復(fù)合材料具有比強(qiáng)度高、比模量高、抗疲勞性能和耐腐蝕性能優(yōu)良等優(yōu)點(diǎn)。隨著復(fù)合材料的廣泛使用，各種高效低成本的制造方法也不斷出現(xiàn)。如纖維鋪放成型技術(shù)、樹脂傳遞模塑技術(shù)、樹脂膜熔滲技術(shù)、自動(dòng)纏繞技術(shù)等得到了迅速發(fā)展和應(yīng)用[1-4]。其中纖維鋪放成型技術(shù)具有自動(dòng)化程度高，復(fù)雜型面構(gòu)件加工能力強(qiáng)等特點(diǎn)。目前纖維鋪放技術(shù)多采用熱固化成型方式，即復(fù)合材料預(yù)成型件需要在熱壓罐中進(jìn)行固化處理，一方面對復(fù)合材料預(yù)成型件的模具要求很高，要采用比較昂貴的INVAR合金制造[5]；另一方面所制造的復(fù)合材料構(gòu)件的大小受熱壓罐容積限制，而熱壓罐設(shè)備成本很高，技術(shù)條件復(fù)雜，因此制造靈活性差，前期投資巨大。另外熱壓罐固化存在著設(shè)備占用面積大、能耗高，固化時(shí)間長、設(shè)計(jì)不夠靈活等缺點(diǎn)[6]。

       目前，研究人員主要從微波固化、電子束固化、紫外光固化等幾個(gè)方面著手，以期能夠?qū)ふ业揭环N新的固化工藝。Christian Hunyar等從理論和數(shù)值模擬方面對微波固化復(fù)合材料過程進(jìn)行研究，并通過試驗(yàn)對模擬結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證[7]。孫曉峰等對采用微波固化修復(fù)不同基體材料損傷的工藝方法進(jìn)行了研究，表明微波固化具有較好的實(shí)用性能[8]。Anthony J.Berejka, Morris A.Johnson等人詳細(xì)介紹了電子束固化復(fù)合材料在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用，提出電子束固化復(fù)合材料是非常有市場前景的一種制造方式[9]， Daniel L.Goodman等將電子束固化技術(shù)和纖維鋪放技術(shù)結(jié)合，對原位電子束固化復(fù)合材料的性能進(jìn)行了研究[10]。包建文等也介紹了電子束復(fù)合材料的研究進(jìn)展，并對電子束固化樹脂體系展開了研究[11]。P.Compston 等的研究表明光固化復(fù)合材料不但具有優(yōu)異的機(jī)械性能，而且環(huán)保性能良好[12] 。劉成武等采用光固化復(fù)合材料對飛機(jī)蒙皮進(jìn)行修復(fù)，認(rèn)為該技術(shù)具有簡單易行、修補(bǔ)強(qiáng)度高、通用性強(qiáng)等特點(diǎn)[13]。傳統(tǒng)的紫外光源大多采用高壓汞燈，高壓汞燈發(fā)光效率較低，外形尺寸較大，發(fā)熱大，光斑聚焦困難且不易控制。隨著光源器件的發(fā)展，新型的UV-LED具有發(fā)光效率高、功率大、光譜純度高、聚焦效果好、體積小、成本低、環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)[14]。

      在以上文獻(xiàn)研究的基礎(chǔ)上，本課題把UV-LED光固化技術(shù)與復(fù)合材料纖維鋪放技術(shù)相結(jié)合，提出一種原位光固化復(fù)合材料纖維鋪放制造方法。

原位光固化纖維鋪放制造原理

       原位光固化纖維鋪放的工作原理如圖1所示。首先，纖維鋪放裝置將浸潤有光敏樹脂的玻璃纖維預(yù)浸料輸送至芯模/ 已固化鋪層表面，然后壓緊裝置將預(yù)浸料壓緊在芯模/ 已固化鋪層表面，接著由UV-LED光源對預(yù)浸料進(jìn)行照射使其固化，經(jīng)過若干層的鋪放和固化，完成復(fù)合材料構(gòu)件的制作，實(shí)現(xiàn)原位光固化復(fù)合材料制造。

紫外光光源

      復(fù)合材料固化所采用的紫外光光源為大功率LED光源，最大輸出光功率2000mW/cm2，輸出紫外光波長365±10nm，有效照射距離為5~50mm，具有50%~100%模擬調(diào)光性能。

