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【前沿技术】自动铺丝过程中的典型缺陷及原因分析
【前沿技术】自动铺丝过程中的典型缺陷及原因分析
2020-07-30 10:06:28
自动铺丝技术已经广泛应用于 民用客机以及其他航空航天器的制 造上,对铺丝过程中产生的缺陷影响 也有了大量的研究。铺丝机一般由 8 到 16 根纤维丝束组成,丝束宽度为 0.63cm,通过末端执行器(铺丝头) 与机器系统进行连接并 PLC 联动控 制,以达到精确铺放目的。通常来讲, 在纤维铺放中主要有 5 种缺陷类型:面内纤维波纹度、纤维剪切、丝束架 桥、起泡和面外褶皱。
1 形成缺陷的因素及缺陷模拟
铺层过程的层压板的质量受到 铺放温度、速度、压实力以及纤维张力 的影响。其中铺放温度对于铺放质量 影响很大,如果加热温度过高超出了 材料的允许范围,树脂基体可能会发 生热老化或者部分固化,同时可能会 造成黏度增大,这样一旦有铺放缺陷, 再人工纠正铺放就不太可能。另一 方面,如果温度没有达到一定值,材料 可能黏性不够,会造成材料无法贴合 在模具上,或每层材料之间出现滑移、 翘曲、褶皱等现象,影响后续铺放的继 续。因此在铺放时给予合适的加热窗 口,以使得材料的黏度达到一定的范 围至关重要。在实际工作中往往以试 错法进行合适加热窗口的确认,而有 学者力图通过建立模型进行温度场预 测的方法来较科学地对加热功率的设 定进行指导。
Lichtinger 等 [1] 研究了 红外加热方式下相邻铺层之间的热辐 射,以一平板为例,采用了热电偶埋设 以及热成像相机来测试铺放过程中的 温度场,建立了参数化的 3D 有限元 模型进行热场预测,并和试验结果进 行了对比验证。测试结果与模拟结果 稳合性较好,同时作者认为纤维层随 着铺丝头的运动在面内方向上有温度 梯度,同时在厚度上也存在温度梯度, 并且内部温度会随着铺放层数的增加而增加。除了工艺因素外,材料的老化 也会影响铺放质量。Schmidt 等 [2] 研究了材料老化对其自动铺丝成型 的碳纤维复合材料质量及力学性能 的影响。将环氧 / 碳纤维预浸料在 室温下放置不同的天数,然后在铺 放过程中利用红外测温仪监测不同 老化程度化材料的铺放温度变化, 并且对比了不同老化程度铺出的复 合材料件的弯曲模量和强度。
如图 1 所示,老化程度低的材料(图 1(a)) 可以较好的粘贴在模具上,因此在 热成像图上颜色比较均匀一致,当 老化程度逐渐增大,纤维的黏性降 低,并且变硬,在铺放中产生气泡或 架桥,在热成像图上形成颜色较浅 的热点。目前有学者针对铺丝过程的缺 陷产生以及固化成型过程缺陷的变 化进行了模拟仿真。Bakhshi 等 [3] 研 究了在热固性预浸料纤维在曲线自 动铺放过程中容易出现的缺陷,并且 通过对压辊、铺放路径以及纤维丝束 本身进行有限元建模,在 ABAQUS 中利用内聚力模型(Cohesive Zone Modeling)对纤维丝束的黏性进行建 模,最终进行了显性的非线性计算模 拟出纤维丝束的变形,如图 2 所示。
经过试验验证,模拟结果能比较准确 地预测出纤维的面外褶皱和气泡等 缺陷。Guin 等 [4] 通过有限元建模, 对由纤维间隙或纤维搭接引起的面 外褶皱在预压实和热压罐固化过程 中的变化。进行了模拟,结果与 CT 无损检测结果对比,此模型可以较准 确地预测在固化过程中纤维褶皱的 变化过程。
2 缺陷对力学性能的影响及机理分析
