一种自动铺带机用复合材料预浸料适应性测试方法与流程

1.本技术涉及复合材料自动化制造技术领域，具体涉及一种自动铺带机用复合材料预浸料适应性测试方法。


背景技术：

2.自动铺放技术，是利用数控系统，实现预浸料的定位、自动铺叠、压实、剪切和重送等功能集成于一体，已在航空航天领域等军事领域广泛应用，而预浸料是自动铺放的原材料，是自动铺放技术发展和应用的基础，自动铺放技术高速成形特性要求预浸料要与自动铺放设备本身具有良好的适应性。
3.根据产品的形状及铺放需求，自动铺放可以分为自动铺带（atl）和自动铺丝（afp）两类。自动铺带机及相关技术诞生于20世纪60年代，后期随着商用飞机的发展，自动铺带技术开始广泛应用于商业飞机的制造领域。经过几十年的不断发展与完善，自动铺带设备和技术在美国和欧洲已经相当成熟，并大规模应用于复合材料构件的制造。2004年，南京航空航天大学在与航空材料研究院联合开发自动铺带设备的基础上，研制成功国内第一台自动铺带原理样机，实现了自动铺带的基本功能应用。
4.但国内自动铺带技术与国外存在较大差距，造成自动铺带技术在国内发展缓慢有多方面原因，而铺带用复合材料是核心因素，因此，开发出适应于自动铺带机用的复合材料预浸料是必要条件，是启动复合材料大规模自动化铺贴的关键。
5.目前，自动铺带用复合材料预浸料测试评价方法主要表现为以下差异及不足：1、测试方法复杂且标准不统一目前对于预浸料与自动铺带机适应性主要关注于材料的粘性，通过料与料的粘性、料与模具粘性测试来判断材料的适应性，但测试方式没有一个统一的标准，大多采用一些改装的装置进行材料层与层之间的剥离力测试，不同的改装装置测试的结果不同，且差别很大。
6.2、测试方法实用性不强传统粘性剥离力测试方法很难对预浸料适应性进行快速、高效地评价，批量化制造的材料不能在较快的时间内准确获得测试结果，实用性不强。
7.3、测试方法效果不佳材料与设备的适应性影响因素很多，有材料本身的粘性、刚性、背衬纸剥离力、铺贴环境温湿度等确定及不确定条件组成，很难通过一两个量化指标进行评判材料与设备的适应性是否合适，常规测量的材料粘性指标很难完全覆盖材料适应性的判断，造成有些材料粘性本身测试结果理想，但在自动铺带机设备上应用效果不理想，没有达到材料适应性评价的效果。此外，现有测定预浸料层间粘结性能的实验装置存在装置测试效率低、效果低、装置制造成本高、无法与实际铺放相结合等不足之处。
8.总之，目前对于复合材料预浸料与设备的适应性评价仍然缺乏一种快速高效的评价方式，造成材料与设备适应性无法进行快速评价，限制了复合材料的市场应用，也严重制
约了自动铺带技术应用的发展。


