[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

说明书

本发明公开了碳纤维激光制造及其原位3D织造一体化成型设备与工艺，成型装备包括成型罐、移动式装卸平台、抽气泵和氩气瓶，本发明将预氧化纤维的碳化和石墨化工艺与碳纤维制造后原位热塑性树脂包覆以及碳纤维复合材料成型结合在一起，统一到一次成型工艺中，采用机械手在封闭的惰性气体保护的空间中进行纤维的碳化或者石墨化，同步进行碳纤维制造后原位热塑性树脂包覆以及3D织造过程，省去了碳纤维生产制造后的运输及停放过程，简化了工艺流程，同时使得制造生产碳纤维的质量及碳纤维与树脂材料复合制造产品的品质得到即时的调控。且一体化制造过程中成型罐内实现了静态完全密封，有效避免外界空气对碳纤维制造过程的干扰及制造质量的影响。

技术领域

本发明涉及碳纤维制造领域以及碳纤维复合材料成型领域，尤其是涉及碳纤维激光制造及其原位3D织造一体化成型设备与工艺。

背景技术

碳纤维是一种由有机纤维在惰性气氛中加热经固相反应转化而成的含碳量高于90％的无机高分子纤维，其中碳含量高于99％的称为石墨纤维。碳纤维“外柔内刚”，质量比金属铝轻，但强度却高于钢铁，并且具有耐腐蚀、高模量的特性，在国防军工和民用方面都是重要材料。它不仅具有碳材料的固有本征特性，又兼备纺织纤维的柔软可加工性，是新一代增强纤维。由碳纤维和环氧树脂结合而成的复合材料，由于其比重小、刚性好和强度高，被广泛应用于轻量化车辆、大飞机、航天飞机、火箭推进器等重要领域。

所采用的碳纤维复合材料成型方法包括树脂转移模塑成型(RTM)、树脂浸润技术(RFI)、纤维缠绕技术及自动铺带铺丝技术。但是上述的这些碳纤维与树脂材料复合的工艺与碳纤维的制造工艺是分离的，这使得产品性能的调控空间受到限制，制造和应用无法直接匹配，前期制造生产的碳纤维还需要经过上浆过程的保护措施，且需要经过运输到加工部件的生产地点，制造的碳纤维停放时间越长，其对性能会造成不同程度的降低。而且碳纤维在制造过程中现有的技术是动态密封，密封效果差，外界空气极易进入到制造设备中，影响碳纤维的制造质量。

发明内容

为解决现有的碳纤维制造生产过程与碳纤维复合材料制造过程分离以及碳纤维在制备过程中动态密封性差的技术难题，提出碳纤维激光制造及其原位3D织造一体化成型设备与工艺。

实现上述目的的技术方案是，碳纤维激光制造及其原位3D织造一体化成型设备，包括成型罐，在其内部实现碳纤维激光制造及其原位3D织造一体化成型；包括移动式装卸平台，可以实现碳纤维织造成型部件的移入移出罐体以便于装卸；包括抽气泵，对密封后的成型罐抽气除尽内部空气；包括氩气瓶，保证成型罐内部的惰性气体气氛。

本发明碳纤维激光制造及其原位3D织造一体化成型设备，其中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。

本发明碳纤维激光制造及其原位3D织造一体化成型设备，其中成型罐内部包括成型部件，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，可以对碳纤维3D织造成型部件进行自由织造，适合多种规则的或不规则的成型体，可以成型复杂的成型体。

本发明碳纤维激光制造及其原位3D织造一体化成型设备，其中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。该机械手为一多自由度机械手，其与激光法制备碳纤维的装备进行复合，形成碳纤维激光制造及其原位3D织造一体化成型机械手，在其上完成激光加热成型碳纤维或者石墨纤维，然后原位包覆热塑性树脂，在引导装置的调控下对成型部件进行原位织造过程。