一種用于高速纖維鋪放中的紅外波加熱系統技術方案

本發明專利技術涉及一種用于高速纖維鋪放中的波紅外加熱系統。該加熱系統安裝在鋪絲頭末端，包括安裝板件主體、陶瓷金鹵燈輻射加熱模塊、加熱區溫度檢測裝置、輻射加熱功率調節與模式轉換控制模塊、基于雙金屬熱變形原理的輻射反射器模塊、過熱防護模塊、以及空氣冷卻模塊，用于加熱即將進行鋪放作業的復合材料芯模層，目標是將鋪放區新鋪層與芯模的結合面的溫度提高到適宜溫度區間（30℃至90℃），以提高后續鋪層的質量。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術用于復合材料自動鋪放成型
，涉及一種用于高速纖維鋪放中的波 紅外加熱系統，目標是高速纖維鋪放作業提供一種響應迅速，高比能量，高效率的紅外加熱 系統。
技術介紹
復合材料以碳纖維增強樹脂基復合材料為代表，具有輕質、高強、高模量、耐疲勞、 抗腐蝕、結構功能一體化和設計制造一體化、易于成型大型構件等突出優點。大量應用先進 復合材料是提高航空航天飛行器、運載工具和武器裝備效能的重要途徑，其用量業已成為 航空航天飛行器先進性的重要標志。先進復合材料以其優異的綜合性能在航空航天工業領 域得到了廣泛的應用，但先進復合材料的成本遠高于金屬材料，高成本已經成為復合材料 擴大應用的主要障礙。 復合材料自動鋪放技術是增加復合材料用量、提高制造技術水平與效率、保證產 品質量和降低成本的關鍵技術。 在復合材料自動鋪帶成形過程中，為保證預浸帶鋪放成形質量，在預浸帶鋪疊過 程中需要對預浸帶鋪放速度、鋪放溫度、鋪放壓力等成形工藝參數進行協調控制，以使預浸 帶狀態始終處于鋪疊成形的工藝窗口內。溫度、壓力、鋪放速度等成形工藝參數對復合材料 制品的質量產生了重要的影響。 (1)不同樹脂體系預浸帶對溫度的要求不同：復合材料樹脂體系是決定鋪放溫度 的主要因素，這就要求針對不同的樹脂體系的預浸帶采用相應的溫度工藝曲線。 (2)預浸帶在不同的鋪放速度下的要求溫度恒定：國內目前使用的預浸帶多為熱 固性樹脂基復合材料，熱固性樹脂的鋪放成形溫度可調節范圍很小，這給變速工況下的溫 度控制帶來了難題。 (3)壓力使預浸帶鋪層產生了不同的變形效應：受樹脂粘彈性的影響，預浸帶在 受壓時，隨著溫度及時間的變化，會產生不同類型的變形。 在自動鋪帶成形工藝過程中，溫度對復合材料制品質量的影響最大。對于熱固性 樹脂基體的預浸帶來說，其成形溫度較低，可調節范圍較窄，這給溫度控制帶來了困難。此 外，溫度的偏差會導致鋪放過程無法順利進行：溫度過高，預浸帶容易與背襯紙粘結，使預 浸帶無法鋪疊在模具或者上一層表面，甚至導致樹脂提前固化：溫度過低，預浸帶粘性不 足、無法與模具順利貼合、預浸帶發生曲皺、樹脂流動性差、預浸帶中的氣泡沒有完全趕走， 使復合材料制品存在缺陷。另外，為了實現低成本制造，需要提高自動鋪帶成形速率。這種 高速、動態的工況給溫度控制帶來了許多難題。
技術實現思路
