CN111469243B - 植物纤维增强复合材料层合板的快速制备装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种植物纤维增强复合材料层合板的快速制备装置，包括工作台(1)以及设置于工作台(1)上且依次排列的纤维布支撑装置(3)、树脂挤压装置、树脂滚压装置、预浸料夹持牵引装置(9)、裁剪装置(10)和模具升降装置(12)，所述模具升降装置(12)上方放置有模具。与现有的手糊式制备植物纤维增强复合材料层合板的技术相比，该装置能够完成预浸料的自动铺层与压实，实现了复合材料层合板的一体化制备，减少了操作人员的劳动强度与操作误差；通过树脂滚轴与齿轮传动装置的配合，保证了纤维织布的张紧不皱缩，使树脂涂抹量均匀，又保证了复合材料制件尺寸的精度。

Description

植物纤维增强复合材料层合板的快速制备装置

技术领域

本发明属于植物纤维增强复合材料技术领域，涉及一种植物纤维增强复合材料层合板的快速制备装置。

背景技术

随着技术的发展，纤维增强复合材料因具有高比强度、高比模量、优异的减震性能、较强的耐腐蚀能力、较低的膨胀系数以及耐疲劳和可设计性，使得其应用价值远远超过了一些传统材料。尤其是在一些需要设备轻量化的行业如汽车、飞机制造业、航空航天领域和国防先进军事武器装备领域应用极其广泛。

但随着工业污染的加重，环境不断的恶化，近年来社会强烈关注环境、资源、低碳和减排问题，所以绿色复合材料逐渐受到人们的重视。绿色复合材料现阶段主要应用为植物纤维增强树脂基复合材料，目前由植物纤维复合材料制作的层合板开始应用于汽车、飞机的一些内饰中。国内外众多实验室也开始研究植物纤维复合材料层合板的力学性能与改性方法。因此，层合板的制备技术十分重要。

预浸料是用树脂基体在严格控制的条件下浸渍连续纤维或织物，制成树脂基体与增强体的组合物，是制造复合材料的中间材料。但是目前实验室中植物纤维层合板预浸料的铺层方法仍然以传统的手糊式方法为主，手糊成型的一般工艺过程是：首先要在模具上涂一层脱模剂、再将固化剂和树脂的混合物刷在模具表面上，再在胶层上铺放按尺寸裁剪的增强材料，用工具(例如毛刷或压辊等)将树脂均匀地浸入织物，把里面的气泡排除干净，等到増强材料被树脂胶液完全浸透之后，再铺下一层；反复多次，直到满足需要的层数之后便可以固化。其方法耗时耗力，存在人为的操作误差，最终影响实验试件的质量。现有的自动铺带机、铺丝机虽然能够铺覆更加复杂的模型，但是其只能铺覆传统纤维，不适用于植物纤维复杂的多孔径结构，而且其造价昂贵且设备复杂，不适合小型企业及实验室的加工装备。

所以本发明旨在研究一种在实验室中自动化制备植物纤维增强复合材料层合板试件的技术，从而减轻人工劳动，提高试件制备效率，增加试件制备精度，降低制造成本。

发明内容

本发明提供一种植物纤维增强复合材料层合板的快速制备装置，目的是解决现有技术中存在的上述问题。本发明的装置可以通过调节热压辊的压力和温度以及树脂挤压的流量来控制树脂浸润植物纤维的浸润速率，适用于具有复杂的多孔径结构的植物纤维增强复合材料层合板的制备。本发明的装置实现预浸料自动化铺层的主要过程为：植物纤维织布卷放在支撑架上，导向装置将纤维织布导入工作台中，树脂挤压装置将树脂挤出到纤维织布上并通过热压辊滚压均匀、严实，再通过夹持牵引装置使纤维织布不断地向前行进，由裁剪装置剪下一片涂满树脂的纤维织布，使其落在升降装置的模具上，待裁剪完指定层数后，合并上下模具，由加热板加热并由液压装置加压压实，完成一块层合板的制作。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种植物纤维增强复合材料层合板的快速制备装置，包括工作台以及设置于工作台上且依次排列的纤维布支撑装置(即织布支架)、树脂挤压装置、树脂滚压装置、预浸料夹持牵引装置、裁剪装置和模具升降装置；所述模具升降装置上方放置有模具；

