Deviation-Rectifying Control of Carbon Fiber Prepreg Slitting and Winding Machine

With the growing needs of prepreg tapes for the automated fiber placement(AFP),the deviation-rectifying of prepreg in slitting process was investigated on a self-developed 16-tow prepreg slitting and winding machine.The process of slitting and rewinding of prepreg tape was introduced,and the reason of prepreg tape deviation in slitting process was analyzed.In order to ensure the quality of the narrow prepreg slits,the application of the fuzzy PID algorithm in a closed-loop control system was discussed.A fuzzy PID algorithm was designed by combining fuzzy rules and PID controller.By applying it to precise deviation-rectifying control strategy,the automatic control of rectification could be achieved with accuracy of 0.1 mm,which satisfies the requirement of the prepreg tape both in slitting quality and layup quality for AFP.

热塑性预浸带铺放过程的温度历程分析

采用Ansys模拟与实验研究相结合的方法,进行了模型验证,研究了热塑性预浸带自动铺放过程中各层的温度历程。结果表明,各层粘合点的峰值温度均呈先增大后趋于稳定的趋势,由于铸铝底板与预浸带之间的热导率相差太大,温度历程中粘合点峰值温度存在差异。通过模型计算及调控每层铺放的热气温度,各层粘合点的峰值温度达到一致,证明了该方法的有效性。在保证粘合点峰值温度一致的条件下,通过对不同铺放速度进行模拟发现,铺放速度越大,需要调控的热气温度越小,当铺放速度足够大时,即使不对各层的热气温度进行调控,仍能达到消除峰值温度差异的目的。计算结果表明,该速度的临界值为21 mm/s。

预浸料放置时间对芳纶复合材料层间剪切强度影响作用研究

芳纶Ⅲ复合材料制品的性能受成型工艺参数影响,通过对预浸料成型工艺流程分析,发现预浸料的放置时间为影响芳纶Ⅲ复合材料层间剪切强度(Interlaminar Shear Strength,ILSS)的主要参数。为了研究预浸料放置时间对芳纶Ⅲ复合材料层间剪切强度的影响规律和敏感度,采用短梁法层间剪切实验方法,获得预浸料不同放置时间情况下所对应的强度数值。根据实验数据建立该工艺参数对层间剪切强度的回归模型,通过对残差、预测值与实际值对比等检验分析,验证回归模型的可靠性及有效性。使用该回归模型能够准确地给出预浸料不同放置时间下芳纶Ⅲ复合材料的层间剪切强度,并且获得单参数灵敏度曲线。通过对灵敏度曲线的分析,可以确定参数的稳定性和不稳定性范围。实验结果表明,随着放置时间的增长,芳纶Ⅲ复合材料层间剪切强度呈现先增大后减小的趋势,0°/0°、0°/90°、±45°铺层情况对应的预浸料最佳放置时间在10~22 h内,在这一工艺参数范围内可以保证芳纶Ⅲ复合材料具有最大层间剪切强度。

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。

自动铺丝用预浸丝制备工艺研究

针对预浸料特点,提出平刀与圆刀2种分切刀具形式。以分切预浸丝束宽度与边缘质量为评价标准,对比了2种刀具形式对预浸料的分切质量,研究了刀具形式、工艺参数对分切质量的影响。结果显示,由于平刀刀片薄,弯曲模量低,易发生弯曲变形,所得预浸丝束宽度稳定性差;同时,由于刃口始终固定、散热性能差,分切过程中刃口处容易发生树脂堆积,使刀片钝化,影响丝束边缘质量,无法实现对预浸料进行高质量连续式分切。而圆刀分切时,由于刀片旋转,刃口不断变化;独特的刀具形式,降低了刀片在分切过程中的侧向移动,使得圆刀分切能够获得宽度均匀,边缘质量良好的自动铺丝用预浸丝束。

自动铺丝过程中预浸料的侧向弯曲

根据自动铺丝过程中预浸料的受力特点,建立预浸料的侧向弯曲变形模型。利用最小势能原理、瑞利-利兹法以及相关的复合材料力学理论,推导出预浸料侧向屈曲半径公式。研究自动铺丝温度、压力、速度、黏附力等主要工艺参数对侧向弯曲性能的影响,并用自动铺丝机铺放不同半径的预浸料圆弧进行验证。结果表明:随着温度增大、压力和速度减小,预浸料的侧向弯曲性能提高;增加预浸料黏附力可显著提高其侧向弯曲性能,符合理论分析结果。

