CN114197098A - 一种气流扰动式碳纤维宽展设备 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种气流扰动式碳纤维宽展设备，包括沿进料方向依次设置的放卷模块、放卷张力控制模块、气流扰动宽展模块、收卷张力稳定模块、纠偏模块以及收卷模块，其中放卷模块包括至少一组放卷组件，且放卷组件上放置有碳纤维卷。本发明采用气流法实现碳纤维无损伤宽展，利用频率可调的离心风机提供气流，在气流风道上端形成稳定负压，四周空气在压力作用下形成稳定气流，同时在宽展导向轴的作用下，碳纤维丝束均匀分散；解决了现有技术中存在的因碳纤维宽展过程中位置不稳定导致的纤维分散不均、因气流突变导致的宽展不稳定及纤维损伤、以及因收卷张力不均导致的展宽丝层间缠结等技术问题，具有碳纤维宽展效果好、宽展效率高等优点。

Description

一种气流扰动式碳纤维宽展设备

技术领域

本发明涉及碳纤维复合材料加工技术领域，具体涉及一种气流扰动式碳纤维宽展设备。

背景技术

热塑性碳纤维复合材料由于具有低密度、高强度、高抗冲击性、易成型、可回收等特点，被广泛应用在汽车制造、航空航天、体育器材等领域。碳纤维增强热塑性预浸带作为复合材料成型的必要中间体，其成型加工问题一直以来备受关注。由于热塑性高分子黏度高、流动性差，在制备碳纤维增强热塑性预浸带时无法对碳纤维原丝实现高效预浸，因此需要首先对碳纤维原丝进行无损伤、高效率宽展，使碳纤维丝束变宽变薄，以此增加热塑性高分子预浸效率。

碳纤维宽展技术主要包含机械法、超声法、气流法等。机械法结构简单，但效率低，纤维损伤率高；超声法纤维损伤率低，但结构复杂，设备成本高。气流法利用气流作用使纤维分散，损伤低、效率高，且结构相对简单，是目前常用的展宽方法之一。但是气流法宽展过程中，因碳纤维原丝收卷方式带来的纤维运行轨迹偏移将导致纤维分散不均匀，严重时还会导致纤维打捻现象；常规风机启动时带来的气流突变，极易对碳纤维造成损伤，并且不利于纤维宽展过程的稳定；同时常见的收卷过程中，纤维张力将随着卷径增加而增加，使碳纤维宽展丝层间出现缠结，导致展宽丝料盘放卷失败。

发明内容

针对上述背景技术中的不足，本发明提出一种气流扰动式碳纤维宽展设备，用以解决现有技术中存在的因碳纤维宽展过程中位置不稳定导致的纤维分散不均、因气流突变导致的宽展不稳定及纤维损伤、以及因收卷张力不均导致的展宽丝层间缠结等技术问题。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：一种气流扰动式碳纤维宽展设备，包括沿进料方向依次设置的放卷机构、宽展机构和收卷机构，所述放卷机构包括放卷模块，放卷模块包括至少一组放卷组件，放卷组件上放置有碳纤维卷，且放卷组件的出料端设置有放卷张力控制模块。

所述宽展机构包括气流扰动宽展模块，气流扰动宽展模块位于放卷张力控制模块的出料端。

所述收卷机构包括收卷模块，收卷模块和气流扰动宽展模块之间设置有收卷张力稳定模块、纠偏模块，且气流扰动宽展模块、纠偏模块分别位于收卷张力稳定模块的进料端和出料端，收卷模块位于纠偏模块的出料端。

所述放卷组件包括放卷气涨轴，碳纤维卷放置在放卷气涨轴上，放卷气涨轴的尾部连接有磁粉制动器，且放卷气涨轴安装于安装座上，安装座滑动设置在滑动模组Ⅰ上；所述放卷气涨轴的出料端设置有导向轴一，碳纤维卷放出的碳纤维通过导向轴一引入放卷张力控制模块内。

