一种碳纤维复合板材及其复杂曲面的数字化成型方法与流程

本发明涉及碳纤维复合板材技术领域，特别涉及一种碳纤维复合板材及其复杂曲面的数字化成型方法。

背景技术：

碳纤维复合板材与其他材料相比具有高强度、高刚度、高断裂韧性、高比模量、高阻尼、制件力学性能优异、安全性高、可设计性强和零部件一体化等特点，已广泛应用到汽车制造、飞机制造、运载火箭等高技术领域。

碳纤维复合板材是工业领域中理想的轻量化材料，其加工成型技术对制件的性能有重要影响。目前碳纤维复合板材及其制品的主要成型方法有热固化成型和热塑化成型两类，这两种方法都需要采用模具。模具造价高昂，可替换性差；无法对成型图案和形状进行及时、灵活地更改与变换。

技术实现要素：

为了克服上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种碳纤维复合板材及其复杂曲面的数字化成型方法，可以对成型图案和形状进行及时、灵活地更改与变换。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种碳纤维复合板材及其复杂曲面的数字化成型方法，包括以下步骤；

步骤一、碳纤维板材制备；

所需原料：若干碳纤维单层板1m×1m、环氧树脂e51、稀释剂692、固化剂；其中，e51环氧树脂的质量占比约为75％-85％、稀释剂692的质量占比约为10％-15％、固化剂的质量占比约为5％-10％；

步骤二、将碳纤维干燥；

步骤三、按质量配比，将e51环氧树脂、稀释剂692、固化剂合搅拌均匀配制基体树脂胶液；

步骤四、碳纤维单层板材由长纤维编织而成，每层的碳纤维丝束成十字交叉排列；碳纤维单层板材平铺、涂胶，1㎡碳纤维板材耗用基体树脂胶液约100g；将步骤三中的得到的基体树脂胶液每层用量约100g，一共铺放3层碳纤维板材，基体树脂胶液总用量约300g；平铺浸透树脂后，进行定型，制成的碳纤维复合制品为1m×1m为厚度5mm的复合板材；

步骤五：定型；

碳纤维复合板材成型后，送入热烘室进行固化；

步骤六、在设备中数控导入建模指令后，数控成型机中的可发热压头1按照建模指令进行顺序动作，设备中的发热压头1将根据建模指令进行长度伸缩、调整并固定，形成压制模具形状；

步骤七，设备压制成型部分为两层发热压头1；各个发热压头1间紧密等间距排列，；

步骤八、运送夹具将碳纤维复合制品运送到数控成型装置上，进行热压；

步骤九、压头降温，待复合制品冷却至室温后，经运送夹具运出设备，制品完成成型。

所述的步骤一中碳纤维单层板含碳量高于90％。

所述的固化剂为二乙烯三胺。

所述的步骤二中干燥条件为150℃/2h。

所述的步骤五中的固化条件为100℃/3h+150℃/2h。

所述的步骤六中的发热压头1最大伸缩范围±500mm。

所述的步骤七中的发热压头1尖端为圆弧状表面，其形状可为直径4～10mm的六棱形、正方形；发热压头1为两层金属结构，所述的发热压头1组成的长4m宽3m的针形模具矩阵，发热温度范围为0～300℃。

所述的步骤八中的碳纤维复合制品按照0.1～0.2m/s的进给速度将碳纤维复合制品运送至发热压头1矩阵中，板材与下方压头接触，发热压头1升温，温度为180-300℃，复合板材软化，设备上下压头以0.02m/s的速度逐渐贴合，贴合后压制碳纤维复合制品30s左右。

本发明的有益效果：

碳纤维复合板材及其复杂曲面的数字化成型方法可实现数字化加工成型、动态调整图案、无需模具、成型快速、制件精度高。与目前碳纤维复合材料的成型工艺(手糊成型、喷射成型、片状模糊成型、层压成型、树脂传递膜塑成型、缠绕成型、注射成型、缠绕成型和拉挤成型等)相比，采用全新的数字化制造技术进行碳纤维复合板材制件的加工制造，能够增加定位精度，使制件的质量得到较大的提升。使用碳纤维复合板材及其复杂曲面数字化成型方法是复杂曲面碳纤维复合板材成型技术的重要方向。

