CN114323595B - 一种纤维复合材料增材制造设备激光性能综合测试平台 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种纤维复合材料增材制造设备激光性能综合测试平台，包括光学隔振台、机械臂、原位增材制造设备、温度场检测系统和激光光束质量分析模块；原位增材制造设备包括悬挂基板以及固定在悬挂基板板面上的料盘、固定导向轮、氮气吹送设备、可调节带导向压辊总成以及角度可调的激光器，悬挂基板的上端通过法兰盘与机械臂末端固定；料盘和固定导向轮活动固定在悬挂基板上；可调节带导向压辊总成通过滑台气缸固定在悬挂基板上；激光器通过精密光学转台与设置在悬挂基板上的二维运动平台固定。利用本发明，可以实现连续纤维增强复合材料增材制造过程中激光参数测定、不同参数下成型件增材制造及温度场检测的多功能综合制造测试。

Description

一种纤维复合材料增材制造设备激光性能综合测试平台

技术领域

本发明涉及高性能连续纤维增强树脂技术领域，尤其是涉及一种纤维复合材料增材制造设备激光性能综合测试平台。

背景技术

随着科学技术的不断发展，对材料的要求愈发严苛，诸多传统材料已经难以满足高强度、高模量、高韧性的要求，而具有高比强度、比刚度、比模量、耐腐蚀及疲劳且材料性能可设计的高性能连续纤维增强树脂基复合材料恰恰能填补此空缺。

近年来，原位增材制造技术的引入替代了传统手工成型方式给连续纤维增强树脂基复合材料带来了新一轮的制造技术升级，大大提高了生产效率、制造精度以及成型件质量的均匀性。

针对高性能连续纤维增强树脂基复合材料中树脂的固化行为不同可将其制造工艺分为热固性复合材料增材制造技术和热塑性原位增材技术，热塑性复合材料原位增材制造技术以其原位固化、生产成本低，成型件易于储存、可回收等特点获得更广泛的关注，然而成型件的力学性能相比热固性增材制造技术较低。

针对上述两种制造技术尤其是热塑性材料原位增材制造技术，热源的位置和加热性能及成型过程的温度场分布是决定最终成型件性能的核心因素。

在现有的制造设备中，热源大多数采用高温气体、红外热源、激光热源等，高温气体一般采用化学性子不活泼的氮气，其能量利用率低及温度不可控，红外热源主要包括卤素加热管及石英红外加热器，其加热温度相对较低且加热时间较长，激光热源以其能量转化率高且温度可控的优点获得广泛关注研究。

如公开号为CN106536093A的中国专利文献公开了一种增材制造系统，所述增材制造系统包括：工作台；供给材料分配装置，所述供给材料分配装置经构造以输送供给材料层覆盖所述工作台；激光源，所述激光源经构造以产生激光束；控制器，所述控制器经构造以引导所述激光束在储存于电脑可读取介质中的数据所规定的位置处熔融所述供给材料；气源，所述气源经构造以供应气体；以及喷嘴，所述喷嘴经构造以加速及引导所述气体至与所述激光束实质相同的位置。

由于激光参数的复杂性，缺乏一种能够集成激光参数检测、激光角度及位置大范围变化、成型件原位制造及制造过程温度场检测的综合制造测试平台。

发明内容

本发明提供了一种纤维复合材料增材制造设备激光性能综合测试平台，可以实现连续纤维增强复合材料增材制造过程中激光参数测定、不同参数下成型件增材制造及增材制造过程中温度场检测的多功能综合制造测试。

一种纤维复合材料增材制造设备激光性能综合测试平台，包括光学隔振台、机械臂以及固定在机械臂末端的拥有激光角度大幅度变化功能的原位增材制造设备；所述光学隔振台的表面固定有温度场检测系统和激光光束质量分析模块；

所述的原位增材制造设备包括悬挂基板以及固定在悬挂基板板面上的料盘、固定导向轮、氮气吹送设备、可调节带导向压辊总成以及角度可调的激光器，所述悬挂基板的上端通过法兰盘与机械臂末端固定；

