CN115431558A - 一种用于复合材料的自动铺丝装置及铺丝方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于复合材料自动铺放领域，具体涉及一种用于复合材料的自动铺丝装置及铺丝方法，自动铺丝装置包括电源和加热电极，电源用于为加热电极提供电流，加热电极包括左电极和右电极，左电极和右电极用于与复合材料内部的导电纤维连接，当左电极、右电极与导电纤维接触后，实现电导通，在电流作用下，导电纤维发热。本发明能够实现实现复合材料样品内部的均匀加热，缓解温度梯度，改变不平衡热力状态。
Description
技术领域
本发明属于复合材料自动铺放领域，具体涉及一种用于复合材料的自动铺丝装置及铺丝方法。
背景技术
复合材料具有轻质高强的性能，在汽车、船舶、航空航天、模具等领域有着广泛而深远的应用基础。复合材料自动铺放技术是一项具有广阔应用前景的成型加工技术。
复合材料自动铺丝技术是于20世纪70年代作为缠绕与铺带技术的改革提出来的，旨在克服缠绕技术在“周期性、稳定性和非架空”方面以及自动铺带必须沿“自然路径”的限制，用于复合材料机身结构制造，核心技术是多丝束铺放头的设计研制和相应材料体系开发。
自动铺丝技术是将数根预浸纱用多轴铺放头(机器手)按照设计要求所确定的铺层、方向和厚度在压辊下集为一条预浸带(带宽由程序控制预浸纱根数自动调整)后铺放在芯模表面、加热软化预浸纱并压实定型，整个过程由计算机测控、协调系统完成。
在铺放过程中，每根预浸纱都按照自己的速率铺放到模具表面，压辊使每根预浸纱单独与部件表面相适应，可以允许把预浸纱铺到部件内凹的表面。压辊和一个加热器构成一个整体，把预浸纱碾压到铺放层表面。与先前的铺层表面黏合起来，并排出气泡，从而减少对真空流胶的依赖。
但是，复合材料层层铺放过程，材料经历了严苛的热力耦合环境，激烈的热力交变作用下，使得成型的复合材料样品处于严酷的热力不平衡状态，不利于控制成型样品的形状与性能等的质量指标，给复合材料的应用带来不利影响。
为了改善以上问题，目前的做法是通过对产品进行后处理来解决：如将产品再一次进热压罐处理或退火等工艺处理，后处理会带来巨大的工艺和时间成本，不利于技术的推广。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提出一种用于复合材料的自动铺丝装置，能够实现在复合材料自动铺放过程中，在适当的时机借助复合材料纤维丝通电，以实现整个样品内部的均匀加热，释放热应力，缓解成型样品的不平衡热力状态，提高产品稳定性与性能的一致性。
为改善现有技术的不足，本发明提供一种用于复合材料的自动铺丝装置，包括电源和加热电极，所述电源用于为加热电极提供电流，所述加热电极包括左电极和右电极，所述左电极和右电极用于与复合材料内部的导电纤维连接，当所述左电极、右电极与导电纤维接触后，实现电导通，在电流作用下，所述导电纤维发热。
根据本发明的实施方案，所述左电极、右电极上设置有若干用于与导电纤维连接的电极针，电极针的数量大于等于复合材料样品上至少一列导电纤维的数量。
根据本发明的实施方案，不同所述电极针的底部高度相同或不同。
根据本发明的实施方案，所述左电极、右电极选用密级排列的针状序列电极。
根据本发明的实施方案，所述自动铺丝装置还包括自动铺丝铺放头，所述左电极、右电极设置在自动铺丝铺放头相对的两侧。
根据本发明的实施方案，所述左电极通过第一位置调整机构与自动铺丝铺放头连接，所述左电极设置在第一位置调整机构的底部，所述第一位置调整机构用于带动左电极在X方向和/或Z方向进行移动。
根据本发明的实施方案，所述右电极通过第二位置调整机构与自动铺丝铺放头连接，所述右电极设置在第二位置调整机构的底部，所述第二位置调整机构用于带动右电极在X方向和/或Z方向进行移动。
根据本发明的实施方案，所述第一位置调整机构和第二位置调整机构通过改变相应左电极、右电极的位置，以改变左电极、右电极与导电纤维接触的位置，比如改变插入深度，或左电极、右电极之间导电纤维的长度。
根据本发明的实施方案，所述第一位置调整机构包括连接在自动铺丝铺放头一侧的左伸缩机构，所述左伸缩机构远离自动铺丝铺放头的一端连接有左升降机构，所述左电极设置在左升降机构的底部。
