CN114872347A - 一种复合材料增材与激光冲击致密化复合制造方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种复合材料增材与激光冲击致密化复合制造方法，包括：对预浸料进行表面处理；将表面处理后的预浸料加热至软化态的预浸料；对基板及软化态的预浸料进行预热；将预热后的软化态的预浸料按照预定轨迹沉积成形；对沉积成形后的预浸料进行激光冲击强化。本发明还涉及一种复合材料增材与激光冲击致密化复合制造装置。该复合材料增材与激光冲击致密化复合制造方法及装置的目的是解决复合材料层层增材/传统预浸料铺丝铺带制造过程中层间结合力低的问题。
Description
技术领域
本发明涉及复合材料成形技术领域，具体涉及一种复合材料增材与激光冲击致密化复合制造方法及装置。
背景技术
纤维增强复合材料在航空航天领域的大量应用不但减轻了结构重量，而且通过结构和功能的一体化设计可提高装备的性能和质量。其中，高强度纤维不仅具有低密度、高强度、高弹性，而且还具有耐温、耐药、低电阻、低扩展的优良特性。
复合材料的高强度依赖于聚合物的粘接对纤维的粘接性能的牢固程度，粘接性能好，可使树脂能够均匀传递载荷至纤维，产生了协同效应，使材料的综合力学性能大大提高。具体分为两种，一种是热固性树脂基复合材料，通常采用手糊成形法、喷射成形法、模压成形法、注射成形法、RTM成形法等；另一种是热塑性树脂基复合材料，通常采用模压成形法、注射成形法、RTM成形法、真空热压成形法、缠绕成形法等。所有的成形工艺均需要有模具，致使装备和产品的研制周期长，成本高，应用范围深度和广度受限。
现有复合材料增材或传统预浸料铺丝铺带自动或手动制造工艺中，均具有典型的点-线-面-体的结构体征，使其可以成形制造较复杂的零件，但是较复杂或者较大的整体化构件无法直接放入热压罐中整体致密化，因此，该工艺制造的复合材料构件层间结合力主要依靠沉积过程树脂之间的粘着力，这使得层间强度远低于经过热压罐成形后的成形状态，导致无法达到所需的力学性能。损伤破坏时极易造成层间剥离，影响构件整体质量和结构完整性。而传统的辊压方法，就其本质，只能算是微线段的一维压力加工方法，而复材的主要强度是由高强度的纤维和树脂良好的固化/固结的整体化来体现，微线段的一维压力会导致本身结合不强的远端复合材料翘曲变形，降低成形精度和整体化性能。因此树脂和纤维的整体均匀密实结合程度是目前树脂基复合材料增材/非热压罐成形制造的关键问题。
因此，发明人提供了一种复合材料增材与激光冲击致密化复合制造方法及装置。
发明内容
（1）要解决的技术问题
本发明实施例提供了一种复合材料增材与激光冲击致密化复合制造方法及装置，解决了复合材料层层增材/传统预浸料铺丝铺带制造过程中层间结合力低的技术问题。
（2）技术方案
本发明的第一方面提供了一种复合材料增材与激光冲击致密化复合制造方法，包括以下步骤：
对预浸料进行表面处理；
将表面处理后的预浸料加热至软化态的预浸料；
对基板及所述软化态的预浸料进行预热；
将预热后的软化态的预浸料沉积成形；
对沉积成形后的预浸料进行激光冲击强化。
进一步地，所述对预浸料进行表面处理，具体为：
通过预浸树脂纤维丝盘及送进机构将所述预浸料送入纤维表面处理装置进行表面处理。
进一步地，所述对沉积成形后的预浸料进行激光冲击强化，具体为：
采用单点激光、多点激光及脉冲激光中的任一种，或多振镜辅助与三种激光中的一种或多种的组合形式对沉积成形后的预浸料进行激光冲击强化。
进一步地，依据成形材料的固化/固结时间，采用激光冲击强化系统与辊轧系统物理同步或异步进行。
进一步地，当成形材料的固化/固结时间大于设定时间时，采用激光冲击强化系统与辊轧系统物理异步进行；
当成形材料的固化/固结时间小于或等于所述设定时间时，采用激光冲击强化系统与辊轧系统物理同步进行。
进一步地，所述设定时间为0.2~20s。
进一步地，每平方厘米激光冲击强化像素点大于或等于4个，且频率大于或等于5Hz。
进一步地，激光冲击时，相反方向同一区域位置设有支撑部。
进一步地，对沉积成形后的预浸料进行一个方向或多个方向的同步或不同步的激光冲击强化。