总体上讲,引起复合材料力学性 能下降的主要缺陷有:纤维屈曲、纤 维错位、富树脂、纤维体积分数波动 等。对于铺丝缺陷与力学性能的关 系,国内外学者也做了大量的研究。Guin 等 [4] 研究了丝束与丝束之 间的间隙对力学性能的影响,通过人 为地在相邻丝束间设置 1.27mm 的 间隙,并利用光学显微镜观察有缺陷 的复合材料剖面,然后对比测试了 90°铺层有间隙、每层都有间隙和无 间隙试样的拉伸性能、压缩性能以及 开孔拉伸性能,每种性能进行了正则 化处理。结果发现,与无间隙的试样 相比,90°铺层有间隙的试样强度影 响不大,但每层都有间隙的试样力学 性能影响较大,其中拉伸强度降低了35%,压缩强度降低 27%,开孔拉伸 强度降低 20%。剖面结果表明,只有 90°铺层有间隙纤维变形较小,但每 层都有间隙会造成纤维明显的屈曲 变形,对试样的性能影响较大。如果 只是偶尔在某些层内有 1mm 左右的 间隙,只要纤维的轴向变形没有大的 变化,并不会影响其整体的力学性能 (图 3)。
Croft 等 [5] 研究发现间隙会导 致压缩性能下降,下降的原因主要 来自于间隙引起的纤维屈曲和富树 脂区。但随着间隙的增大,压缩性能 并没有持续下降,因为随着间隙增 大,由间隙导致的应力集中影响也 在下降。Woigk[6]也研究了纤维间 隙和搭接对准各向同性对称铺层复 合材料的拉伸和压缩性能的影响, 重点研究了强度折减因子以及破坏 模式的变化。Woigk 等 [6] 研究了4 种缺陷形 式(间隙、搭接、间隙 / 搭接混合、丝 束扭曲)下自动铺丝面板的力学性能。在纤维层级研究了纤维的拉伸、 压缩及面内剪切性能,在层合板级研 究了开口拉伸和开口压缩性能。通 过与无缺陷的标准板进行对比,发现 在纤维层级力学性能下降至少 5%, 而在层合板级至少下降 13%,这是因 为在纤维层级缺陷对纤维的弯曲影 响不如在层合板级大,这也印证了纤 维的屈曲是影响其力学性能的主要 因素。Fayazbakhsh[7-8] 等利用缺陷层 分析方法对含纤维间隙的纤维曲 线铺放试验件进行了有限元仿真模 拟,纤维间隙如图 4 所示。
模型中 试验件为 0.254m×0.4064m 的长方 形,铺层为[45°/0°/-45°/90°]2s 共 计 16 层。在模拟中引入了尺寸为0.0254m×0.0254m 的方块放置于长 方形的中间,此层含有纤维间隙或纤 维交叠等缺陷,如图 5 所示。
在有限 元模型中进行压缩及剪切的模拟计 算,结果发现没有缺陷的变刚度复 合材料件的屈曲载荷比典型纤维复 合材料(纤维直线铺放)高 37%,但 变刚度含有纤维间隙后,只增高了 20%。另一方面,有纤维交叠的屈曲 强度可提到 78%。作者在结论中提 到,通过与其他文献中的模拟方法对 比,缺陷层方法能更精确地去确定缺 陷面积及位置。国内对于铺丝过程 中的缺陷也做了一定的研究,如黄新 杰 [9] 在其硕士论文中研究了间隙和 搭接对横向拉伸,纵向拉伸,弯曲性 能的影响。
3 干丝铺放缺陷对渗透率的影响
干丝铺放液体成型是一种低成 本非热压罐的成型工艺,自动铺丝主 要完成纤维预成型体的铺放。研究 内容主要集中纤维预成型体中的缺 陷对于渗透率或后期树脂注胶的影 响上。因为与手工铺放相比,干丝自 动铺放预成型体的渗透率一般较低, 树脂在其间的渗透速率较慢,容易引 起干斑或贫胶等现象。Belhaj 等 [10] 对 3 种干纤维的形 式(标准、有间隙、有搭接)进行自动 铺放成预成型体后,进行了压缩试验 以及渗透率测试。压缩试验中对比 3者的压力与纤维层厚度(进而换算 成纤维体积分数)。发现在给定的压 力下,有间隙的预成型体的纤维体积 分数为 65%,有搭