CN112549584B - 一种变角度碳纤维自动铺放系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种变角度碳纤维自动铺放系统,包括机架、丝束送料装置、通道装置、切割装置、树脂送料装置、转向辊和压实辊,多个丝束送料装置排布在机架上,每一丝束送料装置包括丝束卷辊筒和驱动丝束卷辊筒转动的第一驱动件,通道装置包括进料孔和出料孔,碳纤维丝束从一个进料孔进入并从一个出料孔排出,切割装置与出料孔相对用于切割碳纤维丝束,树脂送料装置包括树脂送料机构、树脂加热机构和分流器,从出料孔排出碳纤维丝束与进分流器分流的树脂在转向辊上结合后经过转向辊带动转向,进而经过压实辊展平在模具上,结合了液态树脂后的碳纤维丝束具有在不发生丝束褶皱的情况下的很强转向能力,保证铺放质量。
Description
技术领域
本发明涉及复合材料加工技术领域,具体涉及一种变角度碳纤维自动铺放系统。
背景技术
碳纤维复合材料具有高比强度、高比模量、抗疲劳、耐腐蚀等优点,可以减轻产品重量和提高性能,被广泛应用于航空航天、汽车船舶、风力发电、医疗器械、体育用品等领域。碳纤维复合材料自动铺放技术具有生产效率高、制备产品性能优良的特点,被广泛应用于复合材料零件的生产制造。在碳纤维复合材料自动铺放过程中为满足模具表面的满铺性和所制造构件具有较好的力学性能,纤维轨迹需要具有一定的转向角度,但碳纤维复合材料在转向半径较小时产生外侧纤维的翘曲和内侧纤维的屈曲变形的制造缺陷,使得构件最终制造性能与设计性能相差较大,而目前自动铺丝采用3.175mm宽的丝束铺放时,在转向半径小于635mm时会发生显著的局部纤维屈曲现象。碳纤维复合材料的转向半径严重制约了纤维轨迹的转向半径设计与复杂零件表面满铺的实现。
定制纤维铺放是一种基于刺绣的预制件制造技术,可对碳纤维丝束进行灵活定位,可以实现纤维90°的转向缝合。但由于缝合线的存在,制造设备结构复杂,只能进行单个纤维丝束的缝制,且缝合线的位移量和锯齿形线迹都会引起纤维的波纹度,诱导的波纹度会导致刚度和强度特性的降低。英国专利GB2492594A公开了一种基于剪切变形的复合材料转向铺放方法,该方法碳纤维复合材料在铺放过程中产生面内剪切变形,来减小纤维转向半径,增大纤维转向角度。但在连续转向时会导致沿纤维铺放路径的厚度不均一,从而最终零件局部厚度不符合零件的设计要求,同时由于技术特点的限制,纤维转向角度增大有限,且铺放速度极低。3D打印连续碳纤维采用单根连续且宽度小的纤维丝束进行打印,可以实现较大的纤维转向,但由于单根纤维丝束且宽度小使得3D打印连续纤维的制造效率极低。
发明内容
根据现有技术的不足,本发明的目的是提供一种变角度碳纤维自动铺放系统,可以将多个干纤维丝丝束同时与树脂结合,结合了液态树脂后的纤维丝束具有较强的转向能力,具有在不发生丝束褶皱的情况下的很强转向能力,能够在较小的转弯半径下实现无褶皱转向,且能够实现较大角度的转向,保证铺放质量。
为了解决上述技术问题,本发明采用的技术方案为:
一种变角度碳纤维自动铺放系统,包括机架、丝束送料装置、通道装置、切割装置、树脂送料装置、转向辊和压实辊,多个所述丝束送料装置排布在所述机架上,每一所述丝束送料装置包括丝束卷辊筒和驱动所述丝束卷辊筒转动的第一驱动件,碳纤维丝束绕设在所述丝束卷辊筒上,所述通道装置包括进料孔和出料孔,所述进料孔的数量和所述出料孔的数量均与所述丝束送料装置的数量一致,所述碳纤维丝束从一个所述进料孔进入并从一个所述出料孔排出,所述切割装置与所述出料孔相对用于切割碳纤维丝束,所述树脂送料装置包括树脂送料机构、树脂加热机构和分流器,树脂经所述树脂送料机构送入所述树脂加热机构加热后,再经所述分流器分流,所述分流器包括多个设置成一排的分流孔,每一所述分流孔与一个所述出料孔相对,所述转向辊和所述压实辊依次设在所述分流孔的外侧,从所述出料孔排出所述碳纤维丝束与经所述分流器分流的所述树脂在所述转向辊上结合后经过所述转向辊带动转向,进而经过所述压实辊展平在模具上。