纤维布支撑装置用于支撑固定植物纤维织布，树脂挤压装置用于把树脂挤出在纤维织布上，树脂滚压装置用于将挤出的树脂压实、涂抹均匀，预浸料夹持牵引装置用于牵引纤维织布向前移动，裁剪装置用于完成对植物纤维织布的裁剪动作，模具升降装置用于降低模具高度实现多层纤维织布的铺覆。

作为优选的技术方案：

如上所述的一种植物纤维增强复合材料层合板的快速制备装置，所述工作台上还设有滚轮导向装置，所述滚轮导向装置为导向滚轮，位于纤维布支撑装置与树脂挤压装置之间，用于将植物纤维织布送入工作台平面；

所述导向滚轮由上下排列的两个圆柱滚轮组成，每个圆柱滚轮的长为25cm，直径为3cm。

如上所述的一种植物纤维增强复合材料层合板的快速制备装置，所述纤维布支撑装置包括轴、位于轴两侧的支撑架和安装在支撑架中的回旋限位器；

所述回旋限位器为棘轮，其套在轴上，所述棘轮的齿数为12；在设备停止工作时，通过回转限位器，织布卷只能通过牵引力的拉动才能单向转动，这样使得纤维织布处于张紧状态，不产生褶皱，提高产品的良品率；

所述支撑架固定在工作台上。

如上所述的一种植物纤维增强复合材料层合板的快速制备装置，所述树脂挤压装置包括树脂储存箱、可调节喷口大小的树脂挤压管和可调节压力的离心泵，离心泵将树脂抽入挤压管中从而流入纤维织布上，树脂储存箱和离心泵分别位于树脂挤压管的两侧。树脂储存箱中装有传感器，当传感器检测出树脂容量不足时，离心泵将停止工作。树脂挤压管为长50cm且直径5cm的圆柱体，其正下方均匀分布着10个长2cm且直径0.5cm的圆柱型喷孔，树脂挤压管的喷孔与织布边缘留有一定距离，其中，距离纤维布侧边最近的喷孔与纤维布之间的距离为1cm，使得树脂浸润不到织布边缘，方便夹片的夹取而不会粘上树脂。

如上所述的一种植物纤维增强复合材料层合板的快速制备装置，树脂滚压装置为热压辊，通过热压辊的滚压，植物纤维织布上的树脂得以均匀地浸润在织布上，达到纤维与树脂的理想占比；热压辊长50cm，直径为3cm，由电阻丝(电阻丝置于热压辊内部)加热或电动机提供动力。

如上所述的一种植物纤维增强复合材料层合板的快速制备装置，所述预浸料夹持牵引装置包括传动齿轮和传动链条，传动齿轮和传动链条相互啮合；电动机通过减速器带动传动齿轮转动，从而带动传动链条转动，电动机与减速器通过联轴器固定连接；

所述传动链条上装有一排共32个可调节的夹片组，32个夹片组优选为等间距排列，每个夹片上都装有位移传感器Ⅱ，可以单独对每个夹片进行控制。

如上所述的一种植物纤维增强复合材料层合板的快速制备装置，所述夹片组包括上夹片和下夹片，上夹片和下夹片长3cm，宽2cm，厚1cm，上夹片的下侧和下夹片的上侧为锯齿型；上夹片固定在传动链条上，上夹片上固定有电磁铁，下夹片上固定有铁片，上夹片和下夹片之间设置有限位弹簧，限位弹簧的作用是当电磁铁不通电时使夹片处于张开状态，限位弹簧上端固定在传动链条上，下端固定在下夹片上，上夹片与下夹片可上下移动。

如上所述的一种植物纤维增强复合材料层合板的快速制备装置，所述裁剪装置包括上刀片与下刀座，上刀片与下刀座之间通过铆钉连接，上刀片可旋转0～90°，下刀座下方安装有两个额定压力为3.2MPa的液压缸Ⅱ，用于提供动力完成下刀座的升降，上刀片与下刀座之间安装有额定压力为2.5MPa的液压缸Ⅲ，用于提供动力带动上刀片完成裁剪动作，液压缸Ⅲ两端用螺栓分别与上刀片和下刀座连接，从而方便液压缸Ⅲ沿竖直方向转动；所述液压缸Ⅱ和液压缸Ⅲ通过电液伺服控制器Ⅰ进行控制。

