CN113306172B - 一种碳纤维增强复合材料高节拍模压成型系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种碳纤维增强复合材料高节拍模压成型系统及方法，包括预浸料裁剪装置、上下料装置、模压成型装置、加热与冷却装置和成型参数优化装置；其中，预浸料裁剪装置用于对预浸料裁剪；所述模压成型装置包括上模具和下模具，用于对碳纤维增强复合材料模压成型；加热与冷却装置分别与模压成型装置的上、下模具相连接，用于实现对上、下模具的加热与冷却；上下料装置设置在模压成型装置两侧，用于实现对预浸料的搬运及铺层；成型参数优化单元用于监测制件的温度和压力，进而实现模压成型工艺参数的优化。本发明可实现碳纤维增强复合材料的模压成型，并达到降低成本、提高效率的目的，满足碳纤维增强复合材料新产品的开发、试制、生产需求。
Description
技术领域
本发明属于复合材料成型技术领域，涉及复合材料的模压成型系统及方法，尤其是一种碳纤维增强复合材料高节拍模压成型系统及方法。
背景技术
目前，复合材料成型工艺通常要求预浸料铺层后，在规定的温度、压力下固化成型。复合材料成型通常采用热压罐、热压机等配合模具并加压成型。复合材料成型对成本、效率及成品率要求较高，现有技术中大多数为单件成型工艺，产品生产效率低，成本高，很难实现产品的批量及大批量工业生产。
经检索，未发现与本发明相同或相近似的现有技术的公开文献。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提出一种设计合理、制造成本低且能够大幅提高工作效率的碳纤维增强复合材料高节拍模压成型系统及方法。
本发明解决其现实问题是采取以下技术方案实现的：
一种碳纤维增强复合材料高节拍模压成型系统，包括预浸料裁剪装置、上下料装置、模压成型装置、加热与冷却装置和成型参数优化装置；其中，预浸料裁剪装置用于对预浸料裁剪；所述模压成型装置包括上模具和下模具，用于对碳纤维增强复合材料模压成型；加热与冷却装置分别与模压成型装置的上、下模具相连接，用于实现对上、下模具的加热与冷却；上下料装置设置在模压成型装置两侧，用于实现对预浸料的搬运及铺层；成型参数优化单元用于监测制件的温度和压力，进而实现模压成型工艺参数的优化。
而且，所述模压成型装置采用伺服压机控制，其上、下模具固定在伺服压机中，模芯可拆卸地安装于上、下模具上，用于实现不同模芯在模具中的自动换芯。
而且，所述预浸料裁剪装置通过三自由度剪裁机械手控制刀具在剪切台上完成对预浸料的裁剪，该预浸料裁剪装置还与上位机相连接，在上位机中内置cad软件，用于实现对预浸料的精确裁剪。
而且，所述加热与冷却装置通过油路、轴头分别与模压成型装置的上、下模具相连接，实现对模压成型装置的上、下模具的加热与冷却。
而且，所述上下料装置包括两个搬运机械手，其中第一搬运机械手设置在预浸料裁剪装置和模压成型装置之间，用于将裁剪后的预浸料放置到模压成型装置的下模具中并定位，在下模具中进行预热和铺层，完成复合材料制件的预成型；第二搬运机械手用于取下模压成型后的制件。
而且，所述搬运机械手上连接有吸盘，通过真空泵控制真空气压进而实现不同预浸料及制品的上下料。
而且，所述成型参数优化装置包括光纤光栅温度传感器、光纤光栅应变传感器和控制系统，该光纤光栅温度传感器和光纤光栅应变传感器，用于在模压成型过程中对制件的内部温度及应变进行监测并将监测数据上传至控制器，该控制系统根据监测数据对成型质量进行预测并依据预测对模压成型工艺参数进行调整；所述控制系统内安装有Abaqus二次开发软件，光纤光栅温度传感器和光纤光栅应变传感器在铺层过程中进行预埋，用于对模压成型过程中制件的内部温度及应变进行监测，将监测数据同步到Abaqus软件中，对成型质量进行预测并依据预测对成型工艺参数进行调整，调整后的参数输送到模压成型设备和加热及冷却装置，调整伺服压机的压力、加热及冷却装置的参数，最终实现制件的质量达到最优。