进一步地,所述机架包括机架底盘和机架顶盘,所述通道装置设在所述机架底盘底部,多个所述丝束送料装置关于所述通道装置呈中心对称设在所述机架底盘上。
进一步地,所述第一驱动件为第一电机,所述第一电机通过第一电机安装架安装在所述机架底部,所述第一电机的输出轴通过联轴器连接有转轴,所述转轴穿设所述机架,所述丝束卷辊筒可拆卸的安装在所述转轴上。
进一步地,所述进料孔与所述出料孔倾斜一定角度,多个所述出料孔设置成一排,所述进料孔由外向内半径不断减小。
进一步地,所述切割装置设在所述通道装置一侧,所述切割装置包括切刀和第二驱动件,所述底板上设有多个切料孔,所述切刀的数量和所述切料孔的数量均与所述出料孔的数量一致,每一所述切料孔和一个所述出料孔连通,所述切刀通过所述第二驱动件驱动移动,从所述切料孔伸入所述出料孔切割所述碳纤维丝束。
进一步地,所述树脂送料机构包括树脂卷辊筒、第一传动辊、第二传动辊和第三驱动件,所述树脂绕设在所述树脂卷辊筒上,所述第一传动辊和所述第二传动辊配合,所述第一传动辊通过所述第三驱动件驱动转动,所述树脂从所述树脂卷辊筒进入所述第一传动辊和所述第二传动辊之间并排入树脂加热机构中。
进一步地,所述树脂加热机构包括导向弯管,所述导向弯管前部外侧套设有多个间隔一定距离且均匀分布的散热片,后部套设有加热丝。
进一步地,所述分流器设在所述导向弯管底端。
进一步地,所述转向辊上间隔一定距离且均匀分布有多个凹槽,所述凹槽的数量与所述丝束送料装置的数量一致,所述转向辊通过第四驱动件驱动上下移动。
进一步地,所述压实辊通过第五驱动件驱动上下移动。
与现有技术相比,本发明具有以下优点和有益效果:
1.本发明所述的一种变角度碳纤维自动铺放系统,本发明使用干碳纤维丝束,相比自动铺放成型中使用的预浸料,更有利于实现转向,同时采用通道装置,把宽碳纤维丝束变为窄碳纤维丝束,进一步增大纤维转向铺放能力。
2.本发明所述的一种变角度碳纤维自动铺放系统,采用树脂加热机构和分流器,减少了树脂装置体积,并能实现树脂连续、稳定流出,有利于保证铺放效率。
3.本发明所述的一种变角度碳纤维自动铺放系统,转向压辊设计为槽式,定位转向灵活,可实现一次成型和一次切割,保证纤维的连续性,提高铺放质量和铺放效率。
4.本发明所述的一种变角度碳纤维自动铺放系统,采用模块化设计,各装置模块可单独拆卸更换、安装维护,提高了组装效率和延长了装置的使用寿命。
附图说明
图1为本发明的整体结构示意图。
图2为本发明丝束送料装置安装在机架上的结构示意图。
图3为本发明通道装置的结构示意图。
图4为本发明通道装置和切割装置的结构示意图。
图5为本发明树脂送料装置的结构示意图。
图6为本发明转向辊和压实辊安装在机架上的结构示意图。
其中:1、机架;11、机架底盘;12、机架顶盘;13、机架连接柱;
2、丝束送料装置;21、丝束卷辊筒;22、第一驱动件;23、第一电机安装架;24、丝束限位盘;25、固定螺母;26、转轴;27、联轴器;
3、通道装置;31、进料孔;32、出料孔;33、第一侧板;34、第二侧板;35、通道底板;36、切料孔;
4、切割装置;41、切刀;42、第二驱动件;
5、树脂送料装置;51、树脂送料机构;511、树脂卷辊筒;512、第一传动辊;513、第二传动辊;514、第三驱动件;515、第二电机安装架;52、树脂加热机构;521、导向弯管;522、散热片;523、加热丝;53、分流器;531、分流孔;
6、转向辊;61、凹槽;62、第四驱动件;
7、压实辊;71、第五驱动件。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
在本发明的描述中,需要理解的是,术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系,仅是为了便于描述本发明和简化描述,而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作,因此不能理解为对本发明的限制。此外,术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的,而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此,限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中,除非另有说明,“多个”的含义是两个或两个以上。
