CN111070727A - 热塑性复合材料激光原位加热-固结成型装置及成型方法 - Google Patents

热塑性复合材料激光原位加热-固结成型装置及成型方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种热塑性复合材料激光原位加热‑固结成型装置及成型方法。该成型装置包括激光加热机构、送料机构、压辊机构，所述激光加热机构和所述压辊机构分设在所述送料机构的两侧，所述送料机构用于输送待铺放成型的热塑性复合材料预浸带，所述激光加热机构用于对热塑性复合材料预浸带的成形表面进行激光加热，使其熔融，所述压辊机构包括沿成型方向前后设置的热压辊和冷压辊，所述热压辊的最高工作温度大于所述冷压辊的最高工作温度，所述冷压辊的最高工作压力大于所述热压辊的最高工作压力，所述热压辊和冷压辊用于依次将熔融的热塑性复合材料压实致密，并使其在高压降温过程中迅速冷却固结。

Description

热塑性复合材料激光原位加热-固结成型装置及成型方法
技术领域
本发明属于热塑性树脂基复合材料制造技术，特别是涉及一种热塑性复合材料激光原位加热-固结成型装置及成型方法。
背景技术
碳纤维增强复合材料(CFRP)因具有高比强、高模量、优异的耐腐蚀性及抗疲劳性等优点，已超越传统金属材料成为新一代飞机用量最大的材料。目前航空工业使用的复合材料绝大多数为热固性树脂基复合材料，与热固性树脂基复合材料相比，热塑性树脂基复合材料具有下列优势：
(1)高韧性，耐疲劳强度高，冲击损伤阻抗和冲击损伤容限都比热固性复合材料高；
(2)固化为物理过程，因此可多次成型，有利于提高良品率；
(3)加工成型工艺简单，可焊接成型，成型周期短、效率高；
(4)由于是已经反应后的聚合物，热塑性预浸料有近乎无限的储存期；
(5)材料容易实现回收利用，节约成本并对环境友好。
另一方面，纤维自动铺放技术(AFP)是一种高效自动化的复合材料新型成型工艺，尤其适用于自动铺带(ATL)技术无法铺贴的高曲率及复杂形状构件：如发动机进气道、整流罩、风扇及压气机叶片、喷管、锥形管等。一般手工铺贴的效率通常在数千克/时左右，而目前最新的纤维铺放设备已可同时控制32束纤维，铺放宽度可达400mm，铺放效率则高达数十千克/时，而且定位精度比手工铺放高大约两个数量级。国外研究表明自动化纤维铺放是实现复合材料部件高速大量生产的关键技术，同时该技术也是保证生产可靠性、连续性和成本效益最优的方式。
由于热塑性树脂基复合材料的固化为物理过程，因此易于“原位固结”并具有固化成型耗时少的优点。热塑性树脂基复合材料本身的优异特性结合高效的纤维自动铺放技术，以碳纤维增强热塑性树脂基预浸丝/带为加工对象，结合“原位固结”技术高效、低成本的生产复合材料构件是飞机制造业一个新的发展趋势。
目前最为接近热塑性复合材料自动铺放成型的方法，是直接利用现有的热固性复合材料自动铺放成型工艺，通过引入在线加热熔融-固结手段，实现热塑性复合材料预浸带的铺放成型。例如EADS开展的热塑性预浸料自动铺放与前沿快速加热试验，分别利用激光和热空气作为加热源，通过制造壁板试验件进行了验证，产品外观质量良好，但是由于传统的热固性复合材料自动铺放设备铺放压力较低，导致铺放成型的热塑性复合材料层压板致密度不足，必须再进行热压罐固化方能满足承载要求。显然，自动铺放后接热压罐固化大幅增加了热塑性复合材料的制造成本，显著降低了制造效率，不利于热塑性复合材料的进一步应用。必须找出解决办法，实现自动铺放热塑性复合材料的原位固结。
发明内容
(一)本发明的目的
提出一种热塑性复合材料激光原位加热-固结成型装置及成型方法，实现热塑性复合材料的自动铺放原位固结成型。
(二)本发明的技术方案
第一方面，本发明提供了一种热塑性复合材料激光原位加热-固结成型装置，包括激光加热机构、送料机构、压辊机构，所述激光加热机构和所述压辊机构分设在所述送料机构的两侧，所述送料机构用于输送待铺放成型的热塑性复合材料预浸带，所述激光加热机构用于对热塑性复合材料预浸带的成形表面进行激光加热，使其熔融，所述压辊机构包括沿成型方向前后设置的热压辊和冷压辊，所述热压辊的最高工作温度大于所述冷压辊的最高工作温度，所述冷压辊的最高工作压力大于所述热压辊的最高工作压力，所述热压辊和冷压辊用于依次将熔融的热塑性复合材料压实致密，并使其在高压降温过程中迅速冷却固结。
