碳纤维激光制造及其原位3D织造一体化成型设备的制作方法

本实用新型涉及碳纤维制造领域以及碳纤维复合材料成型领域，尤其是涉及碳纤维激光制造及其原位3D织造一体化成型设备。

背景技术：

碳纤维是一种由有机纤维在惰性气氛中加热经固相反应转化而成的含碳量高于90％的无机高分子纤维，其中碳含量高于99％的称为石墨纤维。碳纤维“外柔内刚”，质量比金属铝轻，但强度却高于钢铁，并且具有耐腐蚀、高模量的特性，在国防军工和民用方面都是重要材料。它不仅具有碳材料的固有本征特性，又兼备纺织纤维的柔软可加工性，是新一代增强纤维。由碳纤维和环氧树脂结合而成的复合材料，由于其比重小、刚性好和强度高，被广泛应用于轻量化车辆、大飞机、航天飞机、火箭推进器等重要领域。

所采用的碳纤维复合材料成型方法包括树脂转移模塑成型(RTM)、树脂浸润技术(RFI)、纤维缠绕技术及自动铺带铺丝技术。但是上述的这些碳纤维与树脂材料复合的工艺与碳纤维的制造工艺是分离的，这使得产品性能的调控空间受到限制，制造和应用无法直接匹配，前期制造生产的碳纤维还需要经过上浆过程的保护措施，且需要经过运输到加工部件的生产地点，制造的碳纤维停放时间越长，其对性能会造成不同程度的降低。而且碳纤维在制造过程中现有的技术是动态密封，密封效果差，外界空气极易进入到制造设备中，影响碳纤维的制造质量。

技术实现要素：

为解决现有的碳纤维制造生产过程与碳纤维复合材料制造过程分离以及碳纤维在制备过程中动态密封性差的技术难题，提出碳纤维激光制造及其原位3D织造一体化成型设备与工艺。

实现上述目的的技术方案是，碳纤维激光制造及其原位3D织造一体化成型设备，包括成型罐，在其内部实现碳纤维激光制造及其原位3D织造一体化成型；包括移动式装卸平台，可以实现碳纤维织造成型部件的移入移出罐体以便于装卸；包括抽气泵，对密封后的成型罐抽气除尽内部空气；包括氩气瓶，保证成型罐内部的惰性气体气氛。

本实用新型碳纤维激光制造及其原位3D织造一体化成型设备，其中移动式装卸平台包括移动平台、导轨、齿轮和齿条，在齿轮与齿条的啮合传动下，移动平台可以实现移动以与成型罐内的平台无缝对接，碳纤维织造平台可以在轨道上移动实现移入移出成型罐以便于装卸。

本实用新型碳纤维激光制造及其原位3D织造一体化成型设备，其中成型罐内部包括成型部件，机械手，碳纤维原位3D织造成型装置及机械手支撑架。 3D织造成型装置可以实现五轴联动，可以对碳纤维3D织造成型部件进行自由织造，适合多种规则的或不规则的成型体，可以成型复杂的成型体。

本实用新型碳纤维激光制造及其原位3D织造一体化成型设备，其中机械手包括一体化成型手臂、导向轮一、导向轮二、预氧化纤维丝束、预氧化纤维卷和预氧化纤维放卷辊。该机械手为一多自由度机械手，其与激光法制备碳纤维的装备进行复合，形成碳纤维激光制造及其原位3D织造一体化成型机械手，在其上完成激光加热成型碳纤维或者石墨纤维，然后原位包覆热塑性树脂，在引导装置的调控下对成型部件进行原位织造过程。

本实用新型碳纤维激光制造及其原位3D织造一体化成型设备，可以将圆柱形成型罐替换为两分区成型罐，在成型罐内部设立两扇分隔的可以自动开关的门，这样，成型罐分为两个区：3D织造区及待运载区。在3D织造区完成碳纤维的制造，热塑性树脂包覆及3D织造过程，之后3D织造成型装置后退到待运载区，门自动关闭，然后再打开成型罐的门，将3D织造成型装置移出成型罐，到达移动平台。氩气瓶和抽气泵只对3D织造区抽除杂质气体及充填氩气。在保证3D织造区内部的氩气纯度方面，采用氩气纯度分析仪实时测控内部的氩气含量，及时反馈到氩气瓶及抽气泵，通过设定氩气含量阈值，抽气泵及时抽取杂质气体，氩气瓶及时供应氩气。

