底座通过第四连接板设有第二LD80三坐标轴微动平台、第二六边形杆和第二光学显微镜；底座通过第五连接板设有第二微孔模具固定架、第二微孔模具和第二L形支架；底座通过第六连接板设有第二LD60三坐标轴微动平台、第二LD60增高块和第二弯头镊子；底座还通过内六角螺栓连接纤维支撑架；
所述第一、第二LD60增高块用以固定连接部打孔的第一、第二弯头镊子，第一、第二六边形杆用以固定第一、第二光学显微镜；第一、第二L形支架和纤维支撑架为辅助机构，用以纤维穿过后的支撑和固定；
所述的第一光学显微镜放大倍数最大为1000倍，通过第一LD80三坐标轴微动平台进行控制，可以进行视野和焦距的调整；所述第一弯头镊子尖端用胶布处理，用以夹持单根纤维丝，通过第一LD60三坐标轴微动平台进行控制，可以半自动地实现纤维丝的对准和穿入第一微孔模具中的微孔；
所述的第二光学显微镜放大倍数最大为1000倍，通过第二LD80三坐标轴微动平台进行控制，可以进行视野和焦距的调整；所述第二弯头镊子尖端用胶布处理，用以夹持单根纤维丝，通过第二LD60三坐标轴微动平台进行控制，可以半自动地实现纤维丝的对准和穿入第二微孔模具中的微孔。
第一LD80三坐标轴微动平台和第二LD80三坐标轴微动平台在x、y方向上的行程为±12.5mm，在z方向上的行程为10mm，最小刻度为0.01mm，精度为0.03mm，平行度为0.03mm；
第一LD60三坐标轴微动平台和第二LD60三坐标轴微动平台在x、y方向上的行程为±6.5mm，在z方向上的行程为10mm，最小刻度为0.01mm，精度为0.03mm，平行度为0.03mm。
第一微孔模具和第二微孔模具为两片1mm的中空板，固定在微孔模具固定架上。
本发明包括在光学显微镜下用弯头镊子将单根纤维丝穿入左侧与右侧微孔模具的微孔，微加工件夹持在第一微孔模具和第二微孔模具之间，连续作业以实现纤维间距的精确控制.
本发明包括以下步骤：
步骤1、从纤维干纱中抽取一根长度约为30cm的纤维丝，将其两端夹持于弯头镊子尖端,中部放置于纤维支撑架以下；
步骤2、对三坐标轴微动平台进行操作，在光学显微镜下用弯头镊子将单根纤维丝穿入左侧与右侧微孔模具的微孔中；
步骤3、在单根纤维丝穿入微孔模具后将其置于L形支架上，施加一个较小的力使纤维丝绷紧。
微加工件为金属或非金属薄膜，用激光精密加工出一排或多排均匀排列微孔。薄膜厚度为30um，共加工有800个微孔；进行碳纤维的均匀排布操作时，微孔直径可以为8um，两微孔间距离可以为12um；进行玻璃纤维的均匀排布操作时，微孔直径可以为28um，两微孔间距离可以为32um。
第一LD60增高块和第二LD60增高块、第一六边形杆和第二六边形杆、第一L形支架和第二L形支架、纤维支撑架均由3D打印制造而成，材料为聚乳酸，即PLA。
本发明的有益效果在于，一、结构简单，易于加工制作；二、操作简便，只需对三坐标轴微动平台进行操作即可完成纤维的均匀排布任务；三、成本低廉；四、能够在显微镜下操作，适用于所有长连续纤维，可以使纤维增强复合材料干纱或预浸料的厚度显著降低，并实现纤维的规则分布,五、通过微孔穿丝实现位置的精确控制。
附图说明
图1是本发明装置的结构示意图。
图2是本发明装置中微孔模具的结构示意图。
图3是本发明装置中微孔模具的微加工图。
图4是本发明装置纤维位置控制效果图。
图5是现有技术的纤维位置对比图。
具体实施方式
下面结合附图1至5进一步说明本方法和装置的实现方案，包括底座1。底座1上通过第一连接板4设有第一LD80三坐标轴微动平台8、第一六边形杆9和第一光学显微镜10。底座1上通过第二连接板3设有第一微孔模具固定架11、第一微孔模具12和第一L形支架13。底座1上通过第三连接板2设有第一LD60三坐标轴微动平台14、第一LD60增高块15和第一弯头镊子16。底座1上通过第四连接板5设有第二LD80三坐标轴微动平台17、第二六边形杆18和第二光学显微镜19。底座1上通过第五连接板6设有第二微孔模具固定架20、第二微孔模具21和第二L形支架22。底座1上通过第六连接板7设有第二LD60三坐标轴微动平台23、第二LD60增高块24和第二弯头镊子25。此外，底座1上通过内六角螺栓连接纤维支撑架26。
