一种碳纤维与金属复合结构制造方法

1.本发明涉及纤维复合增材制造领域，尤其是涉及一种碳纤维与金属复合结构制造方法。


背景技术：

2.为了提高材料的利用率，降低机器的总质量和能耗，产品轻量化已经成为诸多行业所追求的设计目标。传统金属材料由于其具有较好的综合性能以及各向同性等性质，在工业中大量的使用，钢材产量也成为了衡量各国工业发展的重要指标。通过结构优化设计可以一定程度上提高金属构件的材料利用率，利用合适的热处理工艺也能实现产品强度的提升。但结构优化对材料极限承载能力的影响有限。热处理虽然可以一定程度上提高金属材料的强度，但其影响范围更多局限于表层。强化深度的增加与时间的平方成正比，需要极大的能耗以及时间。以45#钢为代表的淬透性差的钢种，则更难以热处理的方式提高性能，因此热处理对金属材料的强化不具有普适性。综上，越来越多的研究开始考虑引入强度更大质量更轻的新材料来提高材料的极限承载能力。
3.随着制造技术的发展以及复合材料构件设计理论的提出，越来越多的新材料被用来与传统金属材料一同制造复合结构，例如陶瓷、纤维等。与金属相比，新材料大多数是由非金属元素组成，因此在质量上相较于金属材料更轻。同时由于同类非金属原子间形成的高强度连接使其拥有超过金属材料的强度。在诸多新材料中，碳纤维由于其具有轻质高强的性能，加上轴向高热导率，耐磨和抗腐蚀性，成为了大量复合构件制造的研究对象，包括与混凝土、金属、热塑性塑料等。此外，通过熔融沉积技术(fdm)可以实现碳纤维的增材制造，增加结构设计的自由度。尽管如此，碳纤维无法完全取代金属材料，其原因在于碳纤维并非各向同性材料，只在其纤维方向具有极高的强度和热导率等性能。因此，需要金属材料提供整体的刚度。利用分段式布置的设计思路，在需要配合的地方使用金属材料，而在其他非接触区域可以使用碳纤维。在设计时考虑金属材料和碳纤维的体积比例以及排列方式，不同角度碳纤维堆叠后整体的性能。保证结构在设计时满足强度、刚度、热变形等要求。
4.然而，由于碳纤维增强复合材料和金属材料的微观结构不同，二者在复合界面上会存在较大的应力，难以实现有效结合。缺乏有效的异质材料连接手段，不仅会导致无法充分发挥碳纤维增强复合材料的优良性能，而且会因连接强度不足导致失效。碳纤维增强复合材料和金属材料的结合问题也因此成为了科学研究的重点。目前研究最多的方法是利用激光加热金属，利用金属的高热导率使得界面温度达到基体材料的熔化温度，配合一定压力实现碳纤维增强复合材料和薄金属板的连接。然而，该方法由于能量需要穿透金属，无法实现厚金属与碳纤维增强复合材料的有效连接，因此，针对拥有变曲率表面的结构，需要探索更为普适的加工制造方法。
5.对于加工完成后的复合构件，在使用过程中需要对其工作情况进行监测，以避免因为长时间工作或者环境变化影响正常工作。目前工业上常用工业摄像头和传感器完成对零件工况的监控。然而，摄像头通常只能反映零件表面的情况，传感器则往往只能对设定位
置的局部区域进行反馈。对于碳纤维与金属复合构件而言，除了表面，碳纤维层间的工况也值得关注，避免出现复合材料常见的层间连接失效。


技术实现要素：

6.本发明提供了一种碳纤维与金属复合结构制造方法，在金属构件表面利用激光实现碳纤维增强复合材料原位增材制造，通过碳纤维增强复合材料和金属复合构件的制造，提高了构件的强度和综合性能，实现了构件的轻量化和智能化。
7.一种碳纤维与金属复合结构制造方法，包括以下步骤：
8.(1)设计金属构件的尺寸及粗糙度rai，确定碳纤维增材制造加工区域的尺寸、信号传递区域的位置与尺寸、连接区域的位置与尺寸；
9.(2)将金属构件的毛坯依次移动至车工位、铣工位、钻工位，完成对应金属构件的粗加工；
10.(3)将粗加工后的金属构件移动至平台上并固定，利用机械臂带动旋转磨削设备对金属构件外表面进行加工，使其表面粗糙度rai达到设计要求后得到金属基体；