所述的料盘和固定导向轮分别通过料盘轴和固定导向轮轴活动固定在悬挂基板上；所述的氮气吹送设备上设有进气嘴和送气管；所述的可调节带导向压辊总成通过滑台气缸固定在悬挂基板上，所述的滑台气缸用于控制可调节带导向压辊总成上下运动；所述的激光器通过精密光学转台与设置在悬挂基板上的二维运动平台固定，所述的二维运动平台用于驱动激光器水平和竖直方向的运动。

本发明将拥有激光角度大幅度变化功能且带保护气吹拂的原位增材制造设备、温度场检测系统和激光光束质量分析模块集成到光学隔振台上，结合机械臂的大范围移动空间，可以实现连续纤维增强复合材料增材制造过程中激光参数测定、不同参数下成型件增材制造及增材制造过程中温度场检测的多功能综合制造测试。

进一步地，所述的可调节带导向压辊总成包括与滑台气缸固定的顶端连接板、对称设置在顶端连接板下端的两个侧面安装导向板、通过压辊轴和配套的压辊紧固螺母可拆卸固定在两个侧面安装导向板之间的压辊、通过螺杆和配套的紧固螺母可拆卸固定在两个侧面安装导向板之间的可调导向轮。

进一步地，两个侧面安装导向板上均设有竖向的安装槽，所述的螺杆两端分别穿过两个安装槽后与两个侧面安装导向板通过紧固螺母可拆卸固定。

进一步地，所述的二维运动平台包括带水平滑块的水平导轨以及带竖直滑块的竖直导轨；所述的水平导轨通过水平导轨安装板固定在悬挂基板的板面上，所述的竖直导轨通过导轨连接板固定在水平滑块上；

所述的精密光学转台固定在竖直滑块上，所述的精密光学转台上固定有激光器高度补偿块，所述的激光器通过激光器连接板固定在激光器高度补偿块上。

进一步地，所述的水平导轨安装板的一端固定有导轨高度补偿板，所述的导轨高度补偿板与悬挂基板之间通过加固肋板固定。

进一步地，所述的悬挂基板在靠近上部的两个板面上分别固定有轴承座总成和磁粉制动器安装板；

所述的料盘轴与轴承座总成同心过盈配合，所述的料盘同轴安装在料盘轴上，通过键连接实现同步旋转；所述的磁粉制动器安装板上固定有磁粉制动器，所述磁粉制动器与料盘轴同轴安装，通过键连接实现同步旋转。

进一步地，所述的温度场检测系统包括热成像测温仪、可调温预热板、设置在可调温预热板下端面的石棉层以及设置在可调温预热板上端面的预制层压板；所述的热成像测温仪通过手动转台固定在光学隔振台的台面上；所述的可调预热板内设有加热极和测温热电偶，所述的测温热电偶与可调温预热板通过螺纹连接。

进一步地，所述的预制层压板由4层层压板组成，层与层之间均包埋热电偶，在层压板宽度方向以可调节带导向压辊总成上的压辊中心为轴线对称分布3列热电偶，每列热电偶为8个，叠加起来获得3×3×8的热电偶阵列，用于测量增材制造过程中内部的各方向温度分布。

进一步地，所述的光学隔振台的台面为蜂窝台面；所述的可调温预热板的通过定位块和固定螺丝与蜂窝台面进行定位固定。

进一步地，所述的激光光束质量分析模块包括激光衰减装置和光束质量分析仪，所述的激光衰减装置和光束质量分析仪分别通过可调节高度的高度调节杆和安装杆固定在光学隔振台的台面上。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、将激光性能检测与激光原位增材制造模块集成在一起，结合机械臂的大范围移动能力和光学隔振台优良的隔振性能及刚性，实现了一种即检测即加工的综合测试加工平台，避免了先将激光单独拿到光学平台测试调整然后再重新安装的麻烦。

2、可以在加工过程中通过内置热电偶阵列的预制层压板和热成像测温仪对加工过程表面和内部的温度场分布和热历史进行完整的记录与分析。

3、可以实现多角度大范围激光热源光斑形状及大小、光斑能量分布的检测以及对应参数下的增材制造工作。

4、利用该综合平台可以实现加工激光参数及热参数记录与加工成型件的统一，可用于优化加工过程中最优热源位置及角度、研究保护气吹拂的影响、研究压辊形状影响、研究底板预热温度的影响、实现温度场优化等多种功能。