所述导向轴一的出料端设置有与碳纤维相匹配的位置传感器，位置传感器与滑动模组Ⅰ相连接。

所述放卷张力控制模块包括张力检测辊Ⅰ，张力检测辊Ⅰ与磁粉制动器相连接；张力检测辊Ⅰ的一侧设置有导向轴二和导向轴三，张力检测辊Ⅰ的另一侧设置有导向轴四和导向轴五，导向轴二、导向轴三、张力检测辊Ⅰ、导向轴四和导向轴五沿进料方向成M型结构布设且均与碳纤维相匹配。

所述气流扰动宽展模块包括两组气流扰动宽展组件，每组气流扰动宽展组件均包括离心风机，离心风机连通气流风道的底部，气流风道的顶部并排设置有三组宽展导向轴；且两组气流扰动宽展组件之间设置有张力调节组件；所述的宽展导向轴、张力调节组件均与碳纤维相匹配。

所述收卷张力稳定模块包括浮动辊模组，浮动辊模组滑动设置在直线滑轨上；浮动辊模组的两侧分别设置有与碳纤维相匹配的导向轴十二、导向轴十三，且碳纤维经导向轴十三引入纠偏模块内。

所述纠偏模块包括框式纠偏机，框式纠偏机的出料端设置有导向轴十四，碳纤维穿过框式纠偏机并经导向轴十四引入收卷模块内。

所述收卷模块包括收卷盘，收卷盘安装于收卷气涨轴上，收卷气涨轴通过联轴器连接至收卷伺服电机。

所述收卷盘的进料端设置有与碳纤维相匹配的张力检测辊Ⅱ，且张力检测辊Ⅱ与收卷伺服电机电连接。

与现有技术相比，本发明采用气流法实现碳纤维无损伤宽展，利用频率可调的离心风机提供气流，在气流风道上端形成稳定负压，四周空气在压力作用下形成稳定气流，同时在宽展导向轴的作用下，碳纤维丝束均匀分散。宽展过程中碳纤维张力小，且主要依靠气流作用使碳纤维分散，可以最大程度上降低碳纤维宽展过程中造成的损伤。本发明解决了现有技术中存在的因碳纤维宽展过程中位置不稳定导致的纤维分散不均、因气流突变导致的宽展不稳定及纤维损伤、以及因收卷张力不均导致的展宽丝层间缠结等技术问题，具有碳纤维宽展效果好、宽展效率高等优点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的结构示意图；

图2为不同方法制备的碳纤维宽展丝的对比图，其中，（a）为本发明制备的碳纤维宽展丝的表面微观形貌，（b）为传统机械法制备的碳纤维宽展丝的表面微观形貌。

图中：1为滑动模组Ⅰ，2为碳纤维卷，3为放卷气涨轴，4为导向轴一，5为位置传感器，6为碳纤维，7为导向轴二，8为导向轴三，9为张力检测辊Ⅰ，10为导向轴四，11导向轴五，12为宽展导向轴六，13为宽展导向轴七，14为宽展导向轴八，15为张力调节辊模组，16为轴承安装座，17为宽展导向轴九，18为宽展导向轴十，19为宽展导向轴十一，20为导向轴十二，21为浮动辊模组，22为框式纠偏机，23为离心风机Ⅰ，24为离心风机Ⅱ，25为气流风道Ⅰ，26为磁耦合气缸，27为气流风道Ⅱ，28为直线滑轨，29为导向轴十三，30为导向轴十四，31为张力检测辊Ⅱ，32为收卷气涨轴，33为收卷盘，34为滑块模组Ⅱ。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，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付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，本发明提供了一种气流扰动式碳纤维宽展设备，包括沿进料方向依次设置的放卷机构、宽展机构和收卷机构，所述放卷机构包括放卷模块，且放卷组件的出料端设置有放卷张力控制模块。所述宽展机构包括气流扰动宽展模块，气流扰动宽展模块位于放卷张力控制模块的出料端。所述收卷机构包括收卷模块，收卷模块和气流扰动宽展模块之间设置有收卷张力稳定模块、纠偏模块，且气流扰动宽展模块、纠偏模块分别位于收卷张力稳定模块的进料端和出料端，收卷模块位于纠偏模块的出料端。