11.(4)选用单边轮结构的棍子，机械臂带动激光聚焦辅助原位成型设备移动至金属基体上第i个加工区域第一层碳纤维增强复合材料加工路径起点处，气缸带动辊子将碳纤维增强复合材料压在金属基体表面；
12.(5)加热金属基体使待加工区域温度达到设定值，同时，利用激光照射金属基体上辊压点前方，金属基体表面将部分激光反射至碳纤维增强复合材料上，同时加热金属基体照射表面附近以及对碳纤维增强复合材料进行预热；
13.(6)待金属基体和碳纤维增强复合材料表面被照射区域温度稳定后，按照路径运行机械臂，完成该区域第一层碳纤维增强复合材料的增材制造；随后关闭激光和加热设备，剪断碳纤维增强复合材料；
14.(7)金属基体温度降至碳纤维增强复合材料中基体材料玻璃化转化温度以上10-20℃后，采用步骤(4)～(6)的步骤依次完成该区域剩余层碳纤维增强复合材料的增材制造；
15.(8)调整机械臂位姿，利用机械臂带动旋转磨削设备对碳纤维增强复合材料外表面进行加工使其表面达到设计要求；
16.(9)重复(4)～(8)，完成剩余各个加工区域的加工制造；
17.(10)待复合构件装配完成后，将电源、信号采集设备与碳纤维上信号传递区域连接，实现复合构件自监测。
18.步骤(1)中，所述的金属构件包括但不限于平板结构、l形结构、回转体结构、轴类结构。金属构件的材质包括但不限于钢或者铝合金等。
19.步骤(3)中，所述的平台具有固定、旋转、感应加热和散热功能，用于实现对金属构件的固定、转动、加热与保温。
20.步骤(4)中，若辊子中心与金属基体表面曲率中心在金属基体表面同侧，则辊子曲率应大于金属基体表面区域曲率的最小值。
21.若碳纤维与金属复合结构为回转体，且碳纤维增材路径沿回转体轴线方向，则棍子必须使用橡胶辊，其余角度均使用金属辊。
22.步骤(5)中，利用平台加热金属基体使其表面待加工区域的温度达到碳纤维增强复合材料中基体材料的玻璃化转变温度；利用激光照射金属基体上辊压点前方，使得辊压点处金属基体表面温度达到碳纤维增强复合材料中基体材料的熔点以上；同时，部分激光反射至碳纤维增强复合材料表面，使其表面温度达到碳纤维增强复合材料中基体材料的玻璃化转变温度以上。
23.步骤(5)中，若金属基体表面为变曲率曲面，应考虑第一曲率半径和第二曲率半径以确定激光反射率和吸收率，保证整个制造过程中激光加热中心区域温度变化小于
±
25℃；同时，保证反射至碳纤维增强复合材料表面的激光能量不低于激光总功率的20％。
24.步骤(6)中，进行第一层碳纤维增强复合材料的增材制造时，辊子运动的速度应小于金属基体上表面温度高于熔点区域边缘的移动速度，该速度上限通过计算得到，式中k为工作环境系数，表征对流和辐射换热强度，取值在0-1之间；a为金属材料热扩散率。
25.碳纤维增强复合材料的增材制造过程中，需通氮气进行保护，避免加工过程中金属基体快速氧化导致粗糙度以及吸收率的变化。
26.步骤(7)中，非第一层碳纤维增强复合材料制造时，调整激光照射位置使得激光光斑同时照射在已铺放碳纤维增强复合材料和即将铺放的碳纤维增强复合材料上。
27.步骤(10)中，利用碳纤维的力阻效应，通过检测工况下碳纤维电阻阻值的变化，反推出工况下碳纤维应力场的变化。无需额外传感器实现自监测。
28.碳纤维具有良好的导电性和力阻效应，使碳纤维作为结构材料的同时，也具有感知应力应变的能力，为实现工作状态自监测提供了可能。基于连续碳纤维力阻效应的自监测方法克服了嵌入式传感器减弱结构强度的缺陷，不需要额外配置传感元件，降低了成本，同时从传统的点检测变为线检测，减少了传感器数目。考虑到这些优点，可利用碳纤维实现碳纤维与金属复合结构在工况下的自监测。
29.与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
30.1、由于不需要通过金属传导热量至连接界面，因此总能耗降低。
31.2、可实现变曲率曲面金属与碳纤维的异质连接。
32.3、可实现厚金属材料表面碳纤维增材制造。
