专利名称：利用激光的复合材料丝带铺设装置的制作方法
技术领域：
利用激光的复合材料丝带铺设装置技术领域[0001]本实用新型涉及一种利用激光的复合材料丝带铺设装置，用于在航空制造领域中利用激光装置辅助铺设飞机用的复合材料丝带，属于激光技术应用领域。[0002]背景技术[0003]复合材料具有轻质量、高强度、高模量、结构功能一体化和设计制造一体化、易于制造大型构件等优点，在航空航天工业中得到广泛的应用。复合材料用量已经成为评价航空航天器的先进性的重要指标之一，所以，复合材料在飞机上的使用量日益增多。随着飞机结构尺寸的不断增大以及飞机复合材料使用量的不断增多，用于制造复合材料构件的专用设备及技术得到迅速发展和广泛应用。复合材料的自动铺设装置主要应用于制造航空航天、船舶、汽车等工业领域的有特殊要求的产品零件。[0004]复合材料自动铺设成型技术是自动丝束铺设成型技术和自动窄带铺设成型技术的统称，是在已有的缠绕技术和自动铺设技术基础上发展起来的一种自动化制造技术。目前的自动铺设技术首先需要制作预浸带，按照基于结构确定的铺层方向和铺层厚度，通过多自由度的铺设头按照一定规律将多组纤维预浸纱束(或窄带)铺设到目标芯模的表面， 铺设过程中同时加热软化预浸纱束(或窄带)，并用压紧辊压实，从而形成制品的型面。最后，将铺设成型品进行加热固化成型，得到成品。[0005]如果使用热压罐、热压机等热固化成型设备，其工艺周期长，导致成本提高。目前， 研究复合材料纤维铺设成型技术的方向就是要取消热固化成型工序，通过将热塑性纤维铺设技术及热固性铺设技术同电子束固化技术结合起来，可以大幅降低制造时间、材料消耗和能源，还可以获得良好的力学性能。但是，电子束固化技术使用电子束做为热源，需要高真空环境以防止电子散射，在加工台上必须设置具有规定空间的一个真空室，从而较大程度上影响了加工的灵活度，此外，所需的抽真空时间，也严重降低了生产效率。[0006]另外，为了保证预浸纱束(或窄带)与模具上原有的铺层具有更好的粘结性，并且防止出现气泡、保证产品质量，制作预浸纱束(或窄带)时需要专门的工艺设备，因此，导致制作工艺复杂、制造费用提高。[0007]实用新型内容[0008]本实用新型为解决现有技术中存在的上述问题点而做出，其目的在于提供一种利用激光的复合材料丝带铺设装置，将激光技术与纤维铺设技术相结合，在复合材料铺设过程中利用激光束对具有一定树脂含量的湿纤维束表面进行逐点扫描，从而加热湿纤维束的被扫描区域表面，使其成为固化状态，然后用压紧辊压实，从而形成制品的型面。因此，加工工艺简单，加工时间缩短，且制造成本降低。[0009]本实用新型提供的一种利用激光的复合材料丝带铺设装置，具有放带卷、涂胶辊、 导向单元以及压辊，其还包括激光装置，其被设置成可朝着被加工构件和上述复合材料丝带的粘合部发射激光束，通过利用发射出的激光束对铺设到被加工构件上的复合材料丝带的粘合面进行逐点扫描，使得被扫描区域表面的薄层产生光聚合反应而达到固化状态。[0010]根据如上所述的本实用新型，由于该技术使用激光连续固化工艺，不需要事先制备和妥善储藏预浸带，取消了预浸纱束/带的制造环节，在复合材料构件的制造过程中直接制作，即作即用，所需设备简单，制造工序得到简化，避免了由于预浸带的失效导致的浪费现象和质量问题，也避免了专门制作预浸带时产生的环境污染，可有效提高复合材料的铺设工艺效率。铺设过程中采用湿纤维束，纤维束中纤维丝的自由度大，可以实现柔性制造。并且，激光连续固化工艺对热固性复合材料体系和热塑性材料体系都可以实现在铺设过程中直接加热固结定型，简化了工艺，降低了成本。激光连续固化工艺可以在大气中进行，不需要真空室，不受加工件尺寸限制；激光连续固化工艺加工柔性大，灵活度高，不受加工件形状限制，能制造复杂、精细的零件；另外，由于激光的波长易被涂有树脂的湿纤维束吸收，且能量集中，热影响区域小，在短时间内迅速对湿纤维束进行加热，实现完全彻底固化，激光连续固化工艺的循环时间大大低于电子束加工。由于光聚合反应是基于光的作用而不是基于热的作用，故在工作时只需功率较低的激光源。[0011]该技术在航空制造领域中实现飞机复合材料构件的自动铺设成型。[0012]本实用新型的有益效果是[0013]1)不需要事先制备和妥善储藏预浸带，制造工序得到简化；[0014]2)避免了由于预浸带的失效导致的浪费现象和质量问题，也避免了专门制作预浸带时产生的环境污染；[0015]3)湿纤维束中纤维丝的自由度大，可以实现柔性制造；[0016]4)激光连续固化工艺对热固性复合材料体系和热塑性材料体系都可以实现在铺设过程中直接加热固结定型；[0017]5)不需加热系统，简化了工艺，降低了成本。[0018]6)操作方便，工艺装备也更简单经济，不受昂贵热压罐尺寸的限制，也不受有关热传递设备的限制，可制备大尺寸制件。
