一种电加热式热塑性复合材料纤维铺放成型装置及方法与流程

本发明属于热塑性复合材料纤维铺放成型设备技术领域，特别涉及一种电加热式热塑性复合材料纤维铺放成型装置及方法。

背景技术：

复合材料纤维铺放技术是欧美发达国家近30年来广泛发展和应用的低成本制造技术，是复合材料自动化成型的典型代表。与热固性纤维增强复合材料相比，以聚醚醚酮、聚酰亚胺、尼龙为代表的高性能纤维增强热塑性复合材料具有更好的可循环性、抗冲击韧性、抗化学腐蚀性、耐热性等优点，具有广阔的应用前景。但是高性能纤维增强热塑性复合材料往往需要较高的工艺温度，这导致在铺放过程中需要借助高热源的激光、火焰、高温气体等方法对铺放材料进行加热使其成型。这些加热方法中激光加热具有可控性好、加热区间小，瞬时加温快，加热效率高等优点，成为目前热塑性纤维铺放普遍采用的方法。但是激光加热方法需要大型的激光发生器及其控制系统，这导致其作为纤维铺放原位加热源往往需要极高的成本，并需要占用大量的空间和重量，对纤维铺放的运动装置造成极大的负担。除此之外，激光辐射过程中高能热量也会对人体造成损伤，使操作人员难以近距离进行操作，因此对自动化设备的要求也较高。而火焰与高温气体等加热方法目前多见于论文当中，未有工业化应用的先例。虽然与激光加热相比，价格较低，但是难以控制，加热效率差，并且加热区域范围较大，并不适合于工业化高精度的纤维铺放成型方式。因此，对于纤维增强热塑性复合材料纤维铺放成型技术亟需一种高加热效率、低成本、易控制的原位加热方法，以满足高熔点热塑性复合材料的成型要求。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种电加热式热塑性复合材料纤维铺放成型装置及方法，以解决上诉问题。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种电加热式热塑性复合材料纤维铺放成型装置，包括料卷、机架、导向机构、机器人铺放臂、定向压辊、压紧压辊和电源控制器；料卷设置在机架上，料卷用于放置复合材料预浸带料卷；料卷下方的机架上设置有导向机构，机架的顶部与机器人铺放臂固定连接，机架的底部固定设置有定向压辊和压紧压辊；电源控制器设置在机架上，且定向压辊和压紧压辊均连接到电源控制器上。

进一步的，热塑性复合材料的树脂基体为聚丙烯、聚碳酸酯、聚酰胺、聚砜、聚醚醚酮、聚酰亚胺或尼龙热塑性树脂基体中的一种；增强纤维为碳纤维，碳纤维为通用型、高强型、中模高强型、高模型或超高模型碳纤维中的任意一种碳纤维；复合材料预浸带料卷为连续纤维组成的预浸带或非连续短切纤维组成的预浸带。

进一步的，导向机构包括第一导向滚轮和第二导向滚轮，第一导向滚轮设置在靠近料卷的机架上，第二导向滚轮设置在靠近定向压辊的机架上；机架的下方设置有铺设台，铺设台上放置有模具。

进一步的，两个导向滚轮之间的机架上固定设置有预加热装置，预加热装置为中空加热管。

进一步的，复合材料预浸带料卷依次经过第一导向滚轮、预加热装置、第二导向滚轮和定向压辊。

进一步的，机器人铺放臂固定设置在机架的侧面，机器人铺放臂的输出端与机架的顶端固定连接。

进一步的，电源控制器为直流电源或交流电源中的一种；电源控制器的正负极分别接在导向压辊与压紧压辊上。

进一步的，一种电加热式热塑性复合材料纤维铺放成型装置的操作方法，基于上述中任意一项所述的一种电加热式热塑性复合材料纤维铺放成型装置，包括以下步骤：

步骤1，测定热塑性碳纤维复合材料卷的电阻率，参考模压成型方法的压力与温度参数，核算出自动铺放成型所需要的压紧力、铺放速度、电压和电流参数，然后将热塑性碳纤维复合材料卷装在料卷上；

步骤2，将热塑性碳纤维复合材料预浸带经导向机构传输到定向压辊上，预加热机构首先对导出的预浸带进行预加热；

步骤3，然后电源控制器输出的电流由定向压辊传入到热塑性碳纤维预浸带中，再由压紧压辊导出，在此过程中对热塑性碳纤维预浸带进行加热，经过热化的预浸带经过压紧压辊进行压实，从而实现单层热塑性碳纤维预浸带的铺放成型；

步骤4，依此循环，机器人铺放臂按照铺放路径对热塑性碳纤维预浸带进行反复铺放成型，从而实现整个三维实体构件的成型。

进一步的，步骤中机架由机器人铺放臂带动向前移动，使热塑性碳纤维预浸带经过定向压辊铺在模具上，然后随着机架的继续向前移动，铺设在模具上的热塑性碳纤维预浸带接触压紧压辊，由压紧压辊对热塑性碳纤维预浸带进行压紧。

进一步的，电源控制器输出的电流是由步骤核算出的自动铺放成型所需要的电压、电流参数决定的；机器人铺放臂的移动速度和下压力是由步骤核算出的自动铺放成型所需要的压紧力和铺放速度决定的。

与现有技术相比，本发明有以下技术效果：

本发明提出一种电加热的原位固化自动铺放方法，利用碳纤维的导电特性，在铺放过程中对热塑性预浸丝束进行电加热的方法，以解决目前纤维增强热塑性复合材料在原位固化过程中存在的问题。与传统的热塑性复合材料加热方式相比，电流加热方式可获得较高的加热温度，易于实现温度的自动控制和远距离控制；并且采用电流加热可在被加热物体内部直接生热，热效率高，升温速率快；而且不会产生废气、残余物或烟尘等污染物，符合当前绿色制造理念。

