一种复合纤维树脂浸润方法及系统
阅读说明：本技术 一种复合纤维树脂浸润方法及系统 (Composite fiber resin infiltration method and system ) 是由 孟浩 胡雨辰 赖冠廷 哈玉宏 梁喆 于 2020-05-29 设计创作，主要内容包括：本发明提供的复合纤维树脂浸润方法,包括如下步骤：施工的机械臂对纤维丝提供牵引力,从纤维丝料盘取料后将连续纤维丝平行导入纤维浸润台,纤维丝在纤维浸润台浸润适量树脂后集束复合用于施工。本发明可以在施工现场不同的纤维料线速度下,保持一定范围内纤维张力,使纤维持续张紧；对纤维的集束出料宽度进行限制,同时对纤维浸润的树脂量进行控制与微调。(The invention provides a composite fiber resin infiltration method, which comprises the following steps: the mechanical arm for construction provides traction force for the fiber yarns, the continuous fiber yarns are parallelly guided into the fiber infiltration table after being taken from the fiber yarn tray, and the fiber yarns are subjected to bundling and compounding for construction after being infiltrated with a proper amount of resin on the fiber infiltration table. The invention can keep the fiber tension in a certain range under different fiber material linear speeds on the construction site, so that the fiber is continuously tensioned; the bundling discharge width of the fibers is limited, and the amount of resin infiltrated by the fibers is controlled and finely adjusted.)
技术领域
本发明涉及一种复合材料纤维缠绕成型方式的纤维树脂浸润方法技术领域，尤其涉及建筑结构领域用的复合碳纤维树脂浸润技术领域。
背景技术
工业机械臂应用于例如汽车厂车身组装等批量生产领域中，主要从事大量重复性作业，随着计算机与人工智能的发展，原本需要的专业工程师编程的机器人工作，现在可以通过可视化程序设计的方法直接生成代码，使机器人能够应用于客制化程度较高的建筑构件生成领域。
对比传统建筑结构材料，由于复合碳纤维结构柔韧性和轻量化的特性，复合碳纤维材料成为数字化施工及机器人建造建筑结构件的优选材料，其材料特性使其有利于快速拆卸及再次安装。同时，这种复合碳纤维的结构设计和制造比传统建筑的建造过程更加灵活。
但是现有复合碳纤材料应用于建筑领域存在难点，其应用时常为超大尺寸的复合纤维缠绕成型，在线应用时还有速度要求，其它领域常规的浸润方法很难保证建筑机器手臂作业时对纤维树脂浸润质量的要求。因此，需要一种针对建筑领域应用的大型复合纤维缠绕成型方式的纤维树脂浸润方法和系统，以满足高挤出量(1m/s)，高浸润度要求。