一种变角度碳纤维自动铺放系统,参照图1-图6所示,包括机架1、丝束送料装置2、通道装置3、切割装置4、树脂送料装置5、转向辊6和压实辊7,机架1安装在机械臂末端,使得整个变角度碳纤维自动铺放系统通过机械臂来控制转向,丝束送料装置2用于输送单个碳纤维丝束,通道装置3用于使多个碳纤维丝束同时与树脂结合,切割装置4用于切割碳纤维丝束,树脂送料装置5用于输送树脂、加热树脂并使树脂分流,转向辊6用于使碳纤维丝束和树脂结合并转向,压实装置用于将树脂结合后的碳纤维丝束展平在模具上。
具体地,多个丝束送料装置2排布在机架1上,每一丝束送料装置2包括丝束卷辊筒21和驱动丝束卷辊筒21转动的第一驱动件22,碳纤维丝束绕设在丝束卷辊筒21上,通道装置3包括进料孔31和出料孔32,进料孔31的数量和出料孔32的数量均与丝束送料装置2的数量一致,碳纤维丝束从一个进料孔31进入并从一个出料孔32排出,切割装置4与出料孔32相对用于切割碳纤维丝束,树脂送料装置5包括树脂送料机构51、树脂加热机构52和分流器53,树脂经树脂送料机构51送入树脂加热机构52加热后,再经分流器53分流,分流器53包括多个设置成一排的分流孔531,每一分流孔531与一个出料孔32相对,转向辊6和压实辊7依次设在分流孔531的外侧,从出料孔32排出碳纤维丝束与经分流器53分流的树脂在转向辊6上结合后经过转向辊6带动转向,进而经过压实辊7展平在模具上。
通过设置多个丝束送料装置2,可以同时将多个纤维丝束送入通道装置3中,使通道装置3将多个碳纤维丝束同时与树脂结合,树脂经树脂送料机构51送入树脂加热机构52加热后,加热后的树脂呈液态,液态树脂再经分流器53分流,经过分流后的树脂可以分别与单个碳纤维丝束结合,实现多个干纤维丝丝束同时与树脂结合的功能,且结合了液态树脂后的碳纤维丝束具有较强的转向能力,具有在不发生丝束褶皱的情况下的很强转向能力,能够在较小的转弯半径下实现无褶皱转向,且能够实现较大角度的转向,从而保证铺放质量。
参照图1和图2所示,机架1包括机架底盘11和机架顶盘12,机架顶盘12和机架底盘11通过多个机架连接柱13固定连接,通道装置3设在机架底盘11底部,多个丝束送料装置2关于通道装置3呈中心对称设在机架底盘11上,机架顶盘12可以与机械臂结合,通过机械臂可以控制整个变角度碳纤维自动铺放系统的运动。
参照图2所示,在丝束送料装置2中,第一驱动件22为第一电机,第一电机安装在机架1底部,第一电机的输出轴连接有穿设机架1的转轴26,丝束卷辊筒21可拆卸的安装在转轴26上,通过第一电机带动转动转轴26转动,进而带动丝束卷辊筒21转动,放出单个碳纤维丝束。
具体地,第一驱动件22为第一电机,第一电机通过第一电机安装架23安装在机架1底部,第一电机安装架23包括第一电机安装架23顶盘和第一电机安装架23底盘,第一电机安装架23顶盘和第一电机安装架23底盘通过第一电机安装架23连接柱固定连接,第一电机安装架底盘通过螺栓安装在机架底盘11上,第一电机通过螺栓安装在电机安装架顶盘上,第一电机的输出轴通过联轴器27与转轴26连接,转轴26穿设第一电机安装架23底盘和机架底盘11,丝束卷辊筒21可拆卸的安装在转轴26上。
丝束卷辊筒21套设在转轴26上,并通过丝束限位盘24限制上下移动,丝束限位盘24通过固定螺母25安装在转轴26上。可以通过固定螺母25的拆装实现丝束卷辊筒21的更换。
碳纤维丝束在弯曲转向时,碳纤维丝束转向外侧受拉伸,内侧受压缩,纤维的压缩模量远小于其拉伸模量,纤维在受压一侧更容易发生失效,即纤维屈曲,在宏观上表现为褶皱;在相同转向半径时,碳纤维丝束越宽,其弯曲时内侧的屈曲半径越大,其转向能力越弱,参照图3和图4所示,因此在通道装置3中,进料孔31由外向内半径不断减小,实现碳纤维丝束收束变窄,进一步增大纤维转向铺放能力。
