一种碳纤维复材变角度电损耗自加热原位固化装置制造方法及图纸

一种碳纤维复材变角度电损耗自加热原位固化装置，其特征在于变角度摆动机构下端连接并搭载打印头，打印头内设置放卷和收卷轮，所述放卷轮的下端设置呈阶梯状分布的多对自润滑接触式加热电极辊轮，在打印头末端设有与面板接触的主电压辊和变角度副电压辊，各对电辊轮和电压辊间设置有温度和张力传感器。本实用新型专利技术首次实现了传统热固性复材的秒级打印成型，可为复杂结构热固性复材构件的成型提供技术方案，大幅提高3D打印热固性复合材料的质量和成型效率。

A Self-heating in-situ Curing Device for Carbon Fiber Composites with Variable Angle Electrical Loss

【技术实现步骤摘要】
一种碳纤维复材变角度电损耗自加热原位固化装置
本技术涉及一种碳纤维复材成形技术，尤其是一种碳纤维复材3D打印成形技术，具体地说是一种碳纤维复材变角度电损耗自加热原位固化装置。
技术介绍
先进热固性复合材料的使用量已成为衡量飞行器先进性的关键指标，但是我国飞行器的复材用量还远落后于现有国外先进飞行器。限制复材用量的重大技术瓶颈之一是复材制造技术，现有复材制造采用“铺放-固化-加工”三步制造法。该方法制造工序复杂，效率低，周期长，能耗高。目前，针对上述问题，已有单位和机构提出了热塑性复合材料3D打印装置和方法，然而目前的热塑性复合材料还难以达到传统热固性树脂基复合材料的层间和界面强度。针对于热固性树脂基复合材料，由于树脂发生交联反应需要一定的保温时间，而3D打印工艺必须使得复合材料在极短的秒级时间内实现完全的成型，故目前的热固性复材的3D打印还难以完全意义上实现。例如，技术专利CN106739006A、CN107738441A公开了一种热固性复合材料3D打印机及其打印方法，实际上公开了一种自动铺丝+烘箱后固化的方法，未实现材料的秒级成型；又例如，技术专利CN108381908A公开了一种热固性复合材料3D打印工艺方法，实际上是一种通过紫外光辐照的光敏树脂基复合材料的3D打印方法；又例如，技术专利CN201721206902.6公开了一种热固性树脂基复合材料3D打印装置，利用低能电子束辐照固化复合材料，使其实现快速的交联固化成型，该技术解决本问题有潜在的技术优势，但由于设备投入昂贵，辐射防护措施繁琐，难以大规模推广；目前，还有部分报道通过利用激光、电子束、红外辐照、热风枪等方法实现局部点的高速加热，但这类高能束集中加热难以实现连续运行材料的长时间保温，故传统的高性能热固性树脂基复合材料难以在秒级时间内实现完全固化。所以截止目前，还未能有任何方法可以利用高性能热固性树脂基复材实现3D打印。申请者团队前期保护了一种利用碳纤维自身综合电损耗发热固化复合材料的方法（公开号CN201710975475.6），该方法针对大型复合材料层合板铺放成型完成的后的固化过程，可以实现高质量、高效率、低能耗的固化。然而若将上述应用于层合板的方法直接应用于热固性复合材料3D打印成型过程中，虽然可以实现快速的升温过程，但是由于树脂反应或交联需要一段时间，因此无法在秒级时间内实现原位固化。故本技术提出一种碳纤维复材变角度电损耗自加热3D打印装置及其方法，以实现高性能热固性树脂基复合材料的3D打印。
技术实现思路
本技术的目的是针对现有的碳纤维复材3D打印时成型速度慢，无法实现秒级原位固化的问题，技术一种碳纤维复材变角度电损耗自加热原位固化装置，它利用碳纤维本身的导电特性，通过多级电压辊的接触电能输入，使得碳纤维复材可在打印头中完成多级动态传输纤维的分段非等温加热，最终再送料实现热固性碳纤维复材的3D打印，能实现稳定、可靠地将碳纤维预浸料多级加热，使其在经过加热电极、辊轮后实现秒级固化，以完成碳纤维复材的3D打印过程。本技术的技术方案是：一种碳纤维复材变角度电损耗自加热原位固化装置，包括打印头，其特征在于所述的打印头安装在变角度摆动机构1的下部，该变角度摆动机构1连接于运动执行机构的支撑末端并以主电压辊12与面板接触点的垂线为摆动中轴；所述的打印头包括碳纤维复材丝束放卷2、收膜辊轮3、收衬纸辊轮7、导向轮8、多级自润滑导电辊轮9、张力控制器10、纤维切断装置11、主电压辊12、副电压辊6和温度传感器5，多级自润滑导电辊轮(9)设置在碳纤维复材丝束放卷2的下部，收膜辊轮3和收衬纸辊轮7分置在导向轮8二侧，导向轮8紧邻碳纤维复材丝束放卷2布置，自润滑导电辊轮9和主电压辊12的芯轴固定于打印头主体上，且主电压辊12位于打印头主体的最下部并与面板相接触，副电压辊6安装在主电压辊12的出料侧为复材层间提供压实力；张力控制器10安装在材料传送过程中容易发生松脱的转折处或是两支撑辊轮间距较远的区段内，非接触式的温度传感器5安装在打印头主体上对经过导电辊轮9、副电压辊6和主电压辊12的材料表面温度进行实时监测并反馈给电压控制器，控制各段电辊轮间碳纤维复材的自发热温度；纤维切断装置11安装在主电压辊12和副电压辊6之间用于对秒级原位固化的打印成型的热固性碳纤维复材进行切断。