而且，所述光纤光栅温度传感器、光纤光栅应变传感器以90°夹角包埋，相互间包埋位置间隔为50mm。
一种碳纤维增强复合材料高节拍模压成型方法，包括以下步骤：
步骤1、将预浸料放置到剪切台，由预浸料裁剪装置对预浸料进行裁剪；然后打开加热与冷却装置，对模压成型装置的上、下模具进行加热，预浸料剪切完成后通过上下料装置放置到模压成型装置的下模具中并定位，并在下模具中进行预热和铺层，实现复合材料制件的预成型；
步骤2、将下模芯搬运至模压成型设备，并对下模具进行定位和固定，加热装置持续加热，伸缩油缸下降带动上模具下降到下模具合模，采用初始工艺参数对制件进行模压成型；
步骤3、采用成型参数优化装置对模压过程进行监测并处理，实现工艺参数优化，按照优化工艺参数不断调整成型设备压力、加热和冷却系统，直到成型过程完成；
步骤4、伸缩油缸上升带动上模具上升到上下模分离，冷却装置对模具进行降温，搬运下模及制件，取出制件，继续下一轮循环。
而且，所述步骤3的采用成型参数优化装置对模压过程进行监测并处理，实现工艺参数优化的具体方法为：
模压过程开始时，在成型参数优化装置输入经验模压成型工艺参数的初始条件后，开始进行模压，采用传感器检测模压成型过程中碳纤维增强复合材料层合板的温度、应变等信息；将温度、应变等预测信息反馈到参数优化系统，并施加初始载荷步，按照Abaqus模拟仿真流程依次设置增量载荷步并进迭代，定义处置刚度矩阵和载荷矩阵，计算求解结果，若求解过程收敛，则输出结果并与预期结果比对，达到预期结果，则进行下一个载荷步，若不满足预期结果则重新设置增量步，直到输出结果与满足预期结果。
本发明的优点和有益效果：
本发明提供一种碳纤维增强复合材料高节拍模压成型系统和方法，该模压成型系统包括预浸料裁剪装置、加热与冷却装置、上下料装置、模压成型装置和成型参数优化单元；其中，预浸料裁剪装置与上位机相连接，通过剪裁机械手控制刀具实现对预浸料的裁剪；加热与冷却装置通过管路和轴头分别与模压成型装置中的上、下模具相连接；上下料装置通过搬运机械控制吸盘实现预浸料的铺层及搬运；模压成型装置采用伺服压机对铺层后的碳纤维增强复合材料预浸料进行模压成型；成型参数优化单元通过光纤光栅传感器监测制件的温度和压力，进而实现模压成型工艺参数的优化；本发明的模压成型系统通过各装置的互相配合，可实现碳纤维增强复合材料的模压成型，并达到降低成本、提高效率的目的，满足碳纤维增强复合材料新产品的开发、试制、生产及教学需求。
附图说明
图1是本发明的系统组成图；
图2是本发明的成型工艺参数优化流程图；
图3是本发明的传感器分布图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明实施例作进一步详述：
一种碳纤维增强复合材料高节拍模压成型系统，如图1所示，包括预浸料裁剪装置、上下料装置、模压成型装置、加热与冷却装置和成型参数优化装置；
其中，预浸料裁剪装置用于对预浸料裁剪；所述模压成型装置包括上模具和下模具，用于对碳纤维增强复合材料模压成型；加热与冷却装置分别与模压成型装置的上、下模具相连接，用于实现对上、下模具的加热与冷却；上下料装置设置在模压成型装置两侧，用于实现对预浸料的搬运及铺层；成型参数优化单元用于监测制件的温度和压力，进而实现模压成型工艺参数的优化。
在本实施例中，所述模压成型装置采用伺服压机控制，其上、下模具固定在伺服压机中，模芯可拆卸地安装于上、下模具上，用于实现不同模芯在模具中的自动换芯，宏观上起到快速换模的作用。
在本实施例中，所述预浸料裁剪装置通过三自由度剪裁机械手控制刀具在剪切台上完成对预浸料的裁剪，该预浸料裁剪装置还与上位机相连接，在上位机中内置cad软件，用于实现对预浸料的精确裁剪。
