專(zhuān)利名稱：利用激光的復(fù)合材料絲帶鋪設(shè)裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
利用激光的復(fù)合材料絲帶鋪設(shè)裝置技術(shù)領(lǐng)域[0001]本實(shí)用新型涉及一種利用激光的復(fù)合材料絲帶鋪設(shè)裝置，用于在航空制造領(lǐng)域中利用激光裝置輔助鋪設(shè)飛機(jī)用的復(fù)合材料絲帶，屬于激光技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域。[0002]背景技術(shù)[0003]復(fù)合材料具有輕質(zhì)量、高強(qiáng)度、高模量、結(jié)構(gòu)功能一體化和設(shè)計(jì)制造一體化、易于制造大型構(gòu)件等優(yōu)點(diǎn)，在航空航天工業(yè)中得到廣泛的應(yīng)用。復(fù)合材料用量已經(jīng)成為評(píng)價(jià)航空航天器的先進(jìn)性的重要指標(biāo)之一，所以，復(fù)合材料在飛機(jī)上的使用量日益增多。隨著飛機(jī)結(jié)構(gòu)尺寸的不斷增大以及飛機(jī)復(fù)合材料使用量的不斷增多，用于制造復(fù)合材料構(gòu)件的專(zhuān)用設(shè)備及技術(shù)得到迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用。復(fù)合材料的自動(dòng)鋪設(shè)裝置主要應(yīng)用于制造航空航天、船舶、汽車(chē)等工業(yè)領(lǐng)域的有特殊要求的產(chǎn)品零件。[0004]復(fù)合材料自動(dòng)鋪設(shè)成型技術(shù)是自動(dòng)絲束鋪設(shè)成型技術(shù)和自動(dòng)窄帶鋪設(shè)成型技術(shù)的統(tǒng)稱，是在已有的纏繞技術(shù)和自動(dòng)鋪設(shè)技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一種自動(dòng)化制造技術(shù)。目前的自動(dòng)鋪設(shè)技術(shù)首先需要制作預(yù)浸帶，按照基于結(jié)構(gòu)確定的鋪層方向和鋪層厚度，通過(guò)多自由度的鋪設(shè)頭按照一定規(guī)律將多組纖維預(yù)浸紗束(或窄帶)鋪設(shè)到目標(biāo)芯模的表面， 鋪設(shè)過(guò)程中同時(shí)加熱軟化預(yù)浸紗束(或窄帶)，并用壓緊輥壓實(shí)，從而形成制品的型面。最后，將鋪設(shè)成型品進(jìn)行加熱固化成型，得到成品。[0005]如果使用熱壓罐、熱壓機(jī)等熱固化成型設(shè)備，其工藝周期長(zhǎng)，導(dǎo)致成本提高。目前， 研究復(fù)合材料纖維鋪設(shè)成型技術(shù)的方向就是要取消熱固化成型工序，通過(guò)將熱塑性纖維鋪設(shè)技術(shù)及熱固性鋪設(shè)技術(shù)同電子束固化技術(shù)結(jié)合起來(lái)，可以大幅降低制造時(shí)間、材料消耗和能源，還可以獲得良好的力學(xué)性能。但是，電子束固化技術(shù)使用電子束做為熱源，需要高真空環(huán)境以防止電子散射，在加工臺(tái)上必須設(shè)置具有規(guī)定空間的一個(gè)真空室，從而較大程度上影響了加工的靈活度，此外，所需的抽真空時(shí)間，也嚴(yán)重降低了生產(chǎn)效率。[0006]另外，為了保證預(yù)浸紗束(或窄帶)與模具上原有的鋪層具有更好的粘結(jié)性，并且防止出現(xiàn)氣泡、保證產(chǎn)品質(zhì)量，制作預(yù)浸紗束(或窄帶)時(shí)需要專(zhuān)門(mén)的工藝設(shè)備，因此，導(dǎo)致制作工藝復(fù)雜、制造費(fèi)用提高。