本实用新型碳纤维激光制造及其原位3D织造一体化成型设备，成型工艺方法如下：初始，碳纤维原位3D织造成型装置位于移动式装卸平台上，将碳纤维3D织造的预成型部件用旋转顶针和固定旋转轴固定于碳纤维原位3D织造成型装置上；初始时成型罐的两侧门是打开的，在齿轮和齿条的啮合传动下，移动式装卸平台移动到成型罐的一侧门，与成型罐内的平台无缝对接，同时实现了移动式装卸平台上的轨道与成型罐内的轨道的无缝对接；碳纤维原位3D织造成型装置按照预设的程序自动进入成型罐内部的预定位置后，移动式装卸平台撤回，此时成型罐的门全部关闭，抽气泵开始工作，抽除成型罐内部的空气，抽气泵工作一定时间后关闭，打开氩气瓶对成型罐内部冲入氩气，充填到氩气含量接近100％后碳纤维激光制造及其原位3D织造一体化成型机械手开始工作，首先碳纤维原位3D织造引导装置将纤维固定于成型部件上，然后预氧化纤维放卷辊以一定的速度转动，预氧化纤维以一定速度先后经过两个激光器和热塑性树脂包覆装置移动到碳纤维原位3D织造引导装置，通过控制预氧化纤维放卷辊的转动速度以控制预氧化纤维的加热时间，通过控制两台激光器的加热功率实现预氧化纤维的加热温度控制；根据碳纤维3D 织造使用的纤维是碳纤维还是石墨纤维对这两个激光器进行选择使用，如果使用的是碳纤维及其技术特征要求，只对用于预氧化纤维加热碳化的激光器程序控制其功率对碳纤维进行照射，如果使用的是石墨纤维及其技术特征要求，同时对用于预氧化纤维加热碳化的激光器及用于预氧化纤维加热石墨化化的激光器程序控制其功率对碳纤维先后进行照射，从而制造出碳纤维；通过激光器加热的纤维进入热塑性树脂包覆碳纤维装置后自动包覆上热塑性树脂，从而制造出碳纤维树脂复合材料；最后碳纤维在碳纤维原位3D织造引导装置的引导下，以及在碳纤维原位3D织造成型装置的预设织造的自动化控制下，对成型部件进行原位3D织造过程。

与现有的技术相比，本实用新型的有益效果是：

将预氧化纤维的碳化和石墨化工艺与碳纤维制造后原位热塑性树脂包覆以及碳纤维复合材料成型结合在一起，统一到一次成型工艺中，采用机械手在封闭的惰性气体保护的空间中进行纤维的碳化或者石墨化，同步进行碳纤维制造后原位热塑性树脂包覆以及3D织造过程，省去了碳纤维生产制造后的运输及停放过程，简化了工艺流程，同时使得制造生产碳纤维的质量及碳纤维与树脂材料复合制造产品的品质得到即时的调控。且一体化制造过程中成型罐内所有设备密封于氩气惰性气体中，实现了静态完全密封，有效避免外界空气对碳纤维制造过程的干扰及制造质量的影响。

通过激光照射加热法可实现预氧化纤维碳化或者石墨化的可控制备，激光的能量绝大部分被碳纤维吸收，少数能量以光能辐射，能量利用率高，加热速度快，碳化程度及纤维石墨化程度高，石墨化温度可突破3000℃的高温瓶颈。利用导向轮对纤维施加一定的张紧力，并且纤维的终端固定于3D织造成型部件上，这样在3D织造过程中自动对纤维自动施加了一定的牵伸力，代替了传统碳纤维过程中的牵伸装置，极大的降低了碳纤维制造设备的成本。