技术实现要素：

9.本技术的目的包括，例如，提供一种自动铺带机用复合材料预浸料适应性测试方法，以至少改善上述部分问题。
10.本技术实施例提供了一种自动铺带机用复合材料预浸料适应性测试方法，包括以下步骤：（1）设计铺带测试用基础图，基础图为二维图案，包括：一个平行四边形a，以及一个完全位于平行四边形a内部的平行四边形b，平行四边形a一对长边的长度不小于1.5m，一对短边的长度为[0.1，0.6]m，且长边与水平轴线间的夹角角度不大于10
°
；平行四边b一对长边宽度为[0.05，0.2]m，且其与水平轴线间的夹角角度不大于10
°
，另一对短边与水平轴线间的夹角角度为[40，50]
°
；（2）将基础图转化至自动铺带机用铺贴路径图及相应机床加工代码；（3）自动铺带机以待测试预浸料为原料，按照铺贴路径图进行铺贴测试；（4）获取在不同铺贴测试速度下自动铺带机铺贴出的料带的多项指标结果，综合评价待测试预浸料与对应自动铺带机的适应性，其中，在同一温湿度条件下进行铺贴测试时，当铺贴出的料带满足条件：料带间隙值为[0，2]mm，料带褶皱数量不大于2，且铺贴测试速度为[1, ∞)m/min；则判断该待测试预浸料与相应自动铺带机具备适应性；否则，则判断其与相应自动铺带机不具备适应性。
[0011]
本发明实施例提供一种自动铺带机用复合材料预浸料适应性测试方法，通过设计特殊铺贴测试用基础图，铺贴测试基础图经自动铺贴机转化至铺贴路径图和相应机床代码，之后，根据预浸料在自动铺带机铺贴中的多项铺指标，可以定性评判待测试预浸料与一步法自动铺带型自动铺带机的适应性，从而指明复合材料预浸料存在的不足，对其优化和改进具有重要指导意义。
附图说明
[0012]
为了更清楚地说明本技术实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本技术的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0013]
图1为本技术实施例一中铺带测试用基础图。
[0014]
图2为本技术实施例一中的铺贴路径图。
具体实施方式
[0015]
下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
[0016]
实施例一
以预浸料为原料，采用一步法自动铺带机为铺贴测试用设备，进行自动铺带机用复合材料预浸料适应性测试。
[0017]
具体的，自动铺带机用复合材料预浸料适应性测试方法，包括以下步骤：s1:设计铺带测试用基础图，基础图为二维图案，包括：一个平行四边形a，以及一个完全位于平行四边形a内部的平行四边形b，平行四边形a一对长边的长度不小于1.5m，一对短边的长度为[0.1，0.6]m，且长边与水平轴线间的夹角角度不大于10
°
；平行四边b一对长边宽度为[0.05，0.2]m，且其与水平轴线间的夹角角度不大于10
°
，另一对短边与水平轴线间的夹角角度为[40，50]
°
；需要说明的是，基础图中的平行四边形a与平行四边形b无相交，平行四边形a的一对长边的长度不小于1.5m，例如可以为1.5m、1.8m、2.2m、2.5m等，以确保按照铺贴路径图铺贴产生的料带有足够回卷空间，验证预浸料二次回卷适应性能力；平行四边形a的一对短边的长度为[0.1，0.6]m，例如可以为0.1m、0.15m、0.2m、0.31m、0.43m、0.55m、0.6m，平行四边形a的一对长边与水平轴线间的夹角不大于10
°
，例如可以为3
°
、5
°
、7
°
、9.6
°
、10
°
，以验证过程中小角度切割时的铺贴预浸料的粘性及铺贴适应性；平行四边b对长边宽度为[0.05，0.2]m，且其与水平轴线间的夹角角度不大于10
°
，例如平行四边b的一对长边与水平轴线间的夹角可以为3
°
、5
°
、6.3
°
、7
°
、8.2
°
、10
°
，平行四边b另一对短边与水平轴线间的夹角角度为[40，50]
°
，例如，可以为40
°
、42
°
、43.6
°
、45
°
，47
°
，50
°
，以验证铺贴预浸料复杂结构切割能力及多次回卷适应能力。例如，利用catia设计如图1所示的二维基础图。
[0018]
s2：将基础图转化至自动铺带机用铺贴路径图及相应机床加工代码；需要说明的是，基础图为二维图，可输入自动铺带机自带的铺带编程软件中，通过软件进行自动铺带路径规划、铺带编程、后置处理，输出铺带设备铺放、切割、检测所需文件，完成自动铺带的数控编程，设置相关铺贴参数，如标准间隙值为1mm，加热温度40~50℃，铺贴压辊压强3~5bar，自动生成铺带编程路径，并优化铺贴路径得到图2最终铺贴路径，最后生成该铺带机铺贴代码，以供铺带机按照铺贴路径图执行自动铺贴。例如，如图1所示的二维基础图，经一步法铺带机自带如tapelay软件在内的铺带规划与编程软件处理，生成了如图2所示的铺贴路径图（0
