CN107718603A - 一种碳纤维机械臂的臂杆的hsm制造工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种碳纤维机械臂的臂杆的HSM制造工艺。首先裁切热自膨胀高能胶，纤维预浸布，预埋管；把热自膨胀高能胶包裹预埋管放入芯材模具，合模加热到80‑100℃，维持3‑30分钟，在此温度下，热自膨胀高能胶预先微膨胀，充满芯材模腔，冷却脱模取出预型芯材；再将纤维预浸布再包裹在预型芯材外，获得预制件，放入成型模具内，合模加热到成型温度120‑180℃，成型时间为10‑60分钟；冷却脱模，取件，即得碳纤维机械臂的臂杆。本发明所得碳纤维机械臂的臂杆应承载能力大，刚性好，自重轻。在抓取工件时动作平稳、运动的速度快，定位精度好。
Description
技术领域
本发明属于自动化机械装置领域，具体涉及一种碳纤维机械臂的臂杆的HSM制造工艺。
背景技术
机械手臂是机械人技术领域中得到最广泛实际应用的自动化机械装置，在工业制造、医学治疗、娱乐服务、军事、半导体制造以及太空探索等领域都能见到它的身影。尽管它们的形态各有不同，但它们都有一个共同的特点，就是能够接受指令，精确地定位到三维(或二维)空间上的某一点进行作业。
机械手臂设计过程中要求手臂应承载能力大，刚性好，自重轻。手臂的刚性直接影响到手臂抓取工件时动作的平稳性、运动的速度和定位精度。如刚性差则会引起手臂在垂直平面内的弯曲变形和水平面内侧向扭转变形，手臂就要产生振动，或动作时工件卡死无法工作。为此，手臂一般都采用刚性较好的导向杆来加大手臂的刚度，各支承、连接件的刚性也要有一定的要求，以保证能承受所需要的驱动力。
金属机械臂的重量较重，操作精准和稳定性受到限制，因此对机械臂的轻量化提出更高的要求，这方面正是碳纤维复材机械臂的优势所在。
目前的碳纤维复合材料成型主要有如下工艺方式：
一、手糊工艺，设备投入少，制品外观优良，但也存在如下问题：1、溶剂挥发污染环境，同时危害健康，不环保；2、纤维材料层间结合力不佳，制品强度不够高；3、固化过程缓慢，生产效率低，虽然成本低，个人容易DIY生产，但是不适合量产。
二、芯材模压工艺，制品在成型时的压力来自外部压机，即采用硬质泡沫芯材外包胶结层然后再外包裹纤维预浸布预型好，其中所用的硬质泡沫材料有PMI,PU,PVC,巴沙木等需要先经过CNC切割成预先形状芯材,放入模腔内，加热加压，树脂固化成型获得制品，效率较高，存在的问题：1、工序复杂硬质泡沫芯材需要预先CNC切割，增加设备投入，2、泡沫材料与纤维预浸布必须额外加入胶结层，增加物料成本，3、由于受力不均，难以获得优良的制品外观；4、芯材在模压成型过程中不存在由内向外的膨胀力因此纤维的层间结合力不佳，结合不均一，容易脱层造成制品的整体强度下降；5、大尺寸的工件，需要大型吨位的压机，设备投入大，不利于普及。
三、热压罐工艺，用真空袋密封复合材料坯件组合件放入热压罐中，在加热、加压的条件下进行固化成型制备复合材料制件的一种工艺方法。存在问题，其一中空结构难以实现；其二间歇生产模式，生产效率较低，难以满足机械臂领域的批量化生产要求。
四、吹气热压工艺，借助于气体压力使闭合在模具中的原料吹胀形成中空制品的方法，可成型性能好(如低应力)、可成型具有复杂起伏曲线(形状)的制品。该方法可以通过尼龙风管在中部吹气的方式实现机械臂的中空结构，现阶段存在问题：1、吹气热压成型，在该行业存在由于漏气产生的3-5％的不良率；2、需要吹气设备的投入；3、纤维预浸布包裹高能胶获得的预制品由于非立体支撑结构导致制品尺寸难以稳定控制，容易产生最终制品内纤维铺层错位等不良率现象；4、属于间歇式生产作业方式，生产效率低下；5、受到风管形状的限制复杂制品难以适用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种抗弯强度高，轻质，高强，成本低的碳纤维机械臂的制造工艺。其中HSM为Heat Self Molding的缩写。