预浸带铺放过程温度场动态仿真与实验研究

为了测量铺放过程中粘合点温度峰值和复合材料的温度场分布,构建了基于Lab VIEW的温度场在线测量系统。实验中预浸带铺放5层,热风枪稳定温度为200℃。实验结果表明,随着铺放过程的进行,每一层预浸带的温度曲线都出现多个峰值,且峰值逐渐降低,其中第1个峰值即为粘合点温度,平均分别为80.1、91.4、101.3、113、108.3℃,比较可知,各层预浸带粘合点温度逐渐升高。同时,建立了预浸带铺放温度场有限元模型,利用ANSYS中的生死单元以及循环加载技术模拟了预浸带动态铺放过程。有限元模拟结果中的粘合点温度分别为71.8、96.2、104.3、107.9、105.3℃,与实验结果相比误差可控制在10%以内,且粘合点温度越高,其准确性越好。

热塑性复合材料原位成型工艺及关键技术

介绍了原位成型工艺及其两项关键技术的研究与发展过程,根据原位成型技术应用于航天领域的典型型号,提出了原位成型工艺两项关键技术的指标,并对原位成型工艺未来的发展进行了展望。

基于自动铺放技术的热塑性复合材料原位固化成型研究进展：热传导行为及层间性能

纤维增强复合材料具有轻质、高强、性能可设计等特性,在减重、抗疲劳、耐腐蚀、维修性等方面明显优于传统金属材料,在航空航天、交通运输、国防等领域的应用越来越广泛,其中热塑性复合材料具有高韧性、高冲击性、无限储存周期、可回收利用等众多优点。复合材料自动铺放技术成型效率高、自动化程度高,特别适用于大尺寸和复杂构件的制造。同时,热塑性复合材料原位固化技术不断发展和进步,生产效率显著提高,生产成本降低,构件质量得以提升。因此,基于自动铺放技术的热塑性复合材料原位固化成型将会是未来大飞机主承力部件的重要成型方法。然而,热塑性复合材料铺放成型过程经历高温制造,伴随着热力学耦合等相关问题。对于原位固化方法,热源的选择颇为关键,将直接影响铺放成型的效果和效率。在铺放成型过程中,热塑性聚合物分子链受热发生流动,宏观上则是热塑性树脂发生从固态到熔融态再到固态的物理变化。整个成型过程持续时间较短,但又涉及一系列的物理变化,是一个非常复杂的过程,目前已成为国际上高性能热塑性复合材料的研究热点之一。热塑性复合材料纤维铺放成型常用的热源主要包括热空气、激光、超声波、电子束等。其中针对热空气的研究较早,建立了铺层内的热传导理论模型,就铺层基层中温度场展开了许多工作并取得了相应的成果。对激光加热成型获得的铺放构件的诸多研究表明,激光作为热源相比于热空气可以大幅提升层间性能。此外,学者们还提出了不同的理论模型来预测最终的熔合强度,但测试结果显示铺放构件的力学性能不及热压罐固化的构件,进一步的理论和实践探索仍然很有必要。本文主要聚焦基于预浸料自动铺放技术的热塑性复合材料原位固化成型工艺,从工艺过程中的热传导行为、铺层的性能指标两方面介绍或探讨了铺放工艺过程、热传递模型、原位固化热源、铺层间紧密接触度、熔合度及熔合强度等的研究现状。

预浸带铺放过程温度场动态仿真与实验研究

为了测量铺放过程中粘合点温度峰值和复合材料的温度场分布，构建了基于LabVIEW的温度场在线测量系统。实验中预浸带铺放5层，热风枪稳定温度为200℃。实验结果表明，随着铺放过程的进行，每一层预浸带的温度曲线都出现多个峰值，且峰值逐渐降低，其中第1个峰值即为粘合点温度，平均分别为80．1、91．4、101．3、113、108．3℃。由比较可知，各层预浸带粘合点温度逐渐升高。同时，建立了预浸带铺放温度场有限元模型，利用ANSYS中的生死单元以及循环加载技术，模拟了预浸带动态铺放过程。有限元模拟结果中的粘合点温度分别为71．8、96．2、104．3、107．9、105．3℃，与实验结果相比，误差可控制在10％以内，且粘合点温度越高，其准确性越好。