具体地,通道装置3为顶部开口的“匚”形结构,包括第一侧板33、第二侧板34和通道底板35,第一侧板33和第二侧板34的顶部通过螺栓固定在机架1底部,第一侧板33和第二侧板34上均开设多个贯通的进料孔31,底板上开设多个贯通的出料孔32。单个碳纤维丝束从一个进料孔31进入,从一个出料孔32出来。
由于多个丝束送料装置2关于通道装置3呈中心对称设在机架底盘11上,为了使多个碳纤维丝束同时与液态的树脂结合,进料孔31和出料孔32倾斜一定角度,多个出料孔32设置成一排。
参照图4所示,切割装置4设在通道装置3一侧,切割装置4包括切刀41和第二驱动件42,通道底板35上设有多个切料孔36,切料孔36的数量和切刀41的数量均与出料孔32数量一致的,每一切料孔36和一个出料孔32连通,每一切刀41通过一个第二驱动件42驱动移动,从一个切料孔36伸入一个出料孔32切割碳纤维丝束。
第二驱动件42可以是电动或者各种形式的缸体或推动式动力器件,例如气缸、液压缸或电动推杆。
本发明中,一个切刀41通过一个第二驱动件42控制移动,多个第二驱动件42安装在切割板上,切割板通过螺栓固定在机架1底部。
参照图5所示,树脂送料机构51包括树脂卷辊筒511、第一传动辊512、第二传动辊513和第三驱动件514,树脂绕设在树脂卷辊筒511上,第一传动辊512通过第三驱动件514驱动转动,第二传动辊513和第一传动辊512设置成一排且轴线平行,第二传动辊513通过第一传动辊512带动转动,树脂从树脂卷辊筒511进入第一传动辊512和第二传动辊513之间并排入树脂加热机构52中。
具体地,第三驱动件514为第二电机,第二电机通过第二电机安装架515安装在机架底盘11底部,第二电机的输出轴穿设第二电机安装架515,第一传动辊512安装在第二电机的输出轴上,第二传动辊513安装在第二电机安装架515上。
树脂加热机构52包括导向弯管521,导向弯管521前部外侧套设有多个间隔一定距离且均匀分布的散热片522,后部套设有加热丝523,树脂从树脂卷辊筒511进入第一传动辊512和第二传动辊513之间并排入导向弯管521中,并在导向弯管521后部通过加热丝523加热,从固态变成液态。
分流器53设在导向弯管521底端,分流器53底部设有多个分流孔531,分流孔531的数量与出料孔32的数量一致,液态的树脂从各个分流孔531流出并分别与单个碳纤维丝束结合,实现多个干纤维丝丝束同时与树脂结合的功能。
参照图6所示,转向辊6上间隔一定距离且均匀分布有多个凹槽61,凹槽61的数量与丝束送料装置2的数量一致,液态的树脂与单个碳纤维丝束在凹槽61内结合,转向辊6通过第四驱动件62驱动上下移动。通过对机械臂的控制来控制整体系统的转向,利用凹槽61壁的作用带动与树脂结合的碳纤维丝束的转向。第四驱动件62安装在机架底盘11上。
第四驱动件62可以是电动或者各种形式的缸体或推动式动力器件,例如气缸、液压缸或电动推杆。
参照图6所示,压实辊7通过第五驱动件71驱动上下移动。第五驱动件71安装在机架底盘11上。
第五驱动件71可以是电动或者各种形式的缸体或推动式动力器件,例如气缸、液压缸或电动推杆。
本发明的工作原理:机架1上设有多个丝束送料装置2,多组碳纤维丝束分别绕设在多个丝束卷辊筒21上,每一第一驱动件22驱动一个丝束卷辊筒21转动放出单个碳纤维丝束,多个碳纤维丝束分别从通道装置3的一个进料孔31进入并从一个出料孔32排出,分别在转向辊6各个凹槽61处与液化的树脂结合,最后由压实辊7展平在模具上。
固态的树脂绕设在树脂卷辊筒511上,第三驱动件514驱动第一传动辊512转动,进而带动第二传动辊513转动,使树脂从树脂卷辊筒进入第一传动辊512和第二传动辊513之间并送入导向弯管521加热,再经分流器53分流后从多个分流孔531分别流出,并分别在转向辊6各个凹槽处与单个碳纤维丝束结合。