附图说明

图1为本发明步骤四中十字交叉排列的碳纤维丝束。

图2为本发明步骤四中由3层碳纤维单层板压制而成的碳纤维复合板材。

图3为本发明步骤七中上下对称排列的金属发热压头。

图4为本发明步骤八中数控成型装置示意图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步详细说明。

实施例1：

步骤一、碳纤维板材制备；

所需原料：若干碳纤维单层板1m×1m、环氧树脂e51、稀释剂692、二乙烯三胺(固化剂)；其中，e51环氧树脂、稀释剂692、二乙烯三胺的配比关系为80：12.5：7.5

步骤二、将碳纤维干燥，条件为：150℃/2h；

步骤三、按质量配比80:12.5:7.5，将e51环氧树脂、稀释剂692、二乙烯三胺混合搅拌均匀配制基体树脂胶液；

步骤四、碳纤维单层板材由长纤维编织而成，每层的碳纤维丝束成十字交叉排列(见图1)；碳纤维单层板材平铺、涂胶，将步骤三中的得到的基体树脂胶液每层用量为100g，一共铺放3层碳纤维板材，基体树脂胶液用量共300g；平铺浸透树脂后，进行定型(工艺过程详见步骤五至八)，制成的碳纤维复合制品为1m×1m为厚度5mm的复合板材(见图2)。

步骤五：定型；

碳纤维复合板材成型后，送入热烘室进行固化，固化条件为100℃/3h+150℃/2h；

步骤六、在设备中数控导入建模数据后，数控成型机中的可发热压头1进行伸缩调整并固定，设备中的发热压头1将根据建模指令进行长度伸缩，形成压制模具形状；

步骤七，设备压制成型部分由两层金属发热压头1，发热压头1的尖端为圆弧状表面，其形状可为直径4mm的六棱形、正方形；可发热压头1组成的长4m宽3m的针形模具矩阵，发热温度范围为0～300℃，各个发热压头1间紧密排列(见图3)。

步骤八、运送夹具将碳纤维复合制品运送到数控成型装置(见图4)上，按照0.1m/s的进给速度将碳纤维复合制品运送至发热压头1矩阵中，板材与下方压头接触，发热压头1升温至250℃，复合板材软化，设备上下压头以0.02m/s的速度逐渐贴合，贴合后压制碳纤维复合制品30s左右。

步骤九、压头降温，待复合制品冷却至室温后，经运送夹具运出设备，制品完成成型。

实施例2：

步骤一、碳纤维板材制备；

所需原料：若干碳纤维单层板1m×1m、环氧树脂e51、稀释剂692、二乙烯三胺(固化剂)；其中，e51环氧树脂、稀释剂692、二乙烯三胺的配比关系为质量比75：15：10；

步骤二、将碳纤维干燥，条件为：150℃/2h；

步骤三、按质量比75：15：10，将e51环氧树脂、稀释剂692、二乙烯三胺混合搅拌均匀配制基体树脂胶液；

步骤四、碳纤维单层板材由长纤维编织而成，每层的碳纤维丝束成十字交叉排列(见图一)；碳纤维单层板材平铺、涂胶，将步骤三中的得到的基体树脂胶液每层用量为100g，一共铺放3层碳纤维板材，基体树脂胶液用量共300g；平铺浸透树脂后，进行定型(工艺过程详见步骤五至八)，制成的碳纤维复合制品为1m×1m为厚度5mm的复合板材(见图2)。

步骤五：定型；

碳纤维复合板材成型后，送入热烘室进行固化，固化条件为100℃/3h+150℃/2h；

步骤六、在设备中数控导入建模数据后，数控成型机中的可发热压头1进行伸缩调整并固定，设备中的发热压头1将根据建模指令进行长度伸缩，形成压制模具形状；

步骤七，设备压制成型部分由两层金属发热压头1，发热压头1的尖端为圆弧状表面，其形状可为直径10mm的六棱形、正方形；可发热压头1组成的长4m宽3m的针形模具矩阵，发热温度范围为0～300℃，各个发热压头1间紧密排列(见图3)。

步骤八、运送夹具将碳纤维复合制品运送到数控成型装置(见图4)上，按照0.2m/s的进给速度将碳纤维复合制品运送至发热压头1矩阵中，板材与下方压头接触，发热压头1升温至180℃，复合板材软化，设备上下压头以0.02m/s的速度逐渐贴合，贴合后压制碳纤维复合制品45s左右。

