[发明专利]碳纤维激光制造及其原位3D织造一体化成型设备与工艺

权利要求书

1.碳纤维激光制造及其原位3D织造一体化成型设备，其特征在于：包括成型罐、移动式装卸平台、抽气泵和氩气瓶，移动式装卸平台包括移动平台、导轨、齿轮和齿条，在齿轮与齿条的啮合传动下，移动平台可以实现移动以与成型罐内的平台无缝对接，碳纤维织造平台可以在轨道上移动实现移入移出成型罐以便于装卸；成型罐内部包括成型部件、成型机械手、碳纤维原位3D织造成型装置及机械手支撑架，3D织造成型装置可以实现五轴联动；成型机械手包括一体化成型手臂、导向轮一、导向轮二、预氧化纤维丝束、预氧化纤维卷和预氧化纤维放卷辊；成型罐替换为两分区成型罐，在成型罐内部设立两扇分隔的可以自动开关的门，成型罐分为两个区：3D织造区及待运载区，在3D织造区完成碳纤维的制造、热塑性树脂包覆及3D织造，氩气瓶和抽气泵只对3D织造区抽除杂质气体及充填氩气，采用氩气纯度分析仪实时测控内部的氩气含量，及时反馈到氩气瓶及抽气泵，通过设定氩气含量阈值，抽气泵及时抽取杂质气体，氩气瓶及时供应氩气；3D织造成型装置包括摆动平台、控制电机、齿型同步带、带轮、旋转升降平台、旋转及升降轴、移动平台、滚轮、旋转顶针和固定旋转轴，滚轮由驱动电机对其动力控制，并与成型罐内的导轨对接，在滚轮的滚动下，3D织造成型装置可以移动；在滚轮的上部有移动平台，对上部的部件起到支撑的作用；在移动平台的上部是旋转及升降轴，该轴采用电机控制其转动，液压驱动其升降；在旋转及升降轴上部是旋转升降平台，与旋转升降轴固定在一起，随其一起运动；控制电机固定于旋转升降平台的支架上，控制带轮的转动；带轮与齿型同步带啮合传动，进而控制与摆动平台固定在一起的带轮的旋转角度，在控制电机控制带传动的运动下，摆动平台可以以一定角度摆动；旋转顶针和固定旋转轴通过支撑架固定于摆动平台，在它们之间夹持成型部件，以一定速度定轴旋转，控制二者之间的间距可以夹持不同大小的成型部件，成型部件就固定于摆动平台上，整个碳纤维原位3D织造成型装置可以实现五轴联动；一体化成型手臂包括导向轮三、激光器一、激光器二、反光板、激光制造碳纤维、热塑性树脂包覆装置和碳纤维原位3D织造引导装置，导向轮三位于导向轮二的前方，其高度可以根据碳纤维成型需要进行设置；激光器一和激光器二固定于机械手臂的中部，预氧化纤维丝束从其下部通过，保证激光能够正中照射纤维丝束；在两个激光器的下部安装有反光板，反射部分余光到纤维丝束并防止激光过高的能量对设备造成损坏；激光制造碳纤维进入热塑性树脂包覆装置，热塑性树脂包覆装置可以对热塑性树脂进行熔融塑化，并对碳纤维实现原位热塑性树脂包覆；包覆上热塑性树脂的碳纤维复合材料在碳纤维原位3D织造引导装置的引导下对碳纤维织造成型部件进行自动化织造。

2.采用权利要求1所述的碳纤维激光制造及其原位3D织造一体化成型设备的成型工艺，其特征在于：初始，碳纤维原位3D织造成型装置位于移动式装卸平台上，将碳纤维3D织造的预成型部件用旋转顶针和固定旋转轴固定于碳纤维原位3D织造成型装置上；初始时成型罐的两侧门是打开的，在齿轮和齿条的啮合传动下，移动式装卸平台移动到成型罐的一侧门，与成型罐内的平台无缝对接，同时实现了移动式装卸平台上的轨道与成型罐内的轨道的无缝对接；碳纤维原位3D织造成型装置按照预设的程序自动进入成型罐内部的预定位置后，移动式装卸平台撤回，此时成型罐的门全部关闭，抽气泵开始工作，抽除成型罐内部的空气，抽气泵工作一定时间后关闭，打开氩气瓶对成型罐内部冲入氩气，充填到氩气含量接近100％后碳纤维激光制造及其原位3D 织造一体化成型机械手开始工作，首先碳纤维原位3D织造引导装置将纤维固定于成型部件上，然后预氧化纤维放卷辊以一定的速度转动，预氧化纤维以一定速度先后经过两个激光器和热塑性树脂包覆装置移动到碳纤维原位3D织造引导装置，通过控制预氧化纤维放卷辊的转动速度以控制预氧化纤维的加热时间，通过控制两台激光器的加热功率实现预氧化纤维的加热温度控制；根据碳纤维3D织造使用的纤维是碳纤维还是石墨纤维对这两个激光器进行选择使用，如果使用的是碳纤维及其技术特征要求，只对用于预氧化纤维加热碳化的激光器程序控制其功率对碳纤维进行照射，如果使用的是石墨纤维及其技术特征要求，同时对用于预氧化纤维加热碳化的激光器及用于预氧化纤维加热石墨化化的激光器程序控制其功率对碳纤维先后进行照射，从而制造出碳纤维；通过激光器加热的纤维进入热塑性树脂包覆碳纤维装置后自动包覆上热塑性树脂，从而制造出碳纤维树脂复合材料；最后碳纤维在碳纤维原位3D织造引导装置的引导下，以及在碳纤维原位3D织造成型装置的预设织造的自动化控制下，对成型部件进行原位3D织造过程。