CN112644100A - 一种大曲率蜂窝夹层复合材料结构及其一体化成型方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种大曲率蜂窝夹层复合材料结构及其一体化成型方法，成型设备包括运动载具、复合材料成型头、控制柜、操作台、工作台、蜂窝夹芯复合材料成型件。制造过程中首先自动铺放头在自动铺丝用六轴机器臂的带动下在工作台表面进行蜂窝下面板成型；随后由3D打印头在3D打印用六轴机器臂的带动下在已铺放好的蜂窝下面板上进行蜂窝芯材结构特征打印；蜂窝芯材打印完成后，再利用自动铺放头在蜂窝芯材上直接成形蜂窝上面板，直至完成整个蜂窝夹芯复合材料结构的一体化成型。本发明通过将自动铺丝与连续纤维3D打印有效结合，在实现大曲率蜂窝夹芯结构的一体化成形的同时，保证大尺寸异形蜂窝构件加工效率，提高零件精度和质量。

Description

一种大曲率蜂窝夹层复合材料结构及其一体化成型方法
技术领域
本发明属于复合材料设计制作领域，特别是涉及一种大曲率蜂窝夹层复合材料结构及其一体化成型方法。
背景技术
近年来，随着复合材料性能优势日益明显，产量逐年提升，其应用也从传统的航空航天、国防建设等领域，逐步向汽车、船舶等民用领域逐步扩展。蜂窝夹芯结构除了拥有弯曲刚度与强度大、抗失稳能力强等力学性能优势外，还具有降噪减震、抗冲击、隔热、高吸能等功能优点，因此在各个领域都有广泛应用。但由于成型设备限制，目前蜂窝结构依然采用传统手工分布成型的方式进行成型：铺预浸料铺层—涂胶膜—拉伸蜂窝芯—涂胶膜—铺预浸料铺层。成型过程中存在蜂窝芯材与预浸料之间难以完全贴合、铺层压力传到不均匀等问题，尤其是当加工‘U’形、‘帽’形等具有大曲率几何特征的蜂窝夹层结构时，传统的方法不再可行，面临无法加工的问题。
目前，自动铺放与3D打印技术是复合材料自动化制造领域常见的两种成型方法。复合材料自动铺丝装备集成了先进的自动铺丝头，可以将复合材料预浸带在柔性压辊的压力下快速高效的铺贴在模具表面，并可实现对每根预浸带的剪切、加持、重送等一系列动作。先进的复合材料自动铺丝技术虽然可以实现大尺寸复合材料构件的快速成型，但对于小型零件或者大尺寸零件上的小型特征却束手无策。连续纤维3D打印技术具有高精度的加工特征，能够弥补自动铺丝技术中细小特征不易表达的缺点，但目前连续纤维3D打印成形效率较低，且在加工大尺寸复合材料零件方面存在困难。
将自动铺丝技术与连续纤维3D打印技术有效结合，实现大曲率蜂窝夹层复合材料结构一体化成形，克服两种工艺中材料结合强度差的难题，将进一步提升蜂窝夹层复合材料柔性制造水平，拓展复合材料的应用前景。
发明内容
本发明的目的在于提供一种大曲率蜂窝夹层复合材料结构及其一体化成型方法，以解决上述问题。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种大曲率蜂窝夹层复合材料结构，包括蜂窝下面板、蜂窝芯材和蜂窝上面板；蜂窝下面板和蜂窝上面板设置在蜂窝芯材的两侧，蜂窝下面板和蜂窝上面板均为大曲率面板；蜂窝下面板、蜂窝芯材和蜂窝上面板形成大曲率蜂窝夹层复合材料结构。
进一步的，大曲率蜂窝夹层是指几何形状为‘U’形或‘帽’形几何特征的夹层结构。
进一步的，蜂窝下面板、蜂窝芯材和蜂窝上面板采用同一基体材料组分的复合材料制成。
进一步的，一种大曲率蜂窝夹层复合材料结构及其一体化成型方法，包括以下步骤：
步骤1，自动铺放头在自动铺丝用六轴机器臂的带动下在工作台表面进行蜂窝下面板10的铺放加工；
