一种制备连续纤维增强树脂基复合材料构件的装置制造方法及图纸

本发明专利技术涉及一种制备连续纤维增强树脂基复合材料构件的装置，所用部件包括原料储存盘、张力稳定装置、喂料单元、实时监控器、压实辊轮、切料单元和红外加热器等。该装置采用远红外加热，结合纤维铺放与原位固化技术，实现高性能复合材料构件的快速制造，具体工作过程为：原料在喂料单元的控制下往下端输送，通过红外加热实现材料的熔融，然后在压实辊轮的作用下实现上下两层的黏合，循环往复打印出整个构件。本发明专利技术可以应用于航空航天和军事国防等基础领域，突破国外长时间对我国形成的技术垄断，推动我国航空航天用复合材料构件快速制造、快速修复等方面的发展。

A Device for Preparing Continuous Fiber Reinforced Resin Matrix Composite Composites

The invention relates to a device for preparing continuous fiber reinforced resin matrix composite components, which comprises a material storage plate, a tension stabilization device, a feeding unit, a real-time monitor, a compaction roller, a cutting unit and an infrared heater, etc. The device uses far-infrared heating, combined with fiber placement and in-situ curing technology, to achieve rapid manufacturing of high-performance composite components. The specific working process is: raw materials are conveyed to the lower end under the control of the feeding unit, materials are melted by infrared heating, and then the upper and lower layers are bonded under the action of the compaction roller, and the whole component is printed back and forth. The invention can be applied to basic fields such as aerospace and military defense, break through the technology monopoly formed by foreign countries for a long time in China, and promote the development of rapid manufacturing and repairing of aerospace composite components in China.

