CN215152019U

CN215152019U - 一种纤维金属层板复合材料超声波辅助辊压设备

Info

Publication number: CN215152019U
Application number: CN202120034927.2U
Authority: CN
Inventors: 葛增如; 刘建光; 彭俊阳; 王卫东; 陈鑫; 张嘉振
Original assignee: Commercial Aircraft Corp of China Ltd; Beijing Aeronautic Science and Technology Research Institute of COMAC
Current assignee: Commercial Aircraft Corp of China Ltd; Beijing Aeronautic Science and Technology Research Institute of COMAC
Priority date: 2021-01-07
Filing date: 2021-01-07
Publication date: 2021-12-14
Anticipated expiration: 2031-01-07

Abstract

本实用新型公开了一种纤维金属层板复合材料超声波辅助辊压设备，属于先进复合材料的制备及成形领域，包括：工作平台，其上设置有铺放控制器，所述铺放控制器固定连接加热辊、第一压力辊、超声波单元以及冷却辊；加热辊，位于已铺放在工作平台上的金属薄板/纤维树脂层上；第一压力辊，位于待铺放的纤维树脂层/金属薄板上并施加压力；超声波单元，在铺放方向上位于第一压力辊后方；冷却辊，在铺放方向上位于超声波单元后方。本实用新型利用热辊压配合超声波震动方法制备热塑性树脂基纤维金属层板，可以在提高制备效率的同时显著提升层板层间性能。

Description

一种纤维金属层板复合材料超声波辅助辊压设备

技术领域

本实用新型具体涉及一种纤维金属层板复合材料超声波辅助辊压设备，属于先进复合材料的制备及成形领域。

背景技术

现有热塑性FMLs的制备方法按使用的设备可以分为两类，热压罐方法和非热压罐方法。前者，利用罐体内部均匀的温度场和空气压力对复合材料进行加热加压，该方法成型的纤维增强热塑性复合材料孔隙率较低，树脂含量均匀、内部结构致密。但是，由于热塑性复合材料熔点较高、粘度较大，对热压罐的温度和压力都提出了较高的要求，且空气加热效率低下，成型周期长，高温辅助材料价格昂贵，生产成本较高。采用非热压罐法制备热塑性复合材料成为近年来研究的热点。其中，采用热模压法尤其是热辊压法成为重点发展方向，相继提出了多种采用热辊压法制备热塑性纤维金属层板方法。

如何提高纤维金属层板的层间强度一直是纤维金属层板制备的核心问题。

中国发明专利CN201710500700.0公开了一种快速制备镁基纤维金属层板的粉末层压工艺方法，将镁合金板、热塑性树脂粉末、无碱玻璃纤维平纹编织布按顺序叠层堆垛放入热压模具中，将模具压实后放入电加热空气循环箱式炉中加热固化制备出FMLs，极大地降低了制备成本。但该工艺并没有专门对金属板进行物理方法(阳极氧化)的处理，且没有采用专门的方法来排出气体，仅施加压力使热塑性树脂固结，其层间胶接性能较低。

中国发明专利CN201710998704.6公开了一种利用金属配合物提高金属胶接强度的方法。该设计方法是先在洁净的金属板上通过阳极氧化方法刻蚀构建微纳结构；然后金属板表面羟基化；制备双水杨醛希夫碱配体及其金属配合物；希夫碱金属配合物自组装于金属板表面；通过机械啮合力、化学键、分子缠绕等作用提高金属与树脂之间的界面强度。该方法仅仅通过通过物理方法(阳极氧化)、化学方法(表面改性及制备其金属配合物)提高界面胶接强度，并没有在模压工艺方面进行改进降低层板孔隙率。

实用新型内容

为了解决以上问题，本实用新型提供一种纤维金属层板复合材料超声波辅助辊压设备，针对热塑性树脂基纤维金属层板，采用独创的超声波辅助辊压设备通过超声波振动对纤维金属层板进行超声处理。通过超声波振动，可以加速热塑树脂内部气泡的排出，显著降低层板的孔隙率；另一方面有利于树脂与金属板微纳结构表面形成机械啮合，提高界面胶接强度。同时，辊压的同时进行超声处理还可以纤维分布更加均匀，降低辊压压力，缩短辊压时间。此外，超声固结增材制造方法无需热压罐工序，缩短制备时间，提高了制备效率。