所述的变角度摆动机构1采用电机直驱的方式，其旋转的角度依据打印轨迹中相邻两端插补直线的夹角，并在插补直线出现夹角变化的时候连续平稳旋转，所述的主电压辊与面板接触点始终处于变角度旋转的中心点，所述的副电压辊在变角度旋转过程中时刻与已打印的复合材料段相接触并利用弹簧4提供压实作用力，与碳纤维复材不发生滑动摩擦。所述的碳纤维复材丝束放卷2主要针对于带有衬纸和隔离膜的复合材料预浸料，收膜辊轮3、收衬纸辊轮7呈一定角度布置，保证纤维可以无阻碍的与隔膜及衬纸剥离进入阶梯状布置的导电辊轮9中，收膜辊轮3和收衬纸辊轮7均轴接有电机，电机带动收膜辊轮3和收衬纸辊轮7，进而驱动碳纤维复材丝束放卷2持续旋转和放卷。所述的导电辊轮9为自润滑接触式加热电辊轮，它以电的良导体铜套筒作为主体，所述主体上开有若干均布接触孔，孔内镶嵌有石墨块，所述套筒接触于金属支撑芯轴，芯轴固定在打印头主体上的轴承孔中，金属芯轴的外侧接有快拔式传输线缆，线缆为金属芯轴通以电流，连续纤维与套筒接触后形成电通路，各条电通路上的纤维段的体积电阻，大于自润滑接触式加热电辊轮的接触电阻的总和。所述温度传感器5为非接触式温度传感器：多组非接触式温度传感器构成温度监测反馈装置，温度传感器5分别布置在形成温度梯度的多段加热区内，温度传感器5与带状预浸料不发生接触，每组两个传感器分别置于预浸料两侧，二者在正反两面同时测温，并且反馈给温控器，温控器将实时温度与目标温度比较，生成的自适应温控信号送往不同的电压控制器，各级电压控制器增大或减小各对电极中的输入电压，整个装置一直处于动态平衡的状态。碳纤维预浸料在张力控制器作用下以牵拉方式出料，张力控制器位于带状预浸料容易发生松脱的转折处以及两支撑辊轮较远的区段内，控制器主要构成部分为张紧轮，张紧轮能在一个方向上前后移动。所述的纤维切断装置布置于主电压辊和副电压辊间，可采用超声波刀片式切裁法剪断纤维，切裁过程不影响正常打印进程。所述的收膜辊轮3和衬纸辊轮7可全部安装或安装其中之一。本技术的有益效果是：本技术首次实现了传统热固性复材的秒级打印成型，可为复杂结构热固性复材构件的成型提供技术方案，大幅提高3D打印热固性复合材料的质量和成型效率。附图说明图1是一种碳纤维复材变角度电损耗自加热原位固化装置原理示意图。图2是铜-石墨自润滑接触式加热电极示意图。图3是一种具体实施的复材变角度电损耗自加热3D打印装置外形结构图。图中：1、摆动机构；2、放卷装置；3、收膜辊轮；4、弹簧；5、非接触式温度传感器；6、副电压辊；7、收衬纸辊轮；8、导向辊轮；9、多级自润滑导电辊轮；10、张力调控器；11切断装置；12、主电压辊；13、石墨自润滑辊轮；14、自润滑辊轮芯轴；15、快拔线缆。具体实施方式以下结合附图和实施例对本技术作进一步的详细说明。下述实施例仅用于说明本技术的某本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种碳纤维复材变角度电损耗自加热原位固化装置，包括打印头，其特征在于所述的打印头安装在变角度摆动机构(1)的下部，该变角度摆动机构(1)连接于运动执行机构的支撑末端并以主电压辊（12）与面板接触点的垂线为摆动中轴；所述的打印头包括碳纤维复材丝束放卷(2)、收膜辊轮(3)、收衬纸辊轮（7)、导向轮（8）、多级自润滑导电辊轮(9)、张力控制器(10)、纤维切断装置(11)、主电压辊(12)、副电压辊(6)和温度传感器(5)，多级自润滑导电辊轮(9)设置在碳纤维复材丝束放卷(2)的下部，收膜辊轮(3)和收衬纸辊轮（7)分置在导向轮（8）二侧，,导向轮（8）紧邻碳纤维复材丝束放卷(2)布置，自润滑导电辊轮(9)和主电压辊（12）的芯轴固定于打印头主体上，且主电压辊（12）位于打印头主体的最下部并与面板相接触，副电压辊(6)安装在主电压辊（12）的出料侧为复材层间提供压实力；张力控制器(10)安装在材料传送过程中容易发生松脱的转折处或是两支撑辊轮间距较远的区段内，非接触式的温度传感器(5)安装在打印头主体上对经过导电辊轮（9）、副电压辊(6)和主电压辊（12）的材料表面温度进行实时监测并反馈给电压控制器，控制各段电辊轮间碳纤维复材的自发热温度；纤维切断装置(11)安装在主电压辊（12）和副电压辊(6)之间用于对快速固化打印成型的热固性碳纤维复材进行切断。...

