一种激光双光源温辅助碳纤维预浸料铺层装置及方法与流程

本发明属于碳纤维生产设备领域，尤其涉及一种激光双光源温辅助碳纤维预浸料铺层装置及方法。

背景技术

随着装备制造业的发展，对机械产品的性能提出了更严格的要求，碳纤维材料以其优越的力学性能，在各个领域的应用越来越广泛。碳纤维预浸料的强度可以达到钢材的6-12倍，密度只有钢材四分之一。可塑性好，可根据模具形状做成任何形状，成型容易，便于加工，耐腐蚀，寿命长。碳纤维材料最初应用于军事和航空航天领域，目前，由于科技的发展，碳纤维材料广泛应用于轨道交通车辆，电动汽车，卡车，风电叶片，燃料电池，电力电缆，压力容器、公共基础设施，医疗和工业设备，体育休闲产品，以及时尚生活用具等领域。

目前的碳纤维预浸料铺设工艺大多数采用手工铺层，不仅加工效率低，步骤繁琐，人力物力消耗大，经济效益低，而且铺层质量欠佳，贴附性不够，容易和基体脱开。此外，在已知方法中，使用热气筒加热碳纤维预浸料，热气体将碳纤维预浸料带和模具加热到相同的温度，但是热气筒加热面积不易控制，而且不能控制温度变化，只具备单一的加热能力，容易引起预浸料条带的烧蚀。因此，在碳纤维预浸料条带铺设装置或方法中，热气筒这种加热方法已经比较落后。

激光加工技术是一种高效率，高精度的非接触加工方法，而且，激光可以通过光学元件传输和变换，易于实现自动化生产。目前在激光温辅助引导碳纤维预浸料复合材料铺设领域的研究应用几乎没有，因此，本发明提出了这种创新性的装置和方法。

技术实现要素：

本发明根据现有技术的不足与缺陷，提出了一种激光双光源温辅助碳纤维预浸料铺层装置及其方法，目的在于解决了传统人工铺层和热气筒加热存在的铺设效率低，碳纤维预浸料条带铺层质量差的问题。

一种激光双光源温辅助碳纤维预浸料铺层装置，包括压辊、压辊压力控制电机、放料带轮、送带轮、张紧轮、模具、温度传感器、激光控制器、激光头a和激光头b，所述压辊与压辊压力控制电机连接，且压辊与模具前进方向的末端接触，所述放料带轮上的碳纤维预浸料通过张紧轮和送带轮的作用引入模具上的粘合点；所述激光控制器分别连接温度传感器、激光头a和激光头b，所述温度传感器的测量端置于粘合点处。

进一步，所述激光头b的激光方向朝着送带轮和压辊之间的预浸料带照射，实现对这部分预浸料带预热，激光头a朝着压紧区域的预加热碳纤维预浸料和模具照射，实现对该部分预加热碳纤维预浸料加热到所需要的温度；所述激光头a和激光头b的激光头内部设置光束整形器，所述光束整形器由菲涅尔透镜和柱面透镜组成，将激光头a和激光头b的激光光束整形得到矩形光束。

进一步，所述激光控制器控制激光头a和激光头b，产生所需要的功率大小。

进一步，所述激光头a、激光头b和温度传感器与压辊整体随着模具的移动能自动调节，使得模具和待压实碳纤维预紧料可以被连续均匀加热。

进一步，模具形状跟据加工工件形状进行选择。

一种激光双光源温辅助碳纤维预浸料铺层方法，包括以下步骤：

步骤1，对模具进行加工处理，保证模具表面光洁，涂覆脱模剂；

步骤2，，将待压紧碳纤维预浸料通过张紧轮和送带轮机构先引导至处理过的模具的粘合点，通过压辊对其预压紧，保证碳纤维预浸料保持紧绷状；

步骤3，调整两个激光头a、b和温度传感器的初始位置，使激光光束分别照射在粘合点处附近压实区域和送带轮和压辊之间的预浸料带，并且调整温度传感器测量点在粘合点处；

步骤4，先启动激光控制器打开激光头a和激光头b，对模具和碳纤维预浸料先加热，再启动压辊压力控制电机，压辊1开始在待压实碳纤维预浸料与模具之间进行铺层作业；

步骤5，待第一层铺设完毕，关闭压辊压力控制电机，同时关闭激光头a和激光头b，再重复上述步骤铺设第二层；

步骤6，待铺设到工件制造要求厚度时，关闭整个装置，冷却到一定温度时脱模。

本发明的有益效果：本发明通过一套自动铺带代替传统手工方法，实现了自动化，提高了加工效率；本发明通过双激光光源，分别用来预加热和主加热，消除了粘合点处间隙无法被加热的区域；通过温度闭环控制系统，实现了对铺层温度的精确控制，得到最优的铺层质量。