       由于固化光源采用的是UVLED點(diǎn)光源，固化時(shí)必須將點(diǎn)光源匯聚成一條光斑，通過安裝調(diào)整機(jī)構(gòu)，使每個(gè)UV-LED點(diǎn)光源的光斑按照一定的位置和距離排列，從而形成具有一定寬度和長度的矩形光斑。在固化光源調(diào)整機(jī)構(gòu)中UVLED點(diǎn)光源分為兩排，每一排光源都可以旋轉(zhuǎn)，從而形成一定的角度，使UV-LED光源聚焦在同一平面上。UV-LED點(diǎn)光源間交錯(cuò)排列，從而能夠避免光斑相互干涉。每一個(gè)UVLED點(diǎn)光源可以在安裝支架中上下移動(dòng)，自由轉(zhuǎn)動(dòng)，用以調(diào)整焦距和點(diǎn)光斑形狀，獲得理想的組合光斑形狀和均勻的光強(qiáng)分布。

       在復(fù)合材料固化過程中，如果固化光斑光強(qiáng)分布不均勻，將造成復(fù)合材料固化程度的不均勻，從而導(dǎo)致復(fù)合材料構(gòu)件性能下降，因此固化光斑光強(qiáng)分布的均勻性是衡量固化光源的一個(gè)重要指標(biāo)。

       圖2描述的是UVLED點(diǎn)光源通過調(diào)整機(jī)構(gòu)調(diào)整前后，投射所形成的連續(xù)光斑的光功率輸出分布。從圖中可知，LED點(diǎn)光源在未經(jīng)調(diào)整前，焦距d=10mm時(shí)，每一個(gè)點(diǎn)光源所投射的光斑功率近似呈高斯分布，點(diǎn)光源之間幾乎沒有交疊區(qū)域，所形成的組合光斑光功率分布不均勻。經(jīng)過改變焦距，調(diào)整LED點(diǎn)光源位置、角度后，使組合光斑的光功率分布比較均勻，光斑的平均輸出光功率為10.23mW。由圖2可知，UV-LED點(diǎn)光源所投射的光斑兩端功率衰減較大，取其中間部分作為固化光斑，同時(shí)，固化光斑的輸出功率也不是非常均勻，這主要是由于獨(dú)立UV-LED光源的特性差異以及調(diào)整機(jī)構(gòu)的調(diào)整精度不高引起的。隨著UV-LED線光源及面光源的發(fā)展，這個(gè)問題將會逐步得到解決。

纖維鋪放機(jī)

       纖維鋪放機(jī)采用工業(yè)機(jī)器人作為鋪放動(dòng)作的主要執(zhí)行機(jī)構(gòu)，以此為基礎(chǔ)來構(gòu)建整個(gè)制造系統(tǒng)。圖3是該纖維鋪放機(jī)樣機(jī)。它包括在制構(gòu)件支撐機(jī)構(gòu)、鋪放執(zhí)行機(jī)構(gòu)、原材料供給機(jī)構(gòu)、控制及輔助機(jī)構(gòu)、鋪放頭機(jī)構(gòu)等。

圖3 纖維鋪放機(jī)樣機(jī)

       在制構(gòu)件支撐機(jī)構(gòu)的主要功能是支撐并固定復(fù)合材料構(gòu)件芯模，同時(shí)帶動(dòng)芯模運(yùn)動(dòng)，從而能夠?qū)崿F(xiàn)較復(fù)雜的鋪放軌跡。

       鋪放執(zhí)行機(jī)構(gòu)包括：工業(yè)機(jī)器人、機(jī)器人移動(dòng)工作臺。通過工業(yè)機(jī)器人來執(zhí)行鋪放指令。將工業(yè)機(jī)器人安裝在移動(dòng)工作臺上，擴(kuò)大機(jī)器人的工作區(qū)域，使鋪放機(jī)能夠加工更大的工件。

       原材料供給機(jī)構(gòu)主要是指預(yù)浸料的存儲及輸送裝置，該裝置將預(yù)浸料保存在設(shè)定的環(huán)境中，并輸送至鋪放頭，通過鋪放頭將預(yù)浸料鋪放到芯模表面。

