碳纤维激光制造及其原位3D织造一体化成型设备制造技术

本实用新型专利技术公开了碳纤维激光制造及其原位3D织造一体化成型设备，包括成型罐、移动式装卸平台、抽气泵和氩气瓶，本实用新型专利技术将预氧化纤维的碳化和石墨化工艺与碳纤维制造后原位热塑性树脂包覆以及碳纤维复合材料成型结合在一起，统一到一次成型工艺中，采用机械手在封闭的惰性气体保护的空间中进行纤维的碳化或者石墨化，同步进行碳纤维制造后原位热塑性树脂包覆以及3D织造过程，省去了碳纤维生产制造后的运输及停放过程，简化了工艺流程，同时使得制造生产碳纤维的质量及碳纤维与树脂材料复合制造产品的品质得到即时的调控。且一体化制造过程中成型罐内实现了静态完全密封，有效避免外界空气对碳纤维制造过程的干扰及制造质量的影响。

Carbon fiber laser manufacturing and in-situ 3D weaving integrated forming equipment

The utility model discloses a carbon fiber laser manufacturing and in situ 3D weaving integration molding equipment, including a molding tank, a moving loading and unloading platform, a pumping pump and an argon gas bottle. The utility model has the carbonization and graphitization process of the preoxidized fiber and the in-situ thermoplastic coating after the carbon fiber manufacturing and the forming of the carbon fiber composite material. Together, in one molding process, the mechanical hand is carbonized or graphitized in the enclosed space of inert gas protection, and the in-situ thermoplastic resin coating and 3D weaving process are synchronized after the manufacture of carbon fiber, and the process of transportation and parking after the production of carbon fiber is omitted, and the process is simplified. The process also makes the quality of the carbon fiber produced and produced, and the quality of the composite products made of carbon fiber and resin materials can be adjusted immediately. In the process of integrated manufacturing, the static complete seal is realized in the molding tank, which effectively avoids the influence of external air on the interference of carbon fiber manufacturing process and the quality of manufacturing.