本專利技術主要是解決現有技術所存在的技術問題；提供了一種響應迅速，高比能量， 高效率，高安全系數的一種用于高速纖維鋪放中的波紅外加熱系統。 本專利技術的上述技術問題主要是通過下述技術方案得以解決的： 一種用于高速纖維鋪放中的波紅外加熱系統，其特征在于，安裝在鋪絲頭末端，包 括： 安裝板件主體：用于安裝波紅外加熱系統并與鋪絲頭固定； 陶瓷金鹵燈輻射加熱模塊：采用基于傳統石英金鹵燈改進而來的陶瓷金鹵燈。所 述加熱系統具有三只相同的陶瓷金鹵燈管，沿鋪放方向呈線性均勻布置。 加熱區溫度檢測裝置：采用1X128元熱電堆線陣溫度傳感器及A/D模塊，采用無 接觸的在線檢測的方式對鋪層工作區域的溫度進行實時測量。 輻射加熱功率調節與模式轉換控制模塊： 基于雙金屬熱變形原理的輻射反射器模塊：包括反射器部件，通過永磁體吸附的 原理與安裝板連接，陶瓷金鹵燈與溫度檢測裝置通過連接件固接在安裝板上，功率與模式 控制模塊置于上位機中，加熱系統通過安裝板件上的安裝孔及安裝螺栓同鋪絲頭相連接。 過熱防護模塊：由雙金屬片及其觸點、彈性銅片及其觸點、絕緣支架、升降螺栓及 調溫旋鈕組成。所述彈性銅片通過螺栓和連接孔固接在絕緣支架上；所述升降螺栓與絕緣 支架通過螺栓螺孔活接，兩者之間的相對位置可通過固接在升降螺栓上的調溫旋鈕進行旋 轉調節。所述過熱防護模塊的雙金屬元件在溫度升高至動作溫度值產生內應力而迅速動 作，閉合觸點，接通緊急制動電路，從而起到熱保護作用。所述過熱防護模塊在鋪放頭重新 啟動后，當溫度降到設定溫度時觸點自動斷開，恢復正常工作狀態。所述調溫旋鈕由工作人 員人工調控，可起到升高或者降低動作溫度的作用。 空氣冷卻模塊：包括冷空氣儲氣罐、氣泵以及冷風出口；冷空氣儲氣罐、氣泵以及 冷風出口之間通過導氣管連接，冷風出口位于紅外加熱系統與鋪絲頭之間。 在上述的一種用于高速纖維鋪放的中波紅外加熱系統，所述的輻射加熱功率調節 與模式轉換控制模塊分為功率控制模塊與工作模式控制模塊。功率控制模塊分七個檔位： 其中一檔、二檔、三檔為升溫檔；四檔為保溫檔；五檔、六檔、七檔為降溫檔。工作模式分為 低速模式、中速模式、高速模式三種模式，可視鋪放速度自動調節。 在上述的一種用于高速纖維鋪放的中波紅外加熱系統，所述反射器部件包括內側 為一拋物柱面的反射鏡。所述反射器模塊通過永磁吸附的原理與安裝板連接，且三只反射 器與陶瓷金鹵燈管一一對應，沿鋪放方向呈線性均勻布置。所述反射器模塊的反射鏡分為 內外雙層：內層為膨脹系數大的主動層，材料為納米金鍍膜；外層為膨脹系數小的被動層， 材料為因瓦合金。所述反射器在溫度逐漸升高時，所述拋物柱面的形變使輻射熱量向更大 的鋪放面散射，可對熱量集中起到自動反饋調節作用。 在上述的一種用于高速纖維鋪放的中波紅外加熱系統，反射器模塊的反射鏡內外 雙層具體為：內層為膨脹系數較大的主動層，厚度為〇. 5_，材料為反射率接近0. 99的納米 金鍍膜（廉價的替代方案為使用在純鋁表面電鍍不銹鋼防氧化層并拋光）；外層為膨脹系 數較小的被動層，厚度為I. 5mm，材料為FeNi36因瓦合金。 因此，本專利技術具有如下優點：響應迅速（最大鋪放速度超過lm/s)，高比能量 (3. 8w/cm2)，高效率輻射能量吸收率超過0. 8)，高安全系數。【附圖說明】 圖1是紅外加熱系統的總體結構的立體結構示意圖。 圖2是加熱系統與鋪絲頭的連接示意圖。 圖3是紅外加熱系統沿纖維鋪放作業進給方向的剖面圖。 圖4是過載防護裝置的局部示意圖。 圖5是放射器鏡面形狀直觀圖。 圖6是反射器鏡面拋物線形狀，與燈管、芯模面位置關系幾何示意圖。