一種輕質(zhì)高強復合材料在線成形方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種輕質(zhì)高強復合材料在線成形方法，該方法包括：1-樹脂稱量上料、2-纖維喂料、3-樹脂熔融塑化、4-纖維定長切斷及共混、5-坯料計量切斷、6-坯料保溫輸送、7-機器人I抓取坯料、8-自動化壓機快速成形、10-機器人II脫模取件、11-傳送帶及后處理等工序，其中壓機快速成形過程中涉及9-模具及加熱冷卻系統(tǒng)，整條線工藝參數(shù)由12-全流程智能控制系統(tǒng)協(xié)調(diào)管理。本發(fā)明在一臺雙螺桿裝置上實現(xiàn)樹脂喂料、樹脂塑化、纖維導入、纖維浸漬、纖維定長切斷等工序，確保了纖維長度有效保留。本發(fā)明輕質(zhì)高強復合材料在線成形方法適用于多種樹脂和纖維材料，具有生產(chǎn)效率高、成形質(zhì)量好、應(yīng)用范圍廣等特點。
【專利說明】一種輕質(zhì)高強復合材料在線成形方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于復合材料【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種輕質(zhì)高強復合材料在線成形方法。【背景技術(shù)】
[0002]長度>10_的玻璃纖維、碳纖維等纖維材料與樹脂基體混合得到的長纖維復合材料與短纖維復合材料相比，具有輕質(zhì)、高強等綜合性能，是車輛輕量化及零部件集成制造的重要手段，引起國內(nèi)外復合材料制造業(yè)的廣泛關(guān)注。輕質(zhì)高強復合材料在線模壓成形技術(shù)因具有生產(chǎn)成本更低、單件制品周期短、纖維長度保留率高、纖維方向性好、產(chǎn)品可設(shè)計性更強等特點，能替代汽車、工程機械、艦船、建筑等領(lǐng)域中現(xiàn)有的鋼鐵結(jié)構(gòu)部件，市場容量大、應(yīng)用廣泛。目前，輕質(zhì)高強復合材料在線成形生產(chǎn)設(shè)備及工藝主要由德國公司壟斷，價格較高。國內(nèi)在輕質(zhì)高強復合材料成形工藝、原料、設(shè)備、控制等方面與國外差距較大，急需進行集成創(chuàng)新及技術(shù)攻關(guān)，開發(fā)適用于輕質(zhì)高強復合材料在線成形的成套設(shè)備及產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明針對輕質(zhì)高強復合材料在線成形國內(nèi)外技術(shù)現(xiàn)狀，提供一整套輕質(zhì)高強在線成形設(shè)備及在線連續(xù)化成形方法，解決國內(nèi)復合材料生產(chǎn)過程技術(shù)含量低、制品一致性差、生廣效率低等難題。
[0004]本發(fā)明提供一種在一臺雙螺桿裝置上實現(xiàn)樹脂喂料、樹脂塑化、纖維導入、纖維浸潰、纖維定長切斷等工序的輕質(zhì)高強復合材料在線成形方法，該方法具體包括:1-樹脂稱量上料、2-纖維喂料、3-樹脂熔融塑化、4-纖維定長切斷及共混、5-坯料計量切斷、6-坯料保溫輸送、7-機器人I抓取坯料、8-自動化壓機快速成形、10-機器人II脫模取件、11-傳送帶及后處理等工序，其中在自動化壓機快速成形過程中涉及9-模具及加熱冷卻系統(tǒng)，整個工藝的參數(shù)由12-全流程智能控制系統(tǒng)協(xié)調(diào)管理。