如上所述的一种植物纤维增强复合材料层合板的快速制备装置，所述模具升降装置包括可加热的底板、用于升降的液压缸Ⅳ和用于控制液压缸Ⅳ的电液伺服控制器Ⅱ，液压缸Ⅳ的上下两端分别用螺钉固定在底板与工作台上，电液伺服控制器Ⅱ是一个控制元件，通过导线与液压缸Ⅳ上的伺服阀相连。

如上所述的一种植物纤维增强复合材料层合板的快速制备装置，所述底板为尺寸60x60cm的钢板；所述液压缸Ⅳ的额定压力为10MPa，数量为4，成2x2列阵排列，相邻两液压缸Ⅳ的间距为30cm。

有益效果：

(1)本发明的一种植物纤维增强复合材料层合板的快速制备装置，能够实现植物纤维复合材料预浸料铺层的自动化，与现有的手工铺层预浸料相比，极大地降低了劳动强度，提高了铺放精度，也提高了铺放效率，并且操作简单；

(2)本发明的一种植物纤维增强复合材料层合板的快速制备装置，底板可以直接对模具进行加热，铺层完成后直接盖合上下模具进行预浸料的模压成型，减少模压时间，提高模压效率，从而得到高质量的植物纤维复合材料层合板；

(3)本发明的一种植物纤维增强复合材料层合板的快速制备装置，结构简单，制造成本低，应用前景较好。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图；

图2为本发明中自动铺层流程示意图；

图3为本发明中纤维布支撑装置示意图；

图4为本发明中自动裁剪装置示意图；

图5为本发明中预浸料夹持牵引装置示意图；

图6为本发明中预浸料夹持牵引装置中的夹片结构示意图；

图7为本发明中模具升降装置示意图；

其中，1-工作台，2-植物纤维织布，3-纤维布支撑装置，4-树脂储存箱，5-导向滚轮，6-树脂挤压管，7-离心泵，8-热压辊，9-预浸料夹持牵引装置，10-裁剪装置，11-加热板，12-模具升降装置，13-液压缸Ⅰ，14-支撑架，15-轴，16-回转限位器，17-液压缸Ⅱ，18-位移传感器Ⅰ，19-下刀座，20-上刀片，21-液压缸Ⅲ，22-电液伺服控制器Ⅰ，23-电动机，24-联轴器，25-减速器Ⅰ，26-传动齿轮，27-夹片组，28-滚动轴承，29-下夹片，30-上夹片，31-位移传感器Ⅱ，32-传动链条，33-电磁铁，34-限位弹簧，35-铁片，36-电液伺服控制器Ⅱ，37-液压缸Ⅳ，38-位移传感器Ⅲ，39-下模具，40-加热电阻，41-底板。

具体实施方式

下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。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。此外应理解，在阅读了本发明的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

如图1所示，一种植物纤维增强复合材料层合板的快速制备装置，包括工作台1以及设置于工作台1上且依次排列的纤维布支撑装置3、树脂挤压装置、树脂滚压装置(即长50cm、直径3cm的热压辊8，由电阻丝加热或电动机提供动力)、预浸料夹持牵引装置9、裁剪装置10和模具升降装置12，还包括位于模具升降装置12上方的模具，工作台上还设有滚轮导向装置，滚轮导向装置为导向滚轮5，位于纤维布支撑装置3与树脂挤压装置之间，导向滚轮5由上下排列的两个圆柱滚轮组成，每个圆柱滚轮的长为25cm，直径为3cm。

如图3所示，纤维布支撑装置3包括轴15、位于轴15两侧的支撑架14和安装在支撑架14中的回旋限位器16，回旋限位器16为齿数为12的棘轮，其套在轴15上；支撑架14固定在工作台1上；

树脂挤压装置包括树脂储存箱4、树脂挤压管6和离心泵7，树脂储存箱4和离心泵7分别位于树脂挤压管6的两侧；树脂挤压管6为长50cm、直径5cm的圆柱体，其正下方均匀分布着10个长2cm、直径0.5cm的圆柱型喷孔，其中，距离纤维布侧边最近的喷孔与纤维布之间的距离为1cm；

