热塑性复合材料自动铺放工艺参数分析与优化

热塑性复合材料自动铺放原位成型（AFP）技术是高效低成本制造大型复合材料构件的关键,而自动铺放过程中工艺参数的选取及控制精度对成型构件的性能有较大影响,因此为保证原位成型后成型构件的性能,需分析自动铺放工艺参数对成型构件性能的影响并对其进行优化。本文基于热塑性复合材料自动铺放平台,以连续玻璃纤维增强聚丙烯（GF/PP）预浸纱为原料制备复合材料层合板,以层合板的力学性能为优化目标,根据响应曲面法原理设计试验,分析热气温度、热压辊压力及冷压辊压力各工艺参数及其耦合作用对层合板力学性能的影响,建立各工艺参数与层合板力学性能的二次多项式回归方程预测模型,通过预测值与实际值对比等检验分析,验证回归模型的有效性和可靠性,进而获得热塑性复合材料AFP最优工艺参数组合为热气温度为385℃、热压辊压力为0.3 MPa、冷压辊压力为1.1 MPa。     

热塑性复合材料自动铺放过程中红外加热技术研究

为保证热塑性预浸料树脂基体在自动铺放(automated fiber placement, AFP)过程中充分熔融,实现热塑性复合材料(thermoplastic composites,TPC)逐层"原位固结"成型,自动铺放成型过程中需精确控制预浸料的加热温度。针对自动铺放过程中铺放速率会在较大范围内变动的特点,本工作提出一种高速率响应的红外线辐射加热技术。通过对红外热源与铺层间能量传输过程的分析,提出红外加热过程中动态恒温控制方程,建立热源辐射强度与铺放速率之间的匹配关系。基于热塑性复合材料自动铺放实验平台,构建红外加热恒温控制系统,该系统采用前馈控制方式,根据动态恒温控制方程,制定相应控制策略,实现对预浸料加热过程中温度的精确控制。实验结果表明自动铺放过程中使用红外加热恒温控制系统满足变速工况下恒温加热要求,且铺放成型实验件的压缩强度及层间剪切强度均接近模压成型实验件。     

自动铺放过程双马树脂预浸料温度与黏度

通过对自动铺放成型工艺的分析,探索了自动铺带成型过程中预浸料温度对复合材料黏性的影响规律。对影响预浸料温度的热风温度和铺放速度两个因素进行了研究,从理论上建立了热风加热温度和铺放速度与预浸料温度之间的关系,提出了控制预浸料温度的具体实施方案,指导自动铺带成型过程。根据双马树脂预浸料黏度和温度曲线,分别在不同的热风温度和铺放速度条件下进行实验,得到在热风温度为90℃、铺放速度为10~20m/min时,预浸料黏度满足铺覆性要求,验证了预浸料热风温度和铺放速度对复合材料制品质量的影响,为自动铺带工艺提供参考。     

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。     

热塑性复合材料自动铺放过程中温度场研究

自动铺放成型技术可以实现热塑性复合材料逐层"原位固结",在加工制造大型零部件、提高生产率、降低制造成本方面具有巨大的潜力。由于温度历程对复合材料构件成型质量有较大影响,本工作通过ANSYS软件模拟热源随铺放头移动、铺放过程中预浸料不断被铺叠到底层预浸料上,获得复合材料铺层的温度场分布情况。同时构建基于WinCC flexible的温度场在线测量系统,对铺层温度进行在线采集和存储。实验结果表明,在铺放成型过程中,每一层预浸料的温度曲线出现多个峰值,且随着热气温度的升高,每层峰值温度逐渐增加,热气温度越高,铺层间峰值温度差越大,热电偶测量结果与仿真结果相差越小。通过对实验结果中的峰值温度与有限元模拟结果进行对比,证明了有限元仿真模型的正确性。研究结果表明,随着铺放速率的加快,每层峰值温度逐渐降低,为满足成型要求,当热风枪出口处热气温度最高为600℃时,最大铺放速率为1.2m/min。     