[0005]所述的樹脂稱量上料過程為樹脂、添加劑、回收料經(jīng)加料裝置進入雙螺桿筒體，加料裝置內(nèi)有稱量傳感器，當物料少于一定重量時，發(fā)出稱量指令，進行補料，保證樹脂、添加劑、回收料的加料精度范圍控制在2.5飛％。。
[0006]所述的纖維喂料過程為連續(xù)纖維如:玻璃纖維、碳纖維或二者的混編纖維在雙螺桿轉(zhuǎn)動牽引力的作用下經(jīng)具有遠紅外加熱功能的輸送管道進入雙螺桿筒體，喂料精度為
0.1~0.5%0。
[0007]所述的樹脂熔融塑化、纖維定長切斷及共混過程為在一臺雙螺桿密閉筒體中在螺桿正向輸送力作用下實現(xiàn)樹脂熔融、樹脂與纖維浸潰、纖維定長切斷，得到纖維長度≥10mm、纖維重量百分比為20~75%的熔融坯料；
[0008]所述的坯料計量切斷為在雙螺桿料筒末端設(shè)置有方口模頭，通過調(diào)節(jié)螺桿轉(zhuǎn)速、溫度、壓力等參數(shù)使坯料以一定速度通過模頭，計量切刀快速切斷；
[0009]所述的坯料保溫輸送為成段坯料在具有遠紅外加熱功能及保溫功能的傳送裝置中運動，坯料在輸送過程中溫度變化< ±3°C ;
[0010]所述的自動化壓機快速成形為機器人I抓取熱坯料將其放置在具有快速加熱冷卻系統(tǒng)的模具上，壓機快速合模后，經(jīng)坯料流動、凝固、冷卻成形、頂出等工藝，獲得具有預先設(shè)計形狀和功能的輕質(zhì)高強復合材料制件。
[0011]所述的全流程智能控制系統(tǒng)為以中央控制系統(tǒng)軟件為基礎(chǔ)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)庫和可視、可操作界面之間的通訊控制，在友好的人機界面上實現(xiàn)輕質(zhì)高強復合材料在線模壓成形成套設(shè)備的智能調(diào)度、設(shè)備監(jiān)控、工藝參數(shù)設(shè)定、控制模式切換、通訊配置和數(shù)據(jù)存儲。
[0012]相對于分散混合將各組分破碎成微粒不同，本發(fā)明長纖維增強復合材料方法主要是實現(xiàn)分布混合，使樹脂熔體分割重組的同時將連續(xù)纖維剪斷為長纖維并在樹脂熔融體中分布均勻，主要通過螺桿元件合理配置，工藝參數(shù)適配性優(yōu)化來實現(xiàn)。
[0013]為了保障本發(fā)明輕質(zhì)高強復合材料在線成形方法的實施，需對雙螺桿混料設(shè)備中的元件、參數(shù)進行系統(tǒng)調(diào)節(jié)和優(yōu)化，包括:調(diào)節(jié)螺桿轉(zhuǎn)速為中等轉(zhuǎn)速，提供較低剪切，實現(xiàn)纖維與樹脂間柔性復合，分布混合占優(yōu)勢比例，少量的分散混合；在導程選擇方面，選用中導程螺紋，以混合為主，配置具有不同的工作段逐漸縮小的組合，用于輸送和增壓；混料元件螺棱角度方面，對于分布混合與分散混合而言，分布混合隨著角度大而更加有效，階梯式螺棱角度搭配可在保證輸送能力的前提下，延長停留時間，提高混煉效果，綜合優(yōu)化分散與分布混合。
[0014]與現(xiàn)有復合材料成形工藝相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點:
[0015]①本發(fā)明中連續(xù)纖維直接進入雙螺桿設(shè)備進行混料、打斷、浸潰，確保了纖維長度有效保留，避免了現(xiàn)有工藝非連續(xù)纖維進入雙螺桿后二次剪斷問題；
