CN114474719B - 一种融合成型质量实时检测的连续纤维复合材料原位增材制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种融合成型质量实时检测的连续纤维复合材料原位增材制造方法，采用的制造系统包括增材制造设备、光学隔振台以及设置在光学隔震台上的温度检测模块和光束质量分析模块；步骤如下：(1)对激光器的角度和位置进行调整；(2)移动增材制造设备至光束质量检测模块，实现对激光焦点位置、光斑形状等参数的测量；(3)增材制造过程中，温度检测模块实时检测内部温度场分布以及表面实时温度；(4)铺放过程中利用CCD相机结合深度学习算法对铺层缺陷进行探测；(5)对得到的成型件进行力学性能测试；(6)改变激光器角度及位置，重复步骤(2)‑(5)，汇总激光角度对加工质量的影响等信息。本发明可以在加工过程中对构件质量及温度场信息实时记录。

Description

一种融合成型质量实时检测的连续纤维复合材料原位增材制 造方法

技术领域

本发明属于高性能连续纤维增强树脂技术领域，尤其是涉及一种融合成型质量实时检测的连续纤维复合材料原位增材制造方法。

背景技术

近年来，高性能连续碳纤维增强树脂基复合材料以其高比强度、比刚度、比模量、耐腐蚀及疲劳且材料性能可设计等优点受到广泛关注。随着工业自动化技术的革新，原位增材制造技术逐渐替代了传统手工铺放方式给连续纤维增强树脂基复合材料的制造方式提供了更多可能性，在提高加工效率和精度的同时大大降低了工人的劳动强度。

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。

公开号为CN109760337A的中国专利文献公开了一种电加热式热塑性复合材料纤维铺放成型装置，包括料卷、机架、导向机构、机器人铺放臂、定向压辊、压紧压辊和电源控制器；料卷设置在机架上，料卷用于放置复合材料预浸带料卷；料卷下方的机架上设置有导向机构，机架的顶部与机器人铺放臂固定连接，机架的底部固定设置有定向压辊和压紧压辊；电源控制器设置在机架上，且定向压辊和压紧压辊均连接到电源控制器上。

对于原位增材制造技术，热源选择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。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。然而由于激光参数的复杂性与激光能量的集中性，在每次铺放开始之前，往往需要将激光器在测试平台上对激光形状及能量分布等参数进行测量与校准，过程费时费力，迫切需要一种集成激光性能参数测试与加工的综合制造方法。

目前的原位增材制造方法大多将铺放路径规划完成后，直接完成整个成型件的铺放后将铺放件拿到检测设备检测是否合格，因为原位增材制造技术中后一铺层的铺放质量与前一铺层的好坏息息相关，且缺陷往往存在叠加性，并且现在高性能树脂基连续碳纤维复合材料价格一般很贵，这种方案昂贵且费时，迫切需要一种融合实时质量检测的加工方法。

发明内容

本发明提供了一种融合成型质量实时检测的连续纤维复合材料原位增材制造方法，可以实现激光参数测试与激光加工在同一平台进行，且能够在加工过程中对构件质量及温度场信息进行实时记录。

一种融合成型质量实时检测的连续纤维复合材料原位增材制造方法，采用的制造系统包括增材制造设备、光学隔振台以及设置在光学隔震台上的温度检测模块和光束质量分析模块；

所述的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、角度和位置可调的激光器和CCD相机，所述悬挂基板的上端与外部移动设备固定；所述的光束质量分析模块包括衰减装置和光束质量分析仪；所述的温度检测模块包括热成像测温仪以及内置热电偶阵列的弧形预制板；

连续纤维预浸料原位增材制造方法的具体步骤如下：

(1)根据不同材料或不同加工目标及要求，针对不同加工或实验方案对激光器的角度和位置进行调整；

(2)使用外部移动设备移动增材制造设备至光束质量检测模块，根据激光器的角度和位置对光束质量分析模块中衰减装置和光束质量分析仪的位置及姿态进行调整；使光束质量分析模块实现对激光焦点位置、光斑形状、光斑大小、光斑能量分布的测量；