具体地，所述放卷模块包括至少一组放卷组件，其数量也可根据实际生产要求进行调整。所述放卷组件包括放卷气涨轴3，碳纤维卷2放置在放卷气涨轴3上。为进一步保证碳纤维放卷过程中张力稳定，放卷气涨轴3的尾部连接有磁粉制动器，用以调节放卷气涨轴的放卷阻力大小，以控制碳纤维放卷张力。放卷气涨轴3安装于安装座上，安装座滑动设置在滑动模组Ⅰ1上，所述滑动模组Ⅰ1主要由放卷伺服电机、丝杠、滑轨、滑动平台组成，放卷伺服电机通过联轴器连接至丝杆，丝杆通过丝杆支座连接至滑动平台，滑动平台安装在滑轨上。放卷伺服电机运行可以带动丝杆转动，丝杆转动可以带动滑动平台沿滑轨移动，滑动平台上设有放卷轴固定座，用于安装放卷气涨轴，放卷伺服电机运行时会带动放卷气涨轴沿滑轨方向移动。

所述放卷气涨轴3的出料端设置有导向轴一4，碳纤维卷2放出的碳纤维6通过导向轴一4引入放卷张力控制模块内。且导向轴一4的出料端设置有与碳纤维6相匹配的位置传感器5，位置传感器5与滑动模组Ⅰ1相连接。碳纤维开卷后经导向轴一穿过位置传感器，位置传感器可实时监测碳纤维位置变化，并反馈信号至滑动模组Ⅰ的放卷伺服电机上，放卷伺服电机转动可带动放卷气涨轴沿自身轴向移动，以控制放卷气涨轴的位置移动，保证碳纤维开卷位置稳定，从而保证碳纤维张力以及运行轨迹稳定，消除碳纤维丝束放卷过程中由于丝束摆动导致的纤维张力及位置变化。

所述放卷张力控制模块包括张力检测辊Ⅰ9，张力检测辊Ⅰ9与磁粉制动器相连接，张力检测辊Ⅰ9用于检测碳纤维的张力，并将信号反馈至放卷气涨轴3所连接的磁粉制动器，磁粉制动器根据检测到的张力信号实时调节放卷气涨轴的放卷阻力大小。且张力检测辊Ⅰ9带有张力控制器，可以设置所需张力数值，即放卷气涨轴的放卷阻力大小。实际使用过程中可以根据工艺要求设置张力数值，张力检测辊Ⅰ实时检测张力，并将信号反馈至磁粉制动器，磁粉制动器根据张力检测辊Ⅰ检测的数值提供一定阻力值给放卷气涨轴，从而达到稳定碳纤维张力的目的。

所述张力检测辊Ⅰ9的一侧设置有导向轴二7和导向轴三8，张力检测辊Ⅰ9的另一侧设置有导向轴四10和导向轴五11，导向轴二7、导向轴三8、张力检测辊Ⅰ9、导向轴四10和导向轴五11沿进料方向成M型结构布设且均与碳纤维6相匹配，即碳纤维依次通过导向轴二、导向轴三、张力检测辊Ⅰ、导向轴四、导向轴五并最终进入气流扰动宽展模块内。

