一种碳纤维与金属复合结构制造方法技术

本发明专利技术公开了一种碳纤维与金属复合结构制造方法，包括以下步骤：设计金属构件的尺寸及粗糙度，对金属构件进行粗加工；利用旋转磨削设备对金属构件外表面进行加工，得到金属基体；加热金属基体使待加工区域温度达到设定值，同时，利用激光照射金属基体上辊压点前方，金属基体表面将部分激光反射至碳纤维增强复合材料上，同时加热金属基体照射表面附近以及对碳纤维增强复合材料进行预热；待金属基体和碳纤维增强复合材料表面被照射区域温度稳定后，按照路径运行机械臂，依次完成每一层碳纤维增强复合材料的增材制造；随后关闭激光和加热设备，剪断碳纤维增强复合材料。利用本发明专利技术，可以提高构件的强度和综合性能，实现构件的轻量化和智能化。量化和智能化。量化和智能化。

【技术实现步骤摘要】
一种碳纤维与金属复合结构制造方法


[0001]本专利技术涉及纤维复合增材制造领域，尤其是涉及一种碳纤维与金属复合结构制造方法。

技术介绍

[0002]为了提高材料的利用率，降低机器的总质量和能耗，产品轻量化已经成为诸多行业所追求的设计目标。传统金属材料由于其具有较好的综合性能以及各向同性等性质，在工业中大量的使用，钢材产量也成为了衡量各国工业发展的重要指标。通过结构优化设计可以一定程度上提高金属构件的材料利用率，利用合适的热处理工艺也能实现产品强度的提升。但结构优化对材料极限承载能力的影响有限。热处理虽然可以一定程度上提高金属材料的强度，但其影响范围更多局限于表层。强化深度的增加与时间的平方成正比，需要极大的能耗以及时间。以45#钢为代表的淬透性差的钢种，则更难以热处理的方式提高性能，因此热处理对金属材料的强化不具有普适性。综上，越来越多的研究开始考虑引入强度更大质量更轻的新材料来提高材料的极限承载能力。
[0003]随着制造技术的发展以及复合材料构件设计理论的提出，越来越多的新材料被用来与传统金属材料一同制造复合结构，例如陶瓷、纤维等。与金属相比，新材料大多数是由非金属元素组成，因此在质量上相较于金属材料更轻。同时由于同类非金属原子间形成的高强度连接使其拥有超过金属材料的强度。在诸多新材料中，碳纤维由于其具有轻质高强的性能，加上轴向高热导率，耐磨和抗腐蚀性，成为了大量复合构件制造的研究对象，包括与混凝土、金属、热塑性塑料等。此外，通过熔融沉积技术(FDM)可以实现碳纤维的增材制造，增加结构设计的自由度。尽管如此，碳纤维无法完全取代金属材料，其原因在于碳纤维并非各向同性材料，只在其纤维方向具有极高的强度和热导率等性能。因此，需要金属材料提供整体的刚度。利用分段式布置的设计思路，在需要配合的地方使用金属材料，而在其他非接触区域可以使用碳纤维。在设计时考虑金属材料和碳纤维的体积比例以及排列方式，不同角度碳纤维堆叠后整体的性能。保证结构在设计时满足强度、刚度、热变形等要求。
[0004]然而，由于碳纤维增强复合材料和金属材料的微观结构不同，二者在复合界面上会存在较大的应力，难以实现有效结合。缺乏有效的异质材料连接手段，不仅会导致无法充分发挥碳纤维增强复合材料的优良性能，而且会因连接强度不足导致失效。碳纤维增强复合材料和金属材料的结合问题也因此成为了科学研究的重点。目前研究最多的方法是利用激光加热金属，利用金属的高热导率使得界面温度达到基体材料的熔化温度，配合一定压力实现碳纤维增强复合材料和薄金属板的连接。然而，该方法由于能量需要穿透金属，无法实现厚金属与碳纤维增强复合材料的有效连接，因此，针对拥有变曲率表面的结构，需要探索更为普适的加工制造方法。
[0005]对于加工完成后的复合构件，在使用过程中需要对其工作情况进行监测，以避免因为长时间工作或者环境变化影响正常工作。目前工业上常用工业摄像头和传感器完成对零件工况的监控。然而，摄像头通常只能反映零件表面的情况，传感器则往往只能对设定位
置的局部区域进行反馈。对于碳纤维与金属复合构件而言，除了表面，碳纤维层间的工况也值得关注，避免出现复合材料常见的层间连接失效。

