CN112757663A - 一种连续纤维增强热塑性复合材料自动铺丝成型方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种连续纤维增强热塑性复合材料自动铺丝成型方法,包括如下步骤：S1.铺制预成型体；S2.将预成型体变型为零件产品的坯料；S3.将零件产品的坯料按照设计尺寸进行切割，从而得到零件产品。本发明采用自动铺丝成型预成型体，可简化零件产品的加工工序，节省原材料用量和加工时间；过程角度控制精准、压力可调可控，有利于后续预成型体变形成型过程中层间滑移，提高成型质量；后成型采用模压或真空袋压成型过程设置原位预热工序，软化后直接进行加压定型或变形，不必采用高温高压热压罐，提高效率，节省成本。

Description

一种连续纤维增强热塑性复合材料自动铺丝成型方法
技术领域
本发明属于复合材料成型技术领域，具体涉及一种连续纤维增强热塑性复合材料自动铺丝成型方法。
背景技术
现有技术中,热塑性复合材料以其独特的性能优势使其满足民机发展安全性、经济性、舒适性、环保性的要求而备受关注。连续纤维增强热塑性复合材料的成型工艺方法主要包括热压罐成型、模压成型或自动铺丝原位成型。
热压罐成型制备的热塑性复合材料成型质量好，但是需要高温高压热压罐及耐高温辅助材料(一般400℃以上)，工艺成本较高；模压成型是快速低成本成型技术，能耗和费用低，适合小尺寸大批量快速成型，需要高强、高精度、耐高温的双面金属模具，成型质量难以控制；原位成型是通过自动铺丝机(AFP)或铺带机(ATL)，通过激光加热铺丝头及压实原位成型热塑性复合材料，灵活性大，可成型铺层结构复杂的构件，但是对设备可提供的温度和压力有较高要求，同时，自动铺放过程压实、结晶等问题与铺放效率存在矛盾，需要平衡。此外，对于原位成型，国际上有直接自动铺放原位成型或自动铺放结合热压罐的方式，成本较高。
发明内容
本发明的目的是提供一种连续纤维增强热塑性复合材料自动铺丝成型方法，以解决现有技术中存在的上述问题。
本发明提供一种连续纤维增强热塑性复合材料自动铺丝成型方法,包括如下步骤：
S1.铺制预成型体；
S2.将预成型体变型为零件产品的坯料；
S3.将零件产品的坯料按照设计尺寸进行切割，从而得到零件产品。
进一步地，步骤S1包括如下步骤:
S1.1)采用fibersim或其它软件获取由连续纤维增强热塑性复合材料制得的零件产品的平面展开轮廓线，将该轮廓线作为铺丝边界；
S1.2)按照所述零件产品的铺层要求在自动铺丝模具上进行铺设，采用自动铺丝机逐层在所述自动铺丝模具上的所述铺丝边界内逐层铺放所述连续纤维增强热塑性复合材料，从而得到所述预成型体。
进一步地，步骤S2包括：
S2.1)在后定型模具上铺设第一辅助材料，将步骤S1获取的所述预成型体设置在该第一辅助材料上，同时，在所述预成型体的上表面铺放第二辅助材料，采用真空袋包覆所述后定型模具上的第一辅助材料、所述预成型体及第二辅助材料；
S2.2)采用加温加压定型装置对所述真空袋进行加温加压；
S2.3)对步骤S2.2)中加温加压的真空袋进行冷却操作，使所述预成型体软化变型为所述零件产品的坯料。
进一步地，所述铺丝边界在所述零件产品的净尺寸线外扩展20mm-30mm。
进一步地，第一辅助材料与第二辅助材料相同，均采用脱模剂或耐高温隔离膜。
进一步地，在所述真空袋上设置有排气阀，对所述真空袋内的空气抽真空或在加压过程进行排气。
进一步地，所述加温加压定型装置为热压机。
进一步地，采用所述热压机时设置的预热温度比所述连续纤维增强热塑性复合材料的熔点高5℃-15℃。
进一步地，采用所述热压机时的预热时间为10min-20min。
进一步地，本发明还提供一种零件产品，该零件产品由本发明的方法制得。
本发明的有益效果
本发明的连续纤维增强热塑性复合材料自动铺丝成型方法，具有如下有益效果:
1)采用自动铺丝成型预成型体，将零件产品的轮廓线作为铺丝边界，可简化最终的零件产品的加工工序，节省原材料用量和加工时间；
2)自动铺丝成型预成型体过程角度控制精准、压力可调可控，有利于后续预成型体变形成型过程中层间滑移，提高成型质量；