发明内容
本发明的目的就是解决现有技术中存在的不足之处，提供一种基于机械臂在线施工的复合纤维树脂浸润方法及系统。
为了达到上述目的，本发明采取的技术方案如下：
一种复合纤维树脂浸润方法，包括如下步骤：
1)施工的机械臂对纤维丝提供牵引力，从纤维丝料盘取料后将连续纤维丝平行导入纤维浸润台，纤维丝在纤维浸润台浸润适量树脂后集束复合用于施工；
2)所述的纤维浸润台包括相邻的树脂浸润区和树脂回收区，在树脂浸润区设置上部开放式树脂储存槽，储存槽上设有树脂滚筒，树脂滚筒的下部始终保持浸入树脂状态；树脂滚筒一侧设有定量刮刀，用于控制树脂滚筒表面的树脂厚度；在树脂回收区设置上部开放式树脂回收槽，回收槽上方设有纤维张力浮动稳定器和湿纤维导引；
3)平行纤维丝进入树脂浸润区后接触树脂滚筒的部分上表面浸润树脂，同时带动树脂滚筒转动；浸润树脂后的纤维丝穿过纤维张力浮动稳定器以维持稳定的纤维张力，然后穿过湿纤维导引，最后通过集束定宽确定进入机械臂端的施工用复合纤维树脂料直径。
为了将连续纤维丝平行导入树脂浸润区，在树脂浸润区入口处设置干式纤维导引，连续平行纤维丝从干式纤维导引下方平行进入。所述的干式纤维导引可以是表面光滑的从动性干辊，长度与树脂滚筒一致，以维持各纤维丝平行前行到树脂滚筒上表面。
为进一步控制纤维丝的树脂浸润量，在定量刮刀的前方设有第一纤维导杆，在树脂辊筒的另一侧设有第二纤维导杆，从干式纤维导引下表面出来的平行纤维丝绕过第一纤维导杆下表面后与树脂滚筒上表面接触，然后平行绕过第二纤维导杆下表面，穿入纤维张力浮动稳定器。第一纤维导杆和第二纤维导杆均与纤维浸润台活动连接，通过移动其与树脂滚筒的距离来控制平行纤维丝在树脂滚筒表面的树脂浸润面积和接触压力。第一纤维导杆和第二纤维导杆均表面光滑，以避免纤维损坏。同时第二纤维导杆对下方纤维丝施加的压力挤出纤维上多余的树酯。第一纤维导杆和第二纤维导杆均为从动性导杆。
所述的树脂滚筒需表面光洁，其与纤维浸润台活动连接或固定连接均可，优选活动连接。例如通过快拆式固定件固定于纤维浸润台上。当张紧的平行纤维丝带动树脂滚筒转动时，树脂滚筒下表面从树酯储存槽内粘附调配好的环氧树酯，然后转动到上方浸润接触的纤维丝。
所述的定量刮刀可以是一种不锈钢片与移动滑块组合，设于纤维浸润台，用于微调纤维丝贴合树脂滚筒时所吸附的树酯量。确定定量刮刀与树脂滚筒表面的间隙距离，即可以在树脂滚筒上形成设定厚度的树脂膜，带有张力移动的纤维丝在树脂滚筒上的树脂粘附区压实，并附带同比例厚度的树脂料。同时，牵拉速度和纤维张力也会影响树脂滚筒的滚动速度及纤维与滚筒表面的接触力，形成不同的滚筒树脂厚度(转速不同，滴落量不同)，与纤维滚筒接触面积，从而改变纤维沾染的树脂量，实现在不同速度下纤维料线速度下的树脂均匀浸润。
为了在施工进程中的机械臂不匀速运动过程中保持纤维料的持续张力，设置了纤维张力浮动稳定器对树脂滚筒出料端的纤维张力进行微调。
本专利提供的纤维张力浮动控制器，包括固定座、支撑杆、调整螺母、压缩弹簧、横梁、滑块和纤维导管，所述的压缩弹簧套设于支撑杆上，所述的滑块设于压缩弹簧的中部，所述的调整螺母设于压缩弹簧的顶部，所述的支撑杆通过固定座固定于浸润台两侧，所述的横梁两端与滑块固定连接，所述的纤维导管设于横梁上。通过调整螺母压缩弹簧来调整滑块的上下位置，继而控制局部纤维丝张力，避免纤维丝在牵拉速度过快时，树脂滚筒表面上的纤维丝张力超出正常区间影响浸润度。所述的纤维导管个数依据并行的纤维丝数量确定，多余或等于运行的纤维素数量。纤维导管用材料优选氧化钛陶瓷。
