一种制备3D可控排布纤维增强复合材料的装置论文和设计-赵雪妮

全文摘要

本实用新型公开了一种制备3D可控排布纤维增强复合材料的装置，包括安装台，安装台中设置有可控排布装置，安装台上开设有制备孔，制备孔和可控排布装置同轴设置，可控排布装置包括同轴设置的凸模、第一成型模具和第二成型模具，凸模包括底座和固定在底座上的排布台，第一成型模具和第二成型模具均为圆筒，第二成型模具套设在排布台外，第一成型模具套设在第二成型模具外，第一成型模具的筒壁沿周向均匀开设有若干第一凹槽，第二成型模具的筒壁沿周向均匀开设有若干第二凹槽。本实用新型装置结构简单，能够实现不同含量、排布方式和状态的纤维增强复合材料的制备，制备方法及过程简单易操作。

主设计要求

1.一种制备3D可控排布纤维增强复合材料的装置，其特征在于，包括安装台(1)，安装台(1)中设置有可控排布装置，安装台(1)上开设有制备孔(20)，制备孔(20)和可控排布装置同轴设置，可控排布装置包括同轴设置的凸模(14)、第一成型模具(15)和第二成型模具(16)，凸模(14)包括底座(141)和固定在底座上的排布台(142)，第一成型模具(15)和第二成型模具(16)均为圆筒，第二成型模具(16)套设在排布台(142)外，第一成型模具(15)套设在第二成型模具(16)外，第一成型模具(15)的筒壁沿周向均匀开设有若干第一凹槽(151)，第二成型模具(16)的筒壁沿周向均匀开设有若干第二凹槽(161)，第一凹槽(151)的数量和第二凹槽(161)的数量相同，排布台(142)的上端面不低于第一凹槽(151)的底面，且排布台(142)的上端面不低于第二凹槽(161)的底面。

设计方案

2.根据权利要求1所述的一种制备3D可控排布纤维增强复合材料的装置，其特征在于，安装台(1)上设置有铺粉装置，铺粉装置包括移动支架(5)，移动支架(5)上滑动连接有滑动板(7)，滑动板(7)上固定有储粉架(4)，储粉架(4)中设置有储粉盒(6)，储粉盒(6)下端固定连接有铺粉漏斗(17)。

3.根据权利要求2所述的一种制备3D可控排布纤维增强复合材料的装置，其特征在于，安装台(1)的上端面设置有导轨(13)，移动支架(5)下端连接有万向轮(3)，万向轮(3)设置在导轨(13)中。

4.根据权利要求2所述的一种制备3D可控排布纤维增强复合材料的装置，其特征在于，储粉盒(6)的底板上开设有出粉口(64)，储粉盒(6)的底板上设置有具有磁性的弹簧(63)，储粉盒(6)下部设置有封堵器，封堵器包括封堵帽(61)和固定在封堵帽(61)下端的封堵塞(65)，当封堵塞(65)位于出粉口(64)中时，封堵塞(65)和出粉口(64)紧密贴合，封堵帽(61)下端固定有电磁铁(62)，电磁铁(62)位于弹簧(63)正上方。

5.根据权利要求4所述的一种制备3D可控排布纤维增强复合材料的装置，其特征在于，封堵帽(61)为圆锥形。

6.根据权利要求1所述的一种制备3D可控排布纤维增强复合材料的装置，其特征在于，安装台(1)上固定有固定轴(19)，固定轴(19)外套设有卡箍(12)，卡箍(12)通过连杆(181)和套筒(182)固定连接，套筒(182)套设在压柱(102)外，压柱(102)和第二成型模具(16)内壁间隙配合，压柱(102)的高度大于第二凹槽(161)的高度。

7.根据权利要求6所述的一种制备3D可控排布纤维增强复合材料的装置，其特征在于，压柱(102)上固定有压力杆(9)，套筒(182)上开设有用于为压力杆(9)提供移动空间的条形孔。

8.根据权利要求1所述的一种制备3D可控排布纤维增强复合材料的装置，其特征在于，第二成型模具(16)的上端面和第一成型模具(15)的上端面不在同一平面上。

9.根据权利要求1所述的一种制备3D可控排布纤维增强复合材料的装置，其特征在于，第一凹槽(151)和第二凹槽(161)上端均设置有倒角。

10.根据权利要求1所述的一种制备3D可控排布纤维增强复合材料的装置，其特征在于，凸模(14)下端面设置有定位槽，安装台(1)的底板上表面设置有与定位槽适配的定位凸起。

设计说明书

技术领域

本实用新型属于复合材料制备技术领域，具体涉及一种制备3D可控排布纤维增强复合材料的装置。

背景技术

纤维增强复合材料是由基体材料与纤维材料按一定的比例，由不同工艺复合而成的新型材料，基体材料有热固性、热塑性脂等，增强纤维有玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维和金属丝等。将纤维增强相置于基体内部，彼此分离并得到基体的保护，因而在受载时不易产生裂纹，使增强复合材料的承载能力、力学性能得到提高。