[0007]實(shí)用新型內(nèi)容[0008]本實(shí)用新型為解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的上述問(wèn)題點(diǎn)而做出，其目的在于提供一種利用激光的復(fù)合材料絲帶鋪設(shè)裝置，將激光技術(shù)與纖維鋪設(shè)技術(shù)相結(jié)合，在復(fù)合材料鋪設(shè)過(guò)程中利用激光束對(duì)具有一定樹(shù)脂含量的濕纖維束表面進(jìn)行逐點(diǎn)掃描，從而加熱濕纖維束的被掃描區(qū)域表面，使其成為固化狀態(tài)，然后用壓緊輥壓實(shí)，從而形成制品的型面。因此，加工工藝簡(jiǎn)單，加工時(shí)間縮短，且制造成本降低。[0009]本實(shí)用新型提供的一種利用激光的復(fù)合材料絲帶鋪設(shè)裝置，具有放帶卷、涂膠輥、 導(dǎo)向單元以及壓輥，其還包括激光裝置，其被設(shè)置成可朝著被加工構(gòu)件和上述復(fù)合材料絲帶的粘合部發(fā)射激光束，通過(guò)利用發(fā)射出的激光束對(duì)鋪設(shè)到被加工構(gòu)件上的復(fù)合材料絲帶的粘合面進(jìn)行逐點(diǎn)掃描，使得被掃描區(qū)域表面的薄層產(chǎn)生光聚合反應(yīng)而達(dá)到固化狀態(tài)。[0010]根據(jù)如上所述的本實(shí)用新型，由于該技術(shù)使用激光連續(xù)固化工藝，不需要事先制備和妥善儲(chǔ)藏預(yù)浸帶，取消了預(yù)浸紗束/帶的制造環(huán)節(jié)，在復(fù)合材料構(gòu)件的制造過(guò)程中直接制作，即作即用，所需設(shè)備簡(jiǎn)單，制造工序得到簡(jiǎn)化，避免了由于預(yù)浸帶的失效導(dǎo)致的浪費(fèi)現(xiàn)象和質(zhì)量問(wèn)題，也避免了專(zhuān)門(mén)制作預(yù)浸帶時(shí)產(chǎn)生的環(huán)境污染，可有效提高復(fù)合材料的鋪設(shè)工藝效率。鋪設(shè)過(guò)程中采用濕纖維束，纖維束中纖維絲的自由度大，可以實(shí)現(xiàn)柔性制造。并且，激光連續(xù)固化工藝對(duì)熱固性復(fù)合材料體系和熱塑性材料體系都可以實(shí)現(xiàn)在鋪設(shè)過(guò)程中直接加熱固結(jié)定型，簡(jiǎn)化了工藝，降低了成本。激光連續(xù)固化工藝可以在大氣中進(jìn)行，不需要真空室，不受加工件尺寸限制；激光連續(xù)固化工藝加工柔性大，靈活度高，不受加工件形狀限制，能制造復(fù)雜、精細(xì)的零件；另外，由于激光的波長(zhǎng)易被涂有樹(shù)脂的濕纖維束吸收，且能量集中，熱影響區(qū)域小，在短時(shí)間內(nèi)迅速對(duì)濕纖維束進(jìn)行加熱，實(shí)現(xiàn)完全徹底固化，激光連續(xù)固化工藝的循環(huán)時(shí)間大大低于電子束加工。由于光聚合反應(yīng)是基于光的作用而不是基于熱的作用，故在工作時(shí)只需功率較低的激光源。[0011]該技術(shù)在航空制造領(lǐng)域中實(shí)現(xiàn)飛機(jī)復(fù)合材料構(gòu)件的自動(dòng)鋪設(shè)成型。[0012]本實(shí)用新型的有益效果是[0013]1)不需要事先制備和妥善儲(chǔ)藏預(yù)浸帶，制造工序得到簡(jiǎn)化；[0014]2)避免了由于預(yù)浸帶的失效導(dǎo)致的浪費(fèi)現(xiàn)象和質(zhì)量問(wèn)題，也避免了專(zhuān)門(mén)制作預(yù)浸帶時(shí)產(chǎn)生的環(huán)境污染；[0015]3)濕纖維束中纖維絲的自由度大，可以實(shí)現(xiàn)柔性制造；[0016]4)激光連續(xù)固化工藝對(duì)熱固性復(fù)合材料體系和熱塑性材料體系都可以實(shí)現(xiàn)在鋪設(shè)過(guò)程中直接加熱固結(jié)定型；[0017]5)不需加熱系統(tǒng)，簡(jiǎn)化了工藝，降低了成本。[0018]6)操作方便，工藝裝備也更簡(jiǎn)單經(jīng)濟(jì)，不受昂貴熱壓罐尺寸的限制，也不受有關(guān)熱傳遞設(shè)備的限制，可制備大尺寸制件。


