基于连续纤维增材制造的复合材料损伤构件原位修复方法技术

本发明专利技术公开了一种基于连续纤维增材制造的复合材料损伤构件原位修复方法，该修复方法利用机器人3D打印技术，基于连续纤维复合材料，设计了一种全流程机器人辅助原位修复方法，覆盖“损伤构件无损检测、受损部位三维模型重构、考虑力学性能的修复方案设计、多轴机器人减材增材一体化修复平台挖除待修复区域、多轴机器人减材增材一体化修复平台原位打印以及修复体的超声检测评估技术”，该修复方法能够满足复合材料损伤构件的高效、高质量、原位修复需求。修复需求。修复需求。

【技术实现步骤摘要】
基于连续纤维增材制造的复合材料损伤构件原位修复方法


[0001]本专利技术涉及增材制造
，具体的说是基于连续纤维增材制造的复合材料损伤构件原位修复方法。

技术介绍

[0002]随着复合材料在航空航天领域的应用日益广泛，复合材料及其构件在使用过程中的损伤或(局部)破坏已不可避免，复合材料结构件分层、鼓包、凹坑等结构损伤会造成承力结构性能大幅下降，影响复合材料服役件的性能，制约飞行器发挥，因此需要对复合材料结构件的损伤位置进行修复。
[0003]目前，复合材料结构件损伤的修复方法主要分为:手工修复、热补仪修复，以及机器人辅助修复三种。手工修复的一般流程是采取机械切割、手工磨抛或激光切割的方式对缺陷面进行减材及表面处理，在初步处理之后选取合适标准的修复层板，利用成型胶粘剂等粘性材料对缺陷进行贴敷，采取后固化处理及抛光打磨，修复件手工修复完成。手工修复存在工艺执行过程周期长，对修复工程师个人素养和能力要求高，人工磨削和剪裁复合材料难度大、效率低且可靠性有限的缺点。热补仪修复是航空航天领域针对复合材料构件常用的一种在线修复方式，其一般流程主要包括“挖补
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填充
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后固化”三个步骤，因其采用热补仪的固化方式，修复时间提升显著，但针对复杂型面的复合材料结构件，预浸料裁剪和铺放非常困难，尤其是异形面区域，铺放时容易出现架桥、空隙、堆积等情况的发生，进而影响最终的修理效果；机器人辅助修复一般包括机器人的检测、损伤特征重构、机械磨抛切割、高能脉冲激光的叠层切除和离子体表面清理等流程，而其中的补片裁剪、制作、贴合以及抽真空后固化过程仍然依赖于手工操作流程。
[0004]复合材料结构件的外场快速修复需求与修复速度的矛盾日益突出，因此，有必要寻找一种复合材料结构件的快速修复方法，即使针对自由曲面或复杂型面的复合材料结构件，也能快速完成修复。

