自动铺丝成型工艺参数优化

自动铺丝成型工艺参数优化
黄新杰;肖军;赵聪;沈裕峰;郭立杰;袁定新;诸静;左龙彦
【摘要】为提高自动铺丝成型技术的质量,分析了影响铺放质量的工艺参数主要有铺放温度、铺放压力以及铺放速率.综合考虑预浸丝与模具表面及其层间贴合情况,提出更为完善的铺放质量评价方法.利用该评价方法分别研究了以上工艺参数对于铺放质量的影响,发现随着铺放温度、压力的增加铺放质量先提升后降低;随着铺放速率的增加铺放质量呈下降趋势.最后利用响应曲面法得出,在本试验条件下的最优铺放工艺参数:铺放温度T为29.38℃、铺放压力F为11.65 N/mm、铺放速率v 为84.34 mm/s.
【期刊名称】《玻璃纤维》
【年(卷),期】2015(000)006
【总页数】7页(P20-26)
【关键词】自动铺丝;参数优化;铺放质量;响应曲面法
【作者】黄新杰;肖军;赵聪;沈裕峰;郭立杰;袁定新;诸静;左龙彦
【作者单位】南京航空航天大学材料科学与技术学院,南京210016;南京航空航天大学材料科学与技术学院,南京210016;南京航空航天大学材料科学与技术学院,南京210016;南京航空航天大学材料科学与技术学院,南京210016;上海航天工艺装备工程中心,上海200245;上海航天工艺装备工程中心,上海200245;上海复合材料科技有限公司,上海201112;上海复合材料科技有限公司,上海201112
【正文语种】中文
【中图分类】TB332
0 前言
自动铺丝技术是先进的复合材料自动化成型技术之一，其通过铺丝头输送预浸丝，利用压辊将其压实于模具表面进行铺放;同时通过加热、软化使得预浸料铺覆于模具表面［1］。

自动铺丝技术通过采用细预浸丝进行铺放，不仅克服了纤维缠绕技术架空和连续性的限制，同时也解决了自动铺带需沿着自然路径铺放的限制［1-5］。

目前国内关于自动铺丝成型技术的研究处于起步阶段，且研究内容多集中于装备研究、轨迹规划等，缺少对于铺丝工艺参数的系统研究。

相关工艺参数的研究的结果包括:文琼华［6］、黄志军［7］使用主观评价的方法对自动铺放质量进行分析，并未建立系统的评价标准;孙成［8］用固化后制件的层间剪切强度来表征铺放质量，然而该指标不仅受到铺放质量的影响还受到固化过程的影响;齐俊伟［9］较早建立铺放质量简易评价标准;黄文宗［10-12］在仅考虑预浸带与模具贴合的情况下较为系统的建立了铺放质量的评价标准，但对铺放质量的各种表征评分并不规范;Aized［13］在考虑预浸丝与模具表面及预浸丝层间贴合的情况下，提出对于铺放质量的评价方法，但并未对预浸丝铺放质量的具体表征进行系统分析。

本文综合考虑模具与预浸丝、预浸丝层间贴合情况的基础上，拟建立系统评价自动铺丝铺放质量的评价标准，为自动铺丝工艺参数的优化选择提供参考。

1 自动铺丝成型质量的影响因素
自动铺丝所用材料为单向预浸料，由基体树脂和增强纤维组成，基体树脂在预浸丝表面呈现岛状分布。

张鹏［14］结合 Gutowski［15］提出的树脂流动公式与“树脂岛”扩散模型推导出自动铺放工艺下，树脂面积变化率及其影响因素关系如式(1)。

据上式可知，树脂面积变化率随着粘度μ的减小，压力载荷F及其作用时间t的
增加而增加。

可以认为，树脂面积变化率越大，树脂的扩散越充分使得铺层的粘结性能越大。

因此，树脂粘度、平板外加载荷以及载荷作用时间都是影响贴合质量的重要因素。

1.1 铺放温度对贴合质量的影响
铺放温度指的铺放过程中预浸丝表面的温度。

如上文所述，预浸丝粘结性随着树脂粘度μ的增加而降低。

常见环氧树脂的粘度－温度曲线如图1，随着温度T的增
加树脂粘度μ不断地下降至最低值;而后随温度升高而显著增加［16，17］。

因此，铺放温度过高会使得树脂发生交联反应，导致预浸丝变硬甚至固化;温度过低将导
致树脂的粘度过大，影响预浸丝贴合。

图1 环氧树脂粘度-温度曲线
1.2 铺放压力对贴合质量的影响
铺放压力即压辊加载于预浸丝上的压力，本文使用单位宽度的预浸丝所受压力载荷大小作为铺放压力。

如上文所述，铺放压力直接影响预浸丝与基底的粘结性。

铺放压力太小会导致树脂面积变化率太小，树脂扩散不充分，此时预浸丝与基底的粘结性不足;而选择铺放压力过大会导致预浸丝变形程度加大。

1.3 铺放速率对贴合质量的影响
如前文所述，预浸丝表面载荷作用时间直接影响树脂面积变化率。

铺放速率过大将导致载荷作用时间过短，树脂扩散不充分，预浸丝与基底粘结性不佳。

但除了影响铺放质量之外，铺放速率决定了产品的生产效率，铺放速率越大生产效率越高。

同时，铺放速率的选择还受到铺放机械设备的限制。

2 试验方案设计
本文在南京航空航天大学自主研发的七轴动八丝束自动铺丝机的基础上进行铺放试验，选用CYCOM®X850型碳纤维预浸料，铺放长度为800 mm，单丝宽度
6.35 mm。