[0019]圖1是表示本實(shí)用新型涉及的利用激光的復(fù)合材料絲帶鋪設(shè)裝置的整體結(jié)構(gòu)的示意圖。[0020]圖2是表示本實(shí)用新型涉及的利用激光的復(fù)合材料絲帶鋪設(shè)方法的流程圖。[0021]附圖標(biāo)記[0022]1放帶卷2涂膠輥 3牽引夾持機(jī)構(gòu)[0023]4導(dǎo)向輥5剪切機(jī)構(gòu)6激光裝置[0024]7壓輥8壓輥驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)[0025]9復(fù)合材料絲帶、10已鋪設(shè)構(gòu)件表面[0026]11被加工構(gòu)件具體實(shí)施方式
[0027]下面，參照附圖詳細(xì)說(shuō)明本實(shí)用新型的優(yōu)選實(shí)施方式。[0028]圖1是表示本實(shí)用新型涉及的利用激光的復(fù)合材料絲帶鋪設(shè)裝置的整體結(jié)構(gòu)的示意圖。如該圖所示，利用激光的復(fù)合材料絲帶鋪設(shè)裝置包括作為送絲部分的放帶卷1， 纏繞著復(fù)合材料絲帶，在旋轉(zhuǎn)的同時(shí)可送出復(fù)合材料絲帶，在此，該復(fù)合材料絲帶例如可以是具有一定樹(shù)脂含量的濕纖維束；作為涂膠部分的涂膠輥2，對(duì)從上述放帶卷1送出的復(fù)合材料絲帶的表面涂膠；作為導(dǎo)向部分的牽引夾持機(jī)構(gòu)3和導(dǎo)向輥4，導(dǎo)引并夾持涂膠后的復(fù)合材料絲帶，以便伸展平直地輸送該復(fù)合材料絲帶；作為剪切部分的剪切機(jī)構(gòu)5，按規(guī)定尺寸剪切該復(fù)合材料絲帶；做為鋪設(shè)部分的壓輥7和驅(qū)動(dòng)該壓輥7的壓輥驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)8，用于將對(duì)齊地鋪設(shè)在被加工構(gòu)件11上的復(fù)合材料絲帶進(jìn)行壓固；以及激光裝置6，設(shè)置成可朝著被加工構(gòu)件11和復(fù)合材料絲帶9的粘合部發(fā)射激光束，通過(guò)利用發(fā)射出的激光束對(duì)鋪設(shè)到被加工構(gòu)件11上的復(fù)合材料絲帶9的粘合面進(jìn)行逐點(diǎn)掃描，使得被掃描區(qū)域表面的薄層產(chǎn)生光聚合反應(yīng)而達(dá)到固化狀態(tài)。在此，該激光裝置6優(yōu)選采用所發(fā)出的激光束波長(zhǎng)易被吸收、且能量集中的激光源，這樣，就可以在短時(shí)間內(nèi)迅速對(duì)濕纖維表面進(jìn)行加熱；而且，該激光裝置優(yōu)選為需低功率的激光源。[0029]下面，詳細(xì)說(shuō)明利用如上所述的復(fù)合材料絲帶鋪設(shè)裝置進(jìn)行的復(fù)合材料絲帶鋪設(shè)方法。[0030]首先，隨著被電機(jī)驅(qū)動(dòng)的放帶卷1的轉(zhuǎn)動(dòng)，從卷繞有復(fù)合材料絲帶的放帶卷1中連續(xù)地送出復(fù)合材料絲帶9。該復(fù)合材料絲帶9依次經(jīng)過(guò)涂膠輥2、牽引夾持機(jī)構(gòu)3和導(dǎo)向輥 4，其中，在經(jīng)過(guò)涂膠輥2時(shí)，涂布在涂膠輥2上的膠被涂抹在上述復(fù)合材料絲帶9的要粘合到被加工構(gòu)件11上的一側(cè)表面上。