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模块化的悬垂体系完成无褶皱的主动干纤维铺层

减少字体  减少字体 宣布日期:2021-03-07  来历:PT古代塑料  阅读次数:400
焦点提醒:经由进程睁开FlexProCFK和AutoBLADE名目研讨,德国莱布尼茨-汉诺威大学及其协作火伴正在为建造庞杂的CFRP部件而开辟一种装配在机械人
     经由进程睁开FlexProCFK和AutoBLADE名目研讨,德国莱布尼茨-汉诺威大学及其协作火伴正在为建造庞杂的CFRP部件而开辟一种装配在机械人上的铺层体系。
图1 德国莱布尼茨-汉诺威大学出产工程和机床研讨所(简称IFW)经由进程FlexProCFK名目研讨为干纤维铺层而开辟了一种主动化的悬垂体系。在今朝的AutoBLADE名目中,IFW正在一副潮汐转子叶片模具上考证这项手艺。这项尝试的重点是,按照模具外形来丈量变形,并完成切确铺层。一台GOM公司的Atos丈量体系(图中右边白色)经由进程3D扫描来捕获悬垂资料上的数据,接纳IFW外部开辟的计较体例便可肯定已铺放资料中的纤维取向(图片来自IFW)
 
    干纤维织物如非卷曲织物(NCF)在复合伙料建造中很受接待,由于与预浸料比拟,它们绝对自制,便于贮存和运输,且可以或许或许或许经由进程多种体例停止加工。但是,按庞杂的部件外形来悬垂干织物却很是坚苦,经常致使褶皱或起皱。德国莱布尼茨-汉诺威大学出产工程和机床研讨所(简称IFW)正在睁开的研讨,旨在接纳一个装配在机械人上的模块化悬垂体系来简化这项工艺并完成主动化的操纵,到今朝为止,这项手艺已在航空部件和潮汐能部件的建造中取得了考证。
 
FlexProCFK:开辟一种主动化的悬垂体系
 
    FlexProCFK是一项为期4年的名目,起止时候是2016年至2020年,到场者包含来自IFW、德国克劳斯塔尔产业大学高份子资料及塑料工程研讨所(简称PuK)和德国布伦瑞克产业大学飞机设想和轻量化布局研讨所(简称IFL)的研讨职员们。一切的研讨小组都在位于德国Stade的CFK Nord研讨中间睁开任务。该名目取得了欧洲地域成长基金的帮助,方针是为具有庞杂外形的部件开辟一种可以或许或许或许持续湿法悬垂干织物的手艺。
 
    据IFW的CFRP出产手艺助理研讨员Simon Werner先容,该名目是受IFL正在睁开的航空部件设想研发的开导而启动的。他说:“咱们的协作火伴接纳一种全体的网格加强观点,为飞机机身开辟了一种新的、很是规的布局观点。根基设法是,缔造一种仿生外形,仅需一个热压罐轮回周期便可以或许或许将其建造出来,这象征着机身蒙皮及加强布局在一个工艺步骤中即能被建造出来。但当时,还不主动化的出产工艺可以或许或许或许间接将加强布局构建到机身蒙皮上。”
 
    与此同时,IFW 已在研讨主动化的铺层观点,并且在IFW与IFL胜利协作以后,IFW的Werner及其团队被归入到了FlexProCFK名目当中,以针对IFL的机身设想来改良其主动化的铺层观点。在接上去的几年里,IFW团队开辟了新的出产手艺,同时其协作火伴PuK研讨了合适设想请求的可悬垂织物和与之相连系的树脂浸渍。
 
    详细来讲,FlexProCFK名目努力于开辟一种主动化的工艺,经由进程在安排于蒙皮上的双曲面泡沫芯材上铺放加强织物,来将加强件间接集成到机身蒙皮上。作为一种更经济的资料挑选,操纵干织物连系在线浸渍树脂而不是操纵传统的预浸料,也为布局设想供给了更高的多少自在度。
 
    研讨职员们开辟的这类模块化的悬垂体系包含3个步骤:起首,将织物切割成与加强件外形符合的所需外形,接着是第二步,经由进程喷嘴用热固性树脂对织物停止浸渍。对FlexProCFK名目而言,须要在铺层前,将一种单组分的环氧树脂喷到织物的一面上。
图2 该仿真显现了处在出产情况中的IFW的主动化悬垂体系模块。装配在机械人手臂上的铺放头将干织物铺放到外形庞杂的模具型腔中。此图中的模具被AutoBLADE名目用于出产一种2m长的潮汐涡轮转子叶片(图片来自IFW)
 
    “一路头,咱们想让织物完整渗透,并完成纤维和树脂的平均散布。”Werner说道,“但是,在铺层进程中操纵液态树脂被证实很难节制,并且若是树脂打仗到机械就很难将其去撤除。”他表现,尝试室研讨标明,只在部件的一面操纵树脂,而后在热压罐中固化,便可以或许或许或许完成充实的浸润。“以是,咱们只在织物的底部喷树脂,而后使之悬垂并凝结到泡沫芯材上。这为粘接带来了额定的益处,织物能很好地粘接到芯材上。”Werner诠释道。
 
    浸渍树脂后,一个装配在机械人手臂上的悬垂装配将浸渍的织物铺放到位于机身蒙皮顶部的泡沫芯材加强件的顶部。该悬垂装配由一根分红6个可以或许或许或许自力加压的气动局部的硅胶管和7个用来定位管子的铰剪形活动臂构成。按照部件的外形,操纵Matlab软件便可天生管子沿铺层外表的终究外形和活动。
 