本发明的第二方面提供了一种复合材料增材与激光冲击致密化复合制造装置，包括预浸树脂纤维丝盘、送进机构、纤维表面处理装置、红外预热装置、激光快速预热系统、辊轧系统及激光冲击强化系统；其中，
所述预浸树脂纤维丝盘用于在所述送进机构的带动下将预浸料送入所述纤维表面处理装置；
所述纤维表面处理装置用于对所述预浸料进行表面处理；
所述红外预热装置用于对表面处理后的预浸料加热；
所述激光快速预热系统用于对加热后的预浸料预热；
所述辊轧系统用于将预热后的预浸料进行沉积成形；
所述激光冲击强化系统用于对沉积成形后的预浸料进行激光冲击强化以获取成形坯料。
（3）有益效果
综上，本发明通过激光冲击强化复合成形的方法，使树脂与纤维成形后受到“面”压力加工，减少了现有复合材料层层增材/传统预浸料铺丝铺带自动或手动制造工艺纤维孔壁的表面及丝束之间的间隙孔洞，增加了纤维和树脂的层间结合力，简化了制造工艺，减少了模具的投入，更好地满足复杂零件结构的轻量化、精确成形、短周期和高质量制造需求，达到了纤维增强复合材料高品质一体化制造要求，响应航空航天、汽车、轨道交通等领域发展的急需。成熟技术的交叉使用，使得增材制造可以稳定衔接传统技术与数字化制造优势的同时，向高度集成化、自动化、低能耗方向转变，夯实复合材料制造体系，为将来现代化工业体系升级提供可靠的科学方法。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面所描述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是本发明实施例提供的一种复合材料增材与激光冲击致密化复合制造方法的流程示意图；
图2是本发明实施例提供的激光冲击示意图；
图3是本发明实施例提供的复合材料成形后的三向激光冲击示意图；
图4是本发明实施例提供的一种复合材料增材与激光冲击致密化复合制造装置的结构示意图。
图中：
1-预浸树脂纤维丝盘；2-预浸料；3-送进机构；4-纤维表面处理装置；5-红外预热装置；6-激光预热系统；7-激光；8-辊轧系统；9-激光冲击强化系统；10-成形坯料；11-激光冲击强化点；12-激光冲击强化光束。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例的详细描述和附图用于示例性地说明本发明的原理，但不能用来限制本发明的范围，即本发明不限于所描述的实施例，在不脱离本发明的精神的前提下覆盖了零件、部件和连接方式的任何修改、替换和改进。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参照附图并结合实施例来详细说明本申请。
图1是本发明实施例提供的一种复合材料增材与激光冲击致密化复合制造方法的流程示意图，该方法可以包括以下步骤：
S100、对预浸料进行表面处理；
S200、将表面处理后的预浸料加热至软化态的预浸料；
S300、对基板及软化态的预浸料进行预热；
S400、预热后的软化态的预浸料沉积成形；
S500、对沉积成形后的预浸料进行激光冲击强化。
在上述实施方式中，在复合材料层层增材/传统预浸料铺丝铺带制造工艺中，待树脂基材料接近固化/固结状态时，采用振镜激光或单光束激光高频扫描，利用复材表层熔化爆炸波产生的反作用力冲击强化成形面域，同一时间内会形成类似“面域”的压力环境，使得增材成形的零件得到了整体平面化的压力加工，达到了树脂和纤维的较大范围整体均匀的压实效果。增加树脂与纤维的粘接机会和附着能力，大幅改善复合材料层间结合力性能。
激光冲击强化的最终目的是获得致密化的复合材料。激光冲击强化的密实的光斑大小需要通过振镜和光路控制系统进行优化，使得光斑大小随着冲击点截面尺寸的同步变化，确保高频扫描冲击光斑全覆盖坯料成形截面。
加载高频激光冲击强化复合成形的方法，解决了复合材料复杂结构、大型整体化构件层层增材/传统预浸料铺丝铺带自动或手动制造构件，因无法使用热压罐导致层间结合力低的问题。简化了制造工艺，减少了热压罐的投入，更好地满足复杂零件结构的轻量化、精确成形、短周期和高质量制造需求，达到了纤维增强复合材料高品质一体化制造要求，响应航空航天、汽车、轨道交通等领域发展的急需。成熟技术的交叉使用，使得增材制造可以稳定衔接传统技术与数字化制造优势的同时，向高度集成化、自动化、低能耗方向转变，夯实复合材料制造体系，为将来现代化工业体系升级提供可靠的科学方法。