被涂膠的復(fù)合材料絲帶9由牽引夾持機(jī)構(gòu)3夾持，并且被導(dǎo)向輥4導(dǎo)引的同時(shí)，通過(guò)剪切機(jī)構(gòu)5之后，被輸送到被加工構(gòu)件11與壓輥7之間。[0031]在此，首先是復(fù)合材料絲帶9的端部與被加工構(gòu)件11的下端沿對(duì)齊并疊加在一起，其他部分的復(fù)合材料絲帶9與被加工構(gòu)件11的表面之間稍微隔著距離而未重疊。然后，利用從激光裝置6射出的激光束對(duì)復(fù)合材料絲帶9的粘合面進(jìn)行逐點(diǎn)掃描，使得被掃描區(qū)域表面的薄層產(chǎn)生光聚合反應(yīng)而達(dá)到固化狀態(tài)，同時(shí)，利用被氣缸等壓輥驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)8驅(qū)動(dòng)的壓輥，將復(fù)合材料絲帶9依次壓固在被加工構(gòu)件11的表面上。[0032]當(dāng)該被加工構(gòu)件11與復(fù)合材料絲帶9的粘接作業(yè)完成之后，剪切機(jī)構(gòu)5按規(guī)定尺寸剪切復(fù)合材料絲帶9。此時(shí)，剪切機(jī)構(gòu)5要求確保纖維帶在加熱前以任意角度被剪切，且切口整齊，不產(chǎn)生毛邊。[0033]然后，重復(fù)上述操作步驟，執(zhí)行對(duì)下一個(gè)被加工構(gòu)件11的復(fù)合材料絲帶鋪設(shè)作業(yè)。[0034]雖然在此說(shuō)明了本實(shí)用新型的優(yōu)選實(shí)施方式，但該實(shí)施方式是作為示例而提出， 并不限定本實(shí)用新型的范圍。這些新的實(shí)施方式可以由其它的多種方式實(shí)施，在不脫離本實(shí)用新型的要旨的范圍內(nèi)，可進(jìn)行多種省略、置換、變更。因此，這些實(shí)施方式或該變形包含于本實(shí)用新型的范圍或要旨中，并包含于權(quán)利要求書(shū)記載的實(shí)用新型與其等同范圍內(nèi)。
權(quán)利要求1. 一種利用激光的復(fù)合材料絲帶鋪設(shè)裝置，具有放帶卷、涂膠輥、導(dǎo)向單元以及壓輥， 其特征在于，還包括激光裝置，其被設(shè)置成可朝著被加工構(gòu)件和上述復(fù)合材料絲帶的粘合部發(fā)射激光束，通過(guò)利用發(fā)射出的激光束對(duì)鋪設(shè)到被加工構(gòu)件上的復(fù)合材料絲帶的粘合面進(jìn)行逐點(diǎn)掃描，使得被掃描區(qū)域表面的薄層產(chǎn)生光聚合反應(yīng)而達(dá)到固化狀態(tài)。
專(zhuān)利摘要本實(shí)用新型涉及一種利用激光的復(fù)合材料絲帶鋪設(shè)裝置，具有放帶卷、涂膠輥、導(dǎo)向單元以及壓輥，其中，還包括激光裝置，其設(shè)置成可朝著被加工構(gòu)件和上述復(fù)合材料絲帶的粘合部發(fā)射激光束，通過(guò)利用該激光束對(duì)鋪設(shè)到被加工構(gòu)件上的復(fù)合材料絲帶的粘合面進(jìn)行逐點(diǎn)掃描，使得被掃描區(qū)域表面的薄層產(chǎn)生光聚合反應(yīng)而達(dá)到固化狀態(tài)。根據(jù)本實(shí)用新型，利用激光連續(xù)固化工藝，在復(fù)合材料鋪設(shè)過(guò)程中利用激光束對(duì)復(fù)合材料絲帶表面進(jìn)行逐點(diǎn)掃描而使其達(dá)到固化狀態(tài)，然后使用壓輥壓固，從而形成制品的型面。
文檔編號(hào)B29C35/08GK202283786SQ20112024707
公開(kāi)日2012年6月27日 申請(qǐng)日期2011年7月13日 優(yōu)先權(quán)日2011年7月13日
發(fā)明者史元魁, 王文先, 王智勇, 王有順, 許并社, 辛立軍, 陳玉士 申請(qǐng)人:北京工業(yè)大學(xué), 太原理工大學(xué), 山西飛虹激光科技有限公司