步骤2，当加工蜂窝芯材时，机器臂首先将自动铺放头放置于自动铺放头固定座上，之后利用换枪盘换上3D打印头；
步骤3，由3D打印头在3D打印用六轴机器臂的带动下在已铺放好的蜂窝下面板进行蜂窝芯材打印；
步骤4，蜂窝芯材打印完成后再使用自动铺放头完成蜂窝上面板打印，直至完成整个零件的一体化成型。
进一步的，自动铺放头用于将复合材料预浸料单根宽带或多根窄带铺放到工作台表面，用于复合材料预浸料的输送、剪切、夹持、加热、压紧操作。
进一步的，3D打印头打印的丝材直径应小于3mm。
进一步的，自动铺放头和3D打印头可分别安装于3D打印用六轴机器臂和自动铺丝用六轴机器臂，并分布于工作台两侧。
进一步的，蜂窝夹芯复合材料成型件为纤维增强树脂基复合材料预成型体。
进一步的，自动铺放头和3D打印头能够共用一台六轴机器臂；当自动铺放头和3D打印头共用一台六轴机器臂时，包括以下步骤：
步骤1，自动铺放头在自动铺丝用六轴机器臂的带动下在工作台表面进行蜂窝下面板的铺放加工；
步骤2，当加工蜂窝芯材时，机器臂首先将自动铺放头放置于自动铺放头固定座上，之后利用换枪盘换上3D打印头；
步骤3，由3D打印头在3D打印用六轴机器臂的带动下在已铺放好的蜂窝下面板进行蜂窝芯材打印；
步骤4，蜂窝芯材打印完成后再使用自动铺放头完成蜂窝上面板打印，直至完成整个零件的一体化成型。
与现有技术相比，本发明有以下技术效果：
针对目前大曲率蜂窝夹层结构无法一体化成型的问题，本发明提供了一种大曲率蜂窝夹层复合材料结构及其一体化成型方法。通过将自动铺丝与连续纤维3D打印有效结合，实现具有‘U’形，‘帽’形等大曲率几何特征的蜂窝夹层结构的一体化成型。
本发明的一种大曲率蜂窝夹层复合材料结构一体化成型方法利用六轴机器人将复合材料自动铺丝和3D打印工艺两种复合材料加工方式结合起来，在上述的制造过程中，自动铺丝负责大尺寸几何特征的高效加工，3D打印工艺复合零件上细小几何特征加工；自动铺丝与连续纤维3D打印即可同时进行，又可分步进行，这种复合制造设备摆脱了传统自动铺丝设备小尺寸几何特征无法制造，连续纤维3D打印设备大尺寸零件加工效率低的难题。在保证复合材料零件成型效率的同时，又提升了可制备零件的复杂程度，可用于实现功能复合材料零件的一体化制造。
附图说明
图1是U形蜂窝夹芯复合材料结构示意图；
图2是本发明装置的双六轴机器臂整体结构示意图；
图3是本发明装置的单六轴机器臂整体结构示意图；
图中：(1)为控制柜，(2)为自动铺丝用六轴机器臂，(3)为操作台，(4)为3D打印用六轴机器臂，(5)为工作台，(6)为3D打印头，(7)为自动铺放头，(8)为蜂窝夹芯复合材料成型件，(9)为自动铺放头固定座，(10)蜂窝下面板，(11)蜂窝芯材，(12)蜂窝上面板。
具体实施方式
以下结合附图对本发明进一步说明：
一种大曲率蜂窝夹层复合材料结构，包括蜂窝下面板10、蜂窝芯材11和蜂窝上面板12；蜂窝下面板10和蜂窝上面板12设置在蜂窝芯材11的两侧，蜂窝下面板10和蜂窝上面板12均为大曲率面板；蜂窝下面板10、蜂窝芯材11和蜂窝上面板12形成大曲率蜂窝夹层复合材料结构。
大曲率蜂窝夹层是指几何形状为‘U’形或‘帽’形几何特征的夹层结构。
蜂窝下面板10、蜂窝芯材11和蜂窝上面板12采用同一基体材料组分的复合材料制成。
一种大曲率蜂窝夹层复合材料结构及其一体化成型方法，包括以下步骤：
步骤1，自动铺放头在自动铺丝用六轴机器臂的带动下在工作台表面进行蜂窝下面板10的铺放加工；