根据本发明的实施方案，所述第二位置调整机构包括连接在自动铺丝铺放头一侧的右伸缩机构，所述右伸缩机构远离自动铺丝铺放头的一端连接有右升降机构，所述右电极设置在右升降机构的底部。
根据本发明的实施方案，所述左伸缩机构、右伸缩机构能够在轴向进行伸缩，带动左电极、右电极沿X方向运动，以改变左电极、右电极插入复合材料样品的位置；所述左升降机构、右升降机构能够进行上下运动，带动左电极、右电极沿Z方向运动，以改变左电极、右电极插入复合材料样品的深度。
根据本发明的实施方案，所述自动铺丝装置还包括至少一个温度传感器，所述温度传感器用于监测复合材料样品幅面的温度。
根据本发明的实施方案，所述温度传感器选用能够探测整个复合材料样品幅面温度的传感器，例如为热成像仪。
根据本发明的实施方案，所述温度传感器设置在复合材料样品的上方。优选所述温度传感器设置在自动铺丝铺放头上。
根据本发明的实施方案，所述温度传感器的底部与自动铺丝铺放头下端平齐或低于自动铺丝铺放头的下端。
根据本发明的实施方案，所述电源为能够提供不同能量的直流电和/或交流电的设备，例如为高频交变的脉冲电流。
根据本发明的实施方案，所述自动铺丝装置还包括加热控制系统，所述电源、温度传感器均与加热控制系统连接。
根据本发明的实施方案，所述加热控制系统与电源一体设置。
本发明还提供一种采用上述自动铺丝装置进行复合材料自动铺丝方法，包括以下步骤：
S1、进行自动铺丝装带、底板贴膜等基本操作之后，自动铺丝N层，形成基本基底材质。
S2、将左电极、右电极插入复合材料样品内并与导电纤维接触，控制所述电源供电，使所述左电极、右电极通电，所述导电纤维发热，对复合材料样品内部进行加热。
S3、在基本基底材质上自动铺丝N层。
S4、重复步骤S2-S3至完成样品制备。
根据本发明的实施方案，步骤S2将左电极、右电极插入复合材料样品内并与导电纤维接触包括如下步骤：调整第一位置调整机构和第二位置调整机构，将左电极、右电极插入复合材料样品内并与导电纤维接触。
根据本发明的实施方案，步骤S2还包括如下步骤，通过所述温度传感器监测复合材料样品表面的温度并反馈至加热控制系统，所述加热控制系统控制所述电源输出电流的大小，实现复合材料样品内部的均匀加热，缓解温度梯度，改变不平衡热力状态。
有益效果
(1)本发明的自动铺丝铺放头包括电源和加热电极，电源用于为加热电极提供电流，加热电极包括左电极和右电极，左电极和右电极用于与复合材料内部的导电纤维连接，当左电极、右电极与导电纤维接触后，实现电导通，在电流作用下，导电纤维发热，因此，本发明能够实现对复合材料样品内部进行自发热，与现有技术中复合材料自动铺丝过程存在的严苛的交变不平衡热力状态问题，不利于控制成型样品的形状与性能等的质量指标相比，本发明能够实现复合材料样品内部的均匀加热，缓解温度梯度，改变不平衡热力状态；有效提高产品形状精度和性能。而且，通过借助复合材料的导电纤维丝进行加热，可以实现复合材料内部的均匀加热，整体加热均匀性好，结构简单，热应力缓解效果更好。同时，与现有技术中将产品再一次进热压罐处理或退火等工艺处理，后处理会带来巨大的工艺和时间成本相比，本发明能够降低处理成本，缩短处理时间，有效降低生产成本。
(2)本发明的自动铺丝装置还包括温度传感器和加热控制系统，通过温度传感器监测复合材料样品的幅面温度，并实时反馈给加热控制系统，并通过加热控制系统控制通入左电极、右电极的电流，进而改变复合材料样品内导电纤维的发热量，控制复合材料样品内的温度，实现复合材料样品内部的均匀加热，缓解温度梯度，改变不平衡热力状态。
附图说明
图1为本发明实施例1中用于复合材料的自动铺丝装置的结构示意图；
图2为本发明实施例2中复合材料自动铺丝方法的流程图。
其中，1、自动铺丝铺放头，2、左伸缩机构，3、左升降机构，4、左电极，5、复合材料样品内导电纤维，6、复合材料样品，7、温度传感器，8、右电极，9、右升降机构，10、右伸缩机构。
具体实施方式
下文将结合具体实施例对本发明的设备和方法做更进一步的详细说明。应当理解，下列实施例仅为示例性地说明和解释本发明，而不应被解释为对本发明保护范围的限制。凡基于本发明上述内容所实现的技术均涵盖在本发明旨在保护的范围内。