       控制及輔助機(jī)構(gòu)主要是指機(jī)器人控制柜，壓縮空氣源等起輔助作用的裝置，它們也是鋪放機(jī)中非常重要的環(huán)節(jié)。

       鋪放頭是鋪放機(jī)的核心部件，它的作用是將預(yù)浸料鋪放到芯模表面，相當(dāng)于人的雙手，是整個(gè)設(shè)備最重要的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。鋪放頭包括：固化光源、鋪放機(jī)構(gòu)、壓緊機(jī)構(gòu)、連接機(jī)構(gòu)。鋪放機(jī)構(gòu)能夠完成重送、剪斷、夾持預(yù)浸料的功能，壓緊機(jī)構(gòu)將從鋪放機(jī)構(gòu)中輸送出的預(yù)浸料壓緊在芯模表面。連接機(jī)構(gòu)將紫外燈固化光源，鋪放機(jī)構(gòu)，壓緊機(jī)構(gòu)同鋪放機(jī)器人連接在一起。

控制及軟件系統(tǒng)

       纖維鋪放機(jī)的控制系統(tǒng)如圖4所示，主要由兩部分組成。一部分是鋪放頭的控制，包括輸送、壓緊、剪切夾持等機(jī)構(gòu)的動(dòng)作控制，以及固化光源控制、壓緊力控制、預(yù)浸料輸送速度控制等。另一部分是對機(jī)器人系統(tǒng)的控制，包括六自由度機(jī)器人控制和兩軸機(jī)器人及芯模聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)控制。控制的核心問題是如何實(shí)現(xiàn)多系統(tǒng)的協(xié)同控制，使纖維鋪放機(jī)按照規(guī)劃的鋪放路徑進(jìn)行工作，完成復(fù)合材料構(gòu)件的制造。

       纖維鋪放軟件包括CAM和CNC兩個(gè)模塊（圖5所示），CAM模塊對纖維鋪放制造過程進(jìn)行規(guī)劃、模擬、并生成CNC控制文件，CNC模塊對制造過程進(jìn)行控制、設(shè)定工藝參數(shù)、檢測運(yùn)行狀態(tài)。采用該軟件系統(tǒng)進(jìn)行纖維鋪放控制的流程是：首先根據(jù)產(chǎn)品功能要求，設(shè)計(jì)出產(chǎn)品的CAD模型，可采用UG、CATIA等三維設(shè)計(jì)軟件來實(shí)現(xiàn)。再根據(jù)產(chǎn)品的使用環(huán)境和設(shè)計(jì)優(yōu)化目標(biāo)，用CAE軟件如SYSPLY、ANSYS等對其工作情況進(jìn)行模擬分析，優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果。接著，以優(yōu)化結(jié)果為依據(jù)，使用纖維鋪放軟件進(jìn)行路徑規(guī)劃，運(yùn)行狀況模擬，CNC指令文件生成，工藝參數(shù)設(shè)定，運(yùn)行過程監(jiān)控等工作，直至最終完成整個(gè)制造過程。

制造工藝參數(shù)確定

       采用的材料包括：環(huán)氧丙烯酸CN104A80，改性環(huán)氧丙烯酸CNUVE151，聚氨酯丙烯酸酯CN965，HDDA（1,6- 乙二醇二丙烯酸酯），TMPTA（三羥甲基丙烷三丙烯酸酯），光引發(fā)劑-184，E- 玻璃纖維，偶聯(lián)劑Z-6030(3-γ-( 甲基丙烯酰氧) 丙基三甲氧基硅烷)。

       設(shè)UV-LED光斑光強(qiáng)均勻分布，其光斑形狀近似矩形，寬度為b，長度為L，取其有效長度l，如圖6所示。由于光強(qiáng)均勻分布，固化過程中，在一定的輻照高度下，紫外光照射功率P 不變，光斑照射面積S 不變，所以光斑的輻照度Hc＝P/S＝常數(shù)。

設(shè)在預(yù)浸上有任意點(diǎn)q，如圖6所示，當(dāng)光源進(jìn)行掃描固化時(shí)， q 受到輻照，其曝光量

其中，t 為q 點(diǎn)受到輻照度為Hc 的光源照射的時(shí)間。當(dāng)掃描速度為Vs 時(shí)，寬度為b 的光斑經(jīng)過q 點(diǎn)需要的時(shí)間t =b/Vs。

       本文采用高強(qiáng)度玻璃纖維和光敏樹脂制造光固化復(fù)合材料，考慮玻璃纖維的透光性，暫忽略其對紫外光的吸收，將光固化復(fù)合材料簡化為均勻的透光材料。所采用的液態(tài)光敏樹脂對紫外光的吸收符合Lambert－ Beer 定律[15]，結(jié)合式（1），得到臨界曝光量在液態(tài)光敏樹脂中的分布：