所述的第一光学显微镜10放大倍数最大为1000倍，通过第一LD80三坐标轴微动平台8进行控制，可以进行视野和焦距的调整。所述第一弯头镊子16尖端用胶布处理，用以夹持单根纤维丝，通过第一LD60三坐标轴微动平台14进行控制，可以半自动地实现纤维丝的对准和穿入第一微孔模具12中的微孔。
所述的第二光学显微镜19放大倍数最大为1000倍，通过第二LD80三坐标轴微动平台17进行控制，可以进行视野和焦距的调整。所述第二弯头镊子25尖端用胶布处理，用以夹持单根纤维丝，通过第二LD60三坐标轴微动平台23进行控制，可以半自动地实现纤维丝的对准和穿入第二微孔模具21中的微孔。
第一LD80三坐标轴微动平台8和第二LD80三坐标轴微动平台17在x、y方向上的行程为±12.5mm，在z方向上的行程为10mm，最小刻度为0.01mm，精度为0.03mm，平行度为0.03mm。第一LD60三坐标轴微动平台14和第二LD60三坐标轴微动平台23在x、y方向上的行程为±6.5mm，在z方向上的行程为10mm，最小刻度为0.01mm，精度为0.03mm，平行度为0.03mm。
第一LD60增高块15和第二LD60增高块24、第一六边形杆9和第二六边形杆12、第一L形支架13和第二L形支架22、纤维支撑架26均由3D打印制造而成，材料为聚乳酸（PLA）。LD60增高块用以固定连接部打孔的不锈钢弯头镊子，六边形杆用以固定光学显微镜。L形支架和纤维支撑架26为辅助机构，用以纤维穿过后的支撑和固定。
第一微孔模具12和第二微孔模具21为两片1mm的中空板，固定在微孔模具固定架上，如图2所示。微加工件夹持在第一微孔模具12和第二微孔模具21之间，微加工件为金属或非金属薄膜，用激光精密加工出一排或多排均匀排列微孔。薄膜厚度为30um，共加工有800个微孔，排布方式如图3所示。进行碳纤维的均匀排布操作时，微孔直径可以为8um，两微孔间距离可以为12um；进行玻璃纤维的均匀排布操作时，微孔直径可以为28um，两微孔间距离可以为32um。
本发明的纤维增强复合材料纤维位置控制装置使用，包括以下步骤
步骤1、先从纤维干纱中抽取一根长度约为30cm的纤维丝，将其两端夹持于弯头镊子尖端,中部放置于纤维支撑架26以下。
步骤2、对三坐标轴微动平台进行操作，在光学显微镜下用弯头镊子将单根纤维丝穿入左侧与右侧微孔模具的微孔中。
步骤3、在单根纤维丝穿入微孔模具后将其置于L形支架上，施加一个较小的力使纤维丝绷紧。
进一步地，重复以上步骤，连续作业以实现纤维间距的精确控制，如图4所示，对比现有技术图5可知，本发明的微孔定位比现有技术的微孔定位精确度显著提高；进行碳纤维的均匀排布操作时，微孔直径可以为8um，两微孔间距离可以为12um；进行玻璃纤维的均匀排布操作时，微孔直径可以为28um，两微孔间距离可以为32um。
进一步地，实现本发明采用的技术方案具体实施例如下：
本发明包括底座1，底座1上设有六块连接板，分别固定两个微孔模具固定架和四个三坐标轴微动平台。两个微孔模具固定架上均固定有微孔模具及L形支架。两个LD60三坐标轴微动平台通过LD60增高块连接弯头镊子，另外两个LD80三坐标轴微动平台通过六边形杆连接光学显微镜。此外，底座上通过内六角螺栓连接纤维支撑架26。
该装置的俯视图中心对称，左右各有一个微孔模具、光学显微镜、弯头镊子、及其他配套设施，在光学显微镜下用弯头镊子将单根纤维丝穿入微孔模具的微孔，连续作业以实现纤维间距的精确控制。
所述的光学显微镜放大倍数最大为1000倍，通过LD80三坐标轴微动平台的操作，可以进行视野和焦距的调整，以清楚地在视野内观测到微孔模具上的微孔和纤维丝。
所述的弯头镊子尖端采用表面粗糙胶带进行包裹，用以夹持单根纤维丝。通过LD60三坐标轴微动平台的操作，可以在光学显微镜下半自动实现纤维丝的对准和穿入。
