先进复合材料自动铺丝设备研究现状与发展趋势

先进的复合材料由于其高比强度、比模量、大幅减重和良好的耐腐蚀性,已被广泛用于航空航天工业及其他领域。自动铺丝机是实现自动铺丝的必要设备,是影响铺放质量和生产效率的重要环节。因此,研发和改进自动铺丝机,成为制造复合材料复杂构件的最关键的课题之一。本文针对近年来国内外的自动铺丝设备,重点围绕铺丝机机床主体结构、纱架形式、铺丝头压力系统、加热系统与张力系统等方面,对当前自动铺丝机的研究与应用现状进行论述与分析,总结了国内外自动铺丝设备的研究成果,分析了国内外铺丝设备的优势与不足,最后探讨并总结了自动铺丝设备未来的发展趋势,为铺丝机的设计与优化提供了一个参考方向。

民机复合材料自动铺丝液体成型工艺过程若干数字孪生关键技术探讨

基于数字孪生的概念和原理,针对当前具有广阔发展前景的民机复合材料构件制造技术——复合材料自动铺丝液体成型工艺(Automatic fiber placement based liquid composite molding,AFP–LCM)进行了研究。通过对复合材料自动铺丝液体成型工艺关键环节的梳理分析,阐述了建立面向民机复合材料构件制造数字孪生体亟待解决的若干关键技术与思路,提出了一种基于数字孪生的民机复合材料结构制造技术体系架构,并从技术层面和政策层面探讨了该技术落地所面临的关键问题,为数字孪生技术在民机复合材料制造领域深入实践提供策略。

6自由度自动纤维铺放成型机设计与研究

针对复合材料自动铺放设备进行设计及研究,基于自动铺放成型设备运行原理,利用SolidWorks软件建立纤维铺放成型机各个部件的三维模型。以6自由度纤维丝铺放成型虚拟样机关键零部件为研究对象,利用ABAQUS软件进行静力学分析及模态分析,得到了关键零部件的仿真结果。通过分析关键零部件的仿真数据,验证铺放成型机的结构能够满足铺放设备作业时所需的强度、刚度及稳定性等要求。建立了铺放成型虚拟样机仿真模型,得到了芯模及铺放头与机械臂连接处的速度及加速度变化规律,通过分析铺放速度及加速度变化范围,验证了6自由度纤维铺放成型虚拟样机设计的合理性。

大型龙门铺丝机综合误差建模及补偿

为了提高大型龙门自动铺丝(AFP)机的精度,提出重力变形与几何误差综合建模与补偿方法.采用有限元法对龙门铺丝机进行静力学分析,通过工作空间网格化方法建立重力变形模型;基于齐次变换矩阵与切比雪夫多项式建立几何误差模型,结合剔除重力变形的测量数据与Powell算法实现对几何误差参数的辨识;综合重力变形模型和几何误差模型,提出基于综合误差补偿的G代码修正策略.在龙门铺丝机上开展综合误差补偿对比实验,结果表明,补偿前龙门铺丝机误差较大,不能完全满足铺放精度需求,而经过补偿后位置误差和姿态误差均大幅度降低,其中姿态误差减小80%以上,而位置误差减小90%以上,满足铺放精度需求,证明了所提出的综合误差建模和补偿方法的有效性.

复合材料自动铺丝技术研究进展

先进复合材料自动铺丝技术在航空航天领域获得了广泛的应用。本文从自动铺丝机发展历程、自动铺丝工艺技术研究进展、自动铺丝CAD/CAM系统发展以及自动铺丝技术在航空航天领域大型构件上的具体应用出发,综述了国内外自动铺丝技术的研究进展,最后提出了复合材料自动铺丝技术未来研究发展的方向。本文的研究对于复合材料自动铺丝技术的工程实践以及实现复合材料结构“低成本、高性能”制造具备一定的研究意义。