式中，Ec 為臨界曝光量， Dp 為紫外光穿透深度， z 為固化深度， K、c 為與樹脂有關(guān)的常數(shù)。

由式（2）可知，當(dāng)固化深度z → 0 時(shí)，可以獲得固化某一種光敏樹脂的最大掃描速度

       實(shí)驗(yàn)方法和步驟：首先，制作預(yù)浸料；然后通過鋪放機(jī)將預(yù)浸料以不同的速度鋪放至工作臺表面，同時(shí)采用UV-LED光源照射（平均照射光強(qiáng)10.23mW），使預(yù)浸料固化，制作出復(fù)合材料試件；最后測定試件的固化程度，得出固化程度、曝光量與鋪放速度的關(guān)系。固結(jié)程度測試方法參考GB 2576-89《纖維增強(qiáng)塑料樹脂不可溶分含量（固化度）試驗(yàn)方法》。在固化玻璃纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料后，將復(fù)合材料試件浸泡在丙酮中2小時(shí)，隨后取出在電熱鼓風(fēng)干燥箱內(nèi)烘干，烘干溫度為30℃。然后，使用電子秤稱量丙酮浸泡試件前后的質(zhì)量。通過對比復(fù)合材料在丙酮中浸泡前后的質(zhì)量來檢驗(yàn)復(fù)合材料是否完全固化[16]。

       實(shí)驗(yàn)結(jié)果和討論：由圖7可知，隨著鋪放速度的提高，復(fù)合材料試件的固化程度逐漸降低；同時(shí)，復(fù)合材料試件的曝光量越來越小。這主要是因?yàn)椋伔潘俣燃涌?，?dǎo)致固化光斑照射試件的時(shí)間減少，從而造成了試件曝光量低，導(dǎo)致試件不能夠完全固化。當(dāng)鋪放速度在7.5mm/s，預(yù)浸料曝光量達(dá)到1.73mJ/mm2時(shí)，復(fù)合材料試件能夠完全固化。

       由式（3）可知，通過提高固化光源輻照度Hc，并增加其光斑寬度b，降低樹脂的臨界曝光量Ec 等措施能夠提高掃描速度Vs。由于當(dāng)固化光源確定后，光斑寬度b為定值，同時(shí)臨界曝光量Ec是樹脂的物理化學(xué)特性決定的，因此，通過增加光斑寬度b，以及降低樹脂的臨界曝光量Ec的方法來提高掃描速度比較困難。隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，大功率LED器件不斷涌現(xiàn)，目前UV-LED燈管的最大輸出功率可達(dá)3000mW/cm2，所以通過提高UV-LED 燈管的輸出功率P，即提高固化光源輻照度Hc，可以達(dá)到提高掃描速度Vs的目的。另外，由式（2）可知，掃描速度和固化深度呈指數(shù)關(guān)系，實(shí)驗(yàn)所采用的預(yù)浸料的厚度為1mm，如果減小預(yù)浸料的厚度，掃描速度也會得到大幅的提高。

       圖8是采用光固化纖維鋪放裝置制作的NOL 環(huán)和層合板。表1是NOL環(huán)的最大拉伸強(qiáng)度和剪切強(qiáng)度。其同熱固化復(fù)合材料的性能差異主要是由于玻璃纖維同碳纖維的性能差異引起的。但是玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料低廉的成本也使其具有很強(qiáng)的競爭優(yōu)勢和較高的使用價(jià)值。

結(jié)束語

       為了降低制造成本，克服傳統(tǒng)熱壓罐固化技術(shù)對于大尺寸構(gòu)件制造存在的問題，把紫外光固化技術(shù)與纖維鋪放制造技術(shù)相結(jié)合，并以玻璃纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料的制造為例，研究了紫外光原位固化纖維鋪放制造工藝的可行性。

       通過調(diào)整紫外光參數(shù)和鋪放速度參數(shù)，制備了相應(yīng)的NOL 環(huán)測試件和層合板樣件。研究結(jié)果表明紫外光原位固化纖維鋪放制造工藝是可行的。為了盡快工業(yè)化這一方法，高效可靠的纖維鋪放機(jī)構(gòu)、高性能紫外光固化樹脂基體，以及制造工藝優(yōu)化等方面還需要進(jìn)一步研究。(end)