提出了碳纤维3D织造成型方法，成型零部件可以是各种规则的、不规则的，可以是对芯模进行织造，也可以对压力容器的内衬层进行织造，成型的适应性强。

采用氩气纯度检测与反馈装置，及时检测3D织造区的氩气纯度，反馈到抽气泵及氩气瓶，进行预设的抽气量及氩气补充量，提高氩气纯度的实时准确性；采用了两分区成型罐的方案，在成型制品取出时不必完全打开成型罐的两侧们，有利于避免氩气过多的浪费问题。

通过对本实用新型设备进行程序控制，可自动实现芯模或者压力容器内衬层输入到碳纤维复合材料零部件成品输出的过程，不需要任何工作人员，可以建立无人值守工厂，实现连续化生产作业，极大提高了生产效率。

附图说明

图1为本实用新型碳纤维激光制造及其原位3D织造一体化成型设备布置示意图。

图2为图1所示装置的移动式装卸平台的示意图。

图3为本实用新型碳纤维激光制造及其原位3D织造一体化成型设备的成型罐的局部剖视图。

图4为本实用新型碳纤维激光制造及其原位3D织造一体化成型设备的碳纤维原位3D织造成型装置示意图。

图5为本实用新型碳纤维激光制造及其原位3D织造一体化成型设备的成型机械手示意图。

图6为图5所示的成型机械手的成型手臂示意图。

图7为图6中A处放大图。

图8为本实用新型碳纤维激光制造及其原位3D织造一体化成型设备中成型罐两分区结构示意图。

图9为图8所示成型罐的局部剖视图。

图中：1-成型罐，2-移动式装卸平台，201-移动平台，202-导轨，203- 齿轮，204-齿条，3-抽气泵，4-氩气瓶，5-成型部件，6-成型机械手，601- 一体化成型机械手臂，6011-导向轮三,6012-激光器一，6013-激光器二，6014- 反光板，6015-激光制造碳纤维，6016-热塑性树脂包覆装置，6017-3D织造引导装置，602-导向轮一,603-导向轮二,604-预氧化纤维丝束，605-预氧化纤维卷，606-预氧化纤维放卷辊，7-3D织造成型装置，701-摆动平台，702-控制电机，703-齿型同步带，704-带轮，705-旋转平台，706-旋转及升降轴， 707-移动平台，708-滚轮，709旋转顶针，710-固定旋转轴，8-机械手支撑架， 9-通孔，10-丝束夹持装置，11-两分区成型罐，12-分隔门。

具体实施方式

本实用新型碳纤维激光制造及其原位3D织造一体化成型设备，如图1所示，包括成型罐1，在其内部实现碳纤维激光制造及其原位3D织造一体化成型；包括移动式装卸平台2，位于成型罐1的一侧门口处，当成型罐1打开一侧门时，可以实现碳纤维织造成型部件的移入移出罐体以便于装卸；包括抽气泵3，采用气管和气阀与成型罐1的罐体连接，可以对关闭门密封后的成型罐1抽气除尽内部空气；包括氩气瓶4，采用气管和气阀与成型罐1的罐体连接，对成型罐1充入氩气，保证成型罐内部的惰性气体气氛。

本实用新型碳纤维激光制造及其原位3D织造一体化成型设备，如图2所示为移动式装卸平台2的示意图，包括移动平台201、导轨202、齿轮203和齿条204，齿轮203通过传动轴与移动平台201连接，在移动平台的四个角各设置一个齿轮，在移动平台的下部有四个与齿轮啮合的齿条，移动平台201 上设置有导轨202，在齿轮203与齿条204的啮合传动下，移动平台201可以实现移动以与成型罐内的平台无缝对接，碳纤维织造平台可以在导轨202上移动实现移入移出成型罐1以便于装卸；通过对移动式装卸平台2进行自动化控制，可以实现自动化移入移出成型罐1。