碳纤维复合材料自动铺放关键技术的现状与发展趋势

碳纤维复合材料具有耐高温、耐摩擦、耐腐蚀等诸多优异性能,被广泛应用于航空航天、汽车制造等相关领域.鉴于碳纤维复合材料的广泛应用,制备碳纤维复合材料构件的自动铺放设备及技术也得到了快速发展.近年来,复合材料自动铺放技术也取得了非常显著的成绩.碳纤维复合材料自动铺放技术的研究是铺放设备、铺放轨迹、铺放工艺及铺放软件技术的综合性研究.其中,研究人员将铺放头与纤维纱架结合实现了碳纤维复合材料铺放设备的一体式结构,为完全自动化铺放奠定了基础.碳纤维复合材料的铺放轨迹起初采用相对简单的定角度铺放,但是近些年变角度铺放成为研究热点,采用变角度铺放可以提升铺放构件的力学性能.另外,工作人员针对复合材料的铺放温度、铺放速度和铺放压力等铺放工艺进行了研究,实现了铺放工艺参数的优化并提高了铺放构件的成型质量.此外,在复合材料自动铺放软件技术的研究中,研究人员以铺放工艺及构件形体要求为基础,开发了与铺放设备相匹配的CAD/CAM软件系统,实现了复合材料的自动化、智能化铺放.本文主要从自动铺放设备结构、纤维铺放轨迹规划与控制、铺放工艺参数优化和自动铺放软件系统几个方面对国内外自动铺放技术的研究进展进行了综述.基于自动铺放技术的发展现状,总结了国内自动铺放技术存在的问题,并对国内自动铺放技术的发展方向进行了探讨.     

自动铺放工艺制备罐外固化复合材料的力学行为

针对碳纤维增强树脂基复合材料IM7/CYCOM5230-1罐外固化预浸料,研究了自动铺放（AFP）罐外固化（OOA）预浸料的制备过程并优化了铺放工艺参数,采用热分析手段研究了CYCOM5230-1树脂固化动力学及黏度特性,在此基础上开发了一种短时固化工艺,并评价了基于此工艺制备的OOA复合材料力学性能。结果表明,AFP铺放过程中预浸料间缝隙会影响OOA复合材料的成型质量,采用铺放压力为180 N、加热温度为50℃、铺放速率为0.20 m/s的铺放参数,可获得表面平整、成型质量优异的复合材料样件。热分析结果表明,罐外固化CYCOM5230-1树脂室温黏度大,满足OOA工艺中真空压实排气需求。短时固化工艺可达到与典型固化工艺相同水平固化度,提升了固化效率,且制备的复合材料可以达到59%的纤维体积分数及低于0.5%的孔隙率,其力学性能与典型固化工艺制备的复合材料相当,并且能够达到热压罐复合材料的水平。     

碳纤维增强聚苯硫醚复合材料激光加热原位成型过程中的温度场

连续纤维增强热塑性复合材料（Thermoplastic Composite,TPC）自动铺放（Automated Fiber Placement,AFP）可以实现铺层原位成型,因此在制造大型结构件、降低加工成本及提升生产效率方面潜力巨大。原位成型过程中铺层温度场分布对复合材料构件成型质量具有较大影响,且激光加热过程中又涉及激光能量场与预浸料吸收光能后产生的温度场之间相互耦联,机理复杂,因此结合传热模型,通过有限元模拟仿真研究激光辅助加热自动铺放成型连续碳纤维增强聚苯硫醚（CF/PPS）复合材料过程中铺层经历的温度历程。同时构建铺层温度场测量系统,对铺层经历的温度历程进行实时采集和存储。研究结果表明,铺放过程中黏合区域前方存在激光辐照阴影区,使压辊下方黏合区域的温度急剧下降;随着铺放速度的增加,黏合区域峰值温度逐渐降低,且成型速度越快,铺层间黏合区域峰值温度差越小,而热电偶测量结果与仿真结果相差越大;随着激光输出功率的增大,铺层峰值温度逐渐升高;为提高原位成型效率,当激光输出功率选择最大6kW时,最大铺放速度为0.75 m/s。通过对比,试验结果中的峰值温度与仿真模拟结果变化趋势相近,证明了有限元仿真模型的正确性。      