自动铺丝机专利技术综述

目前自动纤维丝铺放技术是实现复合材料高性能制造的重要手段之一,同时也是近年来发展最快、最有效的先进制造技术。本文以自动铺丝机的专利申请作为分析对象,分析了自动铺丝机的专利申请分布情况、核心专利以及重点申请人。

基于拐点光顺的七轴龙门式铺丝机插补算法

针对七轴龙门式自动铺丝机运动过程中,因采用连续短线段的轨迹描述方式而产生的拐点速度不连续的问题,提出基于柔性加减速控制的拐点光顺插补算法。在该插补算法中,首先改进三次Bernstein-Bézier曲线,使其能用3个控制顶点进行定义,然后使用该曲线连接相邻短线段,以保证铺放路径切向连续、曲率连续。利用轨迹误差和曲线性质确定控制顶点的位置,最后在柔性加减速控制方法的基础上对“直线段+过渡曲线段”的铺放路径进行插补运算,并采用标注协调点的方法保证机床在各插补运算阶段的速度和加速度连续。通过仿真分析,表明该插补算法能够保证机床在整个铺放路径上快速平稳运动。

T700/PEEK热塑性自动铺放预浸纱制备质量控制及性能研究

为满足高性能热塑性复合材料自动铺丝(AFP)成型工艺的原材料需求,研究了粉末悬浮法浸渍制备T700/PEEK预浸纱关键工艺参数及预浸料性能,分析聚醚醚酮PEEK浸渍连续碳纤维过程中不同工艺参数(悬浊液浓度、超声功率、张力、牵引速率、浸渍温度、辊压温度及压辊间隙)对预浸纱质量的影响规律,利用扫描电子显微镜(SEM)观察T700/PEEK预浸纱内部孔隙率及界面结合状态,将粉末悬浮法制备的T700/PEEK预浸纱模压制备了热塑性复合材料单向层合板试样,并测试了其热塑性复合材料层间剪切强度和拉伸强度。研究结果表明:预浸纱含胶量与粉末悬浮液浓度变化线性正相关,且随超声功率的增大而升高;浸渍过程中伴随温度的升高以及牵引速率的减小,预浸纱宽度变小、孔隙率降低,随着张力的增大,预浸纱宽度增大、孔隙率降低;辊压成型过程中随着温度的提高以及压辊间隙的减小,预浸纱宽度增大、孔隙率降低。综合考虑各工艺参数的影响规律,获得优化的热塑性预浸纱制备工艺参数:浸渍温度为360~370℃,辊压温度为330℃,压辊间隙为0.1mm,牵引速率为15~20mm/s,张力为7N。扫描电镜结果显示树脂与纤维界面结合紧密,复合材料的孔隙率可降低至1.8%,复合材料层间剪切强度为73.43 MPa,纵向拉伸强度达1.71GPa。

基于红外和可见光图像融合的铺丝缺陷检测方法

为提高纤维自动铺放(AFP)的质量,分析了目前视觉检测技术中单光谱检测技术成像的局限性,提出一种基于深度学习的红外与可见光联合检测缺陷手段以实现对铺放缺陷的检测、定位和分类。利用热红外图像与可见光图像中易检缺陷种类不同的特点,采用特征融合网络将两种光谱信息融合从而改善检测效果。考虑在线检测对实时性要求较高,为提高检测速度,采用单阶段检测网络作为检测框架,并依据纤维缺陷的长宽比分布严重不均的特点分析了单阶段检测网络中基于锚框方法的不足,提出采用无锚框的检测框架,增加改进的特征金字塔网络结构进行多尺度预测。以全类平均正确率(mAP)为衡量指标,实验结果相比单光谱检测方法、基于锚框检测方法和未使用改进特征金字塔结构分别提升了6.30%、6.64%和1.02%。通过Tensor RT加速后检测网络对每张608像素×608像素图像的检测时间小于20 ms,满足实时检测的需求,检测平均召回率超过88%,平均精确率超过82%,满足生产准确度需求。数据在试验台进行离线检测验证得出,并在大型龙门铺丝机上进行了在线测试。