【技术实现步骤摘要】
碳纤维激光制造及其原位3D织造一体化成型设备
本技术涉及碳纤维制造领域以及碳纤维复合材料成型领域，尤其是涉及碳纤维激光制造及其原位3D织造一体化成型设备。
技术介绍
碳纤维是一种由有机纤维在惰性气氛中加热经固相反应转化而成的含碳量高于90％的无机高分子纤维，其中碳含量高于99％的称为石墨纤维。碳纤维“外柔内刚”，质量比金属铝轻，但强度却高于钢铁，并且具有耐腐蚀、高模量的特性，在国防军工和民用方面都是重要材料。它不仅具有碳材料的固有本征特性，又兼备纺织纤维的柔软可加工性，是新一代增强纤维。由碳纤维和环氧树脂结合而成的复合材料，由于其比重小、刚性好和强度高，被广泛应用于轻量化车辆、大飞机、航天飞机、火箭推进器等重要领域。所采用的碳纤维复合材料成型方法包括树脂转移模塑成型(RTM)、树脂浸润技术(RFI)、纤维缠绕技术及自动铺带铺丝技术。但是上述的这些碳纤维与树脂材料复合的工艺与碳纤维的制造工艺是分离的，这使得产品性能的调控空间受到限制，制造和应用无法直接匹配，前期制造生产的碳纤维还需要经过上浆过程的保护措施，且需要经过运输到加工部件的生产地点，制造的碳纤维停放时间越长，其对性能会造成不同程度的降低。而且碳纤维在制造过程中现有的技术是动态密封，密封效果差，外界空气极易进入到制造设备中，影响碳纤维的制造质量。
技术实现思路
为解决现有的碳纤维制造生产过程与碳纤维复合材料制造过程分离以及碳纤维在制备过程中动态密封性差的技术难题，提出碳纤维激光制造及其原位3D织造一体化成型设备与工艺。实现上述目的的技术方案是，碳纤维激光制造及其原位3D织造一体化成型设备，包括成型罐，在其内部实现碳纤维激光制造及其原位3D织造一体化成型；包括移动式装卸平台，可以实现碳纤维织造成型部件的移入移出罐体以便于装卸；包括抽气泵，对密封后的成型罐抽气除尽内部空气；包括氩气瓶，保证成型罐内部的惰性气体气氛。本技术碳纤维激光制造及其原位3D织造一体化成型设备，其中移动式装卸平台包括移动平台、导轨、齿轮和齿条，在齿轮与齿条的啮合传动下，移动平台可以实现移动以与成型罐内的平台无缝对接，碳纤维织造平台可以在轨道上移动实现移入移出成型罐以便于装卸。本技术碳纤维激光制造及其原位3D织造一体化成型设备，其中成型罐内部包括成型部件，机械手，碳纤维原位3D织造成型装置及机械手支撑架。3D织造成型装置可以实现五轴联动，可以对碳纤维3D织造成型部件进行自由织造，适合多种规则的或不规则的成型体，可以成型复杂的成型体。本技术碳纤维激光制造及其原位3D织造一体化成型设备，其中机械手包括一体化成型手臂、导向轮一、导向轮二、预氧化纤维丝束、预氧化纤维卷和预氧化纤维放卷辊。该机械手为一多自由度机械手，其与激光法制备碳纤维的装备进行复合，形成碳纤维激光制造及其原位3D织造一体化成型机械手，在其上完成激光加热成型碳纤维或者石墨纤维，然后原位包覆热塑性树脂，在引导装置的调控下对成型部件进行原位织造过程。本技术碳纤维激光制造及其原位3D织造一体化成型设备，可以将圆柱形成型罐替换为两分区成型罐，在成型罐内部设立两扇分隔的可以自动开关的门，这样，成型罐分为两个区：3D织造区及待运载区。在3D织造区完成碳纤维的制造，热塑性树脂包覆及3D织造过程，之后3D织造成型装置后退到待运载区，门自动关闭，然后再打开成型罐的门，将3D织造成型装置移出成型罐，到达移动平台。氩气瓶和抽气泵只对3D织造区抽除杂质气体及充填氩气。在保证3D织造区内部的氩气纯度方面，采用氩气纯度分析仪实时测控内部的氩气含量，及时反馈到氩气瓶及抽气泵，通过设定氩气含量阈值，抽气泵及时抽取杂质气体，氩气瓶及时供应氩气。本技术碳纤维激光制造及其原位3D织造一体化成型设备，成型工艺方法如下：初始，碳纤维原位3D织造成型装置位于移动式装卸平台上，将碳纤维3D织造的预成型部件用旋转顶针和固定旋转轴固定于碳纤维原位3D织造成型装置上；初始时成型罐的两侧门是打开的，在齿轮和齿条的啮合传动下，移动式装卸平台移动到成型罐的一侧门，与成型罐内的平台无缝对接，同时实现了移动式装卸平台上的轨道与成型罐内的轨道的无缝对接；碳纤维原位3D织造成型装置按照预设的程序自动进入成型罐内部的预定位置后，移动式装卸平台撤回，此时成型罐的门全部关闭，抽气泵开始工作，抽除成型罐内部的空气，抽气泵工作一定时间后关闭，打开氩气瓶对成型罐内部冲入氩气，充填到氩气含量接近100％后碳纤维激光制造及其原位3D织造一体化成型机械手开始工作，首先碳纤维原位3D织造引导装置将纤维固定于成型部件上，然后预氧化纤维放卷辊以一定的速度转动，预氧化纤维以一定速度先后经过两个激光器和热塑性树脂包覆装置移动到碳纤维原位3D织造引导装置，通过控制预氧化纤维放卷辊的转动速度以控制预氧化纤维的加热时间，通过控制两台激光器的加热功率实现预氧化纤维的加热温度控制；根据碳纤维3D织造使用的纤维是碳纤维还是石墨纤维对这两个激光器进行选择使用，如果使用的是碳纤维及其技术特征要求，只对用于预氧化纤维加热碳化的激光器程序控制其功率对碳纤维进行照射，如果使用的是石墨纤维及其技术特征要求，同时对用于预氧化纤维加热碳化的激光器及用于预氧化纤维加热石墨化化的激光器程序控制其功率对碳纤维先后进行照射，从而制造出碳纤维；通过激光器加热的纤维进入热塑性树脂包覆碳纤维装置后自动包覆上热塑性树脂，从而制造出碳纤维树脂复合材料；最后碳纤维在碳纤维原位3D织造引导装置的引导下，以及在碳纤维原位3D织造成型装置的预设织造的自动化控制下，对成型部件进行原位3D织造过程。与现有的技术相比，本技术的有益效果是：将预氧化纤维的碳化和石墨化工艺与碳纤维制造后原位热塑性树脂包覆以及碳纤维复合材料成型结合在一起，统一到一次成型工艺中，采用机械手在封闭的惰性气体保护的空间中进行纤维的碳化或者石墨化，同步进行碳纤维制造后原位热塑性树脂包覆以及3D织造过程，省去了碳纤维生产制造后的运输及停放过程，简化了工艺流程，同时使得制造生产碳纤维的质量及碳纤维与树脂材料复合制造产品的品质得到即时的调控。且一体化制造过程中成型罐内所有设备密封于氩气惰性气体中，实现了静态完全密封，有效避免外界空气对碳纤维制造过程的干扰及制造质量的影响。通过激光照射加热法可实现预氧化纤维碳化或者石墨化的可控制备，激光的能量绝大部分被碳纤维吸收，少数能量以光能辐射，能量利用率高，加热速度快，碳化程度及纤维石墨化程度高，石墨化温度可突破3000℃的高温瓶颈。利用导向轮对纤维施加一定的张紧力，并且纤维的终端固定于3D织造成型部件上，这样在3D织造过程中自动对纤维自动施加了一定的牵伸力，代替了传统碳纤维过程中的牵伸装置，极大的降低了碳纤维制造设备的成本。提出了碳纤维3D织造成型方法，成型零部件可以是各种规则的、不规则的，可以是对芯模进行织造，也可以对压力容器的内衬层进行织造，成型的适应性强。采用氩气纯度检测与反馈装置，及时检测3D织造区的氩气纯度，反馈到抽气泵及氩气瓶，进行预设的抽气量及氩气补充量，提高氩气纯度的实时准确性；采用了两分区成型罐的方案，在成型制品取出时不必完全打开成型罐的两侧们，有利于避免氩气过多的浪费问题。通过对本技术设备进行程序控制，可自动实现本文档来自技高网...

