一种用于高速纤维铺放中的红外波加热系统技术方案

本发明专利技术涉及一种用于高速纤维铺放中的波红外加热系统。该加热系统安装在铺丝头末端，包括安装板件主体、陶瓷金卤灯辐射加热模块、加热区温度检测装置、辐射加热功率调节与模式转换控制模块、基于双金属热变形原理的辐射反射器模块、过热防护模块、以及空气冷却模块，用于加热即将进行铺放作业的复合材料芯模层，目标是将铺放区新铺层与芯模的结合面的温度提高到适宜温度区间（30℃至90℃），以提高后续铺层的质量。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术用于复合材料自动铺放成型
，涉及一种用于高速纤维铺放中的波 红外加热系统，目标是高速纤维铺放作业提供一种响应迅速，高比能量，高效率的红外加热 系统。
技术介绍
复合材料以碳纤维增强树脂基复合材料为代表，具有轻质、高强、高模量、耐疲劳、 抗腐蚀、结构功能一体化和设计制造一体化、易于成型大型构件等突出优点。大量应用先进 复合材料是提高航空航天飞行器、运载工具和武器装备效能的重要途径，其用量业已成为 航空航天飞行器先进性的重要标志。先进复合材料以其优异的综合性能在航空航天工业领 域得到了广泛的应用，但先进复合材料的成本远高于金属材料，高成本已经成为复合材料 扩大应用的主要障碍。 复合材料自动铺放技术是增加复合材料用量、提高制造技术水平与效率、保证产 品质量和降低成本的关键技术。 在复合材料自动铺带成形过程中，为保证预浸带铺放成形质量，在预浸带铺叠过 程中需要对预浸带铺放速度、铺放温度、铺放压力等成形工艺参数进行协调控制，以使预浸 带状态始终处于铺叠成形的工艺窗口内。温度、压力、铺放速度等成形工艺参数对复合材料 制品的质量产生了重要的影响。 (1)不同树脂体系预浸带对温度的要求不同：复合材料树脂体系是决定铺放温度 的主要因素，这就要求针对不同的树脂体系的预浸带采用相应的温度工艺曲线。 (2)预浸带在不同的铺放速度下的要求温度恒定：国内目前使用的预浸带多为热 固性树脂基复合材料，热固性树脂的铺放成形温度可调节范围很小，这给变速工况下的温 度控制带来了难题。 (3)压力使预浸带铺层产生了不同的变形效应：受树脂粘弹性的影响，预浸带在 受压时，随着温度及时间的变化，会产生不同类型的变形。 在自动铺带成形工艺过程中，温度对复合材料制品质量的影响最大。对于热固性 树脂基体的预浸带来说，其成形温度较低，可调节范围较窄，这给温度控制带来了困难。此 外，温度的偏差会导致铺放过程无法顺利进行：温度过高，预浸带容易与背衬纸粘结，使预 浸带无法铺叠在模具或者上一层表面，甚至导致树脂提前固化：温度过低，预浸带粘性不 足、无法与模具顺利贴合、预浸带发生曲皱、树脂流动性差、预浸带中的气泡没有完全赶走， 使复合材料制品存在缺陷。另外，为了实现低成本制造，需要提高自动铺带成形速率。这种 高速、动态的工况给温度控制带来了许多难题。
技术实现思路
本专利技术主要是解决现有技术所存在的技术问题；提供了一种响应迅速，高比能量， 高效率，高安全系数的一种用于高速纤维铺放中的波红外加热系统。 本专利技术的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的： 一种用于高速纤维铺放中的波红外加热系统，其特征在于，安装在铺丝头末端，包 括： 安装板件主体：用于安装波红外加热系统并与铺丝头固定； 陶瓷金卤灯辐射加热模块：采用基于传统石英金卤灯改进而来的陶瓷金卤灯。所 述加热系统具有三只相同的陶瓷金卤灯管，沿铺放方向呈线性均匀布置。 加热区温度检测装置：采用1X128元热电堆线阵温度传感器及A/D模块，采用无 接触的在线检测的方式对铺层工作区域的温度进行实时测量。 辐射加热功率调节与模式转换控制模块： 基于双金属热变形原理的辐射反射器模块：包括反射器部件，通过永磁体吸附的 原理与安装板连接，陶瓷金卤灯与温度检测装置通过连接件固接在安装板上，功率与模式 控制模块置于上位机中，加热系统通过安装板件上的安装孔及安装螺栓同铺丝头相连接。 过热防护模块：由双金属片及其触点、弹性铜片及其触点、绝缘支架、升降螺栓及 调温旋钮组成。所述弹性铜片通过螺栓和连接孔固接在绝缘支架上；所述升降螺栓与绝缘 支架通过螺栓螺孔活接，两者之间的相对位置可通过固接在升降螺栓上的调温旋钮进行旋 转调节。所述过热防护模块的双金属元件在温度升高至动作温度值产生内应力而迅速动 作，闭合触点，接通紧急制动电路，从而起到热保护作用。所述过热防护模块在铺放头重新 启动后，当温度降到设定温度时触点自动断开，恢复正常工作状态。所述调温旋钮由工作人 员人工调控，可起到升高或者降低动作温度的作用。 空气冷却模块：包括冷空气储气罐、气泵以及冷风出口；冷空气储气罐、气泵以及 冷风出口之间通过导气管连接，冷风出口位于红外加热系统与铺丝头之间。 在上述的一种用于高速纤维铺放的中波红外加热系统，所述的辐射加热功率调节 与模式转换控制模块分为功率控制模块与工作模式控制模块。