进一步地，所述激光加热机构包括大功率激光器、光纤、可移动透镜组，所述大功率激光器产生的激光束通过光纤传输到可移动透镜组，转变为能量均匀分布的线形光斑，通过调节移动透镜组的前后距离改变线形光斑的长度和宽度，进而改变光斑照射范围内的激光能量密度。
进一步地，所述送料机构包括括放料卷、张紧辊系、切刀，通过所述放料卷与张紧辊系的协同工作，调节送出热塑性复合材料预浸带的张力，使热塑性复合材料预浸带在成型过程中处于拉伸状态，完成单次成型路径后，通过所述切刀切断热塑性复合材料预浸带。
进一步地，所述热压辊的最高工作温度不低于400℃，所述冷压辊的最高工作温度不高于200℃。
进一步地，所述热压辊的工作压力范围为0.2MPa～2.0MPa，所述冷压辊的工作压力范围为0.5MPa～3.5MPa。
第二方面，本发明提供了一种热塑性复合材料激光原位加热-固结成型方法，该方法为：通过大功率激光器产生的高功率激光束经由光纤传输到可移动透镜组，形成能量均匀分布的线形激光光斑，调节可移动透镜组的位置，使线形激光光斑聚焦在由放料卷放出并由张紧辊系拉紧的热塑性复合材料预浸带的表面，将此处的成型材料加热熔融，熔融的热塑性复合材料基体被热压辊压紧，与底层铺设的预浸料粘结为一体，而后被冷压辊以更高的压力压实，并迅速冷却固结成型为致密状态，在完成一条轨迹的铺放成型后，热塑性复合材料预浸带被送料机构的切刀截断，开始新一条轨迹的成型过程。
(三)有益效果
本发明的一种热塑性复合材料激光原位加热-固结成型装置及方法，可以通过压辊机构的热压辊、冷压辊施加较高的压力，在热塑性复合材料预浸带被激光光斑原位加热熔融的同时被压实致密化，并在高压下迅速冷却固结，从而保持材料的致密度，显著提高力学性能，不再需要后续额外进行热压罐固化，实现自动铺放原位制造。
附图说明
图1是本发明实施例的一种热塑性复合材料激光原位加热-固结成型装置结构示意图。
1-大功率激光器；2-光纤；3-可移动透镜组；4-放料卷；5-张紧辊系；6-切刀；7-热压辊；8-冷压辊。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域的技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。
第一方面，本发明实施例提供了一种热塑性复合材料激光原位加热-固结成型装置，参见图1所示，该成型装置包括激光加热机构(包括大功率激光器1、光纤2和可移动透镜组3)、送料机构(包括放料卷4、张紧辊系5和切刀6)、压辊机构，所述激光加热机构和所述压辊机构分设在所述送料机构的两侧，送料机构用于输送待铺放成型的热塑性复合材料预浸带，所述激光加热机构用于对热塑性复合材料预浸带的成形表面进行激光加热，使其熔融，所述压辊机构包括沿成型方向前后设置的热压辊7和冷压辊8，所述热压辊7的最高工作温度大于所述冷压辊8的最高工作温度，所述冷压辊8的最高工作压力大于所述热压辊7的最高工作压力，所述热压辊7和冷压辊8用于依次将熔融的热塑性复合材料压实致密，并使其在高压降温过程中迅速冷却固结。
具体地，激光加热机构包括大功率激光器1、光纤2、可移动透镜组3，所述大功率激光器1产生的激光束通过光纤2传输到可移动透镜组3(实施例中可采用可移动式Powell透镜组)，转变为能量均匀分布的线形光斑，通过调节移动透镜组的前后距离，能够改变线形光斑的长度和宽度，进而改变光斑照射范围内的激光能量密度。
所述送料机构包括括放料卷4、张紧辊系5、切刀6，通过所述放料卷4与张紧辊系5的协同工作，调节送出热塑性复合材料预浸带的张力，使热塑性复合材料预浸带在成型过程中总是处于拉伸状态，完成单次成型路径后，通过所述切刀6切断热塑性复合材料预浸带。
优先地，所述热压辊7的最高工作温度不低于400℃，工作压力范围为0.2MPa～2.0MPa，所述冷压辊8的最高工作温度不高于200℃，工作压力范围为0.5MPa～3.5MPa。
第二方面，本发明实施例提供了一种热塑性复合材料激光原位加热-固结成型方法，参见图1所示，通过激光器1产生的高功率激光束经由光纤2传输到可移动透镜组3(实施例中采用可移动的Powell透镜组)，形成能量均匀分布的线形激光光斑。调节透镜组3的位置，使线形激光光斑聚焦在由放料卷4放出并由张紧辊系5拉紧的热塑性复合材料预浸带的表面，将此处的热塑性成型材料加热熔融。熔融的热塑性树脂基体被热压辊7压紧，与底层铺设的预浸料粘结为一体，而后被冷压辊8以更高的压力压实，并迅速冷却到熔点/黏流温度以下，固结成型为致密状态。在完成一条轨迹的铺放成型后，热塑性复合材料预浸带送料机构的被切刀6截断，开始新一条轨迹的成型过程。