【技术实现步骤摘要】
一种制备连续纤维增强树脂基复合材料构件的装置
本专利技术涉及一种制备连续纤维增强树脂基复合材料构件的装置，属于先进制造领域。
技术介绍
连续纤维增强树脂基复合材料因其高比强度、良好的抗疲劳特性，及耐腐蚀等特点，近年来获得了大量的工程应用。其发展大都以国防、航空航天需求为牵引，通过材料研发与应用水平的提高，不断的更新换代，现已被推广到航空航天、船舰、交通、能源、建筑、桥梁以及休闲等领域。尤其是在对重量和性能有严苛要求的航空航天领域，复合材料正逐步取代传统金属材料，成为飞机构件的主要制造材料。如波音与空客最新系列飞机中复合材料用量达到了50％以上。国内复合材料在C919大型客机上获得首次使用。先进复合材料在航空领域获得了批量应用并呈现出极快的增长趋势。从复合材料的价值链来看，原材料的附加值为30％，而结构件制造的附加值占55％，预浸料等中间产品占10％。第一项及第三项成本具有相对稳定性，降低结构件的制造成本是关键，而目前有效的方法是采用自动化及大批量生产工艺。以自动铺丝技术为代表的制造技术属于典型的叠层制造工艺，但是现有纤维丝束无法实现原位固化，需要先成形，再进入热压罐固化，其周期很长，无法实现复合材料构件的快速制造，十分不利于我国航空航天复合材料产品快速研制、试制的要求。近二十几年来，作为快速成型领域的一种新兴技术，增材制造技术发展非常迅速，目前已经在航空航天、生物医学、国防军工、工程教育、新产品开发等领域得到应用。增材制造技术又称3D打印技术，与传统的去除材料加工的方法不同，它是通过逐层堆积材料的方式直接制造产品。因此将纤维铺放技术与增材制造技术相结合，采用一体化成型实现复合材料构件的快速制造，可大大降低复合材料产品的制造成本，进一步扩大其市场。当前，高性能复合材料的快速试制、制造，以及快速修复需求迫切，在其他领域快速制造复合材料构件的需求也呈现指数级的发展趋势。我国国内对复合材料构件自动化一体成型装备有需求的使用单位均是从国外进口相关设备，花费数亿元，价格垄断且订货周期较长。然而，由于连续纤维增强复合材料构件自动化一体成型装备的技术壁垒较高，且可以应用于航空航天和军事国防等基础领域，因此国外长时间对我国形成技术垄断，从根本上限制了我国航空航天用复合材料构件快速制造、快速修复等方面的发展。美国Markforged公司开发了桌面级基于热塑性树脂的复合材料快速成型设备，采用玻璃纤维、碳纤维、Kevlar纤维预浸带作为原料进行增材制造，其打印的构件强度可以达到甚至超过铝件，但这设备在我国的售价是北美的3倍。因此开发高性能连续纤维增强树脂基复合材料构件的新型制备装置，并突破制造设备及相关零部件的技术难关，实现复合材料构件自动化制造的国产化，对我国航空航天等领域的发展显得尤为重要。
技术实现思路
本专利技术的目的提供一种制备连续纤维增强树脂基复合材料构件的装置，其工作原理为采用远红外加热，结合纤维铺放与原位固化技术，实现高性能复合材料构件的快速制造。本专利技术的另外一个目的是提供一种制备连续纤维增强树脂基复合材料构件的工艺过程。为实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：一种连续纤维增强树脂基复合材料构件的制备装置，其特征在于：所用部件包含原料储存盘(1)、张力稳定装置(2)、喂料单元(3)、实时监控器(4)、压实辊轮(5)、切料单元(6)和红外加热器(7)。所述的张力稳定装置(2)为具有缓冲功能的张力调控机构，用来解决纤维模量大而导致的张力突变问题，确保张力的一致性，保证打印精度。所述的实时监控器(4)为视频监控，可以观测整个打印过程，实时了解打印进度，确保打印过程的安全性和可靠性。所述的红外加热器(7)为远红外加热，波长为10-100um，可实现对原料的快速加热，确保打印过程中热塑性材料可以均匀熔融。所述的切料单元(6)为超声波切割，利用波能量进行切割加工，避免原料崩边或破损而影响打印精度。该装置的工作流程为：原料在喂料单元(3)的控制下往下端输送，通过红外加热器(7)加热实现材料的熔融，然后在压实辊轮(5)的作用下实现上下两层的黏合，循环往复打印出整个构件。所用的原料为窄带热塑性树脂纤维预浸料，其宽度为3-10mm，纤维含量为30-50wt％，纤维可以是碳纤维、玻璃纤维或芳纶纤维。附图说明图1是连续纤维增强树脂基复合材料构件的制备装置的示意图。具体实施方式为让本专利技术的技术手段和创作特征更明显易懂，下面结合附图，进一步阐述本专利技术。参照附图1，一种连续纤维增强树脂基复合材料构件的制备装置，所用部件包括原料储存盘、张力稳定装置、喂料单元、实时监控器、压实辊轮、切料单元和红外加热器。原料储存盘为中空圆形，可以绕固定轴中心转动。原料为窄带热塑性树脂纤维预浸料，热塑性树脂可以是尼龙6、尼龙66、聚苯硫醚或聚醚醚酮等工程塑料，纤维可以是碳纤维、玻璃纤维或芳纶纤维，纤维含量为30-50wt％。窄带热塑性树脂纤维预浸料宽度为3-10mm。张力稳定装置为具有缓冲功能的张力调控机构，采用模糊的PID算法来解决纤维模量大而导致的张力突变问题，确保张力的一致性，保证打印精度。而实时监控器为视频监控，可以观测整个打印过程，实时了解打印进度，确保打印过程的安全性和可靠性。该装置制备过程为：预浸带在喂料单元的控制下往下端输送，通过红外加热实现预浸带中热塑性材料的熔融，然后在压实辊轮的作用下实现上下两层的黏合，循环往复打印出整个构件。喂料单元为大功率步进电机，包括主动轮和从动轮，采用金属齿轮进行咬合以确保下料精度，避免电机失步。红外加热器为远红外加热装置，其波长为10-100um，加热温度可达500-600℃，可实现对原料由内而外快速加热，具有较高的加热效率，确保打印过程中热塑性材料可以均匀熔融。压实辊轮为聚氨酯包胶轮，其邵氏硬度为50-70，可以实现对材料全方位压实，辊轮压力控制在10MPa-100MPa。若要实现打印头的空走，则需要切料单元把预浸带进行切断，切料单元为超声波切割，利用波能量进行切割加工，避免原料崩边或破损而影响打印精度。本专利技术的运动控制单元可采用六自由度机械臂，利用了其灵活性，可以以任意角度和任意运动轨迹进行3D打印，对连续纤维树脂基预浸带进行拼接和编织，从而制造出连续纤维增强树脂基复合材料结构件。若采用碳纤维增强聚苯硫醚预浸带，碳纤维含量为30％，作为原料，打印构件的拉伸强度可达350MPa，层间剪切强度可达60MPa。本专利技术不仅适用于大型零件的制造，也适合小型零件的大批量制造，大大地减少了制造成本和生产周期，进一步推动高性能复合材料零件的广泛应用。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种制备连续纤维增强树脂基复合材料构件的装置，其特征在于：所用部件包含原料储存盘(1)、张力稳定装置(2)、喂料单元(3)、实时监控器(4)、压实辊轮(5)、切料单元(6)和红外加热器(7)。

【技术特征摘要】
1.一种制备连续纤维增强树脂基复合材料构件的装置，其特征在于：所用部件包含原料储存盘(1)、张力稳定装置(2)、喂料单元(3)、实时监控器(4)、压实辊轮(5)、切料单元(6)和红外加热器(7)。2.根据权利要求1所述的制备装置，其特征在于：所述的张力稳定装置(2)为具有缓冲功能的张力调控机构，用来解决纤维模量大而导致的张力突变问题，确保张力的一致性，保证打印精度。3.根据权利要求1所述的制备装置，其特征在于：所述的实时监控器(4)为视频监控，可以观测整个打印过程，实时了解打印进度，确保打印过程的安全性和可靠性。4.根据权利要求1所述的制备装置，其特征在于：所述的红外加热器(7)为远红外加热，波...

【专利技术属性】
技术研发人员：王剑磊，吴立新，
申请(专利权)人：中国科学院福建物质结构研究所，
类型：发明
国别省市：福建,35