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碳纖維復合材料帶纏繞、帶鋪放成型工藝

放大字體  縮小字體 發布日期:2014-01-14  來源:FRPAPP.COM  瀏覽次數:927

    先進復合材料(Advanced CompositeMaterials,ACM)是指高性能樹脂基復合材料,即用碳纖維等高性能纖維增強的樹脂基復合材料,其綜合性能與鋁合金相當,但比剛度、比強度要高于鋁合金。隨著先進復合材料的持續快速發展,其應用價值日益顯著,在提高航天產品技術性能方面,復合材料的應用優勢不僅體現在作為輕質化的結構材料,更體現在作為滿足各種應用需求的先進功能材料,以及代表復合材料技術高層次發展的結構/功能一體化和多項功能一體化的高新技術材料。復合材料的廣泛應用,在很大程度上取決于復合材料成型工藝。各種低成本制造技術應運而生,纖維縫合技術、樹脂轉移模塑成型技術(RTM)、樹脂膜滲透成型技術(RFI)、低成本模具技術、低溫低壓固化技術、電子束固化技術、纏繞技術、鋪放技術等得到迅速發展和應用。其中,纏繞、鋪放技術是近年來發展最快、最有效的復合材料成型制造技術。纏繞技術是指在控制張力和預定線型的條件下,將預浸膠纖維或布帶連續地纏繞在相應于制品內腔尺寸的芯?;騼纫r上,然后在室溫或加熱條件下使之固化成一定形狀制品的方法。


 
圖1 自動鋪帶頭

    鋪放技術是指通過使用鋪放設備按照一定規律把預浸膠纖維或布帶鋪放到模具表面,并用壓緊輥壓實。帶纏繞、帶鋪放則專指以預浸膠布帶為材料的復合材料纏繞、鋪放成型技術。目前,全世界已有多種類型的纏繞、鋪放設備投入項目研制和實際生產(見圖1和圖2)。纏繞、鋪放技術在降低制造成本和提高復合材料性能方面顯示出極大的優越性和潛力。


 
圖2 自動纖維鋪放機

    帶纏繞、帶鋪放成型及其優勢

    1 帶纏繞成型

    帶纏繞成型技術是20世紀30年代發展起來的、最早的復合材料自動化成型技術。隨著材料工藝技術、裝備技術和設計理論與方法的進步,帶纏繞成型技術快速發展。第一臺纏繞機于1947年在美國Kellog公司問世,隨后纏繞生產出第一臺火箭發動機殼體,直徑5英寸(12.7cm),長5英尺(152.4cm)。20世紀50年代美國宇航局和空軍材料研究室用纏繞工藝成功研制出“北極星A3”導彈發動機殼體,在質量減輕1/2、射程提高1倍多的情況下,成本僅為鈦合金的1/10,從而奠定了纏繞成型工藝在尖端軍用產品制造中的重要地位。

    2 帶纏繞成型的優點

    帶纏繞成型技術通過力學設計,充分發揮布帶拉伸強度高的特性,實現承受內/外壓、彎曲、扭轉、軸向載荷等情況下產品的制造。與其他成型工藝相比,帶纏繞成型制品具有以下特點:

    (1)比強度高。

    帶纏繞成型的復合材料制品,其比強度比鋼高3倍,比鈦高4倍。這是由于纏繞所采用布帶的纖維束具有很高的拉伸強度,甚至高于合金鋼。同時纖維束的直徑很細,其表面微裂紋的尺寸和數量較小,從而減少了應力集中,使得布帶具有較高的強度。

    (2)實現等強度結構。

    帶纏繞成型可使制品結構在不同方向的強度比最佳。也就是說,在纏繞結構的任何方向上,均可使設計制品的材料強度與該制品實際承受的強度基本一致,使制品實現等強度結構。

    (3)成本低。

    帶纏繞成型是各種復合材料成型方法中機械化、自動化程度較高的一種,大大提高了生產效率。而該工藝采用的原料(預浸膠布帶),可批量生產,且浸膠方便,加工費用較低。因此相對降低了復合材料制品的成本。

    3 帶鋪放成型

    為解決機翼、壁板構件等大尺寸、中小曲率部件的復合材料成型,帶鋪放成型技術應運而生。第一臺計算機控制的全自動鋪帶機由General Dynamics公司和Conrac公司合作完成,用于鋪放F16戰斗機的復合材料機翼部件[4]。隨著大型運輸機、轟炸機和商用飛機復合材料用量的增加,帶鋪放成型技術應用越來越廣泛,鋪帶機技術也日益完備,目前帶有雙超聲切割刀和縫隙光學探測器的十軸鋪帶機已經成為標準配置,鋪帶寬度最大達到300mm,生產效率達到1000kg/周,是手工鋪疊的數10倍。

    4 帶鋪放成型的優點

    與其他成型工藝相比,帶鋪放成型技術具有很大的優勢。

    (1)采用預浸膠布帶和低張力,不存在穩定性的約束,帶鋪放成型技術可根據設計要求選擇鋪層方向;

    (2)按照制件的模具形狀鋪放布帶,減少了原材料廢邊料,節省了原材料成本;

    (3)采用壓輥裝置,既可以實現任意曲面的成型,又可以保證成型壓力自動可控,提高了制品質量;

    (4)鋪放設備具有多自由度,不僅可以制造復雜型面的復合材料構件,而且能對鋪層進行剪裁以適應局部加厚/混雜、鋪層遞減以及開口鋪層等多方面的需要,滿足各種設計要求,從而最大可能地節約了原材料,而且具有精度高、速度快、質量穩定、性能好等優點;

    (5)帶鋪放技術多采用功能強大的控制系統,自動化程度高,可實現復合材料構件的快速制造,迅速形成批量生產。

 
關鍵詞: 帶纏繞 帶鋪放 纏繞
 
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