经过纤维张力浮动稳定器后成束的纤维料通过集束定宽导引确定最终的纤维料直径。本专利提供的集束定宽导引为一种氧化钛陶瓷滚轮及其支撑杆，滚轮上有V形槽口，通过V形槽口坡底宽度来对成股的纤维料进行定宽。根据需要更换不同的滚轮可以在一定范围内调整成股纤维的最终宽度。
为进一步控制移动纤维的张力，在集束定宽导引上设置配重，将纤维拉伸至设定的张力水平。现场操作时，可以在支持集束定宽导引的支撑架上设置滑轨，在滑轨上设置滑台，滑台与集束定宽导引的支撑杆连接，调节用的配重设于滑台上，进而控制移动纤维的张力。所述的配重为不同标准重量的压块。
另一部分张力来源于出料端连接的机器人工具的保持力。
一种复合纤维树脂浸润系统，包括纤维浸润台和复合纤维机构，所述的纤维浸润台包括相邻的树脂浸润区和树脂回收区，在树脂浸润区设置上部开放式树脂储存槽，储存槽上设有树脂滚筒；树脂滚筒一侧设有定量刮刀，用于控制树脂滚筒表面的树脂厚度；在树脂回收区设置上部开放式树脂回收槽，回收槽上方设有纤维张力浮动稳定器和湿纤维导引；所述的复合纤维机构包括工作台架、集束定宽导引和配重，所述的集束定宽导引包括滚轮及其支撑杆，支撑杆的两端设于工作台架的侧壁；所述的工作台架顶端设有纤维导辊，两侧设有滑轨，滑轨上设有滑台，根据需要不同的配重置于滑台上。
进一步，在所述的树脂浸润区入口处设置干式纤维导引，连续平行纤维丝从干式纤维导引下方平行进入。所述的干式纤维导引可以是表面光滑的从动性干辊，长度与树脂滚筒一致，以维持各纤维丝平行前行到树脂滚筒上表面。
进一步，在定量刮刀的前方设有第一纤维导杆，在树脂辊筒的另一侧设有第二纤维导杆，第一纤维导杆和第二纤维导杆均与纤维浸润台活动连接，通过移动其与树脂滚筒的距离来控制平行纤维丝在树脂滚筒表面的树脂浸润面积和接触压力。第一纤维导杆和第二纤维导杆均表面光滑，以避免纤维损坏。第一纤维导杆和第二纤维导杆均为从动性导杆。
进一步，所述的树脂滚筒需表面光洁，其与纤维浸润台活动连接或固定连接均可，优选活动连接。例如通过快拆式固定件固定于纤维浸润台上。
进一步，所述的定量刮刀是一种不锈钢片与移动滑块组合，设于纤维浸润台，用于微调纤维丝贴合树脂滚筒时所吸附的树酯量。确定定量刮刀与树脂滚筒表面的间隙距离，即可以在树脂滚筒上形成设定厚度的树脂膜，带有张力移动的纤维在树脂滚筒上的树脂粘附区压实，并附带同比例厚度的树脂料。
进一步，所述的纤维张力浮动控制器，包括固定座、支撑杆、调整螺母、压缩弹簧、横梁、滑块和纤维导管，所述的压缩弹簧套设于支撑杆上，所述的滑块设于压缩弹簧的中部，所述的调整螺母设于压缩弹簧的顶部，所述的支撑杆通过固定座固定于浸润台两侧，所述的横梁两端与滑块固定连接，所述的纤维导管设于横梁上，通过调整螺母压缩弹簧来调整滑块的上下位置，继而控制局部纤维丝张力。
进一步，所述的集束定宽导引为一种氧化钛陶瓷滚轮及其支撑杆，滚轮上有V形槽口，通过V形槽口坡底宽度来对成股的纤维料进行定宽。根据需要更换不同的滚轮可以在一定范围内调整成股纤维的最终宽度。
本发明的有益效果：
1、本发明可以在不同的纤维料线速度下，保持一定范围内纤维张力，使纤维持续张紧。
2、本发明可以对纤维的集束出料宽度进行限制，同时对纤维浸润的树脂量进行控制与微调，同时机械结构本身实现了一定程度的纤维用量动态控制。
3、本发明针对纤维出料末端连接的机器人工具，提供了稳定的连续供料来源。
总之，本发明提供的纤维树脂浸润方法和系统，无论是挤出量、浸润度都能满足建筑领域的施工应用和材料要求。
下面结合附图对本发明的
具体实施方式
举例说明：
附图说明
图1为本专利实施例提供的建筑用复合纤维树脂浸润系统工作示意图一。
图2为本专利实施例提供的建筑用复合纤维树脂浸润系统工作示意图二。
图3为本专利实施例提供的纤维张力浮动稳定器局部结构放大图。