3)后成型采用模压或真空袋压成型过程设置原位预热工序，软化后直接进行加压定型或变形，可不必采用高温高压热压罐，提高效率，节省成本。
附图说明
图1为本方法中各部件的装配关系示意图；
图2为本方法的流程示意图。
图中：1自动铺丝模具、2零件产品的轮廓线、3自动铺丝机、4后定型模具、5和7为辅助材料、6预成型体、8真空袋、9排气阀，10加温加压定型装置。
具体实施方式
为了更好的理解本发明的技术方案，本发明内容包括但不限于下文中的具体实施方式，相似的技术和方法都应该视为本发明保护的范畴之内。为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。
应当明确，本发明所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明实施例中使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本发明。在本发明实施例和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。
由图1所示，本发明提供了一种连续纤维增强热塑性复合材料自动铺丝成型方法。该成型方法包括自动铺丝模具1、零件产品轮廓线2、自动铺丝头3、后定型模具4、辅助材料5和7、预成型体6、真空袋8、排气阀9，加温加压定型装置10。其中,后定型模具4根据零件产品的结构形状可以设置为平板或异形；辅助材料5和7为脱模剂或耐高温隔离膜，本发明中的连续纤维增强热塑性复合材料在使用前以预浸料的形式存在。本发明采用fibersim软件或其它软件获取零件产品的平面展开轮廓线，之后在自动铺丝模具上采用该轮廓线作为铺敷区域，由自动铺丝机将连续纤维增强热塑性复合材料在该区域内逐层铺设制得零件产品的预成型体。
具体的方法步骤如下：
S1.铺制预成型体，S1.1)采用fibersim或其它软件获取由连续纤维增强热塑性复合材料制得的零件产品的平面展开轮廓线2，将该轮廓线作为铺丝边界，该铺丝边界在零件产品的净尺寸线外扩展20mm-30mm作为余量；S1.2)按照所述零件产品的铺层要求在自动铺丝模具1上进行铺设，采用自动铺丝机3逐层在所述自动铺丝模具1上的所述铺丝边界内逐层铺放所述连续纤维增强热塑性复合材料，从而得到所述预成型体6。
在铺放过程中自动铺丝机3采用计算机数控程序设置铺层角度和铺放压力，传统的人工铺放，铺层角度偏差达到±5°，本方法采用数控程序控制时，铺层角度偏差可以降低到±1°左右，从而使自动化铺放时的角度控制更精准；同时铺放压力也可以通过在自动铺丝机3中设置计算机程序控制，在本发明中采用较小的铺放压力，从使连续纤维增强热塑性复合材料各层之间刚好粘结接触，即间采用弱粘结，而不是受压紧密结合，以有利于后续预成型体6在变形过程中发生层间的滑移，便于零件产品的制成。根据零件产品的厚度设置有不同的铺层数，根据铺层数对各层压力进行调控，制得的零件产品的厚度越大变形会越困难，从而在生成预成型体铺放过程中采用的压力也会越大。
S2.变型为零件产品的坯料
将步骤S1获取的预成型体6，采用模压或真空袋加压定型或变形成型为零件产品的坯料。具体步骤如下：
S2.1)在后定型模具4上铺设第一辅助材料5，该第一辅助材料为脱模剂或者为耐高温隔离膜，具有耐磨损、耐高温并有应力性能，且不易分解，在辅助材料5铺放到后定型模具4上后，将预成型体6设置在该辅助材料5上，即预成型体6的下表面与辅助材料5贴合，同时，在预成型体6的上表面铺放第二辅助材料7，第二辅助材料7与第一辅助材料5为相同的辅助材料，采用脱模剂或耐高温隔离膜来实现。在预成型体6的上下表面均铺放辅助材料，保证预成型体6在后面被加热加压等操作后方便脱模。将辅助材料5、预成型体6及辅助材料7在后定型模具4上按顺序布置好后，设置在真空袋8中，如图1所示，真空袋8完全包覆后定型模具4上的辅助材料5、预成型体6及辅助材料7，在真空袋8上设置有真空嘴9，在整个过程中，采用真空嘴9来对真空袋8内的空气抽真空或在加压过程进行排气。
