一种快速自动铺放热塑性复合材料构件的装置及方法
【专利摘要】本发明公开了一种快速自动铺放热塑性复合材料构件的装置，其特征在于，包括：用于牵引热塑性预浸带的送料装置、用于将送料装置提供的热塑性预浸带进行铺放的成型装置、用于对由成型装置铺放的热塑性预浸带进行超声加热的超声加热装置，送料装置、成型装置、超声加热装置均设置在铺放模具上。本发明还公开了一种快速自动铺放热塑性复合材料构件的方法。本发明可实现热塑性复合材料的100%界面强度；可以极大的节约铺放成型的时间，提高效率；可以提高界面结合，实现结晶度与晶粒尺寸的控制，优化构件性能。
【专利说明】
一种快速自动铺放热塑性复合材料构件的装置及方法
技术领域
[0001]本发明涉及一种快速自动铺放热塑性复合材料构件的装置，具体涉及一种快速自动铺放成型小曲率的热塑性复合材料构件的装置。本发明还涉及基于快速自动铺放成型小曲率的热塑性复合材料构件的装置进行快速自动铺放热塑性复合材料构件的方法，本发明属于复合材料构件铺放领域。
【背景技术】
[0002]复合材料自动铺放技术具有高效、高质量、高可靠性、高材料利用率、低成本的优点，特别适合于大尺寸和复杂构件的制造，减少了拼装零件的数目，节约了制造和装配成本，并极大地降低了构件的废品率和制造工时。
[0003]根据基体树脂的差异，复合材料可分为热固性复合材料和热塑性复合材料。相比于前者，热塑性复合材料具有固化成型耗时少，良好的焊接性、抗冲击韧性、可循环性、抗化学腐蚀性以及近乎无限的保质期等优点，具有广泛的应用前景。
[0004]为了适应大尺寸构件的高效/高质量制备，采用纤维自动铺放技术来制备热塑性复合材料构件，这种方式采用了 “原位固结”的方式，在压力和高温的作用下热塑性预浸带相互贴合、界面发生大分子链的扩散缠结、冷却结晶形成整体。但是一方面热塑性复合材料树脂基体存在高黏度、高加工温度以及高成型压力等缺点。以目前航空构件主要采用的热塑性树脂聚醚醚酮PEEK为例，作为半结晶性树脂基体，其加工温度必须达到其熔点Tm以上。PEEK的熔融温度达到了334°C。这对铺放设备的热源提出了极高的要求。另一方面，铺放成型的高效特征与热塑性复合材料界面需要足够的时间来完成充分的结合存在矛盾，从而限制了自动铺放的速度，根据现有报告，采用激光作为热源的碳纤维/PEEK自动铺放成型的速度最高只能达到6m/min，且相比于热压罐成型，其铺层界面层间强度仅为热压罐固化的85%-90%。为满足航空航天对性能的要求，一般采用热压罐后固化的方式来进一步提高构件的性能。
[0005]中国专利ZL200810235373.UZL201410597312.5涉及了复合材料构件的铺放方法和装置，但是其并不适用于成型小曲率的热塑性复合材料构件的铺放，其铺放速度也较慢，热塑性复合材料界面强度也不能满足航空航天对性能的要求。
【发明内容】
[0006]为解决现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种快速自动铺放热塑性复合材料构件的装置及方法。以解决针对大尺寸小曲率类的热塑性复合材料构件，现有技术难以在提高复合材料自动铺放效率，同时满足航空航天对性能的要求的技术问题。
[0007]为了实现上述目标，本发明采用如下的技术方案:
[0008]—种快速自动铺放热塑性复合材料构件的装置，其特征在于，包括:用于牵引热塑性预浸带的送料装置、用于将送料装置提供的热塑性预浸带进行铺放的成型装置、用于对由成型装置铺放的热塑性预浸带进行超声加热的超声加热装置，送料装置、成型装置、超声加热装置均设置在铺放模具上。
[0009]前述的快速自动铺放热塑性复合材料构件的装置的一种快速自动铺放热塑性复合材料构件的方法，其特征在于，包括如下步骤:
[0010]步骤一:热塑性预浸带从送料装置牵引出来后，由成型装置将热塑性预浸带铺设在铺放模具或已铺放预浸带的表面；
[0011 ]步骤二:超声加热装置对已经铺放的预浸带进行超声加热；
[0012]步骤三:重复步骤一和步骤二，直至整个热塑性复合材料构件完全成形；
