[发明专利]热塑性复合材料激光原位加热-固结成型装置及成型方法

说明书

本发明涉及一种热塑性复合材料激光原位加热‑固结成型装置及成型方法。该成型装置包括激光加热机构、送料机构、压辊机构，所述激光加热机构和所述压辊机构分设在所述送料机构的两侧，所述送料机构用于输送待铺放成型的热塑性复合材料预浸带，所述激光加热机构用于对热塑性复合材料预浸带的成形表面进行激光加热，使其熔融，所述压辊机构包括沿成型方向前后设置的热压辊和冷压辊，所述热压辊的最高工作温度大于所述冷压辊的最高工作温度，所述冷压辊的最高工作压力大于所述热压辊的最高工作压力，所述热压辊和冷压辊用于依次将熔融的热塑性复合材料压实致密，并使其在高压降温过程中迅速冷却固结。

技术领域

本发明属于热塑性树脂基复合材料制造技术，特别是涉及一种热塑性复合材料激光原位加热-固结成型装置及成型方法。

背景技术

碳纤维增强复合材料(CFRP)因具有高比强、高模量、优异的耐腐蚀性及抗疲劳性等优点，已超越传统金属材料成为新一代飞机用量最大的材料。目前航空工业使用的复合材料绝大多数为热固性树脂基复合材料，与热固性树脂基复合材料相比，热塑性树脂基复合材料具有下列优势：

(1)高韧性，耐疲劳强度高，冲击损伤阻抗和冲击损伤容限都比热固性复合材料高；

(2)固化为物理过程，因此可多次成型，有利于提高良品率；

(3)加工成型工艺简单，可焊接成型，成型周期短、效率高；

(4)由于是已经反应后的聚合物，热塑性预浸料有近乎无限的储存期；

(5)材料容易实现回收利用，节约成本并对环境友好。

另一方面，纤维自动铺放技术(AFP)是一种高效自动化的复合材料新型成型工艺，尤其适用于自动铺带(ATL)技术无法铺贴的高曲率及复杂形状构件：如发动机进气道、整流罩、风扇及压气机叶片、喷管、锥形管等。一般手工铺贴的效率通常在数千克/时左右，而目前最新的纤维铺放设备已可同时控制32束纤维，铺放宽度可达400mm，铺放效率则高达数十千克/时，而且定位精度比手工铺放高大约两个数量级。国外研究表明自动化纤维铺放是实现复合材料部件高速大量生产的关键技术，同时该技术也是保证生产可靠性、连续性和成本效益最优的方式。

由于热塑性树脂基复合材料的固化为物理过程，因此易于“原位固结”并具有固化成型耗时少的优点。热塑性树脂基复合材料本身的优异特性结合高效的纤维自动铺放技术，以碳纤维增强热塑性树脂基预浸丝/带为加工对象，结合“原位固结”技术高效、低成本的生产复合材料构件是飞机制造业一个新的发展趋势。

目前最为接近热塑性复合材料自动铺放成型的方法，是直接利用现有的热固性复合材料自动铺放成型工艺，通过引入在线加热熔融-固结手段，实现热塑性复合材料预浸带的铺放成型。例如EADS开展的热塑性预浸料自动铺放与前沿快速加热试验，分别利用激光和热空气作为加热源，通过制造壁板试验件进行了验证，产品外观质量良好，但是由于传统的热固性复合材料自动铺放设备铺放压力较低，导致铺放成型的热塑性复合材料层压板致密度不足，必须再进行热压罐固化方能满足承载要求。显然，自动铺放后接热压罐固化大幅增加了热塑性复合材料的制造成本，显著降低了制造效率，不利于热塑性复合材料的进一步应用。必须找出解决办法，实现自动铺放热塑性复合材料的原位固结。

发明内容

(一)本发明的目的

提出一种热塑性复合材料激光原位加热-固结成型装置及成型方法，实现热塑性复合材料的自动铺放原位固结成型。

(二)本发明的技术方案