增强复合材料的性能除了取决于纤维和基体材料本身的性能外，还取决于纤维的含量和铺设方式。而纤维的外形具有显著的各向异性，只有沿纤维的轴向才表现出较高的强度。故在实际应用中，可以利用纤维增强复合材料的各向异性，进行材料设计以满足一些特殊的要求。因此根据载荷条件和结构构件的要求，将复合材料内的纤维含量设计适当并合理铺设而成为各向同性材料，以满足不同的受力状态。而短切碳纤维容易在基体中产生严重的团聚现象，极大影响复合材料的力学性能。相比之下连续纤维增强复合材料可以预先使纤维在基体中以不同状态排布，同时控制纤维的含量，这样可以有效地提高其增强复合材料的拉伸强度、断裂韧性等力学性能，使其既可作为结构材料的承载负荷，又可作为功能材料发挥作用。

然而，目前能实现连续纤维3D可控排布增强复合材料制备的装置与技术鲜有报道，纤维排布只能通过纸片辅助法这样的2D形式来实现，排布效率低，难以实现精准排布，且限制了排布层数；传统的手动铺粉，在粉末铺展平整性方面存在误差且效率低，同时在完成铺粉、成型的过程中，由于纸片的厚度限制了碳纤维下压的趋势，增加了碳纤维团聚的可能性。

发明内容

为了解决上述问题，本实用新型提供一种结构简单、高效易操作，适用于纤维3D可控排布增强复合材料制备的装置。

为达到上述目的，本实用新型所述一种制备3D可控排布纤维增强复合材料的装置包括安装台，安装台中设置有可控排布装置，安装台上开设有制备孔，制备孔和可控排布装置同轴设置，可控排布装置包括同轴设置的凸模、第一成型模具和第二成型模具，凸模包括底座和固定在底座上的排布台，第一成型模具和第二成型模具均为圆筒，第二成型模具套设在排布台外，第一成型模具套设在第二成型模具外，第一成型模具的筒壁沿周向均匀开设有若干第一凹槽，第二成型模具的筒壁沿周向均匀开设有若干第二凹槽，第一凹槽的数量和第二凹槽的数量相同，排布台的上端面不低于第一凹槽或第二凹槽的底面。

进一步的，安装台上设置有铺粉装置，铺粉装置包括移动支架，移动支架上滑动连接有滑动板，滑动板上固定有储粉架，储粉架中设置有储粉盒，储粉盒下端固定连接有铺粉漏斗。

进一步的，安装台的上端面设置有导轨，移动支架下端连接有万向轮，万向轮设置在导轨中。

进一步的，储粉盒的底板上开设有出粉口，储粉盒的底板上设置有具有磁性的弹簧，储粉盒下部设置有封堵器，封堵器包括封堵帽和固定在封堵帽下端的封堵塞，当封堵塞位于出粉口中时，封堵塞和出粉口紧密贴合，封堵帽下端固定有电磁铁，电磁铁位于弹簧正上方。

进一步的，封堵帽为圆锥形。

进一步的，安装台上固定有固定轴，固定轴外套设有卡箍，卡箍通过连杆和套筒固定连接，套筒套设在压柱外，压柱和第二成型模具内壁间隙配合，压柱的高度大于第二凹槽的高度。

进一步的，压柱上固定有压力杆，套筒上开设有用于为压力杆提供移动空间的条形孔。

进一步的，第二成型模具的上端面和第一成型模具的上端面不在同一平面上。

进一步的，第一凹槽和第二凹槽上端均设置有倒角。

进一步的，凸模下端面设置有定位槽，安装台的底板上表面设置有与定位槽适配的定位凸起。

与现有技术相比，本实用新型能够实现不同含量、排布方式和状态的纤维增强复合材料的制备，制备方法及过程简单易操作。排布时对纤维铺设角度的可控，可以通过利用第一和第二成型模具的不同凹槽，完成不同排布方式的纤维3D排布，从而达到对复合材料的性能可控。在进行多层纤维布时，降低碳纤维团聚、分层的可能性。

通过排布装置中第一和第二成型模具凹槽部分的配合旋转，防止纤维在成型的过程中发生弯曲，提高其排布状态的稳定性；且在成型的过程中也保持基本状态不变，每层纤维之间的距离也能随模压过程进行变化，以防止分层和团聚，破坏材料基本结构；