本实用新型碳纤维激光制造及其原位3D织造一体化成型设备，如图3所示为成型罐1的罐体剖视图，包括成型部件5、成型机械手6、3D织造成型装置7及机械手支撑架8。这里的成型部件5不局限于图3中的规则的回转体，不规则的、结构复杂的成型体也可以进行织造，可以是对芯模织造也可以对压力容器的内衬层进行织造；机械手支撑架固定于成型罐1内的一平面上，成型机械手6固定于机械手支撑架8上面，具有多自由度，可以实现预氧化纤维激光加热制造碳纤维及碳纤维原位热塑性树脂包覆及其原位3D织造一体化成型过程；在成型罐1内的平面上设置有导轨，该导轨与移动式装卸平台2 的导轨202对接，碳纤维原位3D织造成型装置7底部有滚轮，与导轨对接，可沿导轨移动，并且碳纤维原位3D织造成型装置7可以实现五轴联动，可以对碳纤维3D织造成型部件进行自由织造，适合多种规则的，不规则的、复杂的成型体。

本实用新型碳纤维激光制造及其原位3D织造一体化成型设备，如图4所示为3D织造成型装置7的示意图，包括摆动平台701、控制电机702、齿型同步带703、带轮704、旋转升降平台705、旋转及升降轴706、移动平台707、滚轮708、旋转顶针709和固定旋转轴710。滚轮708由驱动电机对其动力控制，并与成型罐1内的导轨对接，在滚轮的滚动下，3D织造成型装置7可以移动；在滚轮708的上部有移动平台707，对上部的部件起到支撑的作用；在移动平台的上部是旋转及升降轴706，该轴采用电机控制其转动，液压驱动其升降；在旋转及升降轴706上部是旋转升降平台705，与旋转升降轴固定在一起，随其一起运动；控制电机702固定于旋转升降平台705的支架上，控制带轮704的转动；带轮704与齿型同步带703啮合传动，进而控制与摆动平台701固定在一起的带轮的旋转角度，在控制电机控制带传动的运动下，摆动平台701可以以一定角度摆动。旋转顶针709，固定旋转轴710通过支撑架固定于摆动平台701，在它们之间夹持成型部件5，以一定速度定轴旋转，控制二者之间的间距可以夹持不同大小的成型部件5，这样，成型部件就固定于摆动平台701上，整个碳纤维原位3D织造成型装置7可以实现五轴联动，所以成型部件5亦可五轴联动。针对不同的织造成型部件，对碳纤维原位3D 织造成型装置7进行自动化设置，配合成型机械手6，以实现成型部件的全自动3D织造成型过程。

本实用新型碳纤维激光制造及其原位3D织造一体化成型设备，如图5所示为成型机械手示意图，包括一体化成型手臂601、导向轮一602、导向轮二 603、预氧化纤维丝束604、预氧化纤维卷605和预氧化纤维放卷辊606。该成型机械手为一多自由度机械手，其与激光法制备碳纤维的装备进行复合，形成碳纤维激光制造及其原位3D织造一体化成型机械手。预氧化纤维放卷辊 606装配于机械手的底部支撑柱上，可以一定速度定轴转动，其上卷绕有预氧化纤维卷605，在预氧化纤维放卷辊606的转动下，预氧化纤维丝束604释放，这里用到的预氧化纤维可以根据碳纤维织造的需要，可以是聚丙烯腈基、沥青基、粘胶基等预氧化纤维；导向轮一602和导向轮二603可以分别固定于机械手的肘关节处，这样，机械手运动时可以跟随运动，预氧化纤维通过这两个导向轮可以对丝束进行导向，通过对这两个轮的转速进行控制，对其上的预氧化丝束施加一定的张紧力。