为了实现本发明目的，本发明提供一种碳纤维机械臂的臂杆的HSM制造工艺，其特征在于，步骤包括：
1)裁切热自膨胀高能胶，纤维预浸布和预埋管；
2)把热自膨胀高能胶包裹预埋管放入芯材模具，合模加热到80-100℃，维持3-30分钟，在此温度下，热自膨胀高能胶预先微膨胀，充满芯材模腔，冷却脱模取出预型芯材；
3)将纤维预浸布再包裹在预型芯材外，获得预制件，放入成型模具内，合模加热到成型温度120-180℃，成型时间为10-60分钟；冷却脱模，取件，即得碳纤维机械臂的臂杆。
进一步，所述可塑形预型的热自膨胀高能胶的再膨胀强度≤纯复材制品在1％形变下的抗变形强度。
进一步，所述纤维预浸布为碳纤维预浸布、玻璃预浸布或者芳纶预浸布。
进一步，所述预埋管是塑料管或碳纤维复材管或金属管。
进一步，所述高能胶是指在一定温度范围内可以启动膨胀的热固复合材料，其启动膨胀温度60-120℃，最佳膨胀温度范围100-180℃，失效膨胀温度大于180℃，受热维持时间10-60分钟，在最佳膨胀温度范围100-180℃内膨胀前后体积倍率1-50倍，膨胀后产生的压力范围0.1-20MPa。
本发明的优势：
1.不需要额外的设备,支撑任意形状的芯材；
2.高能胶自身受热具有胶接的能力，不需要额外的胶结层，节约材料；
3.受热时高能胶具有向外膨胀的力，从而获得轻质，高强；同时使用高能胶后可减少纤维预浸布的使用量，降低了生产成本；
4.本发明的高能胶不需要抽出来，故制备得到的机械臂为填充结构，抗弯强度更高。
5.经过第一步的热自膨胀高能胶预型获得预型芯材，不同于以往薄膜片材高能胶的2D结构，可以获得3D芯材，因此更加适合需要立体支撑的纤维预浸布的包裹件，这样包裹后的制品尺寸更加接近最终的形状，在下一步加热膨胀固化成型时，不会因为膨胀前后的尺寸变化过大造成纤维材料在膨胀过程中拉扯变形，影响制品的批次稳定性，以及克服由于受力不均产生的应力集中，造成制品翘曲等不良率。
6.由于采用第一步预制芯材的操作,会获得精确尺寸的预制制品芯材,可以更好的控制制品的尺寸精度,提高制品良率；
7.预制芯材在第二步与纤维复材成型过程中,会受到内部预制芯材受热的再次膨胀力,致使纤维复材受到由内到外的挤压力,从而提升了层间结合力,导致制品最终的强度进一步提升；
8.本发明要求的热自膨胀高能胶所产生由内而外的膨胀强度≤纯复材制品在1％形变下的抗变形强度,可以有效避免制品后续加热变形,克服由此产生的制品不良率。
附图说明：
图1是碳纤维机械臂的臂杆单元结构示意图。
图2是碳纤维机械臂的臂杆的截面示意图。
图3是碳纤维机械臂的臂杆在模具内成型时的截面示意图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。实施例中未注明具体技术或条件者，按照本领域内的文献所描述的技术或条件或者按照产品说明书进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市购获得的常规产品。
其中所用高能胶产品来自，厦门市豪尔新材料股份有限公司生产的高能胶/HR-313或高能胶/HR-330。
以下实施例结合图1-3。其中1是碳纤维机械臂的臂杆，2是金属接口件，3是纤维预浸布，4是热自膨胀高能胶，5是预埋管，6是上模具，7是下模具。
实施例1：碳纤维机械臂的臂杆的制备工艺
1)裁切高能胶，纤维预浸布和预埋管；
2)把热自膨胀高能胶包裹预埋管放入芯材模具，加热到80℃，维持15分钟，在此温度下，热自膨胀高能胶预先微膨胀，充满芯材模腔，冷却脱模去除预型芯材；