首先采用单因素实验法，初步研究相关工艺参数对于铺放质量的影响，验证评价标准的合理性。

于Design-Expert 8.0.6平台上，使用Box-Behnken设计对以上工艺参数进行响应曲面优化。

2.1 实验标定及参数选择
标定铺放温度时，设定铺丝头压力并开始铺放时为测温的起始阶段，铺丝头停止铺放并开始切纱时为测温的结束阶段。

本文利用红外测温仪对以上阶段的预浸丝进行10次测温，取得平均值作为该加热条件下的铺放温度。

其中，每次红外测温仪测
量温度的位置如图2所示在被加热压实的预浸丝表面上。

图2 铺放试验加热、测温示意图
本文通过调节气缸的输入气压值改变铺放压力，对不同输入气压对应的载荷进行计算来标定铺放压力。

同时利用计算机程序控制来调节控制铺放速率大小。

根据实验材料以及机械设备限制，各参数选择范围如表1所示。

表1 工艺参数变化范围铺放工艺参数铺放温度/℃ 铺放压力/N·mm－1 铺
放速率/mm·s－1变化范围min max min max min max 22 52 8 14 60 150
2.2 铺放质量评价方法
铺放质量的评价主要针对预浸丝与基底的贴合情况及其变形两个部分。

因此，本文采用气泡数目、预浸丝与模具有效贴合长度、预浸丝层间有效贴合长度来表征其贴合情况，共占6分;预浸丝变形共占4分，评价方法如表2。

其中，但凡有任何一
项评分为0或总评分值小于7时，则铺放质量不合格。

表2 铺放质量评价方法编号评判内容评判标准分值1气泡数目大量气泡(气泡数量＞40)0仅有少量气泡(25＜气泡数量＜40) 1几乎没有气泡(气泡数量
＜25) 2 2单根预浸丝变形严重变形(预浸丝平均宽度＞6.45 mm) 0少量变形(6.40 mm＜预浸丝平均宽度＜6.45 mm) 2轻微变形(6.38 mm＜预浸丝平均宽
度＜6.40 mm) 3预浸丝几乎没有变形(6.35 mm＜预浸丝平均宽度＜6.38 mm) 4 3第一层与模具贴合情况有效贴合长度＜770 mm 0 770 mm＜有效贴合长度＜800 mm 1有效贴合长度=800 mm 2 4预浸丝层间贴合情况有效贴合长度＜770 mm 0 770 mm＜有效贴合长度＜800 mm 1有效贴合长度=800 mm 2
实际铺放过程中，气泡因贴合情况不佳而出现，如图3。

本文通过计算预制件区域内产生气泡的总数目来表征本项内容。

预浸丝与基底贴合情况如图4，预浸丝会不同程度的翘起;预浸丝与基底紧密贴合并且不存在明显翘起的长度称为预浸丝的有
效贴合长度。

本文通过对每根预浸丝的有效贴合长度进行测量、取平均值作为某一工艺参数下该层预浸丝与基底的有效贴合长度;为考虑不同的基底情况，本文分别
选取预浸丝与模具表面以及预浸丝层间贴合两种情况来评价铺放质量。

与此同时，本文通过对某一参数下每根预浸丝的横向宽度进行5次测量，取得平均值作为该
组预浸丝的平均宽度，通过表1的标准来评价铺放质量。

图3 气泡示意图
图4 预浸丝与基底贴合情况示意图
3 试验结果与分析
3.1 单因素实验
3.1.1 铺放温度对贴合质量的影响
铺放压力为12 N/mm、铺放速率为100 mm/s时，随着铺放温度的变化铺放质
量效果如图5。

从图5可以看出，当铺放温度小于30℃时，预浸丝与基底贴合状态较好，仅存在
少量气泡，并且不存在明显变形;当铺放温度30℃时，预浸丝与模具及层间紧密贴合，几乎不存在气泡，铺放效果尤佳。

当铺放温度超过30℃时，预浸丝与基底紧
密贴合，但预浸丝发生严重的变形。

铺放质量评分随温度变化的趋势如图6所示。

从图中可知，当铺放温度小于30℃时，铺放质量评分随着铺放温度的增加而增加，
当铺放温度超过30℃以后，铺放质量评分随着铺放温度的增加而急剧下降。

其中
当铺放温度为30℃时取到最优铺放质量评分。

图5 铺放温度对铺放质量的影响
图6 铺放温度对铺放质量评分的影响(3次试验)
3.1.2 铺放压力对贴合质量的影响
铺放温度为22℃、铺放速率为100 mm/s时，随着铺放压力变化铺放质量效果如图7。