进一步的，铺粉装置可通过对铺粉盒中封堵器的控制，来控制基体粉末的出粉量时机，提高基体粉末铺置的均匀性以及减少对纤维布的破坏。

进一步的，封堵帽为圆锥形。能够使粉末顺利下落。

进一步的，安装台上固定有固定轴，安装台上开设有制备孔，制备孔和可控排布装置同轴设置，固定轴外套设有卡箍，卡箍通过连杆和套筒固定连接，套筒套设在压柱外，压柱和第二成型模具内壁间隙配合，压柱的高度大于第二凹槽的高度，当需要铺粉时，将成型装置转动至其他地方，通过制备孔在排布台上铺粉，当需要成型时，将压柱转动至制备孔正上方，然后施加向下的压力，对排布好的纤维和基体粉末进行压制。

进一步的，第二成型模具的上端面和第一成型模具的上端面不在同一平面上，便于转动。

进一步的，第一凹槽和第二凹槽上端均设置有倒角。便于将纤维按所需角度准确放置凹槽中。

进一步的，凸模下端面设置有定位槽，安装台的底板上表面设置有与定位槽适配的定位凸起。方便将可控排布装置准确迅速的放置在最佳位置。

附图说明

图1为本实用新型结构正等测图；

图2为本实用新型前视图；

图3为纤维排布装置结构示意图；

图4为铺粉装置爆炸图；

图5为储粉盒示意图；

图6为纤维排布时纤维排布装置示意图；

图7为图6的局部放大图；

图8为复合材料成型时纤维排布装置示意图；

图9为图8的局部放大图；

图10为本实用新型制备复合材料过程示意图；

附图中：1、安装台，2、控制面板，3、万向轮，4、储粉架，5、移动支架，6、储粉盒，61、封堵帽，62、电磁铁、63、弹簧，64、出粉口、65、封堵塞，7、滑动板，8、螺钉，9、压力杆，10、压模，101、压盘，102、压柱，11、螺栓，12、卡箍，13、导轨，14、凸模，15、第一成型模具，151、第一凹槽，16、第二成型模具，161、第二凹槽，17、铺粉漏斗，18、连接件，181、连杆，182、套筒，19、固定轴，20、制备孔。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型进行详细说明。

术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。

参照图1和图2，一种制备3D可控排布纤维增强复合材料的装置包括安装台1、铺粉装置、可控排布装置和成型装置，铺粉装置和成型装置对应安装在可控排布装置上方两侧，铺粉装置依靠万向轮3左右移动以及导轨13和滑动板7前后移动，成型装置依靠固定轴19和卡箍12实现平面内的转动，并通过压力杆9控制压模10上下移动。

安装台1为壳体，包括底板、侧壁和安装板，底板上固定有侧壁，侧壁上端固定有安装板，安装台1上端面中部开设有制备孔20，制备孔20两侧相对设置有长度相同的导轨13，铺粉装置的两个万向轮3分别置于在两个导轨13中。安装台1的安装板上端固定有固定轴19。

参照图4，铺粉装置包括万向轮3、滑动板7、导轨13、储粉架4、移动支架5、储粉盒6以及铺粉漏斗17，移动支架5为门形结构，包括一个横杆和两根支撑杆，两个支撑杆上端固定连接在横杆两端，两个支撑杆的下端分别固定有一个万向轮3，横杆上滑动连接有滑动板7，滑动板7下端通过螺钉8固定有储粉架4，储粉架4包括依次首尾相接的顶壁，第一侧壁，底板和第二侧壁，储粉架4的顶壁与储粉盒6上端固定连接，储粉盒6下端固定有铺粉漏斗17，铺粉漏斗17下部穿过储粉架4的底板。移动支架5和万向轮3实现铺粉装置的三维运动。

参照图5，储粉盒6的底板上开设有出粉口64，储粉盒6的底板上出粉口64外侧关于出粉口的中轴线对称设置有两个弹簧63，弹簧63采用磁性材料制成；储粉盒6下部设置有封堵器，封堵器包括封堵帽61和固定在封堵帽61下端的封堵塞65，当封堵塞65位于出粉口64中时，封堵塞65和出粉口64紧密贴合，封堵帽61下端固定有两个电磁铁62，两个电磁铁62位于弹簧63正上方。其中，封堵帽61为圆锥形，能够使粉末顺利下落。优选的，储粉盒6的底板倾斜设置，便于粉末顺利运动至出粉口64处。通电时，电磁铁62和弹簧63相吸，带动封堵器向下运动，使封堵塞65进入出粉口64中，停止出粉；断电时，电磁铁62失去磁性，弹簧63的弹力将封堵器向上推动，使封堵器向上运动，封堵塞65运动至出粉口64上方，储粉盒6开始出粉。同理，也可将电磁铁62和弹簧63的位置互换。

参照图3，可控排布装置设置在安装台1中，安装板和底板之间，可控排布装置包括同轴设置的第一成型模具15、第二成型模具16和凸模14；凸模14包括底座141和固定在底座上的排布台142，排布台142位于第二成型模具16中，且排布台142和第二成型模具16的内壁紧密贴合，第二成型模具16的外壁与第一成型模具15的内壁紧密贴合。第二成型模具16的上端面高于第一成型模具15的上端面。第一成型模具15的下端面和底座141的上端面相接触。