[0016]②本發(fā)明中一臺雙螺桿設(shè)備同時起到樹脂熔融、纖維浸潰、纖維定長剪斷、出料計量等作用，采用特制雙螺桿剪切控制技術(shù)，突破纖維保留長度技術(shù)關(guān)鍵，復合材料中纖維長度> IOmm的比例超過80%，且纖維長度呈現(xiàn)較窄正態(tài)分布，制件的綜合性能較短纖維復合材料提高30%以上；
[0017]③本發(fā)明采用連續(xù)化、精確化工藝控制成形長纖維增強熱塑性復合材料部件，適用于多種樹脂和纖維材料，具有生產(chǎn)效率高、成形質(zhì)量高、應(yīng)用范圍廣等特點。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0018]圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖
[0019]附圖中標號說明
[0020]1-樹脂稱量上料；2_纖維喂料；3_樹脂熔融塑化；4_纖維定長切斷及共混；5_坯料計量切斷；6_坯料保溫輸送；7_機器人I抓取坯料；8_自動化壓機快速成形；9_模具及加熱冷卻系統(tǒng)；10_機器人II脫模取件；11_傳送帶及后處理；12_全流程智能控制系統(tǒng)。
【具體實施方式】
[0021]為了更好地理解本發(fā)明，下面結(jié)合實施例對本發(fā)明做進一步的解釋，但是應(yīng)當明確的是本發(fā)明保護的范圍并不局限于實施例表示的范圍。
[0022]實施例1
[0023]改性PP料加料速度為215 kg/h、添加劑加料速度5 kg/h、回收PP料加料速度20kg/h、改性玻璃纖維喂料速度240 kg/h，模頭出料速度為480 kg/h，坯料中15mm長度玻璃纖維占纖維總質(zhì)量的80%，壓機公稱壓力20000KN，制件尺寸1530 X 500 X 290mm，單件成形周期40s。
[0024]實施例2
[0025]改性PP料加料速度為220 kg/h、添加劑加料速度10 kg/h、碳纖維喂料速度150kg/h，模頭出料速度為380 kg/h，坯料中IOmm長度碳纖維占纖維總質(zhì)量的70%，壓機公稱壓力20000KN，制件尺寸1490 X 550 X 1200mm，單件成形周期30s。
[0026]實施例3
[0027]改性PP料加料速度為225 kg/h、添加劑加料速度5 kg/h、回收PP料加料速度30kg/h、改性玻璃纖維喂料速度190 kg/h，模頭出料速度為450 kg/h，坯料中30mm長度玻璃纖維占纖維總質(zhì)量的80%，壓機公稱壓力20000KN，制件尺寸730 X 690 X 18mm，單件成形周期 25s。
[0028]實施例4
[0029]改性PA66料加料速度為240 kg/h、添加劑加料速度3 kg/h、回收PP料加料速度17kg/h、改性玻璃纖維喂料速度200 kg/h，模頭出料速度為460 kg/h，坯料中25mm長度玻璃纖維占纖維總質(zhì)量的75%，壓機公稱壓力20000KN，制件尺寸245 X 125 X 18mm，單件成形周期20s。
[0030]實施例5
[0031]改性PA66料加料速度為225 kg/h、添加劑加料速度5 kg/h、碳纖維喂料速度245kg/h,模頭出料速度為475 kg/h,坯料中12.5mm長度碳纖維占纖維總質(zhì)量的75%，壓機公稱壓力20000KN，制件尺寸1350 X 450 X 210mm，單件成形周期35s。
[0032]實施例6
[0033]改性PP料加料速度為230kg/h、添加劑加料速度5 kg/h、改性玻璃纖維喂料速度110 kg/h、碳纖維喂料速度125 kg/h，模頭出料速度為470 kg/h，坯料中IOmm長度的玻璃纖維與碳纖維占纖維總質(zhì)量的70%，壓機公稱壓力20000KN，制件尺寸1280 X 345 X 170mm，單件成形周期30s。