从图中可见，铺放压力小于10 N/mm时，预浸丝与基底起始段存在脱粘，并有
较多气泡，但预浸丝无变形;当铺放压力为12 N/mm时，预浸丝与基底脱粘消失，仅存在少量气泡，同时不存在明显变形;当铺放压力为14 N/mm时，预浸丝变形
加剧。

铺放质量评分随压力变化的趋势如图8。

从图中可知，当铺放压力小于12
N/mm时，铺放质量评分随着压力的增加而增加，于12 N/mm时得到最优铺放
质量评分;当铺放压力为14 N/mm时，铺放质量评分降低至7分以下。

图7 铺放压力对铺放质量的影响
图8 铺放压力对铺放质量评分的影响(3次试验)
3.1.3 铺放速率对贴合质量的影响
铺放温度为22℃、铺放压力为12 N/mm条件下，随着铺放速率的变化铺放质量
效果如图9。

从图中可以看出，当铺放速率为150 mm/s、120 mm/s时，预浸丝与基底贴合
起始段严重翘起并存在较多气泡;当铺放速率为100 mm/s时，预浸丝与基底贴合状态较好，仅存在少量气泡，并且不存在明显变形;当铺放速率为80 mm/s和60 mm/s时，预浸丝与模具及层间贴合状态较好，但存在少量变形。

铺放质量评分
随速率变化的趋势如图10。

如图所示，当铺放速率小于100 mm/s时，预浸丝均可获得良好的铺放质量，实际铺放过程中应在保证铺放质量的前提下，尽可能的提
高铺放速率，因此确定CYCOM®X850型预浸料在本实验条件下的最佳铺放速率为100 mm/s。

图9 铺放速率对铺放质量的影响(3次试验)
图10 铺放速率对铺放质量评分的影响(3次试验)
3.2 多因素试验
基于 Design-Expert 8.0.6平台，利用 Box-Behnken设计三因素三水平的响应
曲面实验，铺放压力为10 N/mm、12 N/mm、14 N/mm;铺放速率为50 mm/s、100 mm/s、150 mm/s;铺放温度选取为22℃、30℃、38℃。

多因素试验结果如表3所示。

表3 box-benhnken试验结果编号铺放温度/℃铺放压力/N·mm－1铺放速率
/mm·s－1 评分1 22 14 100 6 2 22 10 100 5 3 22 12 150 5 4 30 14 150 6 5 22 12 50 8 6 30 10 150 8 7 38 12 50 6 8 38 10 100 6 9 30 12 100 9 10 38 12 150 5 11 30 10 50 8 12 30 12 100 9 13 30 12 100 9 14 30 12 100 9 15 38 14 100 6 16 30 12 100 9 17
30 14 50 6
对铺放质量评分标准q与铺放温度(T)、铺放压力(F)以及铺放速率(v)进行回归拟合之后可得二次回归拟合方程:
其中铺放温度(T)与铺放压力(F)对于铺放质量评分交互作用如图11所示。

从图中
可以看出随着铺放温度、压力的增加，铺放质量评分先是不断地增加;当以上两个
因素增加至某一数值后，铺放质量评分随着其增加而下降，这一规律与单因素实验结果一致。

铺放温度(T)与铺放速率(v)对于铺放质量评分交互作用如图12所示。

从图中可以
看出，当铺放温度较低时增加铺放速率使得铺放质量评分严重下降;当铺放温度较高时，增加铺放速率使得预浸丝的变形减小，同时又避免了产生褶皱气泡等现象，铺放质量下降并不明显。

由此说明，在对生产效率要求较高的情况下，采用较高的铺放速率时就应选取较高的铺放温度。

图11 铺放温度与铺放压力对铺放质量评分的影响
图12 铺放温度与铺放速率对铺放质量评分的影响
铺放压力(F)与铺放温速率(v)对于铺放质量评分交互作用如图13所示。

从图中可以看出，在铺放压力较低时，随着铺放速率的增加铺放质量评分急剧下降;而当铺放压力较大时，铺放速率的增加能降低屈曲与变形的情况，这一规律与铺放温度－速率之间的交互作用类似。

为获得最优的铺放质量需对式2求偏导之后，得q的最大值。

与此同时，对式2取一阶偏导数为0可得到，在本实验条件下的最优工艺参数:铺放温度T为
29.38℃、铺放压力F为11.65 N/mm、铺放速率v为84.34 mm/s，此时，取铺放质量最大评分值9.10047。

图13 铺放压力与铺放速率对铺放质量评分的影响
4 总结
(1)综合考虑模具与预浸丝、预浸丝层间贴合情况，提出了更为系统、客观的铺放质量评价标准，并规范了每项表征的评价方法。

(2)利用单因素法分析了铺放温度T、铺放压力F、铺放速率v对于铺放质量评分的影响，同时验证了本文所提出铺放质量评价标准的合理性。

(3)利用响应曲面法研究了以上工艺参数对于铺放质量评分的交互作用，并得出在本实验条件下的最优铺放工艺参数:铺放温度T为29.38℃、铺放压力F为11.65 N/mm、铺放速率v为84.34 mm/s。

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