[0013]步骤四:将已经成型的热塑性复合材料构件进行整体加压加热，再进行固化处理，完成热塑性复合材料构件的制备。
[0014]前述的一种快速自动铺放热塑性复合材料构件的方法，其特征在于，所述步骤二包括:每间隔一定的距离S，超声加热装置按照预先设定的固结点对预浸料施加压力及超声振动。
[0015]前述的一种快速自动铺放热塑性复合材料构件的方法，其特征在于，所述步骤二中的超声加热包括:超声振动频率为20kHz，振幅为0.15μπι，维持作用时间为2s。
[0016]前述的一种快速自动铺放热塑性复合材料构件的方法，其特征在于，所述步骤四中的固化处理包括:固化温度为360°C，固化压力1.2MPa，保温时间lOmin，升温和降温速率为 2°C/min0
[0017]本发明的有益之处在于:本发明利用超声加热实现热塑性复合材料非原位固结的优点在于:(I)超声加热属于体加热、属于高效加热方式，可实现热塑性复合材料的100%界面强度；(2)采用非连续原位固结成型的方式实现了大型构件的高效铺放，可以极大的节约铺放成型的时间，提高效率；(3)采用热压后固化的方式可以提高界面结合，通过控制半结晶性热塑性树脂的冷却过程，实现结晶度与晶粒尺寸的控制，优化构件性能。
【附图说明】
[0018]图1是本发明一种快速自动铺放热塑性复合材料构件的装置的结构示意图；
[0019]图2是本发明一种快速自动铺放热塑性复合材料构件的方法的流程图。
[0020]图中附图标记的含义:
[0021 ] 1、料盘，2、预浸带，3、送料辊，4、压辊，5、电机，6、超声加热装置，7、已铺放预浸带，
8、铺放模具。
【具体实施方式】
[0022]以下结合附图和具体实施例对本发明作具体的介绍。
[0023]参照图1所示，本发明的一种快速自动铺放热塑性复合材料构件的装置，包括:用于牵引热塑性预浸带的送料装置、用于将送料装置提供的热塑性预浸带进行铺放的成型装置、用于对由成型装置铺放的热塑性预浸带进行超声加热的超声加热装置，送料装置、成型装置、超声加热装置均设置在铺放模具上。进一步，具体来说，送料装置，包括料盘1、一对送料辊3;成型装置，包括压辊4、超声加热装置6和电机5;以及预浸带2、已铺放预浸带7和铺放模具8。本发明利用超声振动实现热塑性预浸料在模具表面的快速定位及贴合，实现大尺寸小曲率构件的快速成形，最终通过后固化实现高性能热塑性复合材料构件的成型。采用传统自动铺放工艺，在铺带头的作用下按照设计的轨迹，实现预浸带在模具表面的铺敷;在此基础上，附加一道工序，采用超声装置，按照预设的位置，对预浸带进行加压、超声加热，实现预浸带与模具以及预浸带之间的精准定位以及贴合，形成一个整体，为热压后固化工艺提供符合要求，具有精准铺层角度和几何外形的热塑性复合材料预制件。首先通过铺放头的送料装置，沿着被铺放模具表面按照预设的轨迹进行连续铺放，同时每间隔一定的距离S，利用进给装置带动超声加热装置，按照预先设定的固结点对预浸料施加压力及超声振动，具体的超声工艺参数取决于热塑性预浸料的基体树脂性能。
[0024]利用超声加热实现固结点的快速界面结合，同时达到100%结合强度，控制复合材料构件的铺层方向及几何外形尺寸。热塑性复合材料构件整体成形后，通过热压后固化，控制压力和温度，实现界面的充分浸润与界面分子链的扩散和缠结，提高整体的界面结合强度;控制冷却速率，调节半结晶性热塑性树脂的冷却结晶过程，控制结晶度和晶粒尺寸，实现性能的优化。
[0025]如图2，本发明的一种快速自动铺放热塑性复合材料构件的方法包括如下步骤:
[0026]步骤一:热塑性预浸带从送料装置牵引出来后，由成型装置将热塑性预浸带铺设在铺放模具或已铺放预浸带的表面；
[0027]步骤二:超声加热装置对已经铺放的预浸带进行超声加热；
[0028]以碳纤维/PEEK预浸带的成型为例，本发明工作时，首先在送料辊3的作用下将热塑性预浸带2从料盘I中牵引出来;在压辊4的作用下按照预设的轨迹铺放在铺放模具8或已铺放预浸带7的表面，然后超声加热装置6在电机5的作用下在预浸料表面产生压力，同时进行超声加热，其中超声振动频率为20kHz，振幅为0.15μπι维持作用时间为2s，使得在固结点的预浸带的界面形成完整的贴合，实现预浸带铺层方向的精准定位。当非连续固结点的间距s为Im时，整个铺放速率理论值可以达到30m/min，与热固性复合材料的铺放速率相当。