附图说明

图1为本发明一种纤维复合材料增材制造设备激光性能综合测试平台的整体结构示意图；

图2为本发明中机械臂的结构示意图；

图3为本发明中原位增材制造设备的结构示意图；

图4为本发明中原位增材制造设备的另一角度结构示意图；

图5为原位增材设备中带导向压辊总成的结构示意图；

图6为原位增材制造设备铺放过程中的温度场检测系统的示意图；

图7为温度场检测系统内部热电偶排列示意图；

图8为本发明中光束质量分析模块的结构示意图；

图9为本发明中光学隔震台的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细描述，需要指出的是，以下所述实施例旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。

如图1所示，一种纤维复合材料增材制造设备激光性能综合测试平台，包括机械臂1、拥有激光角度大幅度变化功能的原位增材制造设备2、温度场检测系统3、激光光束质量分析模块4和光学隔振台5。

如图2所示，机械臂1通过机械臂底座102固定在水平面上，机械臂1的工作末端设有法兰盘101，用于固定原位增材制造设备2。

如图3和图4所示，拥有激光角度大幅度变化功能的原位增材制造设备2主要包括安装法兰盘201、连接肋板202、料盘203、料盘轴204、轴承座总成205、悬挂基板206、固定导向轮轴207、固定导向轮208、进气嘴209、氮气吹送设备210、送气管211、可调节带导向压辊总成212、滑台气缸213、气缸高度补偿板214、激光器215、精密光学转台216、激光器连接板217、激光器高度补偿块218、转台连接板219、导轨转接板220、竖直5轮滑块221、水平5轮滑块222、竖直导轨锁紧螺栓223、竖直导轨224、水平导轨锁紧螺栓225、导轨连接板226、水平导轨227、磁粉制动器安装板228、磁粉制动器229、加固肋板230、导轨高度补偿板231、水平导轨安装板232。

原位增材制造设备2中的部件连接关系如下：安装法兰盘201的上端与机械臂1工作末端的法兰盘101固定，安装法兰盘201的下端与连接肋板202固定连接，连接肋板202与悬挂基板206固定连接。轴承座总成205和磁粉制动器安装板228与悬挂基板206靠近上部位置的两侧面固定连接，料盘轴204与轴承座总成205同心过盈配合，料盘203同轴安装在料盘轴204上，通过键连接实现同步旋转，通过阶梯轴和卡簧实现轴向定位。磁粉制动器229与磁粉制动器安装板228固定连接且与料盘轴204同轴安装，通过键连接实现同步旋转，通过阶梯轴和卡簧实现轴向定位。固定导向轮轴207与悬挂基板206固定连接，固定导向轮208与固定导向轮轴207同轴安装，通过阶梯轴和卡簧实现轴向定位。氮气吹送设备210与悬挂基板206固定连接，送气管211与氮气吹送设备210固定连接。气缸高度补偿板214与悬挂基板206固定连接，滑台气缸213与气缸高度补偿板214固定连接，可调节带导向压辊总成212与滑台气缸213固定连接。导轨高度补偿板231与悬挂基板206固定连接，加固肋板230两面分别与悬挂基板206和导轨高度补偿板231固定连接以提高刚性。水平导轨安装板232与导轨高度补偿板231固定连接，水平导轨227与水平导轨安装板232固定连接，水平导轨锁紧螺栓225可将水平轮滑块222固定在水平导轨227的任意位置，导轨连接板226与水平轮滑块222固定连接，竖直导轨224与导轨连接板226固定连接，竖直导轨锁紧螺栓223可将竖直轮滑块221固定在竖直导轨224的任意位置，导轨转接板220与竖直轮滑块221固定连接，精密光学转台216与导轨转接板220固定连接，转台连接板219与精密光学转台216固定连接，激光器高度补偿块218与转台连接板219固定连接，激光器连接板217与激光器高度补偿块218固定连接，激光器215与激光器连接板217固定连接。

如图5所示，可调节带导向压辊总成212可适应不同直径压辊，主要由顶端连接板233，侧面安装导向板234、压辊轴235、压辊紧固螺母236、压辊237、可调导向轮238、调节螺母239、螺杆240、紧固螺母241组成。