以下采用两种不同的热塑性复合材料成型：
实施例1：聚醚醚酮(PEEK)树脂基复合材料预浸带成型。热辊7温度设为400℃，压力设为1.0MPa；冷辊8温度设为200℃，压力设为2.5MPa。
实施例2：聚苯硫醚(PPS)树脂基复合材料预浸带成型。热辊7温度设为350℃，压力设为0.5MPa；冷辊8温度设为150℃，压力设为2.0MPa。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种热塑性复合材料激光原位加热-固结成型装置，其特征在于，该成型装置包括激光加热机构、送料机构、压辊机构，所述激光加热机构和所述压辊机构分设在所述送料机构的两侧，所述送料机构用于输送待铺放成型的热塑性复合材料预浸带，所述激光加热机构用于对热塑性复合材料预浸带的成形表面进行激光加热，使其熔融，所述压辊机构包括沿成型方向前后设置的热压辊和冷压辊，所述热压辊的最高工作温度大于所述冷压辊的最高工作温度，所述冷压辊的最高工作压力大于所述热压辊的最高工作压力，所述热压辊和冷压辊用于依次将熔融的热塑性复合材料压实致密，并使其在高压降温过程中迅速冷却固结。
2.根据权利要求1所述的一种热塑性复合材料激光原位加热-固结成型装置，其特征在于，所述激光加热机构包括大功率激光器、光纤、可移动透镜组，所述大功率激光器产生的激光束通过光纤传输到可移动透镜组，转变为能量均匀分布的线形光斑，通过调节移动透镜组的前后距离改变线形光斑的长度和宽度，进而改变光斑照射范围内的激光能量密度。
3.根据权利要求1所述的一种热塑性复合材料激光原位加热-固结成型装置，其特征在于，所述送料机构包括括放料卷、张紧辊系、切刀，通过所述放料卷与张紧辊系的协同工作，调节送出热塑性复合材料预浸带的张力，使热塑性复合材料预浸带在成型过程中处于拉伸状态，完成单次成型路径后，通过所述切刀切断热塑性复合材料预浸带。
4.根据权利要求1所述的一种热塑性复合材料激光原位加热-固结成型装置，其特征在于，所述热压辊的最高工作温度不低于400℃，所述冷压辊的最高工作温度不高于200℃。
5.根据权利要求4所述的一种热塑性复合材料激光原位加热-固结成型装置，其特征在于，所述热压辊的工作压力范围为0.2MPa～2.0MPa，所述冷压辊的工作压力范围为0.5MPa～3.5MPa。
6.一种热塑性复合材料激光原位加热-固结成型方法，采用权利要求1-5任一项所述的成型装置，其特征在于，通过大功率激光器产生的高功率激光束经由光纤传输到可移动透镜组，形成能量均匀分布的线形激光光斑，调节可移动透镜组的位置，使线形激光光斑聚焦在由放料卷放出并由张紧辊系拉紧的热塑性复合材料预浸带的表面，将此处的成型材料加热熔融，熔融的热塑性复合材料基体被热压辊压紧，与底层铺设的预浸料粘结为一体，而后被冷压辊以更高的压力压实，并迅速冷却固结成型为致密状态，在完成一条轨迹的铺放成型后，热塑性复合材料预浸带被送料机构的切刀截断，开始新一条轨迹的成型过程。
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Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113459501A (zh) * 2021-06-16 2021-10-01 华中科技大学 一种基于熔融沉积技术的复杂承力部件成形装置
CN114013069A (zh) * 2021-10-22 2022-02-08 华中科技大学 一种纤维增强热塑性材料自动铺放与熔融沉积复合工艺
CN115648665A (zh) * 2022-10-24 2023-01-31 吉林大学 一种拉挤成型复合材料生产线激光加热方法及实施装置
CN115765346A (zh) * 2022-12-26 2023-03-07 南京炬锋动力科技有限公司 一种高速永磁电机转子复合材料护套大张力绑扎固结方法
CN115958819A (zh) * 2022-12-26 2023-04-14 南京炬锋动力科技有限公司 一种热塑性预浸带缠绕固结设备