步骤2，当加工蜂窝芯材11时，机器臂首先将自动铺放头放置于自动铺放头固定座上，之后利用换枪盘换上3D打印头；
步骤3，由3D打印头在3D打印用六轴机器臂的带动下在已铺放好的蜂窝下面板12进行蜂窝芯材打印；
步骤4，蜂窝芯材打印完成后再使用自动铺放头完成蜂窝上面板打印，直至完成整个零件的一体化成型。
自动铺放头7用于将复合材料预浸料单根宽带或多根窄带铺放到工作台表面，用于复合材料预浸料的输送、剪切、夹持、加热、压紧操作。
3D打印头6打印的丝材直径应小于3mm。
自动铺放头7和3D打印头6可分别安装于3D打印用六轴机器臂4和自动铺丝用六轴机器臂2，并分布于工作台5两侧。
蜂窝夹芯复合材料成型件8为纤维增强树脂基复合材料预成型体。
自动铺放头7和3D打印头6能够共用一台六轴机器臂；当自动铺放头7和3D打印头6共用一台六轴机器臂时，包括以下步骤：
步骤1，自动铺放头在自动铺丝用六轴机器臂的带动下在工作台表面进行蜂窝下面板的铺放加工；
步骤2，当加工蜂窝芯材时，机器臂首先将自动铺放头放置于自动铺放头固定座上，之后利用换枪盘换上3D打印头；
步骤3，由3D打印头在3D打印用六轴机器臂的带动下在已铺放好的蜂窝下面板进行蜂窝芯材打印；
步骤4，蜂窝芯材打印完成后再使用自动铺放头完成蜂窝上面板打印，直至完成整个零件的一体化成型。
下文中将结合附图对本发明的实施例进行详细说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实例中的特征可以相互任意组合。
实施例一：
本发明提供如附图1所示的一种异形蜂窝夹芯复合材料结构一体化成型设备，其特征在于，包括运动载具、复合材料成型头、控制柜1、操作台3、工作台5、蜂窝夹芯复合材料成型件8；所述运动载具包括3D打印用六轴机器臂4、自动铺丝用六轴机器臂2；所述复合材料成型头包括3D打印头6、自动铺放头7；所述工作台5通过地脚螺栓固定于地面。
所述自动铺放头7应具备将复合材料预浸料单根宽带或多根窄带铺放到工作台表面的能力，可以实现复合材料预浸料的输送、剪切、夹持、加热、压紧等操作。
所述3D打印头6应具备复合材料丝材打印能力，为实现细小几何特征打印成型，所打印的丝材直径应小于3mm。
所述自动铺放头7和3D打印头6可分别安装于3D打印用六轴机器臂4和自动铺丝用六轴机器臂2，并分布于工作台5两侧，也可共用一台六轴机器臂，根据使用情况进行切换。
所述蜂窝夹芯复合材料成型件8为纤维增强树脂基复合材料预成型体。
所述一种异形蜂窝夹芯复合材料结构一体化成型设备的制造方法，应包括以下步骤：
步骤1，自动铺放头7在自动铺丝用六轴机器臂2的带动下在工作台5表面进行蜂窝下面板10的铺放加工；
步骤2，当加工蜂窝芯材11时，由3D打印头6在3D打印用六轴机器臂4的带动下在已铺放好的蜂窝下面板10进行蜂窝芯材11打印；
步骤3，蜂窝芯材11打印完成后再使用自动铺放头7完成蜂窝上面板12打印，直至完成整个零件的一体化成型。
实施例二：
本发明提供如附图2所示的另一种异形蜂窝夹芯复合材料结构一体化成型设备，包括运动载具、复合材料成型头、控制柜1、操作台3、工作台5、蜂窝夹芯复合材料成型件8、自动铺放头固定座9；所述复合材料成型头包括3D打印头6、自动铺放头7；所述工作台5通过地脚螺栓固定于地面。
各部位的具体功能与实施例一项目
所述一种异形蜂窝夹芯复合材料结构一体化成型设备的制造方法，当自动铺放头7和3D打印头6共用一台六轴机器臂时，包括以下步骤：
步骤1，自动铺放头7在自动铺丝用六轴机器臂2的带动下在工作台5表面进行蜂窝下面板10的铺放加工；