其中，常见的软化态为玻璃态，对于软化态的具体类型不做具体限定。
步骤S300中，对基板及软化态的预浸料进行预热可以是同步进行，用以节省制备时间。
作为一种可选的实施方式，步骤S100中，对预浸料进行表面处理，具体为：
通过预浸树脂纤维丝盘及送进机构将预浸料送入纤维表面处理装置进行表面处理。其中，表面处理的目的是便于去除杂质，属于常规方式。
作为一种可选的实施方式，步骤S500中，对沉积成形后的预浸料进行激光冲击强化，具体为：
采用单点激光、多点激光及脉冲激光中的任一种，或多振镜辅助与三种激光中的一种或多种的组合形式对沉积成形后的预浸料进行激光冲击强化。
其中，激光的类型很多，在此不做具体限定。多振镜辅助与激光的组合能够根据实际需求改变激光光束路径。
作为一种可选的实施方式，依据成形材料的固化/固结时间，采用激光冲击强化系统与辊轧系统物理同步或异步进行。其中，根据固化/固结时间的长短来选取对应的物理同步或异步，提高制备效果。
作为一种可选的实施方式，当成形材料的固化/固结时间大于设定时间时，采用激光冲击强化系统与辊轧系统物理异步进行；或，
当成形材料的固化/固结时间小于或等于设定时间时，采用激光冲击强化系统与辊轧系统物理同步进行。
具体地，异步进行能够节省激光冲击强化系统的工作时间，节省成本；同步进行是为了确保两个系统工作过程的连续性。
作为一种可选的实施方式，设定时间为0.2~20s。其中，该设定时间是基于保证冲击力度的情况下，确保材料不发生烧损破坏，不同的材料与结构相关数据会有所差异。
作为一种可选的实施方式，每平方厘米激光冲击强化像素点大于或等于4个，且频率大于或等于5Hz。
具体地，激光功率、冲击深度、频率、搭接情况，随不同材料和构件形状不同而调节。根据单点材料变形抗力数据来计算像素点的个数及频率。
作为一种可选的实施方式，激光冲击时，相反方向同一区域位置设有支撑部。其中，支撑部的设置有助于激光冲击时有支撑，防止材料变形过大。
作为一种可选的实施方式，激光冲击强化系统对沉积成形后的预浸料进行一个方向或多个方向的同步或不同步的激光冲击强化。
图4是本发明实施例提供的一种复合材料增材与激光冲击致密化复合制造装置的结构示意图，该装置可以包括预浸树脂纤维丝盘1、送进机构3、纤维表面处理装置4、红外预热装置5、激光快速预热系统6、辊轧系统8及激光振镜冲击强化系统9；其中，
预浸树脂纤维丝盘1用于在送进机构3的带动下将预浸料2送入纤维表面处理装置4；
纤维表面处理装置4用于对预浸料2进行表面处理；
红外预热装置5用于对表面处理后的预浸料2加热；
激光快速预热系统6用于对加热后的预浸料2预热；
辊轧系统8用于将预热后的预浸料2进行沉积成形；
激光冲击强化系统9用于基于冲击点截面随型调整激光光斑的形状，并对沉积成形后的预浸料进行激光冲击强化以获取成形坯料10。
实施例1
在复合材料增材/传统预浸料铺丝铺带制造自动或手动制造工艺过程中，以热塑性复合材料PEEK（Poly ether ether ketone，聚醚醚酮）和玻璃纤维的预浸料为原料，成形一个100mm×100mm×3mm的典型样件为例，详细阐述本方案如何实现。
首先采用合格的PEEK和玻璃纤维的预浸料，将预浸料通过盘、带或者丝进行传递至铺放成形系统，系统根据成形的构件，基于不同的成型方法进行路径规划和成形。具体成形过程如图4所示，预浸树脂基复合材料的丝材或带材通过预浸树脂纤维丝盘1和送进机构3，通过纤维表面处理的方法，直接进入红外预热装置5里，使预浸树脂基复合材料的丝材或带材加热至软化态状态，在激光预热系统6发出的激光快速预热基板和软化态的丝材或带材的作用下，通过辊轧系统，直接将软化态的复合材料规则地沉积成形。待复合材料接近固结/固化时，启动激光冲击强化系统9，实现高频脉冲强化，在成形坯料10上多点密级排布。