附图说明

图1是本发明装置的工作示意图；

图2是筒形模具的铺带示意图；

图3是激光光束整形系统；

图中：1-压辊，2-压辊控制电机，3-放料带轮，4-送带轮，5-张紧轮，6-模具，7-温度传感器，8-激光控制器，9-激光头a，10-激光头b。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，一种激光双光源温辅助碳纤维预浸料铺层装置，包括压辊1、压辊压力控制电机2、放料带轮3、送带轮4、张紧轮5、模具6、温度传感器7、激光控制器8、激光头a9和激光头b10，所述压辊1与压辊压力控制电机2连接，且压辊1与模具6前进方向的末端接触，所述放料带轮3上的碳纤维预浸料通过张紧轮5和送带轮4的作用引入模具6上的粘合点；所述激光控制器8分别连接温度传感器7、激光头a9和激光头b10，所述温度传感器7的测量端置于粘合点处。

如图2所示，激光头b的激光方向朝着送带轮4和压辊1之间的预浸料带照射，对预浸料带进行预加热，激光头a9朝着压紧区域的待压实碳纤维预浸料和模具6照射，对模具6和待压实碳纤维预紧料均匀加热，激光头a9对预加热过的预浸料带再加热至铺层需要的温度从而将碳纤维预紧料粘结并紧固在模具6表面。同时。激光头a9加热粘合区域处由于存在加热死角，会形成一个未加热区域，此时，激光头b10在预加热碳纤维预浸料带会消除这一区域，且图2中的模具6为圆柱形，图1中为带有波浪形的楔形台进行水平的移动。

双激光光源采用不同功率的主、辅光源，激光头a为主光源激光头，激光控制器8控制激光头a9和激光头b10，使得主光源a的激光头输出光束的最大功率2000w，激光头b10为辅助光源，辅助光源激光头输出光束的最大功率1000w。由于高斯光束中心能量高，会导致加热时温度不均匀，采用图3所示的光束整形系统，通过菲涅尔透镜和柱面透镜把高斯光束整形为均匀的矩形光束，根据不同的碳纤维预浸料宽度，可调整激光头的离焦量满足不同宽度需求。

温度传感器7可以不接触的测量粘合点处的温度，并将采集的温度数据传输至激光控制器8，激光控制器8可以快速且精确的控制双激光头的打开和关闭，以及调节激光头的输出功率。激光头功率的调整依靠一套闭环温度反馈控制系统，由激光控制器8完成，所述激光控制器8可以选用单片机，将整个温度反馈闭环控制系统通过编程写入激光控制器8，来实现闭环控制。温度传感器7可以测量粘合点处的温度，该测量温度作为输入激光控制器8的参数，激光控制器8根据温度参数来调节激光头的各个参数，激光头可以在其固定轴上移动、旋转，来调节激光光束照射点，以实现最佳铺层温度控制。激光控制器8的控制精度取决于多个参数，根据试验研究结果，采用单一变量法，测量不同激光功率下铺层粘结的牢固程度，以及碳纤维预浸料是否出现烧蚀情况，来判断铺层质量。实验结果作为决定激光头参数控制的依据输入到激光头的激光控制器8中，激光控制器8在铺层过程中决策激光参数，通过这一反馈控制方法实现铺层质量最优。

压辊大小可以更换，激光头a9、激光头b10和温度传感器7与压辊1具有随动作用，且在加工过程中压辊可绕其轴转动，模具6向前进给，即保证模具6和待压实碳纤维预紧料可以被连续均匀加热。

具体加工过程包括以下步骤：

步骤一，所需铺层模具进行打磨，清洗和烘干，是保证铺层质量的基础，平整的表面可以确保不会出现夹杂和空隙；

步骤二，将待压紧碳纤维预浸料通过张紧轮5和送带轮4先引导至步骤一处理过的模具的边缘，应确保待压实碳纤维预浸料有一定的预紧力，以保证铺层过程中预浸料带松弛造成的夹层，然后再从模具端部进行压紧；

步骤三，调整两个激光头a9、激光头b10和温度传感器7的初始位置，使激光光束分别照射在送带轮4和压辊1之间的预浸料带和粘合点处附近压实区域，并且调整温度传感器7测量点在粘合点处；

步骤四，先启动控制器打开激光头a9和激光头b10，对模具6和碳纤维预浸料先加热，模具按照进给方向以一定速度进给，压辊开始在待压实碳纤维预浸料与模具之间进行铺层作业。

步骤五，当第一层铺设到末端，切断预浸料带，模具退回到初始位置，第一层铺设完成。

当开始铺设第二层碳纤维预浸料时，此时的模具为带有一层碳纤维预浸料的板材，且在第一层铺设结束时，表面有一定的残余温度，所以在铺设第二层时主光源功率要有所降低，防止烧蚀模具上的第一层碳纤维预浸料，直至铺设带工件所需厚度。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上实施例仅用于说明本发明的设计思想和特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，本发明的保护范围不限于上述实施例。所以，凡依据本发明所揭示的原理、设计思路所作的等同变化或修饰，均在本发明的保护范围之内。