所述气流扰动宽展模块包括沿进料方向并排设置的两组气流扰动宽展组件，每组气流扰动宽展组件均包括离心风机，离心风机连通气流风道的底部，气流风道的顶部并排设置有三组宽展导向轴。具体为两组气流扰动宽展组件分别包括离心风机Ⅰ23和离心风机Ⅱ24，离心风机Ⅰ23和离心风机Ⅱ24均为变频风机，可以通过调节其频率来控制气流量大小。实际使用过程中可以通过调节离心风机频率来控制气流量逐渐增加至所需数值，这样可以避免风速突变导致的碳纤维损伤及碳纤维打捻等现象。且离心风机启动并逐步增加其功率，一方面可以避免气流突变导致的碳纤维损伤，另一方面可以在气流管道上端逐步形成稳定气流，保证碳纤维的宽展均匀性及稳定性。由于宽展过程中主要靠稳定的气流使碳纤维分散，不需要直接接触碳纤维，因此可以最大程度的减少宽展过程中碳纤维损伤。

具体地，所述离心风机Ⅰ23连通气流风道Ⅰ25的底部，气流风道Ⅰ25的顶部并排设置有宽展导向轴六12、宽展导向轴七13和宽展导向轴八14；离心风机Ⅱ24连通气流风道Ⅱ27的底部，气流风道Ⅱ27的顶部并排设置有宽展导向轴九17、宽展导向轴十18和宽展导向轴十一19。两组离心风机启动后，随着功率逐渐增大至设定值，可以在气流风道上端形成稳定负压，四周空气在压力作用下形成稳定气流，同时在六组宽展导向轴的作用下，碳纤维丝束均匀分散。宽展过程中碳纤维张力小，且主要依靠气流作用使碳纤维分散，可以最大程度上降低碳纤维宽展过程中造成的损伤。

进一步地，所述宽展导向轴七13位于气流风道Ⅰ25的上端口处并且连接至滑块模组Ⅱ34，滑块模组Ⅱ34主要由伺服电机、滑轨、滑块、丝杆组成，伺服电机通过联轴器连接至丝杆，丝杆通过丝杆支座连接至滑块，滑块安装在滑轨上，宽展导向轴七13通过螺丝固定在安装板上，安装板通过螺丝固定在滑块上。放卷伺服电机运行可以带动丝杆转动，丝杆转动可以带动滑块沿滑轨移动，从而带动宽展导向轴七13沿自身轴向运动，且运动幅度和频率可调。宽展导向轴七沿自身轴向运动时将给碳纤维施加一个横向力，促进碳纤维宽展，提高宽展效率。所述宽展导向轴十18位于气流风道Ⅱ27的上端口处并且位置可上下调节，宽展导向轴十18上下调节动作为手动调节，气流风道Ⅱ27上对应宽展导向轴十18安装位置处设计有腰型孔位，可以根据需求调节宽展导向轴十18的位置。此结构用以控制碳纤维弯曲挠度，增加碳纤维宽展效率，且该位置参数一经调试完成，一般不做改动。碳纤维宽展时弯曲挠度越大，纤维展宽比越大，但同时会增加宽展过程中碳纤维打捻的可能性。实际操作过程中可以根据实际展宽比及效率需求，设置合适的碳纤维弯曲挠度。

进一步地，两组气流扰动宽展组件之间设置有张力调节组件，该张力调节组件采用张力调节辊模组15调节碳纤维张力，张力调节辊模组15主要由调节辊、轴承、轴承安装座16、导轨、磁耦合气缸26组成，碳纤维设置在调节辊上，调节辊通过轴承安装在轴承安装座16上，轴承安装座16通过滑块连接至磁耦合气缸26，磁耦合气缸26可带动调节辊上下运动，从而调节碳纤维宽展过程中的张力。在调节辊上下运动过程中，碳纤维会在一瞬间处于松弛状态，这时气流的作用可以在不损伤碳纤维的前提下，使碳纤维均匀分散。