干纤维自动铺放-液体成型技术进展研究

相较于传统预浸料预制体需要热压罐固化，干纤维自动铺放结合液体成型技术可以实现非热压罐制造复合材料，从而降低制造成本、缩短制造周期。本研究针对干纤维自动铺放-液体成型技术，从干纤维铺放材料、干纤维自动铺放设备以及干纤维自动铺放工艺技术进展三个方面进行概述，并对其未来在船舶领域的应用进行展望。     

碳纤维/环氧树脂预浸带铺放应力场及制品微观结构的模拟与实验

碳纤维/环氧树脂预浸带复合材料在铺放成型时,由于树脂基体与碳纤维之间的热膨胀系数存在差异以及成型时热-力参数作用下由于纤维的变形而导致纤维与基体接触处产生应力集中等原因,在制品材料中会产生热残余应力。针对碳纤维/环氧树脂预浸带复合材料的实际结构特点,利用ABAQUS有限元软件建立含有界面的碳纤维/环氧树脂预浸带复合材料的细观代表性体积单元(Representative volume element, RVE)有限元模型,采用实验研究和有限元仿真分析的方法,研究在温度-压力参数作用下预浸带铺放制品残余应力的分布规律及影响机理。首先,建立预浸带铺放时的温度和压力模型,研究不同温度和压力参数条件下碳纤维/环氧树脂预浸带铺放制品残余应力的分布情况。其次,采用耦合降温法模拟碳纤维/环氧树脂预浸带残余应力随纤维体积含量、铺放压力以及铺放温度的变化规律,并采用扫描电镜对不同工艺参数条件下预浸带铺放制品的微观结构进行分析。通过对模拟结果进行分析比较得到各因素对制品残余应力的基本影响规律;最后进行不同温度和压力等铺放参数对预浸带铺放成型时残余应力影响的实验测试研究。      

Building Block Approach’ for Structural Analysis of Thermoplastic Composite Components for Automotive Applications

Advanced thermoplastic prepreg composite materials stand out with regard to their ability to allow complex designs with high specific strength and stiffness. This makes them an excellent choice for lightweight automotive components to reduce mass and increase fuel efficiency, while maintaining the functionality of traditional thermosetting prepreg (and mechanical characteristics) and with a production cycle time and recyclability suited to mass production manufacturing. Currently, the aerospace and automotive sectors struggle to carry out accurate Finite Elements (FE) component analyses and in some cases are unable to validate the obtained results. In this study, structural Finite Elements Analysis (FEA) has been done on a thermoplastic fiber reinforced component designed and manufactured through an integrated injection molding process, which consists in thermoforming the prepreg laminate and overmolding the other parts. This process is usually referred to as hybrid molding, and has the provision to reinforce the zones subjected to additional stresses with thermoformed themoplastic prepreg as required and overmolded with a shortfiber thermoplastic resin in single process. This paper aims to establish an accurate predictive model on a rational basis and an innovative methodology for the structural analysis of thermoplastic composite components by comparison with the experimental tests results.     

铺放工艺参数对预浸料丝束曲线铺贴质量的影响

为研究铺放工艺参数对复合材料预浸料丝束曲线铺贴质量的影响规律及作用机制,首先自主设计并搭建了可模拟铺丝机曲线铺贴运动的试验平台,进行了变铺放工艺参数与变铺放半径的预浸料丝束曲线铺贴试验。通过测量计算有效贴合长度比、褶皱角度及曲率半径比,并结合变铺放工艺参数的单因素剥离试验对铺放质量进行了表征。结果表明:曲线铺贴质量与预浸料丝束黏结力及弯曲刚度密切相关;随铺放温度、压力和张力增大、铺放速率减小,丝束黏结力上升,曲线铺贴质量提高;铺放温度升高引起的丝束弯曲刚度下降可提升曲线铺贴准确性,但过高的铺放温度会导致丝束黏性下降,曲线铺贴缺陷显著;铺放张力会改变丝束的受力状态,进而影响曲线铺贴路径的准确性;此外,曲线铺贴半径越小,铺放质量对工艺参数的变化越敏感。      