所述的微孔模具分为微加工件和两片中空板。微加工件为为金属或非金属薄膜，用激光精密加工出一排或多排均匀排列微孔。微加工件由两块厚度为1mm的中空板所夹，便于固定在微孔模具固定架上。
所述的L形支架和纤维支撑架26为辅助机构，用以纤维穿过后的支撑和固定。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种纤维增强复合材料纤维位置控制装置，其特征在于：包括底座，底座通过第一连接板设有第一LD80三坐标轴微动平台、第一六边形杆和第一光学显微镜；底座通过第二连接板设有第一微孔模具固定架、第一微孔模具和第一L形支架；底座通过第三连接板设有第一LD60三坐标轴微动平台、第一LD60增高块和第一弯头镊子；底座通过第四连接板设有第二LD80三坐标轴微动平台、第二六边形杆和第二光学显微镜；底座通过第五连接板设有第二微孔模具固定架、第二微孔模具和第二L形支架；底座通过第六连接板设有第二LD60三坐标轴微动平台、第二LD60增高块和第二弯头镊子；底座还通过内六角螺栓连接纤维支撑架；
所述第一、第二LD60增高块用以固定连接部打孔的第一、第二弯头镊子，第一、第二六边形杆用以固定第一、第二光学显微镜；第一、第二L形支架和纤维支撑架为辅助机构，用以纤维穿过后的支撑和固定；
所述的第一光学显微镜放大倍数最大为1000倍，通过第一LD80三坐标轴微动平台进行控制，可以进行视野和焦距的调整；
所述第一弯头镊子尖端用胶布处理，用以夹持单根纤维丝，通过第一LD60三坐标轴微动平台进行控制，可以半自动地实现纤维丝的对准和穿入第一微孔模具中的微孔；
所述的第二光学显微镜放大倍数最大为1000倍，通过第二LD80三坐标轴微动平台进行控制，可以进行视野和焦距的调整；
所述第二弯头镊子尖端用胶布处理，用以夹持单根纤维丝，通过第二LD60三坐标轴微动平台进行控制，可以半自动地实现纤维丝的对准和穿入第二微孔模具中的微孔。
2.根据权利要求1所述的一种纤维增强复合材料纤维位置控制装置，其特征在于：
第一LD80三坐标轴微动平台和第二LD80三坐标轴微动平台在x、y方向上的行程为±12.5mm，在z方向上的行程为10mm，最小刻度为0.01mm，精度为0.03mm，平行度为0.03mm；
第一LD60三坐标轴微动平台和第二LD60三坐标轴微动平台在x、y方向上的行程为±6.5mm，在z方向上的行程为10mm，最小刻度为0.01mm，精度为0.03mm，平行度为0.03mm。
3.根据权利要求1所述的一种纤维增强复合材料纤维位置控制装置，其特征在于：
第一微孔模具和第二微孔模具为1mm的中空板，固定在微孔模具固定架上。
4.一种纤维增强复合材料纤维位置控制方法，基于权利要求1所述的装置，其特征在于：
微加工件夹持在第一微孔模具和第二微孔模具之间，在光学显微镜下用弯头镊子将单根纤维丝穿入左侧与右侧微孔模具的微孔，连续作业以实现纤维间距的精确控制。
5.根据权利要求4所述的一种纤维增强复合材料纤维位置控制方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤1、从纤维干纱中抽取一根长度约为30cm的纤维丝，将其两端夹持于弯头镊子尖端,中部放置于纤维支撑架以下；
步骤2、对三坐标轴微动平台进行操作，在光学显微镜下用弯头镊子将单根纤维丝穿入左侧与右侧微孔模具的微孔中；
步骤3、在单根纤维丝穿入微孔模具后将其置于L形支架上，施加一个较小的力使纤维丝绷紧。
6.根据权利要求4所述的一种纤维增强复合材料纤维位置控制方法，其特征在于：微加工件为金属或非金属薄膜，用激光精密加工出一排或多排均匀排列微孔。薄膜厚度为30um，共加工有800个微孔；进行碳纤维的均匀排布操作时，微孔直径可以为8um，两微孔间距离可以为12um；进行玻璃纤维的均匀排布操作时，微孔直径可以为28um，两微孔间距离可以为32um。
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