如图5所示，预浸料夹持牵引装置9包括传动齿轮26和传动链条32，传动齿轮26和传动链条32相互啮合；电动机23通过减速器25带动传动齿轮26转动，电动机23与减速器25通过联轴器24固定连接；齿轮轴通过安装在工作台1上的滚动轴承28实现转动；传动链条32上装有一排共32个夹片组27，每个夹片组27上都装有位移传感器Ⅱ31；如图6所示，夹片组27包括上夹片30和下夹片29，上夹片30和下夹片29长3cm，宽2cm，厚1cm，上夹片30的下侧和下夹片29的上侧为锯齿型；上夹片30固定在传动链条32上，上夹片30上固定有电磁铁33，下夹片29上固定有铁片35，上夹片30和下夹片29之间设置有限位弹簧34，限位弹簧34上端固定在传动链条32上，下端固定在下夹片29上，上夹片30与下夹片29可上下移动；

如图4所示，裁剪装置10包括上刀片20与下刀座19，上刀片20与下刀座19之间通过铆钉连接，上刀片可旋转0～90°，下刀座19下方安装有两个额定压力为3.2MPa的液压缸Ⅱ17，上刀片20与下刀座19之间安装有额定压力为2.5MPa的液压缸Ⅲ21，液压缸Ⅲ两端用螺栓分别与上刀片和下刀座连接，方便液压缸Ⅲ沿竖直方向转动。

如图7所示，模具升降装置12包括底板41、液压缸Ⅳ37和电液伺服控制器Ⅱ36，底板(41)为尺寸60x60cm的钢板，液压缸Ⅳ37的两端分别用螺钉固定在底板41与工作台1上，电液伺服控制器Ⅱ36通过导线与液压缸Ⅳ37上的伺服阀相连，液压缸Ⅳ37的额定压力为10MPa，数量为4，成2x2列阵排列，相邻两液压缸Ⅳ37的间距为30cm。

本发明的植物纤维增强复合材料层合板的快速制备装置的使用过程如下：

植物纤维增强复合材料预浸料的自动铺层流程如图2所示，首先将备好的植物纤维织布2放入纤维布支撑装置3的轴上使之固定，然后将植物纤维织布2通过导向滚轮5拽入树脂挤压管6，开启离心泵7，离心泵7与树脂挤压管6之间由一段一次性的软管相连接，软管前端一截竖起，可防止抽出的树脂进入到离心泵而损坏离心泵，接着离心泵将树脂从树脂储存箱4中抽出，通过树脂挤压管6中的一排喷孔流到纤维织布上，完成树脂的浸润；再将纤维织布穿入热压辊8，使树脂完全均匀浸润；然后开启电源，电动机23开始转动，通过减速器25带动传动齿轮26转动，预浸料夹持牵引装置9开始工作，改变电动机的转速可以控制纤维织布前进的速度；通过夹片组27上的位移传感器Ⅱ31，夹片组27收到信号，电磁铁33通电，通过磁力吸附铁片35，使下夹片29上升，完成一次夹持运动；在夹片组27的夹持下，植物纤维织布2向前移动，在移动到指定位置后，通过位移传感器Ⅱ31使得裁剪装置10开始工作；电液伺服控制器Ⅰ22给出指令，裁剪台在液压缸Ⅱ17的带动下开始上升，通过位移传感器Ⅰ18升到指定位置停止；上刀片20在液压缸Ⅲ21提供的动力下完成一次裁剪动作；裁剪完成后，裁剪台下降至最低位置，然后通过液压缸Ⅲ21使上刀片20拉回初始竖直状态，等待下一次裁剪动作；一次裁剪过后，使夹持裁剪完植物纤维织布的夹片组27的电磁铁31断电，上下夹片松开，一层植物纤维织布落到涂有脱模剂的下模具39上，在加热电阻40(位于底板内部)的加热下，底板41开始受热，通过热传递使得下模具39受热，从而使预浸料进行预固化；随后电液伺服控制器Ⅱ36控制液压缸Ⅳ37动作，通过位移传感器Ⅲ38控制底板41降低两层植物纤维织布厚度的距离。至此第一层铺层工作结束；

通过上述步骤的循环操作，根据循环的次数，可以获得相应铺层层数的层合板预浸料；

待预设的所有循环结束后，预浸料夹持牵引装置9停止运行，树脂挤压管6关闭喷孔；此时，合上上下模具，液压缸Ⅰ13开始工作，液压缸Ⅰ13的上压板装有加热板11，能够进行热传导使上模具加热，通过挤压上下模具，使得层合板在高温高压下固化成型；