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5078821A (en) * 1990-08-13 1992-01-07 The United States Of America As Represented By The United States Department Of Energy Method and apparatus for producing composites of materials exhibiting thermoplastic properties
JP2005329593A (ja) * 2004-05-19 2005-12-02 Fuji Heavy Ind Ltd 自動積層装置
US20170151731A1 (en) * 2014-03-28 2017-06-01 Composite Cluster Singapore Pte. Ltd. Freespace composite manufacturing process and device

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5078821A (en) * 1990-08-13 1992-01-07 The United States Of America As Represented By The United States Department Of Energy Method and apparatus for producing composites of materials exhibiting thermoplastic properties
JP2005329593A (ja) * 2004-05-19 2005-12-02 Fuji Heavy Ind Ltd 自動積層装置
US20170151731A1 (en) * 2014-03-28 2017-06-01 Composite Cluster Singapore Pte. Ltd. Freespace composite manufacturing process and device

Cited By (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113459501A (zh) * 2021-06-16 2021-10-01 华中科技大学 一种基于熔融沉积技术的复杂承力部件成形装置
CN113459501B (zh) * 2021-06-16 2022-03-18 华中科技大学 一种基于熔融沉积技术的复杂承力部件成形装置
CN114013069A (zh) * 2021-10-22 2022-02-08 华中科技大学 一种纤维增强热塑性材料自动铺放与熔融沉积复合工艺
CN114013069B (zh) * 2021-10-22 2022-12-02 华中科技大学 一种纤维增强热塑性材料自动铺放与熔融沉积复合工艺
CN115648665A (zh) * 2022-10-24 2023-01-31 吉林大学 一种拉挤成型复合材料生产线激光加热方法及实施装置
CN115765346A (zh) * 2022-12-26 2023-03-07 南京炬锋动力科技有限公司 一种高速永磁电机转子复合材料护套大张力绑扎固结方法
CN115958819A (zh) * 2022-12-26 2023-04-14 南京炬锋动力科技有限公司 一种热塑性预浸带缠绕固结设备

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