技术实现思路

[0006]本专利技术提供了一种碳纤维与金属复合结构制造方法，在金属构件表面利用激光实现碳纤维增强复合材料原位增材制造，通过碳纤维增强复合材料和金属复合构件的制造，提高了构件的强度和综合性能，实现了构件的轻量化和智能化。
[0007]一种碳纤维与金属复合结构制造方法，包括以下步骤：
[0008](1)设计金属构件的尺寸及粗糙度Ra
i
，确定碳纤维增材制造加工区域的尺寸、信号传递区域的位置与尺寸、连接区域的位置与尺寸；
[0009](2)将金属构件的毛坯依次移动至车工位、铣工位、钻工位，完成对应金属构件的粗加工；
[0010](3)将粗加工后的金属构件移动至平台上并固定，利用机械臂带动旋转磨削设备对金属构件外表面进行加工，使其表面粗糙度Ra
i
达到设计要求后得到金属基体；
[0011](4)选用单边轮结构的棍子，机械臂带动激光聚焦辅助原位成型设备移动至金属基体上第i个加工区域第一层碳纤维增强复合材料加工路径起点处，气缸带动辊子将碳纤维增强复合材料压在金属基体表面；
[0012](5)加热金属基体使待加工区域温度达到设定值，同时，利用激光照射金属基体上辊压点前方，金属基体表面将部分激光反射至碳纤维增强复合材料上，同时加热金属基体照射表面附近以及对碳纤维增强复合材料进行预热；
[0013](6)待金属基体和碳纤维增强复合材料表面被照射区域温度稳定后，按照路径运行机械臂，完成该区域第一层碳纤维增强复合材料的增材制造；随后关闭激光和加热设备，剪断碳纤维增强复合材料；
[0014](7)金属基体温度降至碳纤维增强复合材料中基体材料玻璃化转化温度以上10
‑
20℃后，采用步骤(4)～(6)的步骤依次完成该区域剩余层碳纤维增强复合材料的增材制造；
[0015](8)调整机械臂位姿，利用机械臂带动旋转磨削设备对碳纤维增强复合材料外表面进行加工使其表面达到设计要求；
[0016](9)重复(4)～(8)，完成剩余各个加工区域的加工制造；
[0017](10)待复合构件装配完成后，将电源、信号采集设备与碳纤维上信号传递区域连接，实现复合构件自监测。
[0018]步骤(1)中，所述的金属构件包括但不限于平板结构、L形结构、回转体结构、轴类结构。金属构件的材质包括但不限于钢或者铝合金等。
[0019]步骤(3)中，所述的平台具有固定、旋转、感应加热和散热功能，用于实现对金属构件的固定、转动、加热与保温。
[0020]步骤(4)中，若辊子中心与金属基体表面曲率中心在金属基体表面同侧，则辊子曲率应大于金属基体表面区域曲率的最小值。
[0021]若碳纤维与金属复合结构为回转体，且碳纤维增材路径沿回转体轴线方向，则棍子必须使用橡胶辊，其余角度均使用金属辊。
[0022]步骤(5)中，利用平台加热金属基体使其表面待加工区域的温度达到碳纤维增强复合材料中基体材料的玻璃化转变温度；利用激光照射金属基体上辊压点前方，使得辊压点处金属基体表面温度达到碳纤维增强复合材料中基体材料的熔点以上；同时，部分激光反射至碳纤维增强复合材料表面，使其表面温度达到碳纤维增强复合材料中基体材料的玻璃化转变温度以上。
[0023]步骤(5)中，若金属基体表面为变曲率曲面，应考虑第一曲率半径和第二曲率半径以确定激光反射率和吸收率，保证整个制造过程中激光加热中心区域温度变化小于
±
25℃；同时，保证反射至碳纤维增强复合材料表面的激光能量不低于激光总功率的20％。
[0024]步骤(6)中，进行第一层碳纤维增强复合材料的增材制造时，辊子运动的速度应小于金属基体上表面温度高于熔点区域边缘的移动速度，该速度上限通过计算得到，式中k为工作环境系数，表征对流和本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种碳纤维与金属复合结构制造方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)设计金属构件的尺寸及粗糙度Ra
i
，确定碳纤维增材制造加工区域的尺寸、信号传递区域的位置与尺寸、连接区域的位置与尺寸；(2)将金属构件的毛坯依次移动至车工位、铣工位、钻工位，完成对应金属构件的粗加工；(3)将粗加工后的金属构件移动至平台上并固定，利用机械臂带动旋转磨削设备对金属构件外表面进行加工，使其表面粗糙度Ra
i
达到设计要求后得到金属基体；(4)选用单边轮结构的棍子，机械臂带动激光聚焦辅助原位成型设备移动至金属基体上第i个加工区域第一层碳纤维增强复合材料加工路径起点处，气缸带动辊子将碳纤维增强复合材料压在金属基体表面；(5)加热金属基体使待加工区域温度达到设定值，同时，利用激光照射金属基体上辊压点前方，金属基体表面将部分激光反射至碳纤维增强复合材料上，同时加热金属基体照射表面附近以及对碳纤维增强复合材料进行预热；(6)待金属基体和碳纤维增强复合材料表面被照射区域温度稳定后，按照路径运行机械臂，完成该区域第一层碳纤维增强复合材料的增材制造；随后关闭激光和加热设备，剪断碳纤维增强复合材料；(7)金属基体温度降至碳纤维增强复合材料中基体材料玻璃化转化温度以上10
‑
20℃后，采用步骤(4)～(6)的步骤依次完成该区域剩余层碳纤维增强复合材料的增材制造；(8)调整机械臂位姿，利用机械臂带动旋转磨削设备对碳纤维增强复合材料外表面进行加工使其表面达到设计要求；(9)重复(4)～(8)，完成剩余各个加工区域的加工制造；(10)待复合构件装配完成后，将电源、信号采集设备与碳纤维上信号传递区域连接，实现复合构件自监测。2.根据权利要求1所述的碳纤维与金属复合结构制造方法，其特征在于，步骤(1)中，所述的金属构件包括但不限于平板结构、L形结构、回转体结构、轴类结构。3.根据权利要求1所述的碳纤维与金属复合结构制造方法，其特征在于，步骤(3)中，所述的平台具有固定、旋转、感应加热和散热功能，用于实现对金属构件的固定、转动、加热与保温。4.根据权利要求1所述的碳纤维与金属复合结构制造方法，其特征在...

【专利技术属性】
技术研发人员：丁泽泉，栾丛丛，姚鑫骅，牛成成，纪毓杨，董宁国，傅建中，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：