[0019]图1是表示本实用新型涉及的利用激光的复合材料丝带铺设装置的整体结构的示意图。[0020]图2是表示本实用新型涉及的利用激光的复合材料丝带铺设方法的流程图。[0021]附图标记[0022]1放带卷2涂胶辊 3牵引夹持机构[0023]4导向辊5剪切机构6激光装置[0024]7压辊8压辊驱动机构[0025]9复合材料丝带、10已铺设构件表面[0026]11被加工构件具体实施方式
[0027]下面，参照附图详细说明本实用新型的优选实施方式。[0028]图1是表示本实用新型涉及的利用激光的复合材料丝带铺设装置的整体结构的示意图。如该图所示，利用激光的复合材料丝带铺设装置包括作为送丝部分的放带卷1， 缠绕着复合材料丝带，在旋转的同时可送出复合材料丝带，在此，该复合材料丝带例如可以是具有一定树脂含量的湿纤维束；作为涂胶部分的涂胶辊2，对从上述放带卷1送出的复合材料丝带的表面涂胶；作为导向部分的牵引夹持机构3和导向辊4，导引并夹持涂胶后的复合材料丝带，以便伸展平直地输送该复合材料丝带；作为剪切部分的剪切机构5，按规定尺寸剪切该复合材料丝带；做为铺设部分的压辊7和驱动该压辊7的压辊驱动机构8，用于将对齐地铺设在被加工构件11上的复合材料丝带进行压固；以及激光装置6，设置成可朝着被加工构件11和复合材料丝带9的粘合部发射激光束，通过利用发射出的激光束对铺设到被加工构件11上的复合材料丝带9的粘合面进行逐点扫描，使得被扫描区域表面的薄层产生光聚合反应而达到固化状态。在此，该激光装置6优选采用所发出的激光束波长易被吸收、且能量集中的激光源，这样，就可以在短时间内迅速对湿纤维表面进行加热；而且，该激光装置优选为需低功率的激光源。[0029]下面，详细说明利用如上所述的复合材料丝带铺设装置进行的复合材料丝带铺设方法。[0030]首先，随着被电机驱动的放带卷1的转动，从卷绕有复合材料丝带的放带卷1中连续地送出复合材料丝带9。该复合材料丝带9依次经过涂胶辊2、牵引夹持机构3和导向辊 4，其中，在经过涂胶辊2时，涂布在涂胶辊2上的胶被涂抹在上述复合材料丝带9的要粘合到被加工构件11上的一侧表面上。被涂胶的复合材料丝带9由牵引夹持机构3夹持，并且被导向辊4导引的同时，通过剪切机构5之后，被输送到被加工构件11与压辊7之间。[0031]在此，首先是复合材料丝带9的端部与被加工构件11的下端沿对齐并叠加在一起，其他部分的复合材料丝带9与被加工构件11的表面之间稍微隔着距离而未重叠。然后，利用从激光装置6射出的激光束对复合材料丝带9的粘合面进行逐点扫描，使得被扫描区域表面的薄层产生光聚合反应而达到固化状态，同时，利用被气缸等压辊驱动机构8驱动的压辊，将复合材料丝带9依次压固在被加工构件11的表面上。[0032]当该被加工构件11与复合材料丝带9的粘接作业完成之后，剪切机构5按规定尺寸剪切复合材料丝带9。此时，剪切机构5要求确保纤维带在加热前以任意角度被剪切，且切口整齐，不产生毛边。[0033]然后，重复上述操作步骤，执行对下一个被加工构件11的复合材料丝带铺设作业。[0034]虽然在此说明了本实用新型的优选实施方式，但该实施方式是作为示例而提出， 并不限定本实用新型的范围。这些新的实施方式可以由其它的多种方式实施，在不脱离本实用新型的要旨的范围内，可进行多种省略、置换、变更。因此，这些实施方式或该变形包含于本实用新型的范围或要旨中，并包含于权利要求书记载的实用新型与其等同范围内。
权利要求1. 一种利用激光的复合材料丝带铺设装置，具有放带卷、涂胶辊、导向单元以及压辊， 其特征在于，还包括激光装置，其被设置成可朝着被加工构件和上述复合材料丝带的粘合部发射激光束，通过利用发射出的激光束对铺设到被加工构件上的复合材料丝带的粘合面进行逐点扫描，使得被扫描区域表面的薄层产生光聚合反应而达到固化状态。
专利摘要本实用新型涉及一种利用激光的复合材料丝带铺设装置，具有放带卷、涂胶辊、导向单元以及压辊，其中，还包括激光装置，其设置成可朝着被加工构件和上述复合材料丝带的粘合部发射激光束，通过利用该激光束对铺设到被加工构件上的复合材料丝带的粘合面进行逐点扫描，使得被扫描区域表面的薄层产生光聚合反应而达到固化状态。根据本实用新型，利用激光连续固化工艺，在复合材料铺设过程中利用激光束对复合材料丝带表面进行逐点扫描而使其达到固化状态，然后使用压辊压固，从而形成制品的型面。
文档编号B29C35/08GK202283786SQ20112024707
公开日2012年6月27日 申请日期2011年7月13日 优先权日2011年7月13日
发明者史元魁, 王文先, 王智勇, 王有顺, 许并社, 辛立军, 陈玉士 申请人:北京工业大学, 太原理工大学, 山西飞虹激光科技有限公司