在本实施例中，所述加热与冷却装置通过油路、轴头分别与模压成型装置的上、下模具相连接，实现对模压成型装置的上、下模具的加热与冷却。
在本实施例中，所述上下料装置包括两个搬运机械手，其中第一搬运机械手设置在预浸料裁剪装置和模压成型装置之间，用于将裁剪后的预浸料放置到模压成型装置的下模具中并定位，在下模具中进行预热和铺层，完成复合材料制件的预成型；第二搬运机械手用于取下模压成型后的制件。
在本实施例中，所述搬运机械手上连接吸盘，通过真空泵控制真空气压进而实现不同预浸料及制品的上下料。
所述上下料装置采用搬运机械手控制吸盘，吸盘吸力大小及压力可调节，尺寸大小由机械结构进行调节，压力由真空泵控制。
在本实施例中，所述机械结构类似于雨伞结构，采用四杆机构来调节圆周的大小。
在本实施例中，所述成型参数优化装置包括光纤光栅温度传感器、光纤光栅应变传感器和控制系统，该光纤光栅温度传感器和光纤光栅应变传感器，用于在模压成型过程中对制件的内部温度及应变进行监测并将监测数据上传至控制器，该控制系统根据监测数据对成型质量进行预测并依据预测对模压成型工艺参数进行调整。
在本实施例中，在该控制系统内安装有Abaqus二次开发软件，光纤光栅温度传感器和光纤光栅应变传感器在铺层过程中进行预埋，用于对模压成型过程中制件的内部温度及应变进行监测，将监测数据同步到Abaqus软件中，对成型质量进行预测并依据预测对成型工艺参数进行调整，调整后的参数输送到模压成型设备和加热及冷却装置，调整伺服压机的压力、加热及冷却装置的参数，最终实现制件的质量达到最优。
在本实施例中，所述光纤光栅温度传感器、光纤光栅应变传感器以90°夹角包埋，相互间包埋位置间隔为50mm。
如图3所示，该布设方法能利用较少的传感器，监测到最大范围的数值，有效的提高了监测效率，降低了传感器的成本。
所述成型参数优化装置可实现成型过程监测、产品质量预测等功能，该成型参数优化装置将光纤光栅温度传感器和光纤光栅应变传感器监测的数据传递到控制器中进行分析，控制器依据监测到的温度及应变，对制件的成型残余应力、形状尺寸进行预测，若不满足要求，则调整工艺参数，并将所需调整的工艺参数结果反馈到模压成型装置和加热与冷却装置中，实现闭环控制，共同实现成型参数优化；然后继续实时监测，不断循环直到产品质量达到预期要求。
在本实施例中，所述碳纤维增强复合材料的物理参数为：碳纤维热固性复合材料，碳纤维为T300，预浸料采用环氧树脂，成型时间短。
在本实施例中，所述模压成型装置的上模具和下模具可拆卸地安装在模具座上，进而可实现上下模具的快速换模，满足多形状模压要求。
所述裁剪机械手、搬运机械手与模压成型设备协同动作，实现高节拍运行。
如图1所示，本发明的工作过程为：
第二搬运机械手将所需下模具芯放置到模芯加热部分，之后由第一搬运机械手搬运至铺层加热区，第二搬运机械手将上模芯安装至伺服压机(模压成型装置)的上模具。裁剪完成预浸料裁剪，由第一搬运机械手搬运至铺层加热部分进行预浸料铺层(预埋传感器)，并进行预加热，之后由第一搬运机械手从铺层加热区搬运至伺服压机，进行模压成型工艺，在模压成型该过程中，控制系统采集传感器信号，并不断修正模压成型工艺参数，加热及冷却装配进行温度的调节，伺服压机压力等调节。模压完成后，第二搬运机械手将下模芯及制件搬运至制件区，取下制件，模具进入下一轮循环。
一种碳纤维增强复合材料高节拍模压成型方法，包括以下步骤：
步骤1、将预浸料放置到剪切台，由预浸料裁剪装置对预浸料进行裁剪；然后打开加热与冷却装置，对模压成型装置的上、下模具进行加热，预浸料剪切完成后通过上下料装置放置到模压成型装置的下模具中并定位，并在下模具中进行预热和铺层，实现复合材料制件的预成型；
步骤2、将下模芯搬运至模压成型设备，并对下模具进行定位和固定，加热装置持续加热，伸缩油缸下降带动上模具下降到下模具合模，采用初始工艺参数对制件进行模压成型；