为进一步表征本发明宽展法对碳纤维的损伤情况，利用超景深显微镜（超景深放大1000倍）对比观测了本发明制备的宽展丝和采用传统机械法制备的宽展丝的表面微观形貌，具体如图2所示，其中图2（a）为本发明制备的宽展丝，显示纤维排列整齐、表面光顺，无明显的断丝现象，表明本发明实现了对碳纤维无捻纱的超薄、低损伤/无损伤宽展。图2（b）为传统的机械法制备的宽展丝，纤维断丝、损伤明显，表明纤维丝束在机械张力宽展的过程中对纤维损伤明显，这势必会影响其制备预浸带的力学性能。

为了避免宽展后的碳纤维收卷时因收卷张力过大导致碳纤维缠结问题，宽展后的碳纤维收卷前需经过收卷张力稳定模块进行张力调节。所述收卷张力稳定模块包括浮动辊模组21，该浮动辊模组21主要由浮动辊、轴承、轴承安装座、滑块、滑轨组成，浮动辊一端通过轴承安装在轴承安装座上，轴承安装座通过螺丝连接至滑块上，滑块安装在滑轨上，即浮动辊可以沿着滑轨运动，浮动辊可以消除因张力调节辊模组带来的碳纤维张力变化，使得收卷前碳纤维处于张紧状态，且浮动辊的重量可以根据碳纤维张力数值进行选择。由于宽展过程中碳纤维处于实时变化状态，不利于后续稳定收卷，而浮动辊可以使纠偏及收卷两模块中的碳纤维处于张紧状态，从而保证收卷稳定。进一步地，所述浮动辊模组21的两侧分别设置有与碳纤维6相匹配的导向轴十二20、导向轴十三29，碳纤维6经导向轴十三29引入纠偏模块内。

所述纠偏模块包括框式纠偏机22，该框式纠偏机22主要由激光传感器、伺服电机、导向辊、导向辊安装座组成，碳纤维设置在导向辊上，激光传感器设置在导向辊的一侧且与碳纤维相对应，导向轴安装在导向辊安装座上，导向辊安装座底部通过连接杆连接至伺服电机输出轴上。激光传感器检测碳纤维位置信号并反馈至伺服电机，伺服电机运转可以带动导向辊水平转动，从而实现碳纤维运行轨迹纠正，证碳纤维收卷位置不发生偏移，提高收卷稳定性。所述框式纠偏机22的出料端设置有导向轴十四30，碳纤维6穿过框式纠偏机22并经导向轴十四30引入收卷模块内。

所述收卷模块包括收卷盘33，收卷盘33安装于收卷气涨轴32上，收卷气涨轴32通过联轴器连接至收卷伺服电机，启动收卷伺服电机，收卷伺服电机带动收卷气涨轴转动，收卷气涨轴带动收卷盘转动，从而实现碳纤维的收卷过程。所述收卷盘33的进料端设置有与碳纤维6相匹配的张力检测辊Ⅱ31，且张力检测辊Ⅱ31与收卷伺服电机电连接，张力检测辊Ⅱ31带有张力控制器，可以设置所需张力数值，以控制收卷伺服电机的输出力矩大小。该张力值可根据实际需求设定，有效避免收卷时因张力过大导致的碳纤维层间缠结问题。运行过程中，张力检测辊Ⅱ31会实时检测碳纤维张力变化，并将信号反馈至收卷伺服电机，收卷伺服电机接收信号并调整其输出转矩，以保证碳纤维收卷张力稳定且不会随着卷径增大而增大，避免了碳纤维收卷后出现层间缠结现象。

碳纤维卷安放在放卷气涨轴上，开卷后放出的碳纤维在导向轴一的导引下依次穿过位置传感器、张力检测辊Ⅰ，随后在宽展导向轴的导引下依次穿过气流风道Ⅰ、气流风道Ⅱ，宽展后的碳纤维经过框式纠偏机进行轨迹纠正并在张力检测辊Ⅱ的作用下控制收卷张力，最后收卷在收卷盘上。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，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)