实施例1
参见图1所示，一种用于复合材料的自动铺丝装置，包括自动铺丝铺放头1、电源和加热控制系统，电源与加热控制系统连接，加热控制系统可以控制电源输出电流的大小和功率大小，电源与加热控制系统也可以采用一体式结构。自动铺丝铺放头1的下方为样品存放空间，用于放置复合材料样品6，复合材料样品6为内部有若干导电纤维5的复合材料。
自动铺丝铺放头1相对的两侧设置有第一位置调整机构和第二位置调整机构，第一位置调整机构的底部设置有左电极4，第二位置调整机构的底部设置有右电极8，左电极4、右电极8能够与复合材料样品6内的导电纤维接触，例如插入复合材料样品6的内部与相应的导电纤维5接触，或者与暴露在复合材料样品6端部的导电纤维5接触接触，当左电极4、右电极8与电源连接，电源为左电极4、右电极8提供加热电流，电源、左电极4、导电纤维5形成通路，以实现导电纤维5发热。
自动铺丝装置上设置有温度传感器7，温度传感器7用于监测复合材料样品6的幅面，本实施例中，选用能够探测整个复合材料样品6幅面温度的传感器，例如为热成像仪。
温度传感器7的位置和数量根据实际需要设置，可以设置在复合材料样品6上方的任意位置，例如设置在自动铺丝铺放头1的外侧设置两个温度传感器7。
温度传感器7的底部与自动铺丝铺放头1下端平齐或低于自动铺丝铺放头1的下端，温度传感器7用于监测复合材料样品6幅面的温度，温度传感器7一方面可以给设备加热控制系统提供能量输出提供参考，另一方面，可以避免出现加热温度过高给样品的性能带来影响等问题。
第一位置调整机构和第二位置调整机构能够改变相应左电极4、右电极8高度和相对距离，以改变左电极4、右电极8与导电纤维5接触的位置，比如改变插入深度，左电极4、右电极8之间导电纤维5的长度。
本实施例中，第一位置调整机构包括连接在自动铺丝铺放头1一侧的左伸缩机构2，左伸缩机构2远离自动铺丝铺放头1的一端连接有左升降机构3，左电极4设置在左升降机构3的底部；第二位置调整机构包括连接在自动铺丝铺放头1一侧的右伸缩机构10，右伸缩机构10远离自动铺丝铺放头1的一端连接有右升降机构9，右电极8设置在右升降机构9的底部。
左伸缩机构2、右伸缩机构10能够在轴向进行伸缩，带动左电极4、右电极8沿X方向运动(本发明中所指的X方向，是指复合材料样品6的长度和/或宽度方向，图1中示出的为长度方向)，以改变左电极4、右电极8插入复合材料样品6的位置；左升降机构3、右升降机构9能够进行上下运动，带动左电极4、右电极8沿Z方向运动(本发明中所指的Z方向，是指复合材料样品6的厚度方向)，以改变左电极4、右电极8插入复合材料样品6的深度。
左电极4、右电极8上设置有若干用于与导电纤维5连接的电极针，且左电极4、右电极8上电极针相对设置，电极针的数量大于等于复合材料样品6上至少一列导电纤维5的数量。
不同电极针底部的高度相同或不同，本实施例中，不同电极针底部的高度相同，也可以为呈波浪形排列的结构。
本实施例中，左电极4、右电极8选用密级排列的针状序列电极，工作时，在第一位置调整机构、第二位置调整机构的带动下，针状序列插入复合材料样品6内，并与复合材料样品6内的导电纤维5接触，实现电导通。
实施例2
一种复合材料自动铺丝方法，包括以下步骤：
S1、进行自动铺丝装带、底板贴膜等基本操作之后，自动铺丝N层，形成基本基底材质(复合材料样品6)。
S2、调整第一位置调整机构和第二位置调整机构，使左电极4、右电极8插入复合材料样品6内并与导电纤维5接触，调整加热控制系统，使左电极4、右电极8通电，导电纤维5发热，通过温度传感器7反馈的信号，调整加热控制系统的输出电流大小，实现材料内部的均匀加热，缓解温度梯度，改变不平衡热力状态。
根据材料的不同，选择不同的通电方式及能量，如可以是高频交变的脉冲电流。
S3、在基本基底材质上自动铺丝N层。
S4、重复步骤S2-S3至完成样品制备。
