CN114523664A - 一种闭环温控可变位热源连续纤维复合材料成型设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种闭环温控可变位热源连续纤维复合材料成型设备，包括龙门式四轴运动平台、原位增材成型设备、纤维成型模块、纤维成型模块安装桌面；龙门式四轴运动平台用于驱动原位增材成型设备做X、Y、Z轴三个方向的水平移动和自身的旋转运动；原位增材成型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脉冲氙灯；纤维成型模块包括电机和顶锥，电机的输出轴与旋转连接板同轴配合，旋转连接板上固定有三爪卡盘，三爪卡盘和顶锥之间同轴夹持有带环形温度检测预制件的可拆卸成型基模。利用本发明，热源位置及角度可调且带温度检测和热历史记录功能。

Description

一种闭环温控可变位热源连续纤维复合材料成型设备

技术领域

本发明涉及高性能连续纤维增强树脂技术领域，尤其是涉及一种闭环温控可变位热源连续纤维复合材料成型设备。

背景技术

先进树脂基纤维增强复合材料由于具有高比强度和比刚度，可设计性强，抗疲劳，耐腐蚀性能好等独特优点，已在航空航天、高压容器等领域得到广泛应用。复合材料纤维/胶带成型技术作为近年来发展最快、最高效的成型技术，在降低制造成本和提高复合材料结构件性能方面表现出极大的优势和潜力。

在纤维成型过程中，首先要将预浸丝材中的树脂融化才能实现成型铺放，如果温度过低，则树脂没有完全融化，流动性差，很难有效粘接，如果温度过高，则容易造成树脂的热解及对纤维的损伤，也会对粘接质量造成影响，所以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。

公开号为CN108372667A的中国专利文献公开了一种纤维增强复合材料缠压成型工艺及装置，工艺方法包括放丝、展纱、预热、浸渍、牵引、成型，具体步骤为将纤维纱轴固定放置在纱架上，通过展纱架进行展纱，纤维展纱进行预热后进入浸胶装置充分浸胶，通过浸胶装置模头的出口形成预浸料线材，再通过定型装置形成表面光滑的定型预浸料，将定型预浸料经过牵引成型装置牵引，经模具成型得预成型体，将预成型体加热至所需温度，经由导轨或机械手臂推至模压腔内，加压固化成型。

传统的热源主要采用高温气体、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特点取得广泛关注，但其存在体积较大，危险系数高等局限性，脉冲氙灯的研发结合了激光器和红外灯加热的优点，具有快速加热冷却且无热量残留、温度高、体积小、较小加热区域、安全性能好等优点，成为最有潜力的加热方式之一。由于其加热区域较小，需要方便的对热源位置及角度进行微调。

随着复合材料成型结构件用量的增加，人们对其性能的关注也日益提高。然而，复合材料结构在形成过程中有组分材料的物理和化学变化，构件的性能对工艺方法、工艺过程、工艺参数等因素的依赖性较大，需要对铺放过程中热源的位置角度等等工艺参数进行优化设计，并尽可能多的记录加工过程中的温度、压力等信息用于分析总结。因此，需要设计一种热源位置及角度可调且带温度检测和热历史记录功能的先进树脂基纤维增强复合材料成型设备。

发明内容

本发明提供了一种闭环温控可变位热源连续纤维复合材料成型设备，可调节热源位置和角度，同时可变换不同热源位置及热源角度结合过程热历史数据和成型件质量数据对热源的最优工艺参数进行优化研究。

一种闭环温控可变位热源连续纤维复合材料成型设备，包括龙门式四轴运动平台、基于脉冲氙灯可移动热源的原位增材成型设备、带温度检测功能的纤维成型模块、纤维成型模块安装桌面；

所述的龙门式四轴运动平台与原位增材成型设备连接，用于驱动原位增材成型设备做X、Y、Z轴三个方向的水平移动和自身的旋转运动；

所述的原位增材成型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脉冲氙灯，所述悬挂基板的上端通过顶端连接板与龙门式四轴运动平台上的末端连接板固定；

所述的纤维成型模块安装桌面放置在两个隔振底座之间；所述的纤维成型模块包括相对固定在纤维成型模块安装桌面两端的电机和顶锥，所述电机的输出轴与旋转连接板同轴配合，所述的旋转连接板上固定有三爪卡盘，所述的三爪卡盘和顶锥之间同轴夹持有可拆卸成型基模，所述的可拆卸成型基模上套设有环形温度检测预制件。

进一步地，所述的龙门式四轴运动平台包括可滑动固定在两个隔振底座上的龙门立柱，两个龙门立柱之间连接有横杆，所述的横杆上可滑动的设置有悬挂滑块，所述悬挂滑块的前侧侧壁设有竖向凹槽，所述的竖向凹槽内设有可上下滑动的进给柱，所述进给柱的内部设有旋转立柱，所述旋转立柱的下端穿出进给柱后与末端连接板固定。