33.4、可实现碳纤维和金属复合结构的自监测。
附图说明
34.图1为本发明实施例1中碳纤维与金属复合结构示意图；
35.图2为本发明实施例1采用的增减材混合制造工艺装备平台示意图；
36.图3为本发明实施例1中金属构件表面辊子运动和激光加热示意图；
37.图4为本发明实施例1中单边轮结构的棍子结构示意图；
38.图5为本发明实施例1中平板类结构实时监测示意图；
39.图6为本发明实施例1一种碳纤维与金属复合结构制造方法的流程图；
40.图7为本发明实施例2一种碳纤维与金属复合结构制造方法的流程图；
41.图8为本发明实施例2中金属芯轴表面辊子运动和激光加热示意图。
具体实施方式
42.下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细描述，需要指出的是，以下所述实施例旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。
43.实施例1
44.本实施例中，以平板结构为例，介绍一种碳纤维与金属复合结构制造方法。设计的碳纤维与金属复合结构，可通过设计螺栓、外表面螺纹、轴承等方式与其他零件配合使用。如图1所示，碳纤维与金属复合结构为平板结构，两层金属构件1之间通过碳纤维增强复合材料(碳纤维2和树脂17)进行连接固定。
45.完成金属构件1的设计后，利用增减材混合制造工艺装备平台进行加工制造，整体平台示意图如图2所示。通过控制柜10对整个平台进行控制，将金属构件1的毛坯依次移动至车工位3、铣工位4、钻工位5进行加工。待加工完成后，将金属构件移至具有加热功能的可旋转平台6上并固定，可旋转平台6固定在机械臂7上，若金属构件1为回转体则需用三爪卡盘固定后通过电机带动旋转。机械臂8带动旋转磨削设备对金属构件1表面进行加工，使表面达到设计要求粗糙度。随后加热金属构件1，使其表面温度达到设定值。调整机械臂位姿，根据铺放区域曲率及是否存在台阶等因素选用辊子和支撑类型。
46.将激光聚焦辅助原位成型设备9移动至金属构件1表面附近，气缸带动辊子12将连续碳纤维增强复合材料13压在金属构件1表面第i区域第一层碳纤维增强复合材料增材制造路径path
i1
起点处。调整激光器11的照射位置，保证辊压点处温度超过碳纤维增强复合材料基体材料的熔点，同时反射一部分用于加热辊子上的碳纤维增强复合材料，其工作示意图如图3所示。待温度稳定后，按照设定参数同时运行机械臂和旋转平台，利用辊子将激光加热后熔化的树脂和碳纤维一同压紧在金属构件1表面，形成碳纤维增强复合材料和金属构件1的有效连接。在完成整个加工区域碳纤维增强复合材料和金属构件1有效连接后，停止加热，激光聚焦辅助加热增材制造设备剪切、重送连续碳纤维增强复合材料。
47.若存在台阶或者拐角结构，则利用激光配合单边轮结构的棍子，沿两平面交线进行重复辊压以实现良好连接，结构如图4所示，包括相互匹配的支架14、轴15、卡簧16、轴承17和辊子12。
48.待金属构件1和已加工碳纤维冷却至室温后，利用机械臂将激光聚焦加热原位成形设备移动至金属构件1表面第i区域第二层碳纤维增强复合材料增材制造路径path
i2
起点处，调整激光照射区域，使得激光同时照射上下两层碳纤维增强复合材料。重新输入激光温度和机械臂运动速度，再重复上述加工过程完成连续碳纤维增强复合材料的增材制造。
49.完成后调整机械臂位姿，利用机械臂带动旋转磨削设备对已加工碳纤维表面进行加工使其达到设计尺寸及表面质量要求。
50.如图6所示，利用金属构件1和其他部件进行装配，并将电源19、信号传递区域的碳纤维2、直流电阻仪20利用导线串联并将输出信号传入电脑21。利用碳纤维的力阻效应，通过检测工况下碳纤维电阻阻值的变化，反推出工况下碳纤维应力场的变化。无需额外传感器实现自监测。
51.如图6所示，一种碳纤维与金属复合结构制造方法，包括如下步骤：
52.步骤s01，设计金属构件结构，包括：毛坯尺寸l0、w0、h0，设计构件尺寸li、wi、hi及粗糙度rai，碳纤维增材制造区域尺寸l
