一种热塑性复合材料感应修复设备及其修复方法

一种热塑性复合材料感应修复设备及其修复方法
1.领域：
2.本发明涉及一种热塑性复合材料感应修复设备及其修复方法，属于感应修复领域。


背景技术：

3.航空领域对于飞机结构轻量化的愈发重视，复合材料已成为飞机结构制造的重要材料之一。其中，热塑性复合材料因具有较好的韧性、可焊性、可修复性、可回收性和较短的加工时间等优点已逐渐受到人们的广泛关注。对热塑复合材料进行修复不仅是在紧急时刻恢复热塑零件或结构的重要要求也是经济性的需要。
4.目前，热塑复材的修复手段有胶接修复和熔接修复。其中胶接修复存在工艺周期长的问题，而以感应元件作为热源的熔接修复效率高，接头强度可靠且自动化程度高，具有很高的工程应用潜力。
5.感应修复可以根据被加热工件的当前状态，进行适时，精确的自动控制，比如通过模拟或数字电路处理，调整功率或频率，使工件加热温度或深度自动调节，满足工艺要求，特别适用于自动化加工。感应修复为非接触式、加热效率高且安全性好。
6.感应产热的主要机理为焦耳损耗发热、电介质损耗发热和磁滞损耗。目前常规的感应元件为金属网和碳纤维网，但他们作为修复热源来说，需要设计成合适的尺寸和形状来匹配缺陷形貌，并埋入母材，不仅使工艺变得复杂，对于复杂界面的修复有所局限，且严重影响界面的连续性。铁磁性粒子作为感应元件可直接喷涂在修复面上，工艺简单，效率高，作为细小的颗粒物，仅需加入少量既可保证足够的产热效率且对界面连续性的影响也可大大减低。以聚丙烯板料为例，仅需在板料中均匀加入体积分数10％的ni颗粒即可在15s左右的感应加热时间下达到聚丙烯板料的熔点。