本实用新型碳纤维激光制造及其原位3D织造一体化成型设备，如图6所示为一体化成型机械手臂示意图，包括导向轮三6011、激光器一6012、激光器二6013、反光板6014、激光制造碳纤维6015、热塑性树脂包覆装置6016 和碳纤维原位3D织造引导装置6017。导向轮三6011位于导向轮二603的前方，其高度可以根据碳纤维成型需要进行设置；激光器一6012和激光器二6013 固定于机械手臂的中部，预氧化纤维丝束从其下部通过，保证激光能够正中照射纤维丝束；在两个激光器的下部安装有反光板6014，反射部分余光到纤维丝束并防止激光过高的能量对设备造成损坏；激光制造碳纤维6015进入热塑性树脂包覆装置6016，热塑性树脂包覆装置6016可以对热塑性树脂如聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚酰胺等进行熔融塑化，并对碳纤维实现原位热塑性树脂包覆；包覆上热塑性树脂的碳纤维复合材料在碳纤维原位3D织造引导装置6017的引导下对碳纤维织造成型部件进行自动化织造。图7为图6中的 A处放大图，碳纤维丝束可以穿过通孔9，然后在丝束夹持装置的夹持下，并在在碳纤维原位3D织造引导装置6017的引导下，与树脂复合的碳纤维与成型部件进行复合，进行自动化3D织造。

本实用新型碳纤维激光制造及其原位3D织造一体化成型设备，方案二如下：如图8所示，在方案一的基础上，将圆柱形成型罐1替换为两分区成型罐11，在成型罐内部设立两扇分隔门12可以自动开关的门，这样，成型罐分为两个区：3D织造区及待运载区。在3D织造区完成碳纤维的制造，热塑性树脂包覆及3D织造过程，之后3D织造成型装置7后退到待运载区，门自动关闭，然后再打开成型罐的门，将3D织造成型装置7移出成型罐，到达移动平台。氩气瓶4和抽气泵只对3D织造区抽除杂质气体及充填氩气。在保证3D 织造区内部的氩气纯度方面，采用氩气纯度分析仪实时测控内部的氩气含量，及时反馈到氩气瓶及抽气泵，通过设定氩气含量阈值，抽气泵3及时抽取杂质气体，氩气瓶4及时供应氩气。

本实用新型碳纤维激光制造及其原位3D织造一体化成型设备，成型工艺方法如下：初始，3D织造成型装置7位于移动式装卸平台2上，将碳纤维3D 织造的预成型部件5用旋转顶针709和固定旋转轴710固定于碳纤维原位3D 织造成型装置7上。初始时成型罐的两侧门是打开的，在齿轮203和齿条204 的啮合传动下，移动式装卸平台2移动到成型罐1的一侧门，与成型罐1内的平台无缝对接，同时实现了移动式装卸平台2上的轨道与成型罐1内的轨道的无缝对接。碳纤维原位3D织造成型装置7按照预设的程序自动进入成型罐1内部的预定位置后，移动式装卸平台2撤回，此时成型罐1的门全部关闭，抽气泵3开始工作，抽除成型罐1内部的空气，抽气泵3工作一定时间后关闭，打开氩气瓶4对成型罐1内部冲入氩气，充填到氩气含量接近100％后机械手6开始工作，首先碳纤维原位3D织造引导装置6017将包覆有树脂的碳纤维固定于成型部件上，以及在3D织造成型装置7开始按照预定程序工作，同时预氧化纤维放卷辊606以一定的速度转动，预氧化纤维以一定速度先后经过两个激光器和热塑性树脂包覆装置移动到碳纤维原位3D织造引导装置6017，通过控制预氧化纤维放卷辊606的转动速度以控制预氧化纤维的加热时间，通过控制两台激光器的加热功率可以实现预氧化纤维的加热温度。根据碳纤维3D织造使用的纤维是碳纤维还是石墨纤维对这两个激光器进行选择使用，如果使用的是碳纤维及其技术特征要求，只对激光器一6012程序控制其功率以对碳纤维进行照射，如果使用的是石墨纤维及其技术特征要求，同时激光器一6012及激光器二6013程序控制其功率对碳纤维先后进行照射，从而制造出碳纤维。通过激光器加热的纤维进入热塑性树脂包覆装置6016后自动包覆上热塑性树脂，从而制造出碳纤维树脂复合材料。最后碳纤维在碳纤维原位3D织造引导装置6017的引导下，以及在3D织造成型装置7的预设织造的自动化控制下，对成型部件进行原位3D织造过程。