步骤2，当加工蜂窝芯材11时，机器臂首先将自动铺放头7放置于自动铺放头固定座9上，之后利用换枪盘换上3D打印头6；
步骤3，由3D打印头6在3D打印用六轴机器臂4的带动下在已铺放好的蜂窝下面板12进行蜂窝芯材11打印；
步骤4，蜂窝芯材11打印完成后再使用自动铺放头7完成蜂窝上面板12打印，直至完成整个零件的一体化成型。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种大曲率蜂窝夹层复合材料结构，其特征在于，包括蜂窝下面板(10)、蜂窝芯材(11)和蜂窝上面板(12)；蜂窝下面板(10)和蜂窝上面板(12)设置在蜂窝芯材(11)的两侧，蜂窝下面板(10)和蜂窝上面板(12)均为大曲率面板；蜂窝下面板(10)、蜂窝芯材(11)和蜂窝上面板(12)形成大曲率蜂窝夹层复合材料结构。
2.根据权利要求1所述的一种大曲率蜂窝夹层复合材料结构，其特征在于，大曲率蜂窝夹层是指几何形状为‘U’形或‘帽’形几何特征的夹层结构。
3.根据权利要求1所述的一种大曲率蜂窝夹层复合材料结构，其特征在于，蜂窝下面板(10)、蜂窝芯材(11)和蜂窝上面板(12)采用同一基体材料组分的复合材料制成。
4.一种大曲率蜂窝夹层复合材料结构及其一体化成型方法，其特征在于，基于权利要求1至3任意一项所述的一种大曲率蜂窝夹层复合材料结构，包括以下步骤：
步骤1，自动铺放头在自动铺丝用六轴机器臂的带动下在工作台表面进行蜂窝下面板10的铺放加工；
步骤2，当加工蜂窝芯材(11)时，机器臂首先将自动铺放头放置于自动铺放头固定座上，之后利用换枪盘换上3D打印头；
步骤3，由3D打印头在3D打印用六轴机器臂的带动下在已铺放好的蜂窝下面板(12)进行蜂窝芯材打印；
步骤4，蜂窝芯材打印完成后再使用自动铺放头完成蜂窝上面板打印，直至完成整个零件的一体化成型。
5.根据权利要求4所述的一种大曲率蜂窝夹层复合材料结构及其一体化成型方法，其特征在于，自动铺放头(7)用于将复合材料预浸料单根宽带或多根窄带铺放到工作台表面，用于复合材料预浸料的输送、剪切、夹持、加热、压紧操作。
6.根据权利要求4所述一种大曲率蜂窝夹层复合材料结构一体化成型方法，其特征在于，3D打印头(6)打印的丝材直径应小于3mm。
7.根据权利要求4所述一种大曲率蜂窝夹层复合材料结构一体化成型方法，其特征在于，自动铺放头(7)和3D打印头(6)可分别安装于3D打印用六轴机器臂(4)和自动铺丝用六轴机器臂(2)，并分布于工作台(5)两侧。
8.根据权利要求4所述一种大曲率蜂窝夹层复合材料结构一体化成型方法，其特征在于，蜂窝夹芯复合材料成型件(8)为纤维增强树脂基复合材料预成型体。
9.根据权利要求7所述一种大曲率蜂窝夹层复合材料结构一体化成型方法，其特征在于，自动铺放头(7)和3D打印头(6)能够共用一台六轴机器臂；当自动铺放头(7)和3D打印头(6)共用一台六轴机器臂时，包括以下步骤：
步骤1，自动铺放头在自动铺丝用六轴机器臂的带动下在工作台表面进行蜂窝下面板的铺放加工；
步骤2，当加工蜂窝芯材时，机器臂首先将自动铺放头放置于自动铺放头固定座上，之后利用换枪盘换上3D打印头；
步骤3，由3D打印头在3D打印用六轴机器臂的带动下在已铺放好的蜂窝下面板进行蜂窝芯材打印；
步骤4，蜂窝芯材打印完成后再使用自动铺放头完成蜂窝上面板打印，直至完成整个零件的一体化成型。
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