(3)移动增材制造设备至温度检测模块，开始在温度检测模块中的弧形预制板上铺放连续纤维增强树脂基复合材料，通过弧形预制板内部的热电偶阵列获得不同铺层过程中内部的温度场分布信息，并通过热成像测温仪对铺放过程中表面温度进行测量，以获得铺放全程的全方位热历史信息，可用于分析冷却过程及热传导过程；

(4)以层为单位利用CCD相机结合深度学习算法对弧形铺放过程中可能造成的铺层缺陷进行探测，一旦检测到缺陷，停止铺放并废弃，直到每层合格的条件下达到预定层数，得到成型件；

(5)使用万能试验机对不同热源角度及位置制造的成型件进行力学性能测试，得到成型件的拉伸强度及模量、弯曲强度及模量、层间剪切强度；

(6)根据预设测试方案改变激光器的角度及位置，并重复步骤(2)-(5)，对步骤(2)、步骤(3)和步骤(5)获得的数据进行分析，结合不同激光角度及位置的多组数据，汇总激光角度对加工质量的影响、不同角度激光加热原理和最优铺放角度工艺参数。

进一步地，所述的外部移动设备为机械臂或龙门架，外部移动设备用于实现增材制造设备的大范围移动及360度角度变化。

进一步地，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CCD相机活动固定在悬挂基板下部的滑槽内。

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；

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，步骤(4)中，以层为单位利用CCD相机结合深度学习算法对转动铺放过程中可能造成的铺层缺陷进行探测的具体过程为：首先将CCD相机的位置进行调整，照明光源由激光器镜头边缘照明灯和外部设备共同提供，在一层铺设的过程中，利用CCD相机在加工过程中按确定间隔实时记录当前层的铺设图像，保证每一块铺放区域都被拍摄下来，将拍摄的图像传送到计算机中，由于在环形平面件铺设过程中，经常会出现起皱、层间粘合不良等缺陷，通过计算机结合深度学习算法对照片铺放层进行边缘识别，使用创建的缺陷知识库使用深度学习算法进行训练，然后使用训练好的算法对处理好的照片边缘内的各类缺陷进行识别，传入的照片一张张进行识别，未识别的排队等待，一旦识别出来较大缺陷，将缺陷信息标号并保留到数据库中，清空等待列表，将当前件停止铺放并废弃。

进一步地，步骤(6)中，汇总激光角度对加工质量的影响、不同角度激光加热原理和最优铺放角度工艺参数具体为：在不同铺放过程中，可以调节激光器位置及角度进行铺放，每次铺放过程的温度场分布、热历史都被保存下来，通过CCD相机结合人工智能算法对缺陷进行检测，将缺陷信息保存在数据库中，并分析计算得到合格率，利用万能试验机也可以对不同激光位置及角度的成型件进行力学性能测试，得到弯曲、拉伸、层间剪切、疲劳等力学性能信息。通过对激光角度和位置和与之相关的合格率与力学性能信息的分析，可以得到激光角度对加工质量的影响，进一步得到最优铺放角度这一工艺参数，通过将不同角度铺放过程表面的温度场分布进行分析，可以得到大致的激光加热区域以及能量分布，进一步结合内部的温度场分布可以得到激光不同角度加热时温度场分布及热传导信息。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、本方法将加工与检测集成在同一平台，可以实现加工前激光性能参数测量、加工过程中表面及内部温度场分布实时记录以及加工后力学性能测量的全方位加工测量任务，可以避免将激光器拆卸拿去进行测量调试然后装回再次调整进行加工的麻烦，也减少了频繁拆装带来的误差。

2、将CCD相机引入加工设备，结合深度学习算法，实现以层为单位的缺陷检测，对铺放过程中褶皱、分层等缺陷进行检测，可以在铺放过程中尽早的发现不可接受的缺陷从而及时终止铺放以减少不必要的材料浪费和时间损失，解决了现有设备加工完再检测的缺点。