功率控制模块分七个档位： 其中一档、二档、三档为升温档；四档为保温档；五档、六档、七档为降温档。工作模式分为 低速模式、中速模式、高速模式三种模式，可视铺放速度自动调节。 在上述的一种用于高速纤维铺放的中波红外加热系统，所述反射器部件包括内侧 为一抛物柱面的反射镜。所述反射器模块通过永磁吸附的原理与安装板连接，且三只反射 器与陶瓷金卤灯管一一对应，沿铺放方向呈线性均匀布置。所述反射器模块的反射镜分为 内外双层：内层为膨胀系数大的主动层，材料为纳米金镀膜；外层为膨胀系数小的被动层， 材料为因瓦合金。所述反射器在温度逐渐升高时，所述抛物柱面的形变使辐射热量向更大 的铺放面散射，可对热量集中起到自动反馈调节作用。 在上述的一种用于高速纤维铺放的中波红外加热系统，反射器模块的反射镜内外 双层具体为：内层为膨胀系数较大的主动层，厚度为〇. 5_，材料为反射率接近0. 99的纳米 金镀膜（廉价的替代方案为使用在纯铝表面电镀不锈钢防氧化层并抛光）；外层为膨胀系 数较小的被动层，厚度为I. 5mm，材料为FeNi36因瓦合金。 因此，本专利技术具有如下优点：响应迅速（最大铺放速度超过lm/s)，高比能量 (3. 8w/cm2)，高效率辐射能量吸收率超过0. 8)，高安全系数。【附图说明】 图1是红外加热系统的总体结构的立体结构示意图。 图2是加热系统与铺丝头的连接示意图。 图3是红外加热系统沿纤维铺放作业进给方向的剖面图。 图4是过载防护装置的局部示意图。 图5是放射器镜面形状直观图。 图6是反射器镜面抛物线形状，与灯管、芯模面位置关系几何示意图。【具体实施方式】 下面通过实施例，并结合附图，对本专利技术的技术方案作进一步具体的说明。图中， 安装板件主体1、永磁体磁铁2、陶瓷金卤灯灯管3、双金属辐射反射器4、连接螺栓5、绝缘 支架6、弹性铜片7、连接螺栓二8、升降螺栓9、连接螺栓三10、双金属辐射反射器上的触点 11、弹性铜片上的触点12、调温旋钮13、连接螺孔四14、连接螺栓五15、铺放头压辊16、碳纤 维复合材料丝带17、过载保护装置18、抛物柱面19、双金属辐射反射器内层20、双金属辐射 反射器外层21。 实施例： -、首先介绍本专利技术的机械机构。 本专利技术安装在铺丝头末端，可以加热即将进行铺放作业的复合材料芯模层，已达 到将铺放区新铺层与芯模的结合面的温度提高到适宜温度的效果（30°C至90°C)，提高后 续铺层的质量。 本专利技术基于模块化设计，主要包括安装板件主体、加热区温度检测装置、陶瓷金卤 灯辐射加热模块、辐射加热功率调节与模式转换控制模块、基于双金属热变形原理的辐射 反射器模块、过热防护模块、以及空气冷却模块等。上述的模块中，反射器模块通过永磁体 吸附的原理与安装板连接，所述陶瓷金卤灯与温度检测装置通过连接件固接在安装板上， 所述功率与模式控制模块本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于高速纤维铺放中的波红外加热系统，其特征在于，安装在铺丝头（B）末端，包括：安装板件主体：用于安装波红外加热系统（A）并与铺丝头固定；陶瓷金卤灯辐射加热模块: 采用基于传统石英金卤灯改进而来的陶瓷金卤灯；所述加热系统具有三只相同的陶瓷金卤灯管，沿铺放方向呈线性均匀布置；加热区温度检测装置: 采用1×128元热电堆线阵温度传感器及A/D模块，采用无接触的在线检测的方式对铺层工作区域的温度进行实时测量；辐射加热功率调节与模式转换控制模块:基于双金属热变形原理的辐射反射器模块: 包括反射器部件（4），通过永磁体吸附的原理与安装板（1）连接，陶瓷金卤灯（3）与温度检测装置通过连接件固接在安装板（1）上，功率与模式控制模块置于上位机中，加热系统（A）通过安装板件（1）上的安装孔（14）及安装螺栓（15）同铺丝头（B）相连接；过热防护模块: 由双金属片及其触点（11）、弹性铜片（9）及其触点（12）、绝缘支架（6）、升降螺栓（9）及调温旋钮（13）组成；所述弹性铜片（9）通过螺栓和连接孔固接在绝缘支架（6）上；所述升降螺栓与绝缘支架通过螺栓螺孔活接，两者之间的相对位置可通过固接在升降螺栓上的调温旋钮进行旋转调节；所述过热防护模块的双金属元件在温度升高至动作温度值产生内应力而迅速动作，闭合触点,接通紧急制动电路，从而起到热保护作用；所述过热防护模块在铺放头重新启动后，当温度降到设定温度时触点自动断开，恢复正常工作状态；所述调温旋钮由工作人员人工调控，可起到升高或者降低动作温度的作用；空气冷却模块：包括冷空气储气罐、气泵以及冷风出口；冷空气储气罐、气泵以及冷风出口之间通过导气管连接，冷风出口位于红外加热系统与铺丝头之间。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：肖晓晖，刘胜，公鑫，王国平，占必红，吕家将，廖道坤，
申请(专利权)人：武汉大学，
类型：发明
国别省市：湖北;42