步骤九、压头降温，待复合制品冷却至室温后，经运送夹具运出设备，制品完成成型。

实施例3：

步骤一、碳纤维板材制备；

所需原料：若干碳纤维单层板1m×1m、环氧树脂e51、稀释剂692、二乙烯三胺(固化剂)；其中，e51环氧树脂、稀释剂692、二乙烯三胺的配比关系为质量比85：10：5；

步骤二、将碳纤维干燥，条件为：150℃/2h；

步骤三、按质量比85：10：5，将e51环氧树脂、稀释剂692、二乙烯三胺混合搅拌均匀配制基体树脂胶液；

步骤四、碳纤维单层板材由长纤维编织而成，每层的碳纤维丝束成十字交叉排列(见图一)；碳纤维单层板材平铺、涂胶，将步骤三中的得到的基体树脂胶液每层用量为100g，一共铺放3层碳纤维板材，基体树脂胶液用量共300g；平铺浸透树脂后，进行定型(工艺过程详见步骤五至八)，制成的碳纤维复合制品为1m×1m为厚度5mm的复合板材(见图2)。

步骤五：定型；

碳纤维复合板材成型后，送入热烘室进行固化，固化条件为100℃/3h+150℃/2h；

步骤六、在设备中数控导入建模数据后，数控成型机中的可发热压头1进行伸缩调整并固定，设备中的发热压头1将根据建模指令进行长度伸缩，形成压制模具形状；

步骤七，设备压制成型部分由两层金属发热压头1，发热压头1的尖端为圆弧状表面，其形状可为直径10mm的六棱形、正方形；可发热压头1组成的长4m宽3m的针形模具矩阵，发热温度范围为0～300℃，各个发热压头1间紧密排列(见图3)。

步骤八、运送夹具将碳纤维复合制品运送到数控成型装置(见图4)上，按照0.15m/s的进给速度将碳纤维复合制品运送至发热压头1矩阵中，板材与下方压头接触，发热压头1升温至300℃，复合板材软化，设备上下压头以0.02m/s的速度逐渐贴合，贴合后压制碳纤维复合制品20s左右。

步骤九、压头降温，待复合制品冷却至室温后，经运送夹具运出设备，制品完成成型。

实施例4：

步骤一、碳纤维板材制备；

所需原料：若干碳纤维单层板1m×1m、环氧树脂e51、稀释剂692、二乙烯三胺(固化剂)；其中，e51环氧树脂、稀释剂692、二乙烯三胺的配比关系为83.3:9.3:7.4；

步骤二、将碳纤维干燥，条件为：150℃/2h；

步骤三、按质量配比83.3:9.3:7.4，将e51环氧树脂、稀释剂692、二乙烯三胺混合搅拌均匀配制基体树脂胶液；

步骤四、碳纤维单层板材由长纤维编织而成，每层的碳纤维丝束成十字交叉排列(见图1)；碳纤维单层板材平铺、涂胶，将步骤三中的得到的基体树脂胶液每层用量为100g，一共铺放3层碳纤维板材，基体树脂胶液用量共300g；平铺浸透树脂后，进行定型(工艺过程详见步骤五至八)，制成的碳纤维复合制品为1m×1m为厚度5mm的复合板材(见图2)。

步骤五：定型；

碳纤维复合板材成型后，送入热烘室进行固化，固化条件为100℃/3h+150℃/2h；

步骤六、在设备中数控导入建模数据后，数控成型机中的可发热压头1进行伸缩调整并固定，设备中的发热压头1将根据建模指令进行长度伸缩，形成压制模具形状；

步骤七，设备压制成型部分由两层金属发热压头1，发热压头1的尖端为圆弧状表面，其形状可为直径4mm的六棱形、正方形；可发热压头1组成的长4m宽3m的针形模具矩阵，发热温度范围为0～300℃，各个发热压头1间紧密排列(见图3)。

步骤八、运送夹具将碳纤维复合制品运送到数控成型装置(见图4)上，按照0.1m/s的进给速度将碳纤维复合制品运送至发热压头1矩阵中，板材与下方压头接触，发热压头1升温至250℃，复合板材软化，设备上下压头以0.02m/s的速度逐渐贴合，贴合后压制碳纤维复合制品30s左右。

步骤九、压头降温，待复合制品冷却至室温后，经运送夹具运出设备，制品完成成型。