至此，一块植物纤维增强复合材料层合板制作完成；

将制备好的层合板取出，再重复以上步骤制作下一块层合板。

Claims (6)

1.一种植物纤维增强复合材料层合板的快速制备装置，其特征是：包括工作台(1)以及设置于工作台(1)上且依次排列的纤维布支撑装置(3)、树脂挤压装置、树脂滚压装置、预浸料夹持牵引装置(9)、裁剪装置(10)和模具升降装置(12)；所述模具升降装置(12)上方放置有模具；

所述纤维布支撑装置(3)与所述树脂挤压装置之间还设有导向滚轮(5)；

所述导向滚轮(5)由上下排列的两个相同的圆柱滚轮组成，每个圆柱滚轮的长为25cm，直径为3cm；

所述纤维布支撑装置(3)包括轴(15)、位于轴(15)两侧的支撑架(14)和安装在支撑架(14)中的回旋限位器(16)；

所述回旋限位器(16)为棘轮，其套在轴(15)上，所述棘轮的齿数为12；

所述支撑架(14)固定在工作台(1)上；

所述树脂挤压装置包括树脂储存箱(4)、树脂挤压管(6)和离心泵(7)，树脂储存箱(4)和离心泵(7)分别位于树脂挤压管(6)的两侧；

树脂挤压管(6)为长50cm且直径5cm的圆柱体，其正下方均匀分布着10个长2cm且直径0.5cm的圆柱型喷孔，其中，距离纤维布侧边最近的喷孔与纤维布之间的距离为1cm；

所述预浸料夹持牵引装置(9)包括传动齿轮(26)和传动链条(32)，传动齿轮(26)和传动链条(32)相互啮合；电动机(23)通过减速器(25)带动传动齿轮(26)转动，电动机(23)与减速器(25)通过联轴器(24)固定连接；

所述传动链条(32)上装有一排共32个夹片组(27)，每个夹片组(27)上都装有位移传感器Ⅱ(31)。

2.根据权利要求1所述的一种植物纤维增强复合材料层合板的快速制备装置，其特征在于，树脂滚压装置为热压辊(8)，热压辊(8)长50cm，直径为3cm。

3.根据权利要求1所述的一种植物纤维增强复合材料层合板的快速制备装置，其特征在于，所述夹片组(27)包括上夹片(30)和下夹片(29)，上夹片(30)和下夹片(29)长3cm，宽2cm，厚1cm，上夹片(30)的下侧和下夹片(29)的上侧为锯齿型；上夹片(30)固定在传动链条(32)上，上夹片(30)上固定有电磁铁(33)，下夹片(29)上固定有铁片(35)，上夹片(30)和下夹片(29)之间设置有限位弹簧(34)，限位弹簧(34)上端固定在传动链条(32)上，下端固定在下夹片(29)上，上夹片(30)与下夹片(29)可上下移动。

4.根据权利要求1所述的一种植物纤维增强复合材料层合板的快速制备装置，其特征在于，所述裁剪装置(10)包括上刀片(20)与下刀座(19)，上刀片(20)与下刀座(19)之间通过铆钉连接，上刀片可旋转0～90°，下刀座(19)下方安装有两个额定压力为3.2MPa的液压缸Ⅱ(17)，上刀片(20)底端与下刀座(19)之间安装有额定压力为2.5MPa的液压缸Ⅲ(21)，液压缸Ⅲ(21)两端用螺栓分别与上刀片和下刀座连接。

5.根据权利要求1所述的一种植物纤维增强复合材料层合板的快速制备装置，其特征在于，所述模具升降装置(12)包括底板(41)、液压缸Ⅳ(37)和电液伺服控制器Ⅱ(36)，液压缸Ⅳ(37)的两端分别用螺钉固定在底板(41)与工作台(1)上，电液伺服控制器Ⅱ(36)通过导线与液压缸Ⅳ(37)上的伺服阀相连。

6.根据权利要求5所述的一种植物纤维增强复合材料层合板的快速制备装置，其特征在于，所述底板(41)为尺寸60x60cm的钢板；所述液压缸Ⅳ(37)的额定压力为10MPa，数量为4，成2x2列阵排列，相邻两液压缸Ⅳ(37)的间距为30cm。

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