带导向压辊总成2中各部件的连接关系如下：侧面安装导向板234与顶端连接板233的下端固定连接，压辊轴235与侧面安装导向板234上的孔同轴间隙配合，通过阶梯轴轴向定位，通过压辊紧固螺母236固定，压辊237与压辊轴235过盈同轴配合，通过卡簧进行轴向定位。螺杆240可在侧面安装导向板234的竖向安装槽中上下移动，通过紧固螺母241实现在槽中的固定，可调导向轮238与螺杆240同轴间隙配合，可通过调节螺丝239来调节与压辊237的相对位置。

如图6和图7所示，温度场检测系统3主要由可调温预热板301、石棉层302，加热极303、测温热电偶304、包埋热电偶阵列的预制层压板305、定位块306、固定螺丝307、手动转台308、热成像测温仪309、增高块310、转动底板311、转动安装板312组成。

温度场检测系统3的各部件连接关系如下：可调温预热板301通过定位块306和固定螺丝307进行定位固定，水平放置在隔热石棉层302上；可调温预热板301内的加热极303与外部24V电源相连，测温热电偶304与可调温预热板301通过螺纹连接。增高块310与手动转台308固定连接，转动底板311与增高块310固定连接，转动安装板312与动底板311通过螺栓连接，可实现同轴转动和固定角度固定，热成像测温仪309与转动安装板312固定连接。

原位增材制造设备铺放过程中的温度场检测系统3的测温原理为：预制层压板305为4层层压板，在厚度方向层与层之间均包埋热电偶共3层热电偶，在层压板宽度方向以压辊中心为轴线对称分布3条热电偶，沿铺放方向设置8个热电偶，叠加起来获得3×3×8的热电偶阵列，可以测量增材制造过程中内部的各方向温度分布。热成像测温仪309对准预制层压板305，对增材制造过程中一定面积内表面的温度分布进行捕捉。热成像测温仪309与包埋热电偶阵列的预制层压板305相结合可以获得加工过程中铺放件全面的实时温度场信息及热历史。

如图8所示，激光光束质量分析模块4主要由激光衰减装置401、转动板402、高度调节杆403、第一锁紧螺丝404、衰减装置安装底座405、光束质量分析仪安装底座406、第二锁紧螺丝407、安装杆408、光束质量分析仪409组成。

激光光束质量分析模块4中各个部件的连接关系如下：衰减装置401与转动板402固定连接，转动板402与高度调节杆403同轴配合，可大角度转动且可通过螺栓固定，高度调节杆403与衰减装置安装底座405同轴间隙配合，可上下调整高度且可通过第一锁紧螺丝404锁紧，光束质量分析仪409与安装杆408固定连接，安装杆408与光束质量分析仪安装底座406同轴间隙配合，可上下调整高度且可通过第二锁紧螺丝407锁紧。

如图9所示，光学隔振台5包括蜂窝台面501以及固定在蜂窝台面四个角上的支撑腿502，所述的支撑腿底部设有重型防滑调整脚503，支撑腿502和蜂窝台面501之间通过隔振装置504固定。

温度场检测系统3中的可调温预热板301通过定位块306和固定螺丝307进行定位，隔着隔热石棉层302水平放置在光学隔振台5的蜂窝台面501上。温度场检测系统3中的手动转台308通过螺栓固定在光学隔振台5的蜂窝台面501上。激光光束质量分析模块4中的衰减装置安装底座405和光束质量分析仪安装底座406与光学隔振台5的蜂窝台面501通过螺栓固定连接。

本发明使用的具体流程如下：

首先对下次加工或实验需要的激光角度和位置进行调整锁定，随后使用机械臂将原位增材设备移动到激光光束质量分析模块并调整位姿与光束质量分析设备相适配，调整光束质量分析设备的角度及位置，对光斑的焦点位置、光斑形状及大小、光斑能量分布进行测试调整。然后通过机械臂将原位增材制造设备移动到温度场检测系统进行加工，在加工过程中通过内置热电偶阵列的预制层压板和热成像测温仪对加工过程的表面及内部温度场分布进行全面的实时记录。

以上所述的实施例对本发明的技术方案和有益效果进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的具体实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充和等同替换，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种纤维复合材料增材制造设备激光性能综合测试平台，其特征在于，包括光学隔振台、机械臂以及固定在机械臂末端的拥有激光角度大幅度变化功能的原位增材制造设备；所述光学隔振台的表面固定有温度场检测系统和激光光束质量分析模块；