技术实现思路

[0005]为了解决现有技术中的不足，本专利技术提供一种基于连续纤维增材制造的复合材料损伤构件原位修复方法，该修复方法能够满足复合材料损伤构件的高效、高质量、原位修复需求。
[0006]为了实现上述目的，本专利技术采用的具体方案为：基于连续纤维增材制造的复合材料损伤构件原位修复方法，主要包括如下步骤：（1）、通过超声无损检测设备对损伤构件进行超声无损检测，确定受损部位，对采集到的超声信息标定解析，明确损伤类型，根据损伤构件受力状况及服役安全确定损伤程度，若损伤程度达到修复标准，则对损伤构件进行后续修复步骤；通过激光扫描仪对受损部位进行扫描进而原位提取受损部位的深度点云信息，并通过计算机配套点云三维重构软件根据深度点云信息重构出受损部位的三维模型；
（2）、结合实际工况制定基于力学性能分析的减材方案，减材方案包括具体的减材区域以及减材工艺参数；（3）、通过计算机配套的路径规划软件根据减材区域的深度点云信息规划随型的减材路径，将减材路径输入到多轴机器人减材增材一体化修复平台中，设定好减材工艺参数，多轴机器人减材增材一体化修复平台利用PCD刀具自动按照减材路径将减材区域挖除，得到待修复凹坑，对待修复凹坑进行磨抛处理；（4）、结合损伤构件的目标性能指标设定初始增材制造工艺参数；利用计算机配套的损伤修复路径规划软件，将步骤（1）提取的深度点云信息作为修复路径规划的输入信息，通过对深度点云信息进行分层切片、面内路径填充得到初始打印路径，使用损伤修复路径规划软件中的路径仿真优化模块对修复路径进行优化，通过修复路径仿真分析匹配工艺参数，根据匹配的结果得到最佳增材制造工艺参数；（5）、将选取的最佳增材制造工艺参数和优化后的修复路径输入到多轴机器人减材增材一体化修复平台中，以纤维增强高性能热固树脂基复合材料作为打印原料，多轴机器人减材增材一体化修复平台自动按照修复路径对待修复凹坑进行逐层堆叠打印，打印完成后，对打印区域外表面进行磨抛处理；（6）、对修复后的构件进行超声无损检测，判断是否满足目标性能要求。
[0007]进一步地，步骤（1）中，所述深度点云信息包括损伤构件的表面结构工况和复合材料铺层内部排布状况。
[0008]进一步地，步骤（2）中，对损伤件施加实际工况载荷进行有限元应力分析，确定损伤参数，针对损伤件的功能特征，结合损伤参数和受损部位的基本性能指标，制定减材方案。
[0009]进一步地，步骤（3）中，当修复方案中修复形式为斜嵌槽式逐层修复时，通过磨抛处理将待修复凹坑处理成外口大内口小且内壁光滑过渡的斜嵌凹坑；当修复方案中修复形式为阶梯槽式逐层修复时，通过磨抛处理将待修复凹坑处理成外口大内口小且内壁呈多层台阶状的阶梯凹坑。
[0010]进一步地，步骤（4）中，结合损伤构件的目标性能指标选取增材制造工艺参数的具体方法为：结合损伤构件的目标性能指标设定在热固工艺窗口设定初始修复路径工艺参数，设定的初始修复路径工艺参数包含树脂送浆速度、纤维送丝速度、打印速度、打印层厚、相邻丝材线间距以及UV固化功率的工艺参数，其中树脂送浆速度不能超过25mm/s，纤维送丝速度不能超过30mm/s、打印速度不能超过20mm/s、打印层厚一般在0.35mm至1.2mm之间、相邻丝材线间距一般在0.5mm至1.2mm之间，固化功率不低于45mw/cm2。
[0011]进一步地，所述多轴机器人减材增材一体化修复平台包括控制器、底座、固定于底座上的支撑座、设于支撑座一侧的滑轨、设于支撑座上的移动导轨、设于移动导轨上且能够沿移动导轨滑动的多轴机械臂、用于固定损伤构件的三轴变位机、用于挖除损伤区域的PCD刀具、用于打印的打印组件、用于固定PCD刀具和打印组件的双工具头夹具，所述三轴变位机与多轴机械臂构成联动系统，所述双工具头夹具安装于多轴机械臂上，三轴变位机设有两个且两个三轴变位机均能够沿滑轨移动，多轴机械臂、三轴变位机以及打印组件均与控制器相连接。
[0012]有益效果：
1)、本专利技术通过超声无损检测设备对损伤构件进行超声无损检测，可快速定位损伤特征，智能识别复合材料细观结构，便于制定相应的损伤修复方案；其次利用超声波的无损检测方式代替有损检测，避免了损伤构件的二次损伤，且检测速率和检测精确度大大提升。
[0013]2）、本专利技术利用激光扫描仪对受损部位进行扫描进而原位提取受损部位的深度点云信息，可重构出受损部位的三维模型，该手段既可作为评估阶段的主要信息，也是修复方案的参考信息，亦可作为规划路径步骤的输入，体现了一个步骤多个用途。
[0014]3）、本专利技术使用多轴机器人减材增材一体化修复平台进行减材和增材作业。现如今使用的减材手段一般针对对应工艺要求选取相应机床，由对应操作工人进行减材操作，该方式对工人的专业技能要求较高，且无法精确控制减材程度；其次，现如今的增材制造手段无法进行复合材料的原位固化快速立体成形，并且无法实现多自由度的曲面随型设计以及实时控制打印过程成形设计，本专利技术使用的多轴机器人减材增材一体化修复平台能够针对不同的减材增材需求，自由切换并且可以数字化控制，实现了复合材料曲面异形结构随型高精度快速增减材设本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.基于连续纤维增材制造的复合材料损伤构件原位修复方法，其特征在于，主要包括如下步骤：（1）、通过超声无损检测设备对损伤构件进行超声无损检测，确定受损部位，对采集到的超声信息标定解析，明确损伤类型，根据损伤构件受力状况及服役安全确定损伤程度，若损伤程度达到修复标准，则对损伤构件进行后续修复步骤；通过激光扫描仪对受损部位进行扫描进而原位提取受损部位的深度点云信息，并通过计算机配套点云三维重构软件根据深度点云信息重构出受损部位的三维模型；（2）、结合实际工况制定基于力学性能分析的减材方案，减材方案包括具体的减材区域以及减材工艺参数；（3）、通过计算机配套的路径规划软件根据减材区域的深度点云信息规划随型的减材路径，将减材路径输入到多轴机器人减材增材一体化修复平台中，设定好减材工艺参数，多轴机器人减材增材一体化修复平台利用PCD刀具自动按照减材路径将减材区域挖除，得到待修复凹坑，对待修复凹坑进行磨抛处理；（4）、结合损伤构件的目标性能指标设定初始增材制造工艺参数；利用计算机配套的损伤修复路径规划软件，将步骤（1）提取的深度点云信息作为修复路径规划的输入信息，通过对深度点云信息进行分层切片、面内路径填充得到初始打印路径，使用损伤修复路径规划软件中的路径仿真优化模块对修复路径进行优化，通过修复路径仿真分析匹配工艺参数，根据匹配的结果得到最佳增材制造工艺参数；（5）、将选取的最佳增材制造工艺参数和优化后的修复路径输入到多轴机器人减材增材一体化修复平台中，以纤维增强高性能热固树脂基复合材料作为打印原料，多轴机器人减材增材一体化修复平台自动按照修复路径对待修复凹坑进行逐层堆叠打印，打印完成后，对打印区域外表面进行磨抛处理；（6）、对修复后的构件进行超声无损检测，判断是否满足目标性能要求。2.根据权利要求1所述的基于连续纤维增材制造的复合材料损伤构件原位修复方法，其特征在于，步骤（1）中，所述深度点云信息包括损伤构件的表面结构工况和复合材料铺层内部排布状况。3.根据权利要求1所述的基于连...

【专利技术属性】
技术研发人员：袁上钦，侯杰，杨昀，余旭东，翟瑞康，路鹭，朱继宏，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：