3)将纤维预浸布再包裹在预型芯材外，获得预制件，放入成型模具内，合模加热到成型温度150℃，成型时间为15分钟；冷却，脱模，取件，即得碳纤维机械臂的臂杆。
所述纤维预浸布为碳纤维预浸布。
所述预埋管可以是塑料管或碳纤维复材管或金属管。
本实施例制备得到的碳纤维机械臂应承载能力大，刚性好，自重轻。在抓取工件时动作平稳、运动的速度快，定位精度好。
实施例2：碳纤维机械臂的臂杆的制备工艺
1)裁切高能胶，纤维预浸布和预埋管；
2)把热自膨胀高能胶包裹预埋管放入芯材模具，加热到100℃，维持3分钟，在此温度下，热自膨胀高能胶预先微膨胀，充满芯材模腔，冷却脱模去除预型芯材；
3)将纤维预浸布再包裹在预型芯材外，获得预制件，放入成型模具内，合模加热到成型温度120℃，成型时间为60分钟；冷却，脱模，取件，即得碳纤维机械臂的臂杆。
所述纤维预浸布为碳纤维预浸布。
所述预埋管可以是塑料管或碳纤维复材管或金属管。
本实施例制备得到的碳纤维机械臂应承载能力大，刚性好，自重轻。在抓取工件时动作平稳、运动的速度快，定位精度好。
所述纤维预浸布为碳纤维预浸布。
所述预埋管可以是塑料管或碳纤维复材管或金属管。
本实施例制备得到的碳纤维机械臂应承载能力大，刚性好，自重轻。在抓取工件时动作平稳、运动的速度快，定位精度好。
实施例3：碳纤维机械臂的臂杆的制备工艺
1)裁切高能胶，纤维预浸布和预埋管；
2)把热自膨胀高能胶包裹预埋管放入芯材模具，加热到90℃，维持30分钟，在此温度下，热自膨胀高能胶预先微膨胀，充满芯材模腔，冷却脱模去除预型芯材；
3)将纤维预浸布再包裹在预型芯材外，获得预制件，放入成型模具内，合模加热到成型温度180℃，成型时间为10分钟；冷却，脱模，取件，即得碳纤维机械臂的臂杆。
所述纤维预浸布为碳纤维预浸布。
所述预埋管可以是塑料管或碳纤维复材管或金属管。
本实施例制备得到的碳纤维机械臂应承载能力大，刚性好，自重轻。在抓取工件时动作平稳、运动的速度快，定位精度好。
所述纤维预浸布可以为玻璃预浸布或玻璃预浸布。
所述预埋管可以是塑料管或碳纤维复材管或金属管。
本实施例制备得到的碳纤维机械臂应承载能力大，刚性好，自重轻。在抓取工件时动作平稳、运动的速度快，定位精度好。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
Claims (5)
1.一种碳纤维机械臂的臂杆的HSM制造工艺，其特征在于，步骤包括：
1)裁切热自膨胀高能胶，纤维预浸布和预埋管；
2)把热自膨胀高能胶包裹预埋管放入芯材模具，合模加热到80-100℃，维持3-30分钟，在此温度下，热自膨胀高能胶预先微膨胀，充满芯材模腔，冷却脱模取出预型芯材；
3)将纤维预浸布再包裹在预型芯材外，获得预制件，放入成型模具内，合模加热到成型温度120-180℃，成型时间为10-60分钟；冷却脱模，取件，即得碳纤维机械臂的臂杆。
2.权利要求1所述碳纤维机械臂的臂杆的HSM制造工艺，其特征在于，所述可塑形预型的热自膨胀高能胶的再膨胀强度≤纯复材制品在1％形变下的抗变形强度。
3.权利要求1所述碳纤维机械臂的臂杆的HSM制造工艺，其特征在于，所述纤维预浸布为碳纤维预浸布、玻璃预浸布或者芳纶预浸布。
4.权利要求1所述碳纤维机械臂的臂杆的HSM制造工艺，其特征在于，所述预埋管是塑料管或碳纤维复材管或金属管。
5.权利要求1所述碳纤维机械臂的臂杆的HSM制造工艺，其特征在于，所述高能胶是指在一定温度范围内可以启动膨胀的热固复合材料，其启动膨胀温度60-120℃，最佳膨胀温度范围100-180℃，失效膨胀温度大于180℃，受热维持时间10-60分钟，在最佳膨胀温度范围100-180℃内膨胀前后体积倍率1-50倍，膨胀后产生的压力范围0.1-20MPa。
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