通过本实用新型技术方案的超声振动处理，解决了金属层板层间强度不足的问题，制备工艺简单，制备周期短，成本低，适合大规模生产。

根据本实用新型，提供一种纤维金属层板复合材料超声波辅助辊压设备，包括：

工作平台，其上设置有铺放控制器、第一压力辊、加热辊、超声波单元以及冷却辊，

铺放控制器，固定连接加热辊、第一压力辊、超声波单元以及冷却辊；

加热辊，位于已铺放在工作平台上的金属薄板/纤维树脂层和待铺放的纤维树脂层/金属薄板之间；

第一压力辊，位于待铺放的纤维树脂层/金属薄板之上并施加压力；

超声波单元，在铺放方向上位于所述第一压力辊之后；

冷却辊，在铺放方向上位于所述超声波单元之后。

进一步的，所述铺放控制器能够沿铺放方向移动并调整铺放角度和铺放速度。

进一步的，所述铺放控制器包括铺放夹头和与铺放夹头连接的机械控制手臂。

进一步的，所述机械控制手臂内置加热装置与铺放定位装置。

进一步的，所述超声波单元由超声控制器和超声波发生器、第二压力辊组成，超声控制器和超声波发生器位于第二压力辊内部，通过超声控制器控制超声波发生器以第二压力辊振动频率。

进一步的，所述超声波发生器连接有工具头、机械压力手臂。

进一步的，所述超声波单元能够随铺放控制器移动。

进一步的，所述冷却辊内部设有冷却水通道。

进一步的，所述加热辊内部设有加热辊控制器，用于控制加热辊的加热温度以进行加热。

进一步的，加热辊控制器由加热开关和机械压力手臂组成。

本实用新型的有益效果：

针对现有技术的上述不足，本实用新型提出一种独创的超声波辅助辊压设，备通过超声波振动对纤维金属层板进行超声处理，可以加速热塑树脂内部气泡的排出，显著降低层板的孔隙率；另一方面有利于树脂与金属板微纳结构表面形成机械啮合，提高界面胶接强度。此外，该超声波辅助辊压设备结构简单，操作方便，使得超声固结增材制造方法无需热压罐工序，缩短制备时间，提高了制备效率。

基于本实用新型技术方案实现了针对热压辊配合超声固结的增材制造方法，解决了纤维金属层板层间强度不足的问题，且制备工艺简单，制备周期短，成本低，适合大规模生产。

附图说明

图1a至图1b示出根据本实用新型实施例的热塑性纤维金属层板超声波辅助辊压设备示意图；

图2a至图2b示出根据本实用新型一个实施例的纤维金属层板结构；

图3a至图3b示出根据本实用新型另一实施例的纤维金属层板结构。

其中，1-铺放控制器，2-待铺放的纤维预浸料/金属薄板，3-加热辊，4-加热辊控制器，5-已铺放的金属薄板/纤维预浸料，6-工作平台，7-第一压力辊，8-超声波单元，9-冷却辊，10-冷却水通道。

具体实施方式

这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本公开相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本公开的一些方面相一致的装置和方法的例子。

本公开的说明书和权利要求书中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本公开的实施例例如能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。

此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、***、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

多个，包括两个或者两个以上。

和/或，应当理解，对于本公开中使用的术语“和/或”，其仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系。例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。

图1a至图1b中示出了一种热塑性纤维金属层板超声波辅助成型装置，包括：铺放控制器1、金属薄板或纤维预浸料2、加热辊3、加热辊控制器4、纤维金属层板5、工作平台6、第一压力辊7、超声波单元8、冷却辊9以及冷却水通道10。其中纤维金属层板直接铺叠在工作平台6上由夹具固定；铺放控制器1位于工作平台6上方，可调整铺放角度和铺放速度；加热辊3位于铺放的预浸料上方，可随铺放控制器1移动，通过加热控制器4控制加热温度给预浸料加热；第一压力辊7位于金属薄板或纤维预浸料2上方，可随铺放控制器1移动，给予纤维金属层板压力使其更紧密结合；超声波单元8位于第一压力辊后方(铺放方向)，由超声控制器和超声波发生器、第二压力辊组成，超声波发生器相连有工具头(辊)、机械压力手臂，超声控制器和超声波发生器位于第二压力辊内部，通过超声控制器控制超声波发生器以调整第二压力辊振动频率，可随铺放控制器1移动；冷却辊9位于超声波单元8后方(铺放方向)，由冷却水通道10通过冷却水，对纤维金属层板进行冷却，并对其施加一定压力，可随铺放控制器1移动。