当铺放完成后,驱动第二驱动件42,在切刀的作用下,完成丝束切割。
最后应说明的是:以上所述仅为本发明的优选实施例而已,并不用于限制本发明,尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明,对于本领域的技术人员来说,其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改,或者对其中部分技术特征进行等同替换,凡在本发明的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种变角度碳纤维自动铺放系统,其特征在于:包括机架、丝束送料装置、通道装置、切割装置、树脂送料装置、转向辊和压实辊,所述机架包括机架底盘和机架顶盘,多个所述丝束送料装置关于所述通道装置呈中心对称设在所述机架底盘上,每一所述丝束送料装置包括丝束卷辊筒和驱动所述丝束卷辊筒转动的第一驱动件,碳纤维丝束绕设在所述丝束卷辊筒上,所述通道装置设在所述机架底盘底部,所述通道装置包括进料孔和出料孔,所述通道装置为顶部开口的“匚”形结构,包括第一侧板、第二侧板和通道底板,所述第一侧板和所述第二侧板的顶部固定在所述机架底部,所述第一侧板和所述第二侧板上均开设多个贯通的进料孔,相邻所述进料孔间隔一定距离,所述底板上开设多个贯通的出料孔,单个碳纤维丝束从一个所述进料孔进入,从一个所述出料孔出来,多个所述碳纤维丝束在所述通道装置中分别独立运动、互不干扰,所述进料孔的数量和所述出料孔的数量均与所述丝束送料装置的数量一致,所述进料孔与所述出料孔倾斜一定角度,多个所述出料孔设置成一排,所述进料孔由外向内半径不断减小,所述切割装置与所述出料孔相对用于切割碳纤维丝束,所述树脂送料装置包括树脂送料机构、树脂加热机构和分流器,树脂经所述树脂送料机构送入所述树脂加热机构加热后,再经所述分流器分流,所述分流器包括多个设置成一排的分流孔,每一所述分流孔与一个所述出料孔相对,所述转向辊和所述压实辊依次设在所述分流孔的外侧,从所述出料孔排出所述碳纤维丝束与经所述分流器分流的所述树脂在所述转向辊上结合后经过所述转向辊带动转向,进而经过所述压实辊展平在模具上。
2.根据权利要求1所述的变角度碳纤维自动铺放系统,其特征在于:所述第一驱动件为第一电机,所述第一电机通过第一电机安装架安装在所述机架底部,所述第一电机的输出轴通过联轴器连接有转轴,所述转轴穿设所述机架,所述丝束卷辊筒可拆卸的安装在所述转轴上。
3.根据权利要求1所述的变角度碳纤维自动铺放系统,其特征在于:所述切割装置设在所述通道装置一侧,所述切割装置包括切刀和第二驱动件,所述底板上设有多个切料孔,所述切刀的数量和所述切料孔的数量均与所述出料孔的数量一致,每一所述切料孔和一个所述出料孔连通,所述切刀通过所述第二驱动件驱动移动,从所述切料孔伸入所述出料孔切割所述碳纤维丝束。
4.根据权利要求1所述的变角度碳纤维自动铺放系统,其特征在于:所述树脂送料机构包括树脂卷辊筒、第一传动辊、第二传动辊和第三驱动件,所述树脂绕设在所述树脂卷辊筒上,所述第一传动辊和所述第二传动辊配合,所述第一传动辊通过所述第三驱动件驱动转动,所述树脂从所述树脂卷辊筒进入所述第一传动辊和所述第二传动辊之间并排入树脂加热机构中。
5.根据权利要求4所述的变角度碳纤维自动铺放系统,其特征在于:所述树脂加热机构包括导向弯管,所述导向弯管前部外侧套设有多个间隔一定距离且均匀分布的散热片,后部套设有加热丝。
6.根据权利要求5所述的变角度碳纤维自动铺放系统,其特征在于:所述分流器设在所述导向弯管底端。
7.根据权利要求1所述的变角度碳纤维自动铺放系统,其特征在于:所述转向辊上间隔一定距离且均匀分布有多个凹槽,所述凹槽的数量与所述丝束送料装置的数量一致,所述转向辊通过第四驱动件驱动上下移动。
8.根据权利要求1所述的变角度碳纤维自动铺放系统,其特征在于:所述压实辊通过第五驱动件驱动上下移动。
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