ij
、w
ij
、h
ij
、信号传递区域位置di及尺寸l
ik
、w
ik
、h
ik
，连接
区域位置dm与尺寸lm、wm、hm。规划第i个加工区域第j层增、减材制造路径path
ij
、path
ij’。
53.金属构件包括但不限于平板结构、l形结构、回转体结构、轴类结构等。
54.碳纤维增材制造采用分段式布置，在需要与其他零件配合的地方采用金属，其余地方采用碳纤维。
55.金属包括但不限于合金结构金属、合金工具金属、不锈金属、电镀金属等。
56.步骤s02，将毛坯依次移动至车工位、铣工位、钻工位并完成对应金属构件加工工序。
57.步骤s03，将粗加工后的金属构件移动至平台上并固定，利用机械臂带动旋转磨削设备对金属构件外表面进行加工使其表面粗糙度rai达到设计要求。
58.各区域表面粗糙度rai设计值应根据碳纤维增强复合材料的基体材料决定。
59.平台具有旋转、固定、感应加热和散热功能，可实现对金属构件的固定、转动、加热与保温。
60.步骤s04，调整辊子结构，机械臂带动激光聚焦辅助原位成型设备移动至金属基体上第i个加工区域第一层碳纤维增强复合材料加工路径path
i1
起点处，气缸带动辊子将碳纤维增强复合材料压在金属构件表面，加热金属基体使待加工区域使温度达到设定值。
61.选用橡胶辊子和单边轮结构取代金属辊子和双边支撑结构，通过沿两面交线辊压并配合激光加热，可实现台阶、拐角处碳纤维增强复合材料的增材制造。
62.若辊子中心与金属基体表面曲率中心在金属基体表面同侧，辊子曲率应大于金属基体表面区域曲率的最小值。
63.若零件为回转体，且碳纤维增材路径沿回转体轴线方向，则必须使用橡胶辊。其余角度均使用金属辊子。
64.连续碳纤维增强材料原位增材制造过程中，保持辊子与已加工结构始终接触。
65.步骤s05，利用激光照射金属基体上辊压点前方，金属基体表面将部分激光反射至碳纤维增强复合材料上，同时加热金属基体照射表面附近以及碳纤维增强复合材料。
66.利用平台加热金属构件使其表面温度达到碳纤维材料玻璃化转变温度以上。利用激光加热金属基体表面使得辊压点处表面温度达到碳纤维材料的熔点以上，同时部分激光反射至碳纤维增强复合材料表面使得其表面温度达到基体材料玻璃化转变温度以上。
67.若金属基体表面为变曲率曲面，应同时考虑第一曲率半径和第二曲率半径以确定激光反射率和吸收率，保证整个制造过程中激光加热中心区域温度变化小于
±
25℃。同时，保证反射至碳纤维增强复合材料表面的激光能量不低于激光总功率的20％。
68.针对第一层碳纤维增强复合材料的加工，辊子运动的速度应小于金属芯轴上表面温度高于熔点区域边缘的移动速度，该速度上限可通过计算得到，式中k为工作环境系数，表征对流和辐射换热强度，取值在0-1之间；a为金属材料热扩散率。
69.制造过程需通氮气进行保护，避免加工过程中金属芯轴快速氧化导致粗糙度以及吸收率的变化。
70.步骤s06，待金属基体和碳纤维增强复合材料表面被照射区域温度稳定后，按照路径运行机械臂，完成该区域第一层碳纤维增强复合材料的增材制造。随后关闭激光和加热设备，剪断碳纤维增强复合材料。
71.步骤s07，金属基体温度降至碳纤维增强复合材料中基体材料玻璃化转化温度以上10-20℃后，机械臂带动激光聚焦辅助原位成型设备移动至第i个加工区域第二层碳纤维增强复合材料加工路径path
i2
起点处，打开激光并按设定速度与路径同时运行机械臂和平台，进行后续碳纤维增强复合材料的增材制造。全部完成后，关闭激光，机械臂和平台停止运动，切断碳纤维增强复合材料。
72.非第一层碳纤维增强复合材料制造时，调整激光照射位置使得激光光斑同时照射在已铺放碳纤维和即将铺放碳纤维上。
73.步骤s08，调整机械臂位姿，利用机械臂带动旋转磨削设备对碳纤维增强复合材料外表面进行加工使其表面达到设计要求。
74.步骤s09，重复步骤s04～步骤s08，完成剩余各个区域的加工制造。