铺放控制器1包括铺放夹头和与铺放夹头连接的机械控制手臂，该机械控制手臂内置加热装置与铺放定位装置，通过程序控制其铺放角度和速度。

加热辊控制器4由加热开关和与加热开关连接的机械压力手臂组成，可通过程序控制其加热温度和辊压压力。

基于本实用新型技术方案的热塑性纤维金属层板制备工艺，具体包括如下步骤：

1)金属薄板表面处理：对金属薄板依次进行，脱脂处理，酸洗，阳极氧化处理，喷涂底胶。

2)依次铺放：根据设计要求将金属薄板和纤维树脂复合材料依次交替铺叠。

a)加热：在铺放的过程中，利用加热辊和热风枪辅助加热，使预浸料中的树脂预热至T1温度完全熔化。

b)超声固结：在铺放过程中启动超声波发生控制器，使超声波组件振动，以对模具内的纤维金属层板超声处理，增加树脂流动性，使树脂进一步填充密实并排出内部气体。

c)加压：在铺放过程中采用压力辊加压压力至P，使金属薄板与纤维预浸料填充紧密。同时，使所述压力辊保持压力P。

3)步骤2中铺放完成后，空气冷却，取出纤维金属层板。

图2a至图2b中示出了基于本实用新型技术方案实现的一种纤维金属层板，金属板为铝合金(2024)薄板，热塑复合材料用的是玻璃纤维增强的聚苯硫醚(GF/PPS)预浸料，纤维方式为编织。采用的是2/1或者3/2铺层结构，即两层铝合金薄板中间加一层GF/PPS预浸料或者三层铝合金薄板与两层预浸料交替铺层。

图3a至图3b中示出了基于本实用新型技术方案实现的另一种纤维金属层板，实施例2与实施例1的区别在于，所采用的玻璃纤维增强聚苯硫醚树脂层为交替排列的玻璃纤维与聚苯硫醚薄膜叠层。制备层板时，将铝合金薄板、玻璃纤维与热塑树脂(聚苯硫醚)薄膜交替叠层铺叠。

上述说明示出并描述了本申请的若干优选实施例，但如前所述，应当理解本申请并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述申请构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本申请的精神和范围，则都应在本申请所附权利要求书的保护范围内。

Claims

1.一种纤维金属层板复合材料超声波辅助辊压设备，其特征在于，包括：

工作平台，其上设置有铺放控制器、加热辊、第一压力辊、超声波单元以及冷却辊，

超声波单元，在水平铺放方向上位于所述第一压力辊之后；

冷却辊，在水平铺放方向上位于所述超声波单元之后。

2.根据权利要求1所述的纤维金属层板复合材料超声波辅助辊压设备，其特征在于，所述铺放控制器能够沿铺放方向移动并调整铺放角度和铺放速度。

3.根据权利要求2所述的纤维金属层板复合材料超声波辅助辊压设备，其特征在于，所述铺放控制器包括铺放夹头和与铺放夹头连接的机械控制手臂。

4.根据权利要求3所述的纤维金属层板复合材料超声波辅助辊压设备，其特征在于，所述机械控制手臂内置加热装置与铺放定位装置。

5.根据权利要求1所述的纤维金属层板复合材料超声波辅助辊压设备，其特征在于，所述超声波单元由超声控制器和超声波发生器、第二压力辊组成，超声控制器和超声波发生器位于第二压力辊内部，通过超声控制器控制超声波发生器以调整第二压力辊振动频率。

6.根据权利要求5所述的纤维金属层板复合材料超声波辅助辊压设备，其特征在于，所述超声波单元能够随铺放控制器移动。

7.根据权利要求5所述的纤维金属层板复合材料超声波辅助辊压设备，其特征在于，所述超声波发生器连接有工具头、机械压力手臂。

8.根据权利要求1所述的纤维金属层板复合材料超声波辅助辊压设备，其特征在于，所述冷却辊内部设有冷却水通道。

9.根据权利要求1所述的纤维金属层板复合材料超声波辅助辊压设备，其特征在于，所述加热辊内部设有加热辊控制器，用于控制加热辊的加热温度以进行加热。

10.根据权利要求9所述的纤维金属层板复合材料超声波辅助辊压设备，其特征在于，所述加热辊控制器由加热开关和与加热开关连接的机械压力手臂组成。