本发明通过电加热，相比于激光加热，成本更低，便于推广；同时也避免了激光辐射过程中高能热量对人体造成的损伤。

附图说明

图1为本发明结构图；

其中：1机架、2机器人铺放臂、3导向机构、4预加热机构、5定向压辊、6压紧压辊，7电源控制器，8料卷。

具体实施方式

以下结合附图对本发明进一步说明:

请参阅图1，一种电加热式热塑性复合材料纤维铺放成型装置，包括料卷8、机架1、导向机构3、机器人铺放臂2、定向压辊5、压紧压辊6和电源控制器7；料卷8设置在机架1上，料卷8用于放置复合材料预浸带料卷；料卷8下方的机架1上设置有导向机构3，机架1的顶部与机器人铺放臂2固定连接，机架1的底部固定设置有定向压辊5和压紧压辊6；电源控制器7设置在机架1上，且定向压辊5和压紧压辊6均连接到电源控制器7上。

热塑性复合材料的树脂基体为聚丙烯、聚碳酸酯、聚酰胺、聚砜、聚醚醚酮、聚酰亚胺或尼龙热塑性树脂基体中的一种；增强纤维为碳纤维，碳纤维为通用型、高强型、中模高强型、高模型或超高模型碳纤维中的任意一种碳纤维；复合材料预浸带料卷为连续纤维组成的预浸带或非连续短切纤维组成的预浸带。

导向机构3包括第一导向滚轮和第二导向滚轮，第一导向滚轮设置在靠近料卷8的机架1上，第二导向滚轮设置在靠近定向压辊5的机架1上；机架1的下方设置有铺设台，铺设台上放置有模具。

两个导向滚轮之间的机架1上固定设置有预加热装置4，预加热装置为中空加热管。

复合材料预浸带料卷依次经过第一导向滚轮、预加热装置4、第二导向滚轮和定向压辊5。

机器人铺放臂2固定设置在机架1的侧面，机器人铺放臂2的输出端与机架1的顶端固定连接。

电源控制器7为直流电源或交流电源中的一种；电源控制器7的正负极分别接在导向压辊5与压紧压辊6上。

一种电加热式热塑性复合材料纤维铺放成型装置的操作方法，包括以下步骤：

步骤1，测定热塑性碳纤维复合材料卷的电阻率，参考模压成型方法的压力与温度参数，核算出自动铺放成型所需要的压紧力、铺放速度、电压和电流参数，然后将热塑性碳纤维复合材料卷装在料卷上；

步骤2，将热塑性碳纤维复合材料预浸带经导向机构传输到定向压辊上，预加热机构首先对导出的预浸带进行预加热；

步骤3，然后电源控制器输出的电流由定向压辊传入到热塑性碳纤维预浸带中，再由压紧压辊导出，在此过程中对热塑性碳纤维预浸带进行加热，经过热化的预浸带经过压紧压辊进行压实，从而实现单层热塑性碳纤维预浸带的铺放成型；

步骤4，依此循环，机器人铺放臂按照铺放路径对热塑性碳纤维预浸带进行反复铺放成型，从而实现整个三维实体构件的成型。

步骤3中机架由机器人铺放臂带动向前移动，使热塑性碳纤维预浸带经过定向压辊铺在模具上，然后随着机架的继续向前移动，铺设在模具上的热塑性碳纤维预浸带接触压紧压辊，由压紧压辊对热塑性碳纤维预浸带进行压紧。

电源控制器输出的电流是由步骤1核算出的自动铺放成型所需要的电压、电流参数决定的；机器人铺放臂的移动速度和下压力是由步骤1核算出的自动铺放成型所需要的压紧力和铺放速度决定的。

实施例1：t700/pp热塑性复合材料电加热自动铺放成型

将t700/pp复合材料预浸带料卷装入自动铺放装备中，测定预计带的电阻率，通常在10欧姆左右/100mm，参考模压成型方法的压力与温度参数，核算出自动铺放成型所需要的压紧力、铺放速度、电压、电流参数。

预浸带输送出导向机构，经过预热装置，送入导向压辊，而后机械臂往前运动，预浸带接触压紧压辊，电源控制系统的正负极分别接在导向压辊与压紧压辊上，按照一定的运动速度、电压和电流加载。铺放顺序为[0°/45°/90°/90°/45°/0°]12层，逐层将预浸带铺贴到模具表面，所需温度大约在170℃左右，进行原位加热，加压，冷却固化，得到所需形状和厚度的复合材料构件。

实施例2：t700/pa66热塑性复合材料电加热自动铺放成型

t700/pa66预浸带铺贴顺序为[0°/45°/90°/90°/45°/0°]12，重复实例1的操作，铺放参数，包括压力、速度、电压、电流要参考尼龙66的固化条件进行核算，逐层将预浸带铺贴到模具表面，所需温度大约在290℃左右，进行原位加热，加压，冷却固化，得到所需形状和厚度的复合材料构件。

实施例3：t700/peek热塑性复合材料电加热自动铺放成型

t700/peek预浸带铺贴顺序为[0°/45°/90°/90°/45°/0°]12，重复实例1的操作，铺放参数，包括压力、速度、电压、电流要参考聚醚醚酮的固化条件进行核算，逐层将预浸带铺贴到模具表面，所需温度大约在350℃左右，进行原位加热，加压，冷却固化，得到所需形状和厚度的复合材料构件。