75.步骤s10，待复合构件装配完成后，将电源、信号采集设备与碳纤维上信号传递区域连接，实现复合构件自监测。连续碳纤维由于具有力阻特性，可实现状态自监测。
76.实施例2
77.本实施例中，以轴类结构为例，介绍一种碳纤维与金属复合结构制造方法。
78.如图7所示，包括以下步骤：
79.(1)设计主轴的结构，包括：金属制芯轴每一段的长度li、内径ri、外径ri、表面粗糙度rai，辊子半径r，碳纤维增材制造区域外径rj、两端信号传递区域径向位置di。轴上第i区域第j层增、减材制造路径path
ij
、path
ij’，确定并在程序中输入激光器输出温度ti,机械臂移动速度vi，旋转平台旋转角速度ωi。
80.(2)利用选择性激光熔化技术完成金属制芯轴的增材制造。
81.(3)利用三爪卡盘和顶针将芯轴固定在可旋转平台上，并利用机械臂带动旋转磨削设备对芯轴外表面进行加工使其达到设计要求。
82.(4)调整机械臂位姿，将激光聚焦辅助加热原位成型设备移动至芯模附近，辊子在路径path
i1
起始位置将连续碳纤维增强复合材料压在芯模表面。
83.(5)利用加热装置加热金属芯轴至设定温度后保温，打开激光使其照射在辊压点之前的金属芯轴表面，使表面激光照射点附近温度升高。同时利用金属表面的高反射率使部分激光反射至碳纤维增强复合材料上，对碳纤维增强复合材料进行预热。
84.对于增材制造路径path
ij
，在加工点处机械臂移动速度vi与该点转动的线速度之比应为水平面中path
ij
与芯轴轴线夹角ε的正切值，即满足tanε＝vi/(ωi·rj
)。
85.连续碳纤维增强材料原位增材制造过程中，保持辊子与芯模始终接触。除90
°
铺放外，其余角度碳纤维增材制造在完成一层加工后均需剪断。
86.芯轴表面粗糙度影响金属芯轴对激光的吸收率和反射率，导致激光照射区域金属芯轴和碳纤维增强复合材料表面温度变化，应根据基体材料的熔点和吸收率、反射率进行调整，保证辊压点处芯轴表面温度与碳纤维增强复合材料激光反射表面区域温度差小于100℃。
87.如图8所示，碳纤维增强复合材料和金属芯轴22上激光照射点与辊压点之间的弧长分别记为l1，l2，对应在辊子12和轴上圆心角分别为α，β。激光在金属芯轴22表面照射点位置和激光入射角度θ需满足l1《l2，α β＝θ。
88.针对第一层碳纤维增强复合材料的加工，辊子运动的速度应小于金属芯轴上表面
温度高于熔点区域边缘的移动速度，该速度上限可通过计算得到，式中k为工作环境系数，表征对流和辐射换热强度，取值在0-1之间；a为金属材料热扩散率。
89.选用辊子宽度需大于两倍碳纤维增强复合材料预浸带的带宽，保证在相邻带加工的同时在结晶终了温度以上重复辊压已加工预浸带。
90.(6)金属表面温度稳定后，按照设定速度运行机械臂和可旋转平台，使碳纤维增强复合材料按照设定路径运动。完成第一层碳纤维增强复合材料铺放后，关闭激光和加热装置，切断碳纤维。
91.(7)待第一层碳纤维温度降至室温后，机械臂和旋转平台按照设定增材路径依次运动，配合激光器开闭进行碳纤维增材制造。设计加工区域完成全部制造过程后，机械臂和平台停止运动，关闭激光。
92.(8)切断连续碳纤维并重新送带，调整机械臂位姿，将旋转磨削设备移动至加工完成连续碳纤维表面附近，刀具按照减材路径对碳纤维增强复合材料增材制造部分进行加工使得整体符合设计要求。
93.(9)将复合智能主轴装配到冷却装置中，保证信号传递区域与环形信号采集装置在轴工作时接触，通过信号采集装置将工况信息传入电脑软件中完成实时监测。
94.以上所述的实施例对本发明的技术方案和有益效果进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的具体实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充和等同替换，均应包含在本发明的保护范围之内。