图4为本专利实施例提供的复合纤维树脂浸润系统结构示意图。
图5为本专利实施例提供的复合纤维树脂浸润方法纤维浸润流程示意图。
具体实施方式
此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本专利的技术方案，而非对公开技术方案的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本公开技术方案相关的部分而非全部结构。
在更加详细地讨论示例性实施例之前应当提到的是，实施例中提到的设备部件和/模块本身的结构如果没有详细说明，为本领域技术人员根据现有公开技术可理解或市售产品。
图1和图2为示出本发明实施例的合纤维树脂浸润系统的一构成例的说明图，该实施例的复合纤维树脂浸润系统，包括纤维浸润台2和复合纤维机构3，所述的纤维浸润台包括相邻的树脂浸润区和树脂回收区，在树脂浸润区设置上部开放式树脂储存槽201，储存槽上设有树脂滚筒202；树脂滚筒一侧设有定量刮刀203，用于控制树脂滚筒表面的树脂厚度；在树脂回收区设置上部开放式树脂回收槽204，回收槽上方设有纤维张力浮动稳定器205和湿纤维导引206；所述的复合纤维机构3包括工作台架301、集束定宽导引302和配重303，所述的集束定宽导引包括滚轮及其支撑杆，支撑杆的两端设于工作台架的侧壁；所述的工作台架顶端设有纤维导辊304，两侧设有滑轨305，滑轨上设有滑台306，根据需要不同的配重置于滑台上。
在所述的树脂浸润区入口处设置干式纤维导引207，连续平行纤维丝从干式纤维导引下方平行进入。所述的干式纤维导引可以是表面光滑的从动性干辊，长度与树脂滚筒一致，以维持各纤维丝平行前行到树脂滚筒上表面。
在定量刮刀203的前方设有第一纤维导杆208，在树脂辊筒的另一侧设有第二纤维导杆209，第一纤维导杆208和第二纤维导杆209均与纤维浸润台活动连接，通过移动其与树脂滚筒的距离来控制平行纤维丝在树脂滚筒表面的树脂浸润面积和接触压力。第一纤维导杆和第二纤维导杆均表面光滑，以避免纤维损坏。第一纤维导杆和第二纤维导杆均为从动性导杆。
所述的树脂滚筒需表面光洁，其与纤维浸润台活动连接或固定连接均可，优选活动连接，例如通过快拆式固定件固定于纤维浸润台上。
优选的实施方案之一，所述的定量刮刀为一种不锈钢片与移动滑块组合，设于纤维浸润台，用于微调纤维丝贴合树脂滚筒时所吸附的树酯量。确定定量刮刀与树脂滚筒表面的间隙距离，即可以在树脂滚筒上形成设定厚度的树脂膜，带有张力移动的纤维在树脂滚筒上的树脂粘附区压实，并附带同比例厚度的树脂料。
进一步优选的方案二如图3所示，所述的纤维张力浮动控制器205，包括固定座205a、支撑杆205b、调整螺母205c、压缩弹簧205d、横梁205e、滑块 205f和纤维导管205g，所述的压缩弹簧205d套设于支撑杆205b上，所述的滑块205f设于压缩弹簧205d的中部，所述的调整螺母205c设于压缩弹簧205d 的顶部，所述的支撑杆205b通过固定座205a固定于浸润台两侧，所述的横梁 205e两端与滑块205f固定连接，所述的纤维导管205g设于横梁205e上，通过调整螺母压缩弹簧来调整滑块的上下位置，继而控制局部纤维丝张力。所述的横梁上设有圆孔3-10个圆孔，纤维导管分别设于圆孔内，纤维导管为内径6-12mm, 长度20±5mm的氧化钛陶瓷管。
进一步优选的方案三，所述的集束定宽导引为一种氧化钛陶瓷滚轮及其支撑杆，滚轮上有V形槽口，通过V形槽口坡底宽度来对成股的纤维料进行定宽。根据需要更换不同的滚轮可以在一定范围内调整成股纤维的最终宽度。