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；所述的脉冲氙灯通过脉冲氙灯连接板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脉冲氙灯水平和竖直方向的运动。

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；所述的脉冲氙灯连接板固定在竖直滑块上。

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，所述的可拆卸成型基膜包括四个外围环绕模、四个内部限位模以及两个限位连接盘；安装方式如下：

四个外围环绕模外边缘拼接成一个完整的圆柱面，将四个内部限位模塞入四个外围环绕模内径上的缺失部分进行限位，然后分别在两端安装限位连接盘。

进一步地，所述的环形温度检测预制件由多层环形的层合预制件叠加而成，相邻两层层合预制件之间设有热电偶阵列。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、热源位置可大角度变化的纤维成型装置与龙门式四轴运动平台相结合，可以针对不同成型材料调整脉冲氙灯位置及角度以实现最优成型加工效果，可通过龙门运动平台第四轴旋转实现不同角度的成型。

2、使用内置热电偶阵列的环形层合预制件对成型过程中内部的温度场分布、热历史以及冷却过程进行全方位的实时记录，可用于对温度场和热源进行工艺优化，并对冷却过程与结晶的联系进行研究。

3、使用带减速装置的电机、顶锥、三爪卡盘和可拆卸基模实现了一种简单的纤维成型滚筒装置。

4、使用可拆卸基模设计，解决成型件取出困难的问题，可以在成型完成后立刻进行拆卸，效率高，并且不会对成型件造成损伤。

附图说明

图1为本发明一种闭环温控可变位热源连续纤维复合材料成型设备的整体结构示意图；

图2为本发明中龙门式四轴运动平台的结构示意图；

图3为本发明中基于脉冲氙灯可移动热源的原位增材成型设备的结构示意图；

图4为本发明中基于脉冲氙灯可移动热源的原位增材成型设备的另一角度结构示意图；

图5为原位增材成型设备中可调节带导向压辊总成的结构示意图；

图6为本发明中带温度检测功能的纤维成型模块结构示意图；

图7为可拆卸基模的结构示意图；

图8为环形层合预制件内热电偶阵列布置示意图；

图9为纤维成型模块安装桌面示意图。

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，一种闭环温控可变位热源连续纤维复合材料成型设备，包括龙门式四轴运动平台1、基于脉冲氙灯可移动热源的原位增材成型设备2、带温度检测功能的纤维成型模块3、纤维成型模块安装桌面4。

如图2所示，龙门式四轴运动平台1包括可滑动固定在第一隔振底座101和第二隔振底座二107上的龙门立柱102，隔振底座上端面设有滑槽，用于限制龙门立柱102只能沿X方向直线滑动。两个龙门立柱102之间连接有横杆，横杆上可滑动的设置有悬挂滑块105。悬挂滑块105安装在横杆顶端的滑槽中，限制悬挂滑块105只能沿Y方向直线滑动。悬挂滑块105的前侧侧壁设有竖向凹槽，竖向凹槽内设有可上下滑动的进给柱103，限制进给柱103只能沿Z方向直线滑动。进给柱103的内部设有旋转立柱104，旋转立柱104的下端穿出进给柱103后与末端连接板106固定。旋转立柱104与进给柱103配合，可以实现大角度旋转自由度R。X、Y、Z轴配合实现基于脉冲氙灯可移动热源的原位增材成型设备2的移动，R轴用于实现原位增材成型设备2的位姿调整。

如图3和图4所示，基于脉冲氙灯可移动热源的原位增材成型设备2包括主要包括上端连接板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、脉冲氙灯215、精密光学转台216、脉冲氙灯连接板217、脉冲氙灯高度补偿块218、转台连接板219、导轨转接板220、竖直轮滑块221、水平轮滑块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与上端连接板201的下端固定连接，上端连接板201的上端与龙门式四轴运动平台1的末端连接板106固定。

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。

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，脉冲氙灯连接板217与脉冲氙灯高度补偿块218固定连接，脉冲氙灯215与脉冲氙灯连接板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所示，带温度检测功能的纤维成型模块3中，电机301的输出轴与旋转连接板302同轴配合，通过键连接实现同步转动，电机301与电机安装板303固定连接，旋转连接板302与三爪卡盘304固定连接。可拆卸成型基模305在顶锥306和三爪卡盘304的约束下与二者同轴夹紧，环形温度检测预制件307与可拆卸成型基模305同轴过盈配合。