步骤3、采用成型参数优化装置对模压过程进行监测并处理，实现工艺参数优化，按照优化工艺参数不断调整成型设备压力、加热和冷却系统，直到成型过程完成；
步骤4、伸缩油缸上升带动上模具上升到上下模分离，冷却装置对模具进行降温，搬运下模及制件，取出制件，继续下一轮循环。
在所述步骤1至步骤3中所述加热与冷却装置对上下模具同时持续进行温度控制。
所述步骤3中采用成型参数优化装置对模压成型过程进行实时在线监测并对其成型工艺进行优化，直至获得最佳成型工艺参数；
在本实施例中，如图2所示，所述步骤3的具体方法为：
模压过程开始时，在成型参数优化装置输入经验模压成型工艺参数的初始条件后，开始进行模压，采用传感器检测模压成型过程中碳纤维增强复合材料层合板的温度、应变等信息；将温度、应变等预测信息反馈到参数优化系统，并施加初始载荷步，按照Abaqus模拟仿真流程依次设置增量载荷步并进迭代，定义处置刚度矩阵和载荷矩阵，计算求解结果，若求解过程收敛，则输出结果并与预期结果比对，达到预期结果，则进行下一个载荷步，若不满足预期结果则重新设置增量步，直到输出结果与满足预期结果。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
Claims (8)
1.一种碳纤维增强复合材料高节拍模压成型系统，其特征在于：包括预浸料裁剪装置、上下料装置、模压成型装置、加热与冷却装置和成型参数优化装置；其中，预浸料裁剪装置用于对预浸料裁剪；所述模压成型装置包括上模具和下模具，用于对碳纤维增强复合材料模压成型；加热与冷却装置分别与模压成型装置的上、下模具相连接，用于实现对上、下模具的加热与冷却；上下料装置设置在模压成型装置两侧，用于实现对预浸料的搬运及铺层；成型参数优化单元用于监测制件的温度和压力，进而实现模压成型工艺参数的优化；
所述上下料装置包括两个搬运机械手，其中第一搬运机械手设置在预浸料裁剪装置和模压成型装置之间，用于将裁剪后的预浸料放置到模压成型装置的下模具中并定位，在下模具中进行预热和铺层，完成复合材料制件的预成型；第二搬运机械手用于取下模压成型后的制件；
所述成型参数优化装置包括光纤光栅温度传感器、光纤光栅应变传感器和控制系统，该光纤光栅温度传感器和光纤光栅应变传感器，用于在模压成型过程中对制件的内部温度及应变进行监测并将监测数据上传至控制器，该控制系统根据监测数据对成型质量进行预测并依据预测对模压成型工艺参数进行调整；所述控制系统内安装有Abaqus二次开发软件，光纤光栅温度传感器和光纤光栅应变传感器在铺层过程中进行预埋，用于对模压成型过程中制件的内部温度及应变进行监测，将监测数据同步到Abaqus软件中，对成型质量进行预测并依据预测对成型工艺参数进行调整，调整后的参数输送到模压成型设备和加热及冷却装置，调整伺服压机的压力、加热及冷却装置的参数，最终实现制件的质量达到最优。
2.根据权利要求1所述的一种碳纤维增强复合材料高节拍模压成型系统，其特征在于：所述模压成型装置采用伺服压机控制，其上、下模具固定在伺服压机中，模芯可拆卸地安装于上、下模具上，用于实现不同模芯在模具中的自动换芯。
3.根据权利要求1所述的一种碳纤维增强复合材料高节拍模压成型系统，其特征在于：所述预浸料裁剪装置通过三自由度剪裁机械手控制刀具在剪切台上完成对预浸料的裁剪，该预浸料裁剪装置还与上位机相连接，在上位机中内置cad软件，用于实现对预浸料的精确裁剪。
4.根据权利要求1所述的一种碳纤维增强复合材料高节拍模压成型系统，其特征在于：所述加热与冷却装置通过油路、轴头分别与模压成型装置的上、下模具相连接，实现对模压成型装置的上、下模具的加热与冷却。
5.根据权利要求1所述的一种碳纤维增强复合材料高节拍模压成型系统，其特征在于：所述搬运机械手上连接有吸盘，通过真空泵控制真空气压进而实现不同预浸料及制品的上下料。