以上通过实施例对本发明的具体实施方式进行了示例性的说明。但是，本发明的保护范围不拘囿于上述示例性的实施方式。凡在本发明的精神和原则之内，本领域技术人员所作出的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种用于复合材料的自动铺丝装置，其特征在于，包括电源和加热电极，所述电源用于为加热电极提供电流，所述加热电极包括左电极和右电极，所述左电极和右电极用于与复合材料内部的导电纤维连接，当所述左电极、右电极与导电纤维接触后，实现电导通，在电流作用下，所述导电纤维发热。
2.根据权利要求1所述的用于复合材料的自动铺丝装置，其特征在于，所述左电极、右电极上设置有若干用于与导电纤维连接的电极针，电极针的数量大于等于复合材料样品上至少一列导电纤维的数量。
优选地，不同所述电极针的底部高度相同或不同。
优选地，所述左电极、右电极选用密级排列的针状序列电极。
3.根据权利要求1或2所述的用于复合材料的自动铺丝装置，其特征在于，所述自动铺丝装置还包括自动铺丝铺放头，所述左电极、右电极设置在自动铺丝铺放头相对的两侧。
优选地，所述左电极通过第一位置调整机构与自动铺丝铺放头连接，所述左电极设置在第一位置调整机构的底部，所述第一位置调整机构用于带动左电极在X方向和/或Z方向进行移动。
优选地，所述右电极通过第二位置调整机构与自动铺丝铺放头连接，所述右电极设置在第二位置调整机构的底部，所述第二位置调整机构用于带动右电极在X方向和/或Z方向进行移动。
4.根据权利要求3所述的用于复合材料的自动铺丝装置，其特征在于，所述第一位置调整机构和第二位置调整机构通过改变相应左电极、右电极的位置，以改变左电极、右电极与导电纤维接触的位置，比如改变插入深度，或左电极、右电极之间导电纤维的长度。
5.根据权利要求3所述的用于复合材料的自动铺丝装置，其特征在于，所述第一位置调整机构包括连接在自动铺丝铺放头一侧的左伸缩机构，所述左伸缩机构远离自动铺丝铺放头的一端连接有左升降机构，所述左电极设置在左升降机构的底部。
优选地，所述第二位置调整机构包括连接在自动铺丝铺放头一侧的右伸缩机构，所述右伸缩机构远离自动铺丝铺放头的一端连接有右升降机构，所述右电极设置在右升降机构的底部。
优选地，所述左伸缩机构、右伸缩机构能够在轴向进行伸缩，带动左电极、右电极沿X方向运动，以改变左电极、右电极插入复合材料样品的位置；所述左升降机构、右升降机构能够进行上下运动，带动左电极、右电极沿Z方向运动，以改变左电极、右电极插入复合材料样品的深度。
6.根据权利要求1或2所述的用于复合材料的自动铺丝装置，其特征在于，所述自动铺丝装置还包括至少一个温度传感器，所述温度传感器用于监测复合材料样品幅面的温度。
优选地，所述温度传感器选用能够探测整个复合材料样品幅面温度的传感器，例如为热成像仪。
优选地，所述温度传感器设置在复合材料样品的上方。
7.根据权利要求6所述的用于复合材料的自动铺丝装置，其特征在于，所述温度传感器设置在自动铺丝铺放头上。
优选地，所述温度传感器的底部与自动铺丝铺放头下端平齐或低于自动铺丝铺放头的下端。
8.根据权利要求1或2所述的用于复合材料的自动铺丝装置，其特征在于，所述电源为能够提供不同能量的直流电和/或交流电的设备，例如为高频交变的脉冲电流。
优选地，所述自动铺丝装置还包括加热控制系统，所述电源、温度传感器均与加热控制系统连接。
优选地，所述加热控制系统与电源一体设置。
9.一种采用权利要求1-8任一项所述自动铺丝装置进行复合材料自动铺丝方法，其特制在于，包括以下步骤：
S1、进行自动铺丝装带、底板贴膜等基本操作之后，自动铺丝N层，形成基本基底材质。
S2、将左电极、右电极插入复合材料样品内并与导电纤维接触，控制所述电源供电，使所述左电极、右电极通电，所述导电纤维发热，对复合材料样品内部进行加热。
S3、在基本基底材质上自动铺丝N层。
S4、重复步骤S2-S3至完成样品制备。
10.根据权利要求9所述的方法，其特制在于，步骤S2将左电极、右电极插入复合材料样品内并与导电纤维接触包括如下步骤：调整第一位置调整机构和第二位置调整机构，将左电极、右电极插入复合材料样品内并与导电纤维接触。
优选地，步骤S2还包括如下步骤，通过所述温度传感器监测复合材料样品表面的温度并反馈至加热控制系统，所述加热控制系统控制所述电源输出电流的大小。
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