如图7所示，为可拆卸成型基模305的结构示意图。传统圆筒基模为整体式，纤维成型完成后，成型件难以从基模上取下，往往需要借助热胀冷缩，涂脱模油等一系列方法实现成型件的脱模，费时费力。本发明设计的可拆卸成型基模305，将整体基模分为八个部件，四个外围环绕模305-3和四个内部限位模305-2，将四个外围环绕模305-3外边缘拼接在一起可以实现一个完整的圆柱面，然后将四个内部限位模305-2塞入四个外围环绕模305-3内径上的缺失部分对其进行限位，然后分别在基模的两端安装限位连接盘305-1，实现对圆度的限制以及四个外围环绕模305-3和四个内部限位模305-2的位置限制。这样可以在完成限位成型加工后，卸下两端限位连接盘305-1，然后取下四个内部限位模305-2，然后取出四个外围环绕模305-3，从而可将成型件取下而不造成损伤。

如图8所示，环形温度检测预制件由多层环形的层合预制件308叠加而成，相邻两层层合预制件308之间设有热电偶阵列309。热电偶在预制件制作过程中包埋在层合预制件308层与层之间界面处，可以测量纤维成型过程中的内部温度场分布及热历史的周期性变化。

如图9所示，纤维成型模块安装桌面4的四个高度调节脚403固定在水平面上，纤维成型模块安装桌面4上相对的两个上端面分别设有电机安装桌面401和顶锥安装桌面402。纤维成型模块3中的顶锥306与顶锥安装桌面402固定连接，电机安装底座303与电机安装桌面401固定连接。

本发明的使用过程如下：

首先调整脉冲氙灯的位置和角度以达到最优的成型效果，然后调节龙门式四周运动平台的X、Y、Z轴使其到达环形层合预制件位置且压辊与环形层合预制件顶端相切，然后根据成型角度要求调整龙门式四轴运动平台R轴，开始成型过程，成型过程中通过内置热电偶阵列的环形层合预制件实时记录内部温度场分布，针对热历史和冷却过程进行记录，成型完成后将可拆卸基模取下后拆卸，最后将成型件取出。

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 (9)

1.一种闭环温控可变位热源连续纤维复合材料成型设备，其特征在于，包括龙门式四轴运动平台、基于脉冲氙灯可移动热源的原位增材成型设备、带温度检测功能的纤维成型模块、纤维成型模块安装桌面；

所述的龙门式四轴运动平台与原位增材成型设备连接，用于驱动原位增材成型设备做X、Y、Z轴三个方向的水平移动和自身的旋转运动；

所述的原位增材成型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脉冲氙灯，所述悬挂基板的上端通过顶端连接板与龙门式四轴运动平台上的末端连接板固定；

所述的纤维成型模块安装桌面放置在两个隔振底座之间；所述的纤维成型模块包括相对固定在纤维成型模块安装桌面两端的电机和顶锥，所述电机的输出轴与旋转连接板同轴配合，所述的旋转连接板上固定有三爪卡盘，所述的三爪卡盘和顶锥之间同轴夹持有可拆卸成型基模，所述的可拆卸成型基模上套设有环形温度检测预制件。

2.根据权利要求1所述的闭环温控可变位热源连续纤维复合材料成型设备，其特征在于，所述的龙门式四轴运动平台包括可滑动固定在两个隔振底座上的龙门立柱，两个龙门立柱之间连接有横杆，所述的横杆上可滑动的设置有悬挂滑块，所述悬挂滑块的前侧侧壁设有竖向凹槽，所述的竖向凹槽内设有可上下滑动的进给柱，所述进给柱的内部设有旋转立柱，所述旋转立柱的下端穿出进给柱后与末端连接板固定。

3.根据权利要求1所述的闭环温控可变位热源连续纤维复合材料成型设备，其特征在于，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；所述的脉冲氙灯通过脉冲氙灯连接板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脉冲氙灯水平和竖直方向的运动。

4.根据权利要求3所述的闭环温控可变位热源连续纤维复合材料成型设备，其特征在于，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。

5.根据权利要求3所述的闭环温控可变位热源连续纤维复合材料成型设备，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；所述的脉冲氙灯连接板固定在竖直滑块上。

6.根据权利要求5所述的闭环温控可变位热源连续纤维复合材料成型设备，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。

7.根据权利要求3所述的闭环温控可变位热源连续纤维复合材料成型设备，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。

8.根据权利要求1所述的闭环温控可变位热源连续纤维复合材料成型设备，其特征在于，所述的可拆卸成型基膜包括四个外围环绕模、四个内部限位模以及两个限位连接盘；安装方式如下：

四个外围环绕模外边缘拼接成一个完整的圆柱面，将四个内部限位模塞入四个外围环绕模内径上的缺失部分进行限位，然后分别在两端安装限位连接盘。

9.根据权利要求1所述的闭环温控可变位热源连续纤维复合材料成型设备，其特征在于，所述的环形温度检测预制件由多层环形的层合预制件叠加而成，相邻两层层合预制件之间设有热电偶阵列。

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