大梁带复合材料铺放系统设计及其仿真

大梁带芯模较长(9m),宽度较窄(50mm),因此将大梁带铺放设备设计为龙门式结构。主要包括X、Y轴直线运动机构和Z轴旋转运动机构。将预浸带铺放过程中所必需的放料装置、除膜装置、张力控制装置、施压装置、剪切装置集中设计在铺放头内部。在Pro/Engineer中建立了大梁带铺放机的三维立体模型,研究大梁带铺放机各机构的运动方式,利用Pro/En-gineer的运动仿真模块对大梁带铺放机的铺放过程进行了计算机仿真。

通过调节工艺参数控制热熔法制备的自动铺丝预浸纱的展开质量

热熔法是高效制备自动铺丝预浸纱的方法,如何保证纤维展开充分、展宽稳定,是预浸纱制备技术的工程难点。本工作在机器视觉检测技术的基础上,以现有的热熔手段作为前提,对自动铺丝预浸纱制备的整体方法进行了分析,搭建了试验平台,研究了预浸纱展开质量的主要工艺参数。利用正交试验分析树脂加热温度、纤维牵引速率、纤维张力及胶膜厚度对预浸纱宽度的影响,进而取得最佳的结合方案。结果表明,胶膜厚度对预浸纱宽度的影响最大,其次为树脂加热温度,第三为纤维张力,纤维牵引速率的影响最小。针对航天用氰酸酯树脂,影响因素的最优组合分别为胶膜厚度0.6 mm,树脂加热温度90℃,纤维张力2 N,纤维牵引速率4 m/min。

基于多丝束预浸铺放机构的恒张力控制技术研究

针对铺放过程的恒张力控制问题,介绍了一种多丝束预浸铺放设备的结构、组成及实现方法;选用宽度为3.2 mm的数根碳纤维丝束为原料,丝束带浸渍树脂胶液后在铺放头和芯模的协调下,从芯模的一端铺放到芯模的另一端;将模糊自整定PID控制技术应用到系统中,提出了双闭环控制方法;采用PLC、旋转编码器、张力传感器、FR93等组成的控制系统,实现了纤维丝束的全自动恒张力铺放。研究结果表明,该方法不仅能达到速度和张力的工艺要求,而且解决了系统受大惯性和干扰的影响,即保持模糊控制的灵活性,又具有PID控制的特点,铺放过程平稳、无离缝、工作可靠、故障率低。

复合材料机器人纤维铺放工艺参数优化

相较于复合材料结构件传统加工方法的劳动密集型和耗时性,机器人纤维铺放技术大大的提高了复合材料成型过程的灵活性,允许制造更为复杂的结构。基于热塑性复合材料机器人纤维铺放成型工艺过程研究,分别对成型过程中紧密接触过程与融合过程进行理论分析,提出影响铺放制品质量的关键工艺参数:热气炬温度、铺放压力和铺放速度;针对圆柱形零件轴向0°铺放成型过程,以层间粘结强度为优化目标,根据响应面法设计实验,建立工艺参数耦合对层间粘结强度影响模型,通过方差分析验证了模型可靠性及有效性,进而获得纤维铺放成型最优工艺参数;实验研究表明,在最优工艺参数作用下,层间剥离力最高为24.1 N,铺放制品粘结强度最高。

NY9200GA树脂体系预浸料自动铺放粘结性工艺研究

为研究NY9200GA环氧树脂体系预浸料的自动铺放粘结性工艺特性,采用自行设计的预浸料粘结性测试装置,通过单因素试验,研究不同铺放工艺条件下预浸料的层间粘结性变化规律;运用正交试验法确定各铺放工艺参数对粘结性的影响程度。结果表明,随着铺放温度的升高,预浸料层间粘结性先增大后降低,在温度为40℃时粘结性出现峰值;铺放压力的增大和速度的减小均会增加预浸料层间的粘结性;温度对预浸料层间粘结性值的影响最大,压力的影响次之。此外,预浸料层间粘结性与放置时间和纤维方向有关,在室温环境中存放的时间越长,预浸料层间的粘结性越低;随着相邻铺层间纤维夹角的增加,预浸料层间粘结性也逐渐增加,其中0°/90°铺层间粘结性是0°/0°的近两倍。