3、成型过程中，可以调节激光热源的位置和角度，并结合实时记录的配套热学、力学以及合格率等信息对不同角度激光加热原理和最优铺放角度工艺参数进行分析汇总。

附图说明

图1为本发明一种融合成型质量实时检测的连续纤维复合材料原位增材制造方法的流程图；

图2为本发明方法采用的制造系统结构示意图；

图3为本发明方法采用的制造系统中光束质量分析模块的结构示意图；

图4为本发明方法采用的制造系统中温度检测模块的结构示意图；

图5为温度检测模块中弧形预制板的结构示意图；

图6为本发明方法采用的制造系统中增材制造设备的结构示意图；

图7为增材制造设备中可调节带导向压辊总成的结构示意图。

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。

一种融合成型质量实时检测的连续纤维复合材料原位增材制造方法，采用的制造系统如图2所示，包括增材制造设备1、光学隔振台2以及设置在光学隔震台2上的温度检测模块3和光束质量分析模块4。

如图3所示，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。

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4所示，温度检测模块3包括热成像测温仪302以及内置热电偶阵列303的弧形预制板301。通过弧形预制板301检测增材制造过程中内部温度场分布及变化。通过热成像测温仪302测量铺放位置表面温度分布，从而获取不同铺层铺放过程中温度场分布及升降温热记录。图5显示了弧形预制板301中弧形的热电偶阵列303的包埋位置。

如图6所示，增材制造设备1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、CCD相机230、相机安装版231、相机连接板232、精密锁紧螺母233。

原位增材制造设备中的部件连接关系如下：

悬挂基板206的上端通过连接肋板202与安装法兰盘201的下端固定连接，安装法兰盘201的上端可与外部移动设备连接，外部移动设备可以为机械臂、龙门架等，用于实现增材制造设备的大范围移动及360度角度变化。

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固定在悬挂基板206靠近下端的板面上，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固定在气缸高度补偿板214上，可调节带导向压辊总成212与滑台气缸213固定连接。

水平导轨227通过水平导轨安装板固定在悬挂基板206上，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。

CCD相机230通过相机安装版231与与相机连接板232固定连接，相机连接板232与悬挂基板206上靠近下部位置的滑槽间隙配合，可在滑槽中直线滑动和转动，可以在任意角度和位置使用精密锁紧螺母233锁紧。

如图7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242、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212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242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1所示，采用上述制造系统进行连续纤维预浸料原位增材制造方法，步骤如下：

步骤1，根据不同材料或不同加工目标及要求，针对不同加工或实验方案对激光器的角度和位置进行调整。

步骤2，使用外部移动设备移动增材制造设备至光束质量检测模块，根据激光器的角度和位置对光束质量分析模块中衰减装置和光束质量分析仪的位置进行调整；使光束质量分析模块实现对激光焦点位置、光斑形状、光斑大小、光斑能量分布等信息的测量。

步骤3，移动增材制造设备至温度检测模块，开始在温度检测模块中的弧形预制板上铺放连续纤维增强树脂基复合材料，获得不同铺层过程中内部的温度场分布信息，并通过热成像测温仪对铺放过程中表面温度进行测量，以获得铺放全程的热历史信息。

步骤4，以层为单位利用CCD相机结合深度学习算法对转动铺放过程中可能造成的铺层缺陷进行探测，主要是铺放过程中出现的褶皱以及层间粘合不牢导致的翘曲等缺陷，一旦检测到缺陷，停止铺放并废弃，直到每层合格的条件下达到预定层数，得到成型件。

步骤5，对成型件进行力学性能测试，得到成型件的拉伸强度及模量、弯曲强度及模量、层间剪切强度等力学参数。

步骤6，改变激光器的角度及位置，并重复步骤2-5，对步骤2、步骤3和步骤5获得的数据进行分析，结合不同激光角度及位置的多组数据，汇总激光角度对加工质量的影响、不同角度激光加热原理和最优铺放角度工艺参数。

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 (4)

1.一种融合成型质量实时检测的连续纤维复合材料原位增材制造方法，其特征在于，采用的制造系统包括增材制造设备、光学隔振台以及设置在光学隔振台上的温度检测模块和光束质量分析模块；