技术实现要素：

7.为满足针对热塑性复合材料不同尺寸不同缺陷形状的复杂界面的快速精确修复，本发明提出了一种热塑性复合材料感应修复设备及其修复方法。
8.为了达到该目的，本发明通过以下技术方案来实现：
9.本发明通过下述技术方案实现：
10.一种热塑性复合材料感应修复设备，其特征在于：包括控制系统、感应加热系统和喷涂系统。其中控制系统由工控中心、机器人支座、六轴机器人、三维扫描摄像头、红外测温仪和工作台组成；感应加热系统由感应焊机和盘式感应线圈组成；喷涂系统由混料机和喷涂头组成。
11.所述控制系统用于控制三维扫描摄像头、红外测温仪、混料机、六轴机器人、感应加热系统和喷涂系统。
12.所述三维扫描摄像头将测得的几何模型数据导入控制系统，并与原始几何模型数据进行对比，并根据控制系统的数据库反馈修复方案，将相应的指令传达至喷涂系统和感
应修复系统，实现对喷涂修复过程的实时监控。
13.进一步的修补件选用玻璃纤维增强聚丙烯材料，喷涂材料选用ni颗粒、聚丙烯粉末和二甲苯制作成的喷涂液。在喷涂修复前，使用酒精清洁材料表面，去除污染物以保证试样表面清洁。
14.进一步的三维扫描摄像头同过对试样形貌的扫描，反馈计算机对比分析，确定修复方案，计算机控制六轴机器人运动至修复位置。
15.进一步的计算机控制铁磁性粒子喷涂系统和感应加热系统运作，在缺陷处喷涂含ni颗粒的喷涂液，感应磁场使得铁磁粒子通过磁滞损耗产热，促进二甲苯蒸发、聚丙烯粉末析出熔融并流动补充到待修补处，同时可以熔化试样缺陷处的母材，母材随着流动也可自修复一些微缺陷，并和胶粘剂形成良好的修补界面。
16.进一步的计算机控制六轴机器人，使修补点在x-y-z空间位置移动，完成方案中所有修复点的修复，从而达到修复的效果。
17.修复完成，依次关闭铁磁性粒子喷涂系统、感应加热系统、控制系统。
18.本发明产生的有效作用为：
19.本发明利用混料机制成均匀的含铁磁性颗粒、热塑性树脂粉末和二甲苯的喷涂液，通过集成在六轴机器人上的喷涂头和盘式感应线圈，同步完成喷涂和感应加热，大大提高了修复效率。可以通过搭配不同种类的热塑性树脂粉末、铁磁性颗粒和相应的有机溶剂制备用于不同基体修复的喷涂液。利用铁磁性颗粒代替金属网等作为感应元件修复热塑性复合材料改善了修复界面不连续的情况，同时因为含铁磁性颗粒和热塑性树脂粉末的喷涂液无固定的形状和大小，在裂纹、凹坑或各种因缺损材料的复杂缺陷界面的修复中有更大的优势，也可以直接进行材料的3d打印。通过本发明，可以针对性的以修复量为依据，依托控制系统的数据库反馈得出修复方案，从而满足热塑复材工件的快速精准修复需求，延长了热塑性复合材料工件的服役寿命，降低了热塑性复合材料的成本，同时对环境更加友好。
附图说明：
20.为了更清晰的表达本装置方法，下面将本装置所需要的附图进行介绍。
21.图1是本发明实施例提供的一种热塑性复合材料感应修复装备示意图。
22.图1中编号表示：1-混料机；2-工控中心；3-机器人支座；4-六轴机器人；5-盘式感应线圈；6-喷涂头；7-感应焊机；8-三维扫描摄像头；9-红外测温仪；10-工作台；12-热塑性复合材料待修复件。
23.图2是本发明装置喷涂头/盘式感应线圈的联合示意图。
24.具体实施方法：
25.为使本发明解决的技术问题、采用的技术方案和达到的技术效果更加清楚，下面将结合附图对本发明实施例的技术方案做进一步的详细描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
26.在本实施例的描述中，术语“上”、“下”、“左”、“右”等方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述和简化操作，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作
27.下面结合附图并通过具体实施方式进一步说明本发明的技术方案。
28.参考图1所示，一种热塑性复合材料的感应修复装置包括控制系统、感应加热系统和喷涂系统。所述的控制系统由工控中心2、机器人支座3、六轴机器人4、工作台10、三维扫描摄像头8和红外测温仪组成。所述的感应加热系统由感应焊机7和盘式感应线圈5组成。所述的喷涂系统由混料机1和喷涂头6组成。所述控制系统以工控中心2为核心，通过接受三维扫描摄像头8、红外测温仪9反馈来的电信号得到合适的参数用于控制六轴机器人4的运动、调节感应加热系统和喷涂系统参数。喷涂头6和盘式感应线圈5集成在六轴机器人的机械臂上，互不干扰，但可共同发挥作用。喷涂头6安装在机械臂上，程倾斜状，喷涂头6的尖端指向盘式感应线圈5正下方的中心点处，喷涂头6采用陶瓷等非金属非磁性材料。送料管通过机械臂将混料机1与喷涂头6连接在一起，混料机1将铁磁性颗粒、热塑性材料粉末和二甲苯混合均匀，并在控制系统的控制下以合适的速率输出混合后的喷涂液。三维扫描摄像头8和红外测温仪9安装在工作台10两端，连通控制系统。通过三维扫描摄像头8扫描待修补件的缺陷形貌和位置，导入工控中心2和原始模型对比后输出修复方案，控制六轴机器人4在x-y-z面移动至缺陷处，喷涂系统喷涂由铁磁性颗粒、热塑性材料粉末和二甲苯均匀混合制成的喷涂液，同时进行感应加热修补。
29.以下通过一个具体的实施例进一步说明本发明。
30.参考图1，本实例提供的待加工工件为玻璃纤维增强聚丙烯复合材料，混料机中加入平均直径大小为5um的ni颗粒和13um的聚丙烯颗粒，其中喷涂液成分ni∶聚丙烯∶二甲苯的体积比为1∶9∶27。工件的原始几何模型数据为250mm
×
220mm
×
6mm，现简化待修复的工件几何模型数据为200mm
×
200mm
×
5mm，可以类比为待修复工件在长宽高方向都存在尺寸不足的缺陷。
31.工件表面出现损伤时，将工件放置在工作台10中间，同时通过控制六轴机器人4调整喷涂头和盘式感应线圈5的位置，根据待修复工件的几何特征，设置三维扫描摄像头8的扫描方向，对待修复工件进行全局扫描，并将扫描结果反馈至控制系统。
32.在工控中心2中显示数据为200mm
×
200mm
×
5mm之后，与该工件的原始几何模型数据250mm
×
220mm
×
6mm进行对比。数模对比后确定修复方案，并将相应指令传达各系统。
33.进一步地，控制系统将相关的加工方案信号分别传递给喷涂系统和感应加热系统，将喷涂路径、喷涂速度15ml/min、传输给喷涂系统，并将感应磁场振幅32kam-1
、频率269khz传输给感应加热系统。
34.进一步地，喷涂系统与感应加热系统根据控制系统反馈的参数开始喷涂含ni颗粒和聚丙烯粉末的喷涂液进行感应修复作业。
35.进一步地，红外测温仪9实时监控修复区的温度，当温度达到340℃(聚丙烯材料分解温度370℃)时控制感应加热系统断电，直到温度降低到250℃或者此处修补完成移至下一处修补点再恢复通电。
36.进一步地，修复完成，依次关闭喷涂系统、感应加热系统、控制系统。
37.显然，本发明的上述实施例仅仅是为了清楚说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则还内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求
的保护范围之内。