基于热熔法的铺丝用预浸纱含胶量控制

针对轨道飞行器用高模量碳纤维复合材料品种多、批量小、质量要求高的特点,研究自动铺丝用预浸纱制备的质量控制方法。研究了直接热熔法中不同工艺参数对预浸纱含胶量的影响规律,运用正交试验定量分析了诸因素的影响程度,研究结果表明:限位辊与擦胶辊间隙对含胶量的影响最大,其次分别为收卷速率、树脂温度、差速比、放纱张力;制备HS40/CY-10W高模量碳纤维/氰酸酯预浸纱的最优工艺参数为:两辊间隙0.15mm、收卷速率12.56m/min、树脂温度100℃、差速比60%、放纱张力13N。制备的预浸纱宽度稳定、含胶量为34.0±1.0%、离散系数≤0.79%,满足铺丝用精密预浸纱要求。

一种基于直线拟合的预浸料边缘直线在线视觉检测方法

应用在线视觉检测鉴别预浸料的表面缺陷是一项全新的质量控制方法。为精确检测预浸料宽度变化,需将预浸料边缘信息从图像空间变换到参数空间。为解决传统标准Hough变换运算量大的问题,根据"多对一"映射原理,结合预浸料图像特征,提出一种基于"局部-整体"思想的预浸料边缘直线快速检测方法。该算法通过局部区域粗略拟合、误差补偿、噪声筛选,再全局精确拟合等步骤,在保证检测精度的同时,大大提高了检测效率。在具有高斯噪声和脉冲噪声干扰的情况下,该算法的检测精度与Hough变换相当,而运算速度可以提高10倍左右。

预浸带分切卷绕机张力控制研究

以自动铺丝机所需的预浸窄带作为研究背景,结合自行研制的16丝束预浸带分切卷绕机对卷绕张力开展研究,简要分析讨论了卷绕张力对预浸窄带分切质量、卷绕质量的影响。为了保证预浸窄带的分切质量与卷绕质量,区别于传统的PID控制算法,重点探讨分析了模糊PID算法在闭环控制系统中的应用,将其运用到卷绕张力的精确控制策略中,实现了小张力的精确控制。控制精度可达0.1N,满足预浸窄带的分切要求,保证了分切与卷绕质量,提高了铺丝质量。

面向高速铺放预浸料层间粘结性能研究

为了研究自动铺放过程中预浸料层间粘结性能与铺放工艺的关系,自行设计了一套模拟高速铺放过程的预浸料粘结性能测试系统,采用自动铺放和剥离实验分开进行的"两步法"作为粘结性能的测试方法。利用该测试方法研究了CCF300/BA9916-2环氧树脂预浸料的自动铺放粘结性能工艺特性,采用单因素实验,研究了不同铺放工艺参数对预浸料层间粘结性能的影响规律,并运用正交实验,确定了各铺放工艺参数对预浸料层间粘结性能的影响程度。实验结果表明,预浸料层间粘结性能随着铺放压力和铺放温度的增大而增大,随着铺放速度的增大而减小。铺放温度对预浸料层间粘结性能影响最为显著,其次为铺放压力,铺放速度影响最小。

网格铺丝用预浸丝分切性能研究

针对网格铺丝用预浸丝特点,采用国产T800/603B热熔预浸料,根据网格尺寸分切出适合网格铺丝用宽度的预浸丝,以分切5mm和10mm预浸丝为例,开展网格铺丝用预浸丝制备工艺研究,并探究分析分切宽度精度、搭接接头强度及分切预浸丝边缘损伤情况对网格铺丝用预浸丝质量的影响。结果表明:分切出的不同宽度的预浸丝能够满足网格铺丝用预浸丝使用要求。