[0029]步骤三:重复步骤一和步骤二，直至整个热塑性复合材料构件完全成形；
[0030]通过上述步骤完成单层预浸料的铺放定位成形后，重复进行第二层的铺放，直至整个热塑性复合材料构件完全成形。
[0031]步骤四:将已经成型的热塑性复合材料构件进行整体加压加热，再进行固化处理，完成热塑性复合材料构件的制备。
[0032]最后整体加压加热进行后固化处理(固化温度为360°C，固化压力1.2MPa，保温时间lOmin，升温和降温速率为2°C/min)，实现大尺寸小曲率的热塑性复合材料构件的高效制备。
[0033]本发明针对大尺寸小曲率类的热塑性复合材料构件，提出采用非连续原位固结自动铺放成型方式，结合后固化的方式来提高复合材料自动铺放效率，同时满足航空航天对性能的要求。综合对比几种常规加热方式:热风、红外、激光以及超声振动，其中超声振动加热机理属于体加热，具有快速以及周期短等突出优点，适合作为热源实现固结点的快速原位非连续固结。
[0034]超声加热的工艺参数取决于热塑性复合材料基体树脂的类型，通过调节超声频率、功率、幅值以及压力、作用时间等实现热塑性预浸料的非连续原位固结，实现预浸带的铺层方向以及几何外形的精准控制。
[0035]可见，本发明利用超声加热实现热塑性复合材料非原位固结的优点在于:(I)超声加热属于体加热、属于高效加热方式，可实现热塑性复合材料的100%界面强度；(2)采用非连续原位固结成型的方式实现了大型构件的高效铺放，可以极大的节约铺放成型的时间，提高效率；(3)采用热压后固化的方式可以提高界面结合，通过控制半结晶性热塑性树脂的冷却过程，实现结晶度与晶粒尺寸的控制，优化构件性能。
[0036]以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，上述实施例不以任何形式限制本发明，凡采用等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。
【主权项】
1.一种快速自动铺放热塑性复合材料构件的装置，其特征在于，包括:用于牵引热塑性预浸带的送料装置、用于将送料装置提供的热塑性预浸带进行铺放的成型装置、用于对由成型装置铺放的热塑性预浸带进行超声加热的超声加热装置，送料装置、成型装置、超声加热装置均设置在铺放模具上。2.基于权利要求1所述的快速自动铺放热塑性复合材料构件的装置的一种快速自动铺放热塑性复合材料构件的方法，其特征在于，包括如下步骤: 步骤一:热塑性预浸带从送料装置牵引出来后，由成型装置将热塑性预浸带铺设在铺放模具或已铺放预浸带的表面； 步骤二:超声加热装置对已经铺放的预浸带进行超声加热； 步骤三:重复步骤一和步骤二，直至整个热塑性复合材料构件完全成形； 步骤四:将已经成型的热塑性复合材料构件进行整体加压加热，再进行固化处理，完成热塑性复合材料构件的制备。3.根据权利要求2所述的一种快速自动铺放热塑性复合材料构件的方法，其特征在于，所述步骤二包括:每间隔一定的距离s，超声加热装置按照预先设定的固结点对预浸料施加压力及超声振动。4.根据权利要求2所述的一种快速自动铺放热塑性复合材料构件的方法，其特征在于，所述步骤二中的超声加热包括:超声振动频率为20kHz，振幅为0.15，维持作用时间为2s。5.根据权利要求2所述的一种快速自动铺放热塑性复合材料构件的方法，其特征在于，所述步骤四中的固化处理包括:固化温度为360°C，固化压力1.2MPa，保温时间lOmin，升温和降温速率为2°C/min。
【文档编号】B29C70/34GK105904739SQ201610225226
【公开日】2016年8月31日
【申请日】2016年4月12日
【发明人】李勇, 褚奇奕, 还大军, 肖军
【申请人】南京航空航天大学