S2.2)采用加温加压定型装置10对真空袋8进行加温加压，加温加压定型装置10可以采用热压机、机器人、烘箱来实现，在采用热压机时，将真空袋8包覆的设置在后定型模具4上的辅助材料5、预成型体6及辅助材料7形成的整体进行预热，预热温度比连续纤维增强热塑性复合材料的熔点高5℃-15℃，这样可以保证预成型体6在设定的预热时间段内软化，设置预热时间为10min-20min，在热压机进行预热时预热温度不变，但需要进行加压操作，加压操作使预成型体6变型为零件产品形状的坯料，加压压力至少为一个大气压，根据所制得的零件产品的形状加压压力也可以为1bar-6bar,大厚度的零件产品采用的压力更高，需要保压时间为10-30min。
S2.3)对步骤S2.2)中加温加压的连续纤维增强热塑性复合材料预成型体进行冷却操作，在冷却过程中保持压力不变，温度需降至热塑性复合材料玻璃化转变温度以下，此时，去掉热压机的压力，对预成型体6继续冷却至室温后，对预成型体6除去辅助材料5和7即脱模得到零件产品的坯料。采用烘箱预热时，将被真空袋包覆的后定型模具4、辅助材料5、预成型体6及辅助材料7形成的整体置入烘箱内烘烤，将烘箱的烘烤温度升至连续纤维增强热塑性复合材料熔点以上，在烘烤一设定时间段后预成型体6软化，软化后变形或成型为零件产品的坯料。
S3.获得零件产品
采用数控机床或手工切割打磨将脱模后的零件产品的坯料按照零件产品设计尺寸进行处理，包括切割、打磨等工艺处理，从而得到零件产品。
上述说明示出并描述了本发明的若干优选实施例，但如前所述，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述申请构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求书的保护范围内。

Claims (10)

1.一种连续纤维增强热塑性复合材料自动铺丝成型方法,其特征在于，包括如下步骤：
S1.铺制预成型体；
S2.将预成型体变型为零件产品的坯料；
S3.将零件产品的坯料按照设计尺寸进行切割，从而得到零件产品。
2.根据权利要求1所述的连续纤维增强热塑性复合材料自动铺丝成型方法，其特征在于，所述步骤S1包括如下步骤:
S1.1)采用fibersim或其它软件获取由连续纤维增强热塑性复合材料制得的零件产品的平面展开轮廓线，将该轮廓线作为铺丝边界；
S1.2)按照所述零件产品的铺层要求在自动铺丝模具上进行铺设，采用自动铺丝机逐层在所述自动铺丝模具上的所述铺丝边界内逐层铺放所述连续纤维增强热塑性复合材料，从而得到所述预成型体。
3.根据权利要求1所述的连续纤维增强热塑性复合材料自动铺丝成型方法，其特征在于：所述步骤S2包括：
S2.1)在后定型模具上铺设第一辅助材料，将步骤S1获取的所述预成型体设置在该第一辅助材料上，同时，在所述预成型体的上表面铺放第二辅助材料，采用真空袋包覆所述后定型模具上的第一辅助材料、所述预成型体及第二辅助材料；
S2.2)采用加温加压定型装置对所述真空袋进行加温加压；
S2.3)对步骤S2.2)中加温加压的真空袋进行冷却操作，使所述预成型体软化变型为所述零件产品的坯料。
4.根据权利要求1所述的连续纤维增强热塑性复合材料自动铺丝成型方法，其特征在于，所述铺丝边界在所述零件产品的净尺寸线外扩展20mm-30mm。
5.根据权利要求3所述的连续纤维增强热塑性复合材料自动铺丝成型方法，其特征在于，所述第一辅助材料与第二辅助材料相同，均采用脱模剂或耐高温隔离膜。
6.采用权利要求5所述的连续纤维增强热塑性复合材料自动铺丝成型方法,其特征在于，在所述真空袋上设置有排气阀，对所述真空袋内的空气抽真空或在加压过程进行排气。
7.根据权利要求5所述的连续纤维增强热塑性复合材料自动铺丝成型方法，其特征在于，所述加温加压定型装置为热压机。
8.根据权利要求7所述的连续纤维增强热塑性复合材料自动铺丝成型方法，其特征在于，采用所述热压机时设置的预热温度比所述连续纤维增强热塑性复合材料的熔点高5℃-15℃。
9.根据权利要求7所述的连续纤维增强热塑性复合材料自动铺丝成型方法，其特征在于，采用所述热压机时的预热时间为10min-20min。
10.一种零件产品，其特征在于，该零件产品由权利要求1-9任一项所述的方法制得。
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