°
铺层路径设计图）及相应铺带nc代码。
[0019]
s3:自动铺带机以待测试预浸料为原料，在温度为[20，22]℃、相对湿度百分比（即rh%）为[45%，55%]条件下，按照铺贴路径图（即执行nc代码）进行铺贴测试；需要说明的是，铺贴测试包括一步法自动铺带机的裁切、送料、定位、压实等的常规程序。
[0020]
s4：获取在不同铺贴测试速度下自动铺带机铺贴出的料带的多项指标结果，综合评价待测试预浸料与相应自动铺带机的适应性，其中，在同一温湿度条件下进行铺贴测试时，当铺贴出的料带满足条件：料带间隙值为[0，2]mm，料带褶皱数量不大于2，且铺贴测试速度为[1, ∞）m/min；则判断该待测试预浸料与相应铺贴测试设备具有适应性；否则，则判断其与相应自动铺带机不具备适应性。
[0021]
需要说明的是，在同一温湿度条件下进行铺贴测试时，可进行同一铺贴测试速度下的多次重复铺贴（即执行同一铺贴程序铺贴），料带间隙值为各相邻层料带间间隙的最大值和最小值，料带褶皱数量为各次铺贴获得的料带褶皱数量的中位值，料带褶皱数量包括料带边缘与料带内出现的褶皱数量。
[0022]
实施例二在实施例1的基础上，为了进一步明确待测试预浸料与相应自动铺带机的适应性，可设置预浸料与自动铺带机铺贴测试用适用性评价表，以铺贴测试速度、料带间的间隙值、料带出现的褶皱数量为评价指标，综合打分，评价该待测试预浸料与相应自动铺带机的适应性。
[0023]
需要说明的是，例如，具体的预浸料与自动铺带机铺贴测试用适用性评价表如表1所示。
[0024]
表1：预浸料与自动铺带机铺贴测试用适用性评价表铺贴测试速度（m/min）间隙值褶皱数量对应分值≥60[0.8,1.2]010[50,60)[0.8,1.2]09[40,50)[0.5,1.5]08[30,40)[0.5,1.5]07[20,30)[0.2,1.8]06[10,20)[0.2,1.8]05[10,20)[0,2]04[1,10)[0,2]03[1,10)[0,2]12[1,10)[0,2]21按照表1所示，当铺贴出的料带满足条件：料带间隙为[0，2]mm，料带褶皱数量不大于2，且铺贴测试速度为[10, ∞）m/min，该待测试预浸料与相应铺贴测试设备的适应性评分值为至少4分，初步判断其具较好的适应性，而随着铺贴测试速度的增大，其料带间隙值偏差在保持相对较小的情况下，则判断该待测试预浸料与相应铺贴测试设备的适应性水平越加良好。
[0025]
需要说明的是，考虑到现有自动铺带机的铺贴速度，一般将铺贴测试速度限制为（0,60]m/min内，进行预浸料与相应自动铺带机的适应性评价。
[0026]
实施例三在实施例1、2的基础上，选用a、b、c三款不同树脂体系的预浸料，在温度为20℃、相对湿度百分比为50%条件下，在自动铺带机上进行不同速度的铺贴测试，材料a在保证间隙值及褶皱数量为0的前提下,最大测试铺贴速度可以达到[50,60)m/min,综合评分可以达到9分。材料b在改善前，不能实现顺畅铺贴，存在的褶皱超过3处，综合评分为0分；材料经过改善后在保证褶皱为数量0的前提下，间隙控制[0.2,1.8]mm，最大铺贴速度[10,20)m/min，综合评分可以到5分。材料c在改善前，不能实现顺畅铺贴，存在的褶皱超过3，且存在料带搭接情况，综合评分为0分；材料经过改善后在保证褶皱为0的前提下，间隙控制[0,2]mm，最大铺贴速度[1，10)m/min，提高铺贴速度将会产生褶皱及间隙超差，综合评分可以到3分。通过调整材料b、c的预浸料制造工艺参数可以改善预浸料适应性，再次重复进行铺贴测试，二者分别与自动铺带机的适应性结果均得到提高（具体如表2所示）。
[0027]
表2：预浸料改进前后与自动铺带机适应性评分结果
原材料原材料与适应性评分结果改进材料改进措施改进后材料与适应性评分结果
材料a9材料a1//材料b0材料b1预浸料制造工艺参数优化5材料c0材料c1预浸料制造工艺参数优化3
综上表明，本发明提供的自动铺带机用复合材料预浸料适应性测试方法，可以定性、定量的评判测试复合材料预浸料与自动铺带机设备的适应性，从而指明复合材料预浸料存在的不足，对其优化和改进具有重要指导意义。
[0028]
以上所述仅为本技术的优选实施例而已，并不用于限制本技术，对于本领域的技术人员来说，本技术可以有各种更改和变化。凡在本技术的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本技术的保护范围之内。