所述的原位增材制造设备包括悬挂基板以及固定在悬挂基板板面上的料盘、固定导向轮、氮气吹送设备、可调节带导向压辊总成以及角度可调的激光器，所述悬挂基板的上端通过法兰盘与机械臂末端固定；

所述的料盘和固定导向轮分别通过料盘轴和固定导向轮轴活动固定在悬挂基板上；所述的氮气吹送设备上设有进气嘴和送气管；所述的可调节带导向压辊总成通过滑台气缸固定在悬挂基板上，所述的滑台气缸用于控制可调节带导向压辊总成上下运动；所述的激光器通过精密光学转台与设置在悬挂基板上的二维运动平台固定，所述的二维运动平台用于驱动激光器水平和竖直方向的运动；

所述的可调节带导向压辊总成包括与滑台气缸固定的顶端连接板、对称设置在顶端连接板下端的两个侧面安装导向板、通过压辊轴和配套的压辊紧固螺母可拆卸固定在两个侧面安装导向板之间的压辊、通过螺杆和配套的紧固螺母可拆卸固定在两个侧面安装导向板之间的可调导向轮；

两个侧面安装导向板上均设有竖向的安装槽，所述的螺杆两端分别穿过两个安装槽后与两个侧面安装导向板通过紧固螺母可拆卸固定。

2.根据权利要求1所述的纤维复合材料增材制造设备激光性能综合测试平台，其特征在于，所述的二维运动平台包括带水平滑块的水平导轨以及带竖直滑块的竖直导轨；所述的水平导轨通过水平导轨安装板固定在悬挂基板的板面上，所述的竖直导轨通过导轨连接板固定在水平滑块上；

所述的精密光学转台固定在竖直滑块上，所述的精密光学转台上固定有激光器高度补偿块，所述的激光器通过激光器连接板固定在激光器高度补偿块上。

3.根据权利要求2所述的纤维复合材料增材制造设备激光性能综合测试平台，其特征在于，所述的水平导轨安装板的一端固定有导轨高度补偿板，所述的导轨高度补偿板与悬挂基板之间通过加固肋板固定。

4.根据权利要求1所述的纤维复合材料增材制造设备激光性能综合测试平台，其特征在于，所述的悬挂基板在靠近上部的两个板面上分别固定有轴承座总成和磁粉制动器安装板；

所述的料盘轴与轴承座总成同心过盈配合，所述的料盘同轴安装在料盘轴上，通过键连接实现同步旋转；所述的磁粉制动器安装板上固定有磁粉制动器，所述磁粉制动器与料盘轴同轴安装，通过键连接实现同步旋转。

5.根据权利要求1所述的纤维复合材料增材制造设备激光性能综合测试平台，其特征在于，所述的温度场检测系统包括热成像测温仪、可调温预热板、设置在可调温预热板下端面的石棉层以及设置在可调温预热板上端面的预制层压板；所述的热成像测温仪通过手动转台固定在光学隔振台的台面上；所述的可调温预热板内设有加热极和测温热电偶，所述的测温热电偶与可调温预热板通过螺纹连接。

6.根据权利要求5所述的纤维复合材料增材制造设备激光性能综合测试平台，其特征在于，所述的预制层压板由4层层压板组成，层与层之间均包埋热电偶，在层压板宽度方向以可调节带导向压辊总成上的压辊中心为轴线对称分布3列热电偶，每列热电偶为8个，叠加起来获得3×3×8的热电偶阵列，用于测量增材制造过程中内部的各方向温度分布。

7.根据权利要求5所述的纤维复合材料增材制造设备激光性能综合测试平台，其特征在于，所述的光学隔振台的台面为蜂窝台面；所述的可调温预热板的通过定位块和固定螺丝与蜂窝台面进行定位固定。

8.根据权利要求1所述的纤维复合材料增材制造设备激光性能综合测试平台，其特征在于，所述的激光光束质量分析模块包括激光衰减装置和光束质量分析仪，所述的激光衰减装置和光束质量分析仪分别通过可调节高度的高度调节杆和安装杆固定在光学隔振台的台面上。

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