耐高温碳纤维/双马来酰亚胺树脂复合材料制备及性能

采用前原位聚合的热塑性聚酰亚胺(PI)改性4,4′-二氨基二苯甲烷双马来酰亚胺(BDM)/4,4′-邻二烯丙基双酚A(DABPA)树脂体系,制备了一种耐高温的改性双马来酰亚胺(BDPI)树脂,研究了BDPI树脂的微观形貌和耐热性能;通过前原位自增强技术制备了T800H碳纤维/BDPI预浸料,通过SEM研究了T800H/BDPI预浸料表面形貌,评价了T800H/BDPI复合材料高低温力学性能和断面微观形貌。结果表明:BDPI树脂满足预浸料加工工艺要求,BDM微米颗粒均匀铺覆于T800H/BDPI预浸料表面,粒径分布为30~70 μm,BDPI树脂固化物的玻璃化转变温度(T_g)为367℃,5%热失重温度(T_d5)为452℃;T800H/BDPI单向复合材料0°拉伸强度、0°拉伸模量和层间剪切强度分别为2 440 MPa、148 GPa和107 MPa,280℃其力学性能保持率分别为66.4%、87.2%和44.1%。      

The engineering aspects of automated prepreg layup: History,present and future

Highly consistent quality and cost-effective manufacture of advanced composites can be achieved through automation. It may therefore open up new markets and applications for composite products in aerospace, automotive, renewable energy, and consumer goods. Automated Tape Laying (ATL) and Automated Fibre Placement (AFP) are the two main technologies used to automate the layup of prepreg. The historical development and past research of both technologies is reviewed; with an emphasis on past issues in application and capability as well as their solution, including both thermoset and thermoplastic material layup. It is shown that past developments have moved away from simply emulating manual layup into the now unique layup procedures for ATL, and into the current AFP technology base. The state of the art for both technologies is discussed and current gaps in the understanding of both processes highlighted. From this, future research needs and developments are derived and discussed.     

热熔预浸工艺及热熔热固性树脂的研究进展

热熔预浸工艺是近年来制备预浸料的一种新型成型工艺。热熔预浸工艺具有环保、低成本等优势,使其有望成为未来高性能复合材料成型的主要工艺。先进树脂基复合材料使用的热固性基体树脂由于存在脆性大、树脂和纤维浸润性较差等不足,很大程度上限制了热固性树脂在热熔预浸工艺中的应用。因此,研制适用于热熔预浸工艺的热固性树脂,是高性能树脂基复合材料的热点之一。综述了近年来环氧树脂、氰酸树脂、苯并噁嗪、双马来酰亚胺、酚醛树脂等几种主要的热熔预浸工艺用热固性树脂的研究概况。     

Experimental investigation of a new hybrid molding process to manufacture high-performance composites

Reducing vehicle weight to reduce energy consumption and engine emissions is one of the major objectives of the automotive industry. The novel molding technology, presented in this paper, is suited to meet this demand. In this process, a thermoformed fiber-reinforced thermoplastic sheet is inserted into the mold and a long-fiber reinforced thermoplastic is injected to form a rib structure. Short cycle times make the technique an economic option for the manufacturing of hybrid high performance composites. This special integrative injection molding method optimizes efficiencies and thus energy consumption. A basic concept was realized to show the manufacture procedure. The mechanism of adhesion bonding between the long fiber thermoplastic material and the formed fabric and the influence of the main injection molding process parameters on the adhesion quality was experimentally investigated according to the Design of Experiments method. Then experimental tests were used to measure the structural properties of hybrid composites.     

Thermoplastic composite based processing technologies for high performance turbomachinery components

ABB is developing new designs and processes based on thermoplastic technology in response to the lack of appropriate and affordable manufacturing methods for high performance composites parts, such as rotating machine components. A complete technology platform has been developed including design methodology, rapid thermoforming processes, robotic-based thermoplastic fibre placement (TFP) and assembly procedures based on welding. It will be shown by the way of case studies, for example, thermoplastic bandages for motors and high speed impellers for fans that these new technologies are able to deliver the required performance at an affordable manufacturing cost. However, the effort required to develop a new component remains high. It is concluded that there is now an increasing need for improved design and manufacturing simulation tools in order to bring development costs down.