FT0053 预浸带热压接机制与机构设计（一）_【赛奥碳纤维技术】

严飙1,*,彭福军1,肖军2(1.上海宇航系统工程研究所上海市空间飞行器机构重点实验室,上海2011...

严飙1, * , 彭福军1, 肖军2

(1.上海宇航系统工程研究所上海市空间飞行器机构重点实验室,上海201108;

2.南京航空航天大学材料科学与技术学院,南京210016)

摘要：为满足复合材料自动铺缠成型过程中预浸带换料续接对效率及可靠性的要求,首先,根据流变学原理及Gutowski铺放贴合分析方法建立了热压接模型;然后,应用幂律模型建立了树脂流体在平行板挤压下的控制方程;最后,分析了静态续接状态和动态续接状态下续接强度与续接压力、树脂黏度、续接温度、续接时间(或续接速度)和续接长度的关系,并设计了静态和动态热压接机构。结果表明:随续接压力、续接温度、续接时间和续接长度的提升,预浸带的续接强度提高。所得结论可帮助设计满足快速、稳定及可靠等要求的续接机构,为预浸带快速热压接系统的开发奠定了理论与设计基础。

关键词： 自动铺缠;预浸带;流变学;热压接;幂律模型

在航空航天复合材料结构的制造过程中,铺层时间占据整个复合材料构件加工时间的60% ~90%,且由于自动化程度低,大部分通过手工完成,致使复合材料构件存在质量不稳定及生产成本居高不下等问题。随着近年来一系列新型设备、工艺方法和手段的涌现,自动铺缠成型技术(自动缠绕技术和自动铺放技术的统称)成为典型的高性能、低成本复合材料制造技术,得到了广泛的应用。

目前,自动铺放成型所用预浸带每卷长度都是有限的(少于5km),面对大型复杂构件的铺缠成型,在运行中必然存在换料或续接等辅助操作,对于最多可达32条预浸带的自动铺丝而言,累计占用时间更长。利用预浸带自身具有的黏度,采用快速热压接续接预浸带从而减少辅助操作时间是提高成型效率和改善制件性能的重要途径。

国外对此已经展开相关研究,并达到了应用水平。Warek在复合材料成型装置及方法方面设计了续接机制框图,可用于续接同种或不同材料的预浸带,实现预浸带的快速连续进给。Cairns提出了预浸带自动续接装置,可将多卷料辊安装在可旋转平台上,通过旋转支架平台使备用辊旋转至主辊所在位置,进而实现与原预浸带的续接。Hoffmann、Tingley和Oldani分别设计了2种预浸带续接装置协助操作者进行快速续接:一是将续接装置整体设计在纱箱内进行快速续接;二是将续接装置设计为2部分,一部分安装在铺放头机构上实现预浸带的续接动作,另一部分则安装在每一纱箱中,便于快速更换纱箱。西班牙M-Torres公司的TORRESFIBERPLAYUP 铺丝机只需暂停2s便可完成预浸带的快速续接,极大减少了设备辅助操作时间,提高了铺放效率,但文献未给出具体实施方案。此外,关于压接机制方面的研究鲜有报道。

中国研究者针对铺缠设备已从预浸带黏度及铺放工艺参数等方面展开了铺层贴合的因素分析,但对预浸带快速续接形成机制及机构的相关研究甚少。因此,笔者根据自动缠绕和自动铺丝成型工艺的要求开展有关预浸带续接机制的研究,并探讨其机构设计,目的在于满足铺缠进程的连续性和制品的稳定性。

1 预浸带黏度

预浸带是在严格控制的工艺条件下,用树脂基体浸渍连续纤维或织物制成的复合材料中间材料,未固化的树脂在常温下为固态/假固态,而加热后熔融黏流。采用热熔法制备的预浸带表面树脂分布如图1所示。可见,其表面分布有不均匀的“岛”状树脂。

图1 预浸带表面树脂分布

树脂黏度依赖于树脂温度,温度的微小改变都会引起树脂黏度的急剧变化。因此,树脂黏度可定义为温度的函数,由Arrhenius指数方程描述:

式中:μ 为树脂黏度;K0 为指数前因子;Ea 为实验活化能;R0 为气体常数;T 为绝对温度。相比压接工艺中的主要压力因素,热压接工艺则在压力作用的基础上,主要依靠温度因素改善续接界面层,提高续接性能。

2 热压接工艺

在铺缠成型时,预浸带在放卷结束后更换上新带料盘,在一定的压力温度环境下将新预浸带首部与原预浸带的尾部热压接。一方面,表面粗糙不平的预浸带在压力作用下易发生机械互锁;另一方面,受热黏流及树脂扩散流动的影响,可使2层预浸带间形成1个结合界面,从而提高续接强度。

为保证制品质量不受续接过程影响,需在续接前保持原预浸带的张力,且续接后的预浸带在其热压接处必须满足继续加工的张力要求。因此可暂停铺缠进程,采用静态热压接技术快速续接预浸带。静态热压接如图2所示,图中:F 为热压接力;v 为热压接速度。可见,在外部压力作用下,将热压板的热量传递给续接处的预浸带,短时间热压接后恢复铺缠进程,此热压板的长度即为预浸带的续接长度,续接后的预浸带强度可满足继续铺缠张力的要求。

针对一些复合材料成型过程中主轴具有较高转速的成型要求,静态热压接势必要求设备可在短时间内启停,这对主轴电机的性能是个巨大考验,对成型过程中的张力也会带来不稳定性影响。因此,可采用动态续接技术实现续接的连续性并满足对张力稳定性的要求。动态热压接如图3所示。可见,在主动轮和压紧轮之间形成热压接区,新旧预浸带首尾两端通过热压接区形成续接预浸带,并不断地向芯模方向运动。