结合图6和图7所示，第一成型模具15和第二成型模具16均为圆筒，第一成型模具15的筒壁沿周向均匀开设有若干第一凹槽151，第二成型模具16的筒壁沿周向均匀开设有若干第二凹槽161，第一凹槽151的数量和第二凹槽161的数量相同，均大于50个。第一凹槽151和第二凹槽161的宽度相同，均略大于纤维直径，由于纤维的直径大都为微米级别，不便于将纤维准确地放进凹槽中，故在第一凹槽和第二凹槽上端增加倒角，便于将纤维按所需角度准确放置凹槽中。第一凹槽151的底面、第二凹槽161的底面以及排布台142的上端面位于同一水平面。凸模14下端面设置有定位槽，安装台1的底板上表面设置有与定位槽适配的定位凸起，方便将可控排布装置准确迅速的放置在最佳位置。

成型装置包括卡箍12、连接件18、压力杆9和压模10；卡箍12套设在固定轴19外，卡箍12和固定轴19之间的摩擦力大于卡箍12的重力，且卡箍12能够绕固定轴19转动，卡箍12包括两个卡箍耳和连接两个卡箍耳的卡箍本体，两个卡箍耳上开设有螺纹孔，两个卡箍耳通过螺栓11连接，卡箍12通过连接件18和压模10连接，连接件18包括连杆181和套筒182，连杆181一端和卡箍12固定连接，另一端和套筒182固定连接，压模10包括压盘101和固定在压盘101下端的压柱102，套筒182套设在压柱102外，套筒182和压柱102之间的摩擦力大于压柱102的重力，压柱102和第二成型模具16内壁间隙配合，压柱102的高度大于第二凹槽的高度。压柱102外周面固定有压力杆9，压力杆9为L形，套筒182上开设有用于为压力杆9提供移动空间的条形孔。压模10通过连接件18、卡箍12、螺栓11与安装台1上的固定轴19连接构成转动副，当铺粉动作完成后，将压模10旋转至与第一成型模具15同轴的位置，再由压力杆9控制压模10向下运动完成复合材料的成型。

结合附图8和图9所示，第一成型模具15和第二成型模具16通过旋转配合成封闭状态的放大图，以使在完成铺粉和成型的过程中，基体粉末不漏出，提高制备复合材料的精度。

结合附图10所示，高效制备3D可控排布纤维增强复合材料有三步。第一步，将第一成型模具15和第二成型模具16上的第一和第二凹槽对齐，将纤维依次铺设在第一和第二凹槽中，完成第一层纤维在排布台142上的排布；第二步，旋转第二成型模具16，使第一成型模具15和第二成型模具16配合成一个封闭式空间，通过移动支架5和储粉架4完成第一层铺粉；第三步，旋转压模10至第二成型模具16正上方，使卡箍12向下运动，带动压模10向下运动，直至压模10触碰到复合材料表面，使压力杆9带动压模10向下运动，对第一成型模具15和第二成型模具16上中排布好的碳纤维和铺好的基体粉末施加一定的压力，完成纤维与基体粉末的预压，即完成第一层复合材料的制备。再根据所需复合材料的制备要求，令压模10复位，旋转第二成型模具16继续后续的排布，重复上述动作直至完成复合材料的制备。

本实用新型的排布装置可实现不同含量、排布方式和状态的纤维增强复合材料的制备，从而使纤维增强复合材料制备的性能可控。本实用新型设计的可控排布装置可实现纤维的3D排布以及铺粉时的可控性，可以高效连续的完成排布、铺粉和成型过程。

实施例2

本实施例与实施例1的不同之处在于还包括用于带动储粉架4和移动支架5直线运动的动力装置，以及控制动力装置的控制面板2，控制面板2设置在安装台1上。设置好铺粉装置的运动轨迹以及铺粉量，将粉体装入储粉盒6后，将设置好的参数与程序装入控制面板2中，打开开关开始工作，动力装置带动万向轮3在导轨13中左右移动以及储粉架4前后运动，当储粉架4运动到指定位置后，储粉盒6中的电磁开关打开，粉体落入铺粉漏斗17中，开始进行铺粉运动。铺粉结束后，关闭储粉盒6中的电磁开关，停止出粉，使铺粉装置复位。课在铺粉过程中，通过对铺粉漏斗17的运动路径，进而控制基体粉末的厚度，提高基体粉末铺置的均匀性和制备复合材料的精度。

设计图

一种制备3D可控排布纤维增强复合材料的装置论文和设计

一种制备3D可控排布纤维增强复合材料的装置论文和设计-赵雪妮

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主设计要求

设计方案

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