因PEEK半固结态的压缩强度近15MPa，经过计算采用激光功率为3000W，冲击深度0.5mm，频率10Hz，冲击点面积10mm×10mm的方形光斑，冲击面域100mm×100mm，搭接率20%，方形光斑（4mm×4mm），由内到外环形扫描，单次冲击100s即可冲击完成，为了使得增加压实度，采用多次冲击，使得坯料更加密实。
需要明确的是，本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同或相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。本发明并不局限于上文所描述并在图中示出的特定步骤和结构。并且，为了简明起见，这里省略对已知方法技术的详细描述。
以上仅为本申请的实施例而已，并不限制于本申请。在不脱离本发明的范围的情况下对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围内。
Claims (10)
1.一种复合材料增材与激光冲击致密化复合制造方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
对预浸料进行表面处理；
将表面处理后的预浸料加热至软化态的预浸料；
对基材及所述软化态的预浸料进行预热；
将预热后的软化态的预浸料按照预设轨迹沉积成形；
对沉积成形后的预浸料进行激光冲击强化。
2.根据权利要求1所述的复合材料增材与激光冲击致密化复合制造方法，其特征在于，所述对预浸料进行表面处理，具体为：
通过预浸树脂纤维丝盘及送进机构将所述预浸料送入纤维表面处理装置进行表面处理。
3.根据权利要求1所述的复合材料增材与激光冲击致密化复合制造方法，其特征在于，所述对沉积成形后的预浸料进行激光冲击强化，具体为：
采用单点激光、多点激光及脉冲激光中的任一种，或多振镜辅助与三种激光中的一种或多种的组合形式对沉积成形后的预浸料进行激光冲击强化。
4.根据权利要求1所述的复合材料增材与激光冲击致密化复合制造方法，其特征在于，依据成形材料的固化/固结时间，采用激光冲击强化系统与辊轧系统物理同步或异步进行。
5.根据权利要求4所述的复合材料增材与激光冲击致密化复合制造方法，其特征在于，当成形材料的固化/固结时间大于设定时间时，采用激光冲击强化系统与辊轧系统物理异步进行；
当成形材料的固化/固结时间小于或等于所述设定时间时，采用激光冲击强化系统与辊轧系统物理同步进行。
6.根据权利要求1所述的复合材料增材与激光冲击致密化复合制造方法，其特征在于，所述设定时间为0.2~20s。
7.根据权利要求1所述的复合材料增材与激光冲击致密化复合制造方法，其特征在于，每平方厘米中的激光冲击强化像素点大于或等于4个，且频率大于或等于5Hz。
8.根据权利要求1所述的复合材料增材与激光冲击致密化复合制造方法，其特征在于，激光冲击时，相反方向同一区域位置设有支撑部。
9.根据权利要求1所述的复合材料增材与激光冲击致密化复合制造方法，其特征在于，对沉积成形后的预浸料进行一个方向或多个方向的同步或不同步的激光冲击强化。
10.一种复合材料增材与激光冲击致密化复合制造装置，其特征在于，包括预浸树脂纤维丝盘（1）、送进机构（3）、纤维表面处理装置（4）、红外预热装置（5）、激光快速预热系统（6）、辊轧系统（8）及激光冲击强化系统（9）；其中，
所述预浸树脂纤维丝盘（1）用于在所述送进机构（3）的带动下将预浸料送入所述纤维表面处理装置（4）；
所述纤维表面处理装置（4）用于对所述预浸料进行表面处理；
所述红外预热装置（5）用于对表面处理后的预浸料加热；
所述激光预热系统（6）用于对加热后的预浸料预热；
所述辊轧系统（8）用于将预热后的预浸料进行沉积成形以实现初步密实和平整化处理；
所述激光冲击强化系统（9）用于对沉积成形后的预浸料进行激光冲击强化以获取成形坯料（10）。
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| CN202210546307.6A CN114872347A (zh) | 2022-05-20 | 2022-05-20 | 一种复合材料增材与激光冲击致密化复合制造方法及装置 |
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