6.根据权利要求1所述的一种碳纤维增强复合材料高节拍模压成型系统，其特征在于：所述光纤光栅温度传感器、光纤光栅应变传感器以90°夹角包埋，相互间包埋位置间隔为50mm。
7.一种碳纤维增强复合材料高节拍模压成型方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1、将预浸料放置到剪切台，由预浸料裁剪装置对预浸料进行裁剪；然后打开加热与冷却装置，对模压成型装置的上、下模具进行加热，预浸料剪切完成后通过上下料装置放置到模压成型装置的下模具中并定位，并在下模具中进行预热和铺层，实现复合材料制件的预成型；
步骤2、将下模芯搬运至模压成型设备，并对下模具进行定位和固定，加热装置持续加热，伸缩油缸下降带动上模具下降到下模具合模，采用初始工艺参数对制件进行模压成型；
步骤3、采用成型参数优化装置对模压过程进行监测并处理，实现工艺参数优化，按照优化工艺参数不断调整成型设备压力、加热和冷却系统，直到成型过程完成；
步骤4、伸缩油缸上升带动上模具上升到上下模分离，冷却装置对模具进行降温，搬运下模及制件，取出制件，继续下一轮循环。
8.根据权利要求7所述的一种碳纤维增强复合材料高节拍模压成型方法，其特征在于：所述步骤3的采用成型参数优化装置对模压过程进行监测并处理，实现工艺参数优化的具体方法为：
模压过程开始时，在成型参数优化装置输入经验模压成型工艺参数的初始条件后，开始进行模压，采用传感器检测模压成型过程中碳纤维增强复合材料层合板的温度、应变信息；将温度、应变预测信息反馈到参数优化系统，并施加初始载荷步，按照Abaqus模拟仿真流程依次设置增量载荷步并进迭代，定义处置刚度矩阵和载荷矩阵，计算求解结果，若求解过程收敛，则输出结果并与预期结果比对，达到预期结果，则进行下一个载荷步，若不满足预期结果则重新设置增量步，直到输出结果与满足预期结果。
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Application publication date: 20210827 Assignee: SHANGHAI TRONXT NEW MATERIAL TECHNOLOGY Co.,Ltd. Assignor: Tianjin Sino-German University of Applied Sciences Contract record no.: X2024980006652 Denomination of invention: A high rhythm molding system and method for carbon fiber reinforced composite materials Granted publication date: 20230331 License type: Common License Record date: 20240603 Application publication date: 20210827 Assignee: Tianjin Yuechuan Composite Materials Co.,Ltd. Assignor: Tianjin Sino-German University of Applied Sciences Contract record no.: X2024980006651 Denomination of invention: A high rhythm molding system and method for carbon fiber reinforced composite materials Granted publication date: 20230331 License type: Common License Record date: 20240603 |