自动铺放预浸料层间粘结性能研究

【摘要】：自动铺放技术采用数控技术实现预浸料的逐层铺放,是先进树脂基复合材料低成本制造的关键技术之一。预浸料层间粘结性能直接影响铺放质量,甚至决定自动铺放能否顺利进行。本文以大型复合材料构件国产预浸料自动铺放为背景(国家“973”计划:大型复合材料预制件铺放中纤维形态形成机制与精准调控原理,项目编号:2014CB046501),采用自行设计的预浸料粘结性能低速实验装置,研究了铺放温度、铺放压力、铺放速度等铺放工艺参数及预浸料存放时间、铺层方向等诸多因素对国产预浸料层间粘结性能的影响。针对国产预浸料在大型复合材料构件高效自动铺放中的应用,提出了预浸料层间粘结性能高速实验装置方案。(1)运用树脂粘合片理论建立了自动铺放过程中相邻预浸料的贴合模型,并推导出树脂对铺层的浸润面积公式。采用自主设计的预浸料粘结性能低速实验装置,通过单因素及正交实验,研究了不同铺放温度、铺放压力和铺放速度等铺放工艺参数对国产预浸料层间粘结性能的影响,实验结果与理论预期一致。这为大型复合材料构件国产预浸料自动铺放工艺窗口及设备窗口匹配提供了参考。(2)针对自动铺放工程实际,通过粘结性能低速实验,获得了室温环境存放时间对自动铺放过程中预浸料层间粘结性能影响规律,并探讨了相邻铺层方向与预浸料层间粘结性能的作用关系。结果表明:在温度30℃、压力107N、速度100mm/min测试条件下,48h内预浸料层间粘结性能值由14.62N/50mm降低到0.60N/50mm;在温度30℃、压力107N、速度300mm/min测试条件下,0°/90°铺层间粘结性能值是0°/0°的1.97倍。(3)提出了三种预浸料层间粘结性能高速实验装置的方案,通过分析比较各方案的优缺点,完成了高速铺放(60m/min)、气缸加压和红外灯加热预浸料的层间粘结性能实验平台方案设计,该方案两卷预浸带同时剥离、通过张力传感器记录剥离力,消除了预浸料之间摩擦力,进而提高了预浸料层间粘结性能测量的精度,更符合自动铺放实际。(4)在预浸料层间粘结性能高速实验装置系统方案设计的基础上,完成了高速实验装置中红外加热灯、气缸、张力传感器、A/D模块、伺服电机和同步带等元器件的选型,设计了预浸带放卷和导向装置、加热装置、剥离装置、牵引装置、测量装置等子系统,并提出了总体控制方案。