【權(quán)利要求】
1.一種輕質(zhì)高強復合材料在線成形方法，其特征在于，所述的輕質(zhì)高強復合材料在線成形方法在一臺雙螺桿裝置上實現(xiàn)樹脂喂料、樹脂塑化、纖維導入、纖維浸潰、纖維定長切斷等工序，該方法具體包括:1-樹脂稱量上料、2-纖維喂料、3-樹脂熔融塑化、4-纖維定長切斷及共混、5-坯料計量切斷、6-坯料保溫輸送、7-機器人I抓取坯料、8-自動化壓機快速成形、10-機器人II脫模取件、11-傳送帶及后處理等工序，其中在自動化壓機快速成形過程中涉及9-模具及加熱冷卻系統(tǒng)，整個工藝的參數(shù)由12-全流程智能控制系統(tǒng)協(xié)調(diào)管理。
2.一種輕質(zhì)高強復合材料在線成形方法，其特征在于，所述的樹脂稱量上料過程為樹脂、添加劑、回收料經(jīng)加料裝置進入雙螺桿筒體，加料裝置內(nèi)有稱量傳感器，當物料少于一定重量時，發(fā)出稱量指令，進行補料，保證樹脂、添加劑、回收料的加料精度范圍控制在2.5~5%0。
3.一種輕質(zhì)高強復合材料在線成形方法，其特征在于，所述的纖維喂料過程為連續(xù)纖維玻璃纖維、碳纖維或二者的混編纖維在雙螺桿轉(zhuǎn)動牽引力的作用下經(jīng)具有遠紅外加熱功能的輸送管道進入雙螺桿筒體，喂料精度為0.1~0.5%。。
4.一種輕質(zhì)高強復合材料在線成形方法，其特征在于，所述的樹脂熔融塑化、纖維定長切斷及共混過程為在一臺雙螺桿密閉筒體中在螺桿正向輸送力作用下實現(xiàn)樹脂熔融、樹脂與纖維浸潰、纖維定長切斷，得到纖維長度≥10mm、纖維重量百分比為20-75%的熔融坯料。
5.一種輕 質(zhì)高強復合材料在線成形方法，其特征在于，所述的坯料計量切斷為在雙螺桿料筒末端設(shè)置有方口模頭，通過調(diào)節(jié)螺桿轉(zhuǎn)速、溫度、壓力等參數(shù)使坯料以一定速度通過模頭，計量切刀快速切斷。
6.一種輕質(zhì)高強復合材料在線成形方法，其特征在于，所述的坯料保溫輸送為成段坯料在具有遠紅外加熱功能及保溫功能的傳送裝置中運動，坯料在輸送過程中溫度變化(±3。。。
7.一種輕質(zhì)高強復合材料在線成形方法，其特征在于，所述的自動化壓機快速成形為機器人I抓取熱坯料將其放置在具有快速加熱冷卻系統(tǒng)的模具上，壓機快速合模后，經(jīng)坯料流動、凝固、冷卻成形、頂出等工藝，獲得具有預先設(shè)計形狀和功能的輕質(zhì)高強復合材料制件。
8.一種輕質(zhì)高強復合材料在線成形方法，其特征在于，所述的全流程智能控制系統(tǒng)為以中央控制系統(tǒng)軟件為基礎(chǔ)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)庫和可視、可操作界面之間的通訊控制，在友好的人機界面上實現(xiàn)輕質(zhì)高強復合材料在線模壓成形成套設(shè)備的智能調(diào)度、設(shè)備監(jiān)控、工藝參數(shù)設(shè)定、控制模式切換、通訊配置和數(shù)據(jù)存儲。
【文檔編號】B29C70/40GK103522556SQ201310034164
【公開日】2014年1月22日 申請日期:2013年1月29日 優(yōu)先權(quán)日:2013年1月29日
【發(fā)明者】范廣宏, 任明偉, 顏昌海, 楊潔, 周永松, 蔡衛(wèi)東, 何琪, 徐景華 申請人:機械科學研究總院先進制造技術(shù)研究中心, 江蘇莘翔機電有限公司