【技术保护点】
碳纤维激光制造及其原位3D织造一体化成型设备，其特征在于：包括成型罐、移动式装卸平台、抽气泵和氩气瓶，移动式装卸平台包括移动平台、导轨、齿轮和齿条，在齿轮与齿条的啮合传动下，移动平台可以实现移动以与成型罐内的平台无缝对接，碳纤维织造平台可以在轨道上移动实现移入移出成型罐以便于装卸；成型罐内部包括成型部件、成型机械手、碳纤维原位3D织造成型装置及机械手支撑架，3D织造成型装置可以实现五轴联动；成型机械手包括一体化成型手臂、导向轮一、导向轮二、预氧化纤维丝束、预氧化纤维卷和预氧化纤维放卷辊。

【技术特征摘要】
1.碳纤维激光制造及其原位3D织造一体化成型设备，其特征在于：包括成型罐、移动式装卸平台、抽气泵和氩气瓶，移动式装卸平台包括移动平台、导轨、齿轮和齿条，在齿轮与齿条的啮合传动下，移动平台可以实现移动以与成型罐内的平台无缝对接，碳纤维织造平台可以在轨道上移动实现移入移出成型罐以便于装卸；成型罐内部包括成型部件、成型机械手、碳纤维原位3D织造成型装置及机械手支撑架，3D织造成型装置可以实现五轴联动；成型机械手包括一体化成型手臂、导向轮一、导向轮二、预氧化纤维丝束、预氧化纤维卷和预氧化纤维放卷辊。2.根据权利要求1所述的碳纤维激光制造及其原位3D织造一体化成型设备，其特征在于：成型罐替换为两分区成型罐，在成型罐内部设立两扇分隔的可以自动开关的门，成型罐分为两个区：3D织造区及待运载区，在3D织造区完成碳纤维的制造、热塑性树脂包覆及3D织造，氩气瓶和抽气泵只对3D织造区抽除杂质气体及充填氩气，采用氩气纯度分析仪实时测控内部的氩气含量，及时反馈到氩气瓶及抽气泵，通过设定氩气含量阈值，抽气泵及时抽取杂质气体，氩气瓶及时供应氩气。3.根据权利要求1所述的碳纤维激光制造及其原位3D织造一体化成型设备，其特征在于：3D织造成型装置包括摆动平台、控制电机、齿型同步带、带轮、旋转升降平台、旋转及升降轴、移动平台、滚轮、旋转顶针和固定旋转轴，滚轮由驱动电机对其动力控制，并与成型罐内的导轨对接，在滚轮的滚动下，3D织造成型装置可以移动；在滚轮的上部有...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨卫民，张政和，谭晶，李好义，丁玉梅，
申请(专利权)人：北京化工大学，
类型：新型
国别省市：北京,11