   Werner先容说,设想全部体系面对的一大挑衅是,确保硅胶管可以或许或许或许让织物的全部外表坚持划一的张力,并同时凝结,以防止起皱和压痕。管子被开辟成一种特别的外形——他称之为“悬垂的样条”,如许便可以或许或许确保在织物的宽度上坚持一样的张力。
 
   最初,在悬垂进程完成后,便可以或许或许或许筹办将此布局放入真空袋中,停止热压罐固化。
 
   FlexProCFK名方针终究功效是,取得了主动悬垂体系的原型样机。已于2021年春季起头的下一个名目名为AutoBLADE,方针是在现实操纵中试用该体系。
 
AutoBLADE:完成浸渍转子叶片的优化建造
 
    由IFW带领的第二个名目,一样取得了欧洲地域成长基金的帮助,打算从2021年4月起头,至2022年7月竣事,为期18个月。在AutoBLADE名目中,IFW再一次与PuK和IFL睁开了协作,同时还吸纳了其余一些行业协作火伴到场,包含德国M&D Composites Technology公司和德国Schottel Hydro公司(此刻是Sustainable Marine Energy公司的一局部)。
 
    “AutoBLADE根基上是FlexProCFK名方针持续。”IFW的助理研讨员及AutoBLADE名目中由IFW担任的子名方针带领人Marco Bogenschütz说道。这一次,IFW与水能源和潮汐能体系的建造商Schottel Hydro公司协作,研讨若何将其主动化的悬垂体系原型用于长约2.5m、宽约400mm的潮汐涡轮转子叶片的出产当中。M&D Composites Technology公司设想了铝制的叶片模具,该模具配有加热体系,可以或许或许或许改良树脂的浸润和后固化结果(如图1和图2所示)。Bogenschütz表现,该名方针局部方针是,找出在将来名目中尚需改良的地方,终究方针是,从铺层速率和部件尺寸方面扩展出产规模,以完成风力涡轮机叶片和其余大型布局的低本钱出产。“经由进程AutoBLADE名目,咱们想要找出咱们的手艺存在的规模性。”他表现。
 
    AutoBLADE名方针一个关头在于体系的铺层速率。Werner表现:“比拟FlexProCFK名目,涡轮叶片的外形没那末庞杂,是以,在此名目中咱们应当可以或许或许或许完成更高的铺层速率。”
图3 为AutoBLADE名目而开辟的工艺在很大水平上是经由进程进程仿真和阐发取得的。针对每次铺层尝试,起首接纳Matlab软件停止假造仿真,而后在现实铺层中操纵一个3D外表扫描仪停止扫描。操纵扫描取得的数据,可以或许或许或许计较出铺放在叶片外形上的各层贴片的纤维取向,从而可以或许或许或许肯定出现实的纤维角度与设想时假定的纤维角度之间的误差,而后用无限元仿真来研讨纤维角度误差对转子叶片力学机能的影响(图片来自IFW)
 
    这个新名目须要在此进程中做一些转变,以使IFW 团队展现他们的手艺可以或许或许或许完成订制化,比方,鉴于FlexProCFK 名目中的航空树模部件是经由进程接纳热压罐来固化喷涂了树脂的织物预成型件而被制成,是以在AutoBLADE名目中,只要先接纳一种粘结剂对干的纤维预成型停止处置后,能力将其铺放到模具中,而后接纳真空贯注的体例对其浸渍树脂。Bogenschütz表现,这类变更,处理了FlexProCFK名目团队在主动铺层进程中喷涂液态树脂时碰到的题目。另外,AutoBLADE 名目还在研讨对单向和双向非卷曲织物的操纵。
 
    Bogenschütz诠释说,该名目触及3个首要局部(如图3所示)。起首,该团队要与协作火伴一路,描写部件的参数和请求,并肯定一种评价体例。“AutoBLADE名方针第一局部根基上是对于若何丈量咱们铺放的纤维的取向。”Werner诠释道。在铺层进程中,操纵无限元模子来展望织物的行动,而后在现实的铺层尝试中操纵一台德国GOM公司的Atos 3D扫描仪来捕获数据,操纵这些数据,AutoBLADE名目团队便可以或许或许计较出已铺放好的织物中的纤维取向,由此可以或许或许或许肯定现实铺层与模子之间是不是存在误差。这类评价体例也将有助于进步铺层品质,这不只包含外形,还包含纤维布局。
 
   第二,2021年夏日,研讨职员们起头本身做悬垂尝试:起首按照Schottel Hydro公司供给的部件外形来建造模具,而后操纵主动悬垂体系原型停止铺层尝试。Bogenschütz表现,今朝铺层尝试正在停止当中,以用差别的资料样品来测试这项手艺,并用粘结剂来将干的纤维织物牢固到位。这些资料样品包含具有差别粘结剂百分含量的单向(0°)、双向(±45°和0°/90°)非卷曲织物。
 
   第三步是,将为制品的转子叶片开辟一种优化的出产工艺。
 
    除AutoBLADE名目外,Bogenschütz和Werner还但愿可以或许或许或许针对更大型的部件和其余范畴的操纵需要,来持续优化和完美这类主动悬垂工艺。
 
 
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