1.一种气流扰动式碳纤维宽展设备，其特征在于：包括沿进料方向依次设置的放卷机构、宽展机构和收卷机构，所述放卷机构包括放卷模块，放卷模块包括至少一组放卷组件，放卷组件上放置有碳纤维卷（2），且放卷组件的出料端设置有放卷张力控制模块；

所述宽展机构包括气流扰动宽展模块，气流扰动宽展模块位于放卷张力控制模块的出料端；所述收卷机构包括收卷模块，收卷模块和气流扰动宽展模块之间设置有收卷张力稳定模块、纠偏模块，且气流扰动宽展模块、纠偏模块分别位于收卷张力稳定模块的进料端和出料端，收卷模块位于纠偏模块的出料端。

2.根据权利要求1所述的气流扰动式碳纤维宽展设备，其特征在于：所述放卷组件包括放卷气涨轴（3），碳纤维卷（2）放置在放卷气涨轴（3）上，放卷气涨轴（3）的尾部连接有磁粉制动器，且放卷气涨轴（3）安装于安装座上，安装座滑动设置在滑动模组Ⅰ（1）上；所述放卷气涨轴（3）的出料端设置有导向轴一（4），碳纤维卷（2）放出的碳纤维（6）通过导向轴一（4）引入放卷张力控制模块内。

3.根据权利要求2所述的气流扰动式碳纤维宽展设备，其特征在于：所述导向轴一（4）的出料端设置有与碳纤维（6）相匹配的位置传感器（5），位置传感器（5）与滑动模组Ⅰ（1）相连接。

4.根据权利要求2或3所述的气流扰动式碳纤维宽展设备，其特征在于：所述放卷张力控制模块包括张力检测辊Ⅰ（9），张力检测辊Ⅰ（9）与磁粉制动器相连接；张力检测辊Ⅰ（9）的一侧设置有导向轴二（7）和导向轴三（8），张力检测辊Ⅰ（9）的另一侧设置有导向轴四（10）和导向轴五（11），导向轴二（7）、导向轴三（8）、张力检测辊Ⅰ（9）、导向轴四（10）和导向轴五（11）沿进料方向成M型结构布设且均与碳纤维（6）相匹配。

5.根据权利要求4所述的气流扰动式碳纤维宽展设备，其特征在于：所述气流扰动宽展模块包括两组气流扰动宽展组件，每组气流扰动宽展组件均包括离心风机，离心风机连通气流风道的底部，气流风道的顶部并排设置有三组宽展导向轴；且两组气流扰动宽展组件之间设置有张力调节组件；所述的宽展导向轴、张力调节组件均与碳纤维（6）相匹配。

6.根据权利要求1-3、5中任一项所述的气流扰动式碳纤维宽展设备，其特征在于：所述收卷张力稳定模块包括浮动辊模组（21），浮动辊模组（21）滑动设置在直线滑轨（28）上；浮动辊模组（21）的两侧分别设置有与碳纤维（6）相匹配的导向轴十二（20）、导向轴十三（29），且碳纤维（6）经导向轴十三（29）引入纠偏模块内。

7.根据权利要求6所述的气流扰动式碳纤维宽展设备，其特征在于：所述纠偏模块包括框式纠偏机（22），框式纠偏机（22）的出料端设置有导向轴十四（30），碳纤维（6）穿过框式纠偏机（22）并经导向轴十四（30）引入收卷模块内。

8.根据权利要求1-3、5、7中任一项所述的气流扰动式碳纤维宽展设备，其特征在于：所述收卷模块包括收卷盘（33），收卷盘（33）安装于收卷气涨轴（32）上，收卷气涨轴（32）通过联轴器连接至收卷伺服电机。

9.根据权利要求8所述的气流扰动式碳纤维宽展设备，其特征在于：所述收卷盘（33）的进料端设置有与碳纤维（6）相匹配的张力检测辊Ⅱ（31），且张力检测辊Ⅱ（31）与收卷伺服电机电连接。

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