下面为本专利复合纤维树脂浸润方法工程实例，对纤维来料浸润树脂后混合缠绕。如图4和图5所示，1)纤维浸润台包括相邻的树脂浸润区和树脂回收区，在树脂浸润区设置上部开放式树脂储存槽，储存槽上设有树脂滚筒，树脂滚筒的下部始终保持浸入树脂状态；树脂滚筒一侧设有定量刮刀，用于控制树脂滚筒表面的树脂厚度；在树脂回收区设置上部开放式树脂回收槽，回收槽上方设有纤维张力浮动稳定器和湿纤维导引；2)平行纤维丝进入树脂浸润区后接触树脂滚筒的部分上表面浸润树脂，同时带动树脂滚筒转动；浸润树脂后的纤维丝穿过纤维张力浮动稳定器以维持稳定的纤维张力，然后穿过湿纤维导引，最后通过集束定宽确定进入机械臂端的施工用复合纤维树脂料直径。即，施工的机械臂对纤维丝提供牵引力，从纤维丝料盘1取料后将连续纤维丝平行导入纤维浸润台，纤维丝在纤维浸润台浸润适量树脂后集束复合用于施工。
该工程实例纤维来料一种为东丽24K碳纤维丝T700SC-24000，拉伸强度 4900MPa，拉伸模量230Gpa，延伸率21％，纤维细度1650g/1000m。另一纤维来料为巨石E6DR17-2400-386T无碱玻璃纤维缠绕纱，拉伸强度2741MPa,拉伸模量 81Gpa。
所用的浸润用树脂为：Hexion Resin MGS LR635环氧树脂，硬化剂为HexionResin MGS LH637，混合后室温下粘度为50mPa*s,凝结前可操作时间5小时。
浸润台采用的第一纤维导杆和第二纤维导杆及干式纤维导引均为Φ 30x400mm光轴，做表面处理，由轴承通过承台与结构连接。
采用的树脂滚筒为Φ200x200mm不锈钢圆筒，做表面处理，通过光杆由轴承承台与结构连接。
采用的树脂定量刮刀为不锈钢片厚度10mm，通过结构件与浸润台架连接。
采用本专利提供的纤维张力浮动稳定器：支撑杆为Φ16x300mm光轴，一头攻Φ16螺纹，由固定器与浸润台架连接；上装Φ16调整螺母，通过压缩弹簧使支撑杆上的滑块上下浮动；横梁为厚度10mm的不锈钢片，与滑块通过结构件连接，横梁上开Φ20圆孔6个，内装氧化钛陶瓷纤维导管，纤维导管内径10mm, 长度约25mm。
湿式纤维导引为不锈钢结构件，一端与机架或纤维张力浮动稳定器的横梁相连，一端有Φ25圆孔1个，内装氧化钛陶瓷导环，导环内径16mm,长度约25mm。
集束定宽导引固定于φ8x400mm横向支撑杆上，由轴承连接，材质为氧化钛陶瓷滚轮，直径40-60mm，滚轮上有V形槽口，通过V形槽口坡底宽度5-25mm 来对成股的纤维料进行定宽。根据需要更换不同的滚轮可以在一定范围内调整成股纤维的最终宽度。集束定宽导引通过横向支撑杆固定于复合纤维机构的机架上，最终连接至滑块，滑轨为SBR30-2000，长度2000mm。滑块上另固定有配重压块结构件，单侧配重压块重量为1-20kg。
本工程实例中，加工环境温度为25℃，5束纤维混合：碳纤3束，玻纤2 束，平均每米带粘合剂成股纤维环氧树脂附着量7-9g，带粘合剂成股纤维最终输出为8-12mm X 6-8mm椭圆料，出料线速度为5-300mm/s,单位长度重量 20-30g/m。
使用烤箱80-100℃低温固化，标准三点弯曲试验测得的单根复合浸润纤维平均断裂承载为550N，计算可得其抗弯强度为1432MPa。作为参照，建筑常用的Q345钢为310Mpa，而施工现场应用本专利浸润方法得到的复合纤维材料具有超过常用建筑材料的结构性能，不考虑消防等规范要求，可以作为结构构件用于常用的建筑建设。
以上是对本发明的较佳实施进行了举例说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。
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