【技术特征摘要】
1.一种碳纤维复材变角度电损耗自加热原位固化装置，包括打印头，其特征在于所述的打印头安装在变角度摆动机构(1)的下部，该变角度摆动机构(1)连接于运动执行机构的支撑末端并以主电压辊（12）与面板接触点的垂线为摆动中轴；所述的打印头包括碳纤维复材丝束放卷(2)、收膜辊轮(3)、收衬纸辊轮（7)、导向轮（8）、多级自润滑导电辊轮(9)、张力控制器(10)、纤维切断装置(11)、主电压辊(12)、副电压辊(6)和温度传感器(5)，多级自润滑导电辊轮(9)设置在碳纤维复材丝束放卷(2)的下部，收膜辊轮(3)和收衬纸辊轮（7)分置在导向轮（8）二侧，,导向轮（8）紧邻碳纤维复材丝束放卷(2)布置，自润滑导电辊轮(9)和主电压辊（12）的芯轴固定于打印头主体上，且主电压辊（12）位于打印头主体的最下部并与面板相接触，副电压辊(6)安装在主电压辊（12）的出料侧为复材层间提供压实力；张力控制器(10)安装在材料传送过程中容易发生松脱的转折处或是两支撑辊轮间距较远的区段内，非接触式的温度传感器(5)安装在打印头主体上对经过导电辊轮（9）、副电压辊(6)和主电压辊（12）的材料表面温度进行实时监测并反馈给电压控制器，控制各段电辊轮间碳纤维复材的自发热温度；纤维切断装置(11)安装在主电压辊（12）和副电压辊(6)之间用于对快速固化打印成型的热固性碳纤维复材进行切断。2.根据权利要求1所述的碳纤维复材变角度电损耗自加热原位固化装置，其特征在于：所述的变角度摆动机构（1）采用电机直驱的方式，其旋转的角度依据打印轨迹中相邻两端插补直线的夹角，并在插补直线出现夹角变化的时候连续平稳旋转，所述的主电压辊与面板接触点始终处于变角度旋转的中心点，所述的副电压辊在变角度旋转过程中时刻与已打印的复合材料段相接触并利用弹簧（4）提供压实作用力，与碳纤维复材不发生滑动摩擦。3.根据权利要求1所述的碳纤维复材变角度电损耗自加热原位固化装置，其特征在于所述的碳纤维复材丝束放卷(2)主要针对于带有衬纸和隔离膜的复合材料预浸料，收膜辊轮(3)、...

【专利技术属性】
技术研发人员：张致豪，赵博雅，郭何涛，杨少军，李衍珂，李迎光，郝小忠，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：新型
国别省市：江苏,32