【具體實施方式】 下面通過實施例，并結合附圖，對本專利技術的技術方案作進一步具體的說明。圖中， 安裝板件主體1、永磁體磁鐵2、陶瓷金鹵燈燈管3、雙金屬輻射反射器4、連接螺栓5、絕緣 支架6、彈性銅片7、連接螺栓二8、升降螺栓9、連接螺栓三10、雙金屬輻射反射器上的觸點 11、彈性銅片上的觸點12、調溫旋鈕13、連接螺孔四14、連接螺栓五15、鋪放頭壓輥16、碳纖 維復合材料絲帶17、過載保護裝置18、拋物柱面19、雙金屬輻射反射器內層20、雙金屬輻射 反射器外層21。 實施例： -、首先介紹本專利技術的機械機構。 本專利技術安裝在鋪絲頭末端，可以加熱即將進行鋪放作業的復合材料芯模層，已達 到將鋪放區新鋪層與芯模的結合面的溫度提高到適宜溫度的效果（30°C至90°C)，提高后 續鋪層的質量。 本專利技術基于模塊化設計，主要包括安裝板件主體、加熱區溫度檢測裝置、陶瓷金鹵 燈輻射加熱模塊、輻射加熱功率調節與模式轉換控制模塊、基于雙金屬熱變形原理的輻射 反射器模塊、過熱防護模塊、以及空氣冷卻模塊等。上述的模塊中，反射器模塊通過永磁體 吸附的原理與安裝板連接，所述陶瓷金鹵燈與溫度檢測裝置通過連接件固接在安裝板上， 所述功率與模式控制模塊本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種用于高速纖維鋪放中的波紅外加熱系統，其特征在于，安裝在鋪絲頭（B）末端，包括：安裝板件主體：用于安裝波紅外加熱系統（A）并與鋪絲頭固定；陶瓷金鹵燈輻射加熱模塊:?采用基于傳統石英金鹵燈改進而來的陶瓷金鹵燈；所述加熱系統具有三只相同的陶瓷金鹵燈管，沿鋪放方向呈線性均勻布置；加熱區溫度檢測裝置:?采用1×128元熱電堆線陣溫度傳感器及A/D模塊，采用無接觸的在線檢測的方式對鋪層工作區域的溫度進行實時測量；輻射加熱功率調節與模式轉換控制模塊:基于雙金屬熱變形原理的輻射反射器模塊:?包括反射器部件（4），通過永磁體吸附的原理與安裝板（1）連接，陶瓷金鹵燈（3）與溫度檢測裝置通過連接件固接在安裝板（1）上，功率與模式控制模塊置于上位機中，加熱系統（A）通過安裝板件（1）上的安裝孔（14）及安裝螺栓（15）同鋪絲頭（B）相連接；過熱防護模塊:?由雙金屬片及其觸點（11）、彈性銅片（9）及其觸點（12）、絕緣支架（6）、升降螺栓（9）及調溫旋鈕（13）組成；所述彈性銅片（9）通過螺栓和連接孔固接在絕緣支架（6）上；所述升降螺栓與絕緣支架通過螺栓螺孔活接，兩者之間的相對位置可通過固接在升降螺栓上的調溫旋鈕進行旋轉調節；所述過熱防護模塊的雙金屬元件在溫度升高至動作溫度值產生內應力而迅速動作，閉合觸點,接通緊急制動電路，從而起到熱保護作用；所述過熱防護模塊在鋪放頭重新啟動后，當溫度降到設定溫度時觸點自動斷開，恢復正常工作狀態；所述調溫旋鈕由工作人員人工調控，可起到升高或者降低動作溫度的作用；空氣冷卻模塊：包括冷空氣儲氣罐、氣泵以及冷風出口；冷空氣儲氣罐、氣泵以及冷風出口之間通過導氣管連接，冷風出口位于紅外加熱系統與鋪絲頭之間。...

【技術特征摘要】

【專利技術屬性】
技術研發人員：肖曉暉，劉勝，公鑫，王國平，占必紅，呂家將，廖道坤，
申請(專利權)人：武漢大學，
類型：發明
國別省市：湖北;42