所述的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、角度和位置可调的激光器和CCD相机，所述悬挂基板的上端与外部移动设备固定；所述的光束质量分析模块包括衰减装置和光束质量分析仪；所述的温度检测模块包括热成像测温仪以及内置热电偶阵列的弧形预制板；

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，氮气吹送设备固定在悬挂基板靠近下端的板面上，送气管与氮气吹送设备固定连接；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CCD相机活动固定在悬挂基板下部的滑槽内；

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；

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；

连续纤维复合材料原位增材制造方法的具体步骤如下：

（1）根据不同材料或不同加工目标及要求，针对不同加工或实验方案对激光器的角度和位置进行调整；

（2）使用外部移动设备移动增材制造设备至光束质量检测模块，根据激光器的角度和位置对光束质量分析模块中衰减装置和光束质量分析仪的位置及姿态进行调整；使光束质量分析模块实现对激光焦点位置、光斑形状、光斑大小、光斑能量分布的测量；

（3）移动增材制造设备至温度检测模块，开始在温度检测模块中的弧形预制板上铺放连续纤维增强树脂基复合材料，通过弧形预制板内部的热电偶阵列获得不同铺层过程中内部的温度场分布信息，并通过热成像测温仪对铺放过程中表面温度进行测量，以获得铺放全程的全方位热历史信息，用于分析冷却过程及热传导过程；

（4）以层为单位利用CCD相机结合深度学习算法对弧形铺放过程中可能造成的铺层缺陷进行探测，一旦检测到缺陷，停止铺放并废弃，直到每层合格的条件下达到预定层数，得到成型件；具体过程为：

将CCD相机的位置进行调整，照明光源由激光器镜头边缘照明灯和外部设备共同提供，在一层铺设的过程中，利用CCD相机在加工过程中按确定间隔实时记录当前层的铺设图像，保证每一块铺放区域都被拍摄下来，将拍摄的图像传送到计算机中；

由于在环形平面件铺设过程中，经常会出现起皱、层间粘合不良的缺陷，通过计算机结合深度学习算法对照片铺放层进行边缘识别，使用创建的缺陷知识库对深度学习算法进行训练，然后使用训练好的算法对处理好的照片边缘内的各类缺陷进行识别，传入的照片一张张进行识别，未识别的排队等待，一旦识别出来较大缺陷，将缺陷信息标号并保留到数据库中，清空等待列表，将当前件停止铺放并废弃；

（5）使用万能试验机对不同热源角度及位置制造的成型件进行力学性能测试，得到成型件的拉伸强度及模量、弯曲强度及模量、层间剪切强度；

（6）根据预设测试方案改变激光器的角度及位置，并重复步骤（2）-（5），对步骤（2）、步骤（3）和步骤（5）获得的数据进行分析，结合不同激光角度及位置的多组数据，汇总激光角度对加工质量的影响、不同角度激光加热原理和最优铺放角度工艺参数。

2.根据权利要求1所述的连续纤维复合材料原位增材制造方法，其特征在于，所述的外部移动设备为机械臂或龙门架，外部移动设备用于实现增材制造设备的大范围移动及360度角度变化。

3.根据权利要求1所述的连续纤维复合材料原位增材制造方法，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。

4.根据权利要求1所述的连续纤维复合材料原位增材制造方法，其特征在于，步骤（6）中，汇总激光角度对加工质量的影响、不同角度激光加热原理和最优铺放角度工艺参数具体为：

在不同铺放过程中，调节激光器位置及角度进行铺放，每次铺放过程的温度场分布、热历史都被保存下来，通过CCD相机结合人工智能算法对缺陷进行检测，将缺陷信息保存在数据库中，并通过分析计算出合格率，利用万能试验机对不同激光位置及角度的成型件进行力学性能测试，得到力学性能信息，包含弯曲、拉伸、层间剪切、疲劳性能；

通过对激光角度和位置和与之相关的合格率与力学性能信息的分析，得到激光角度对加工质量的影响，进一步得到最优铺放角度这一工艺参数，通过将不同角度铺放过程表面的温度场分布进行分析，得到大致的激光加热区域以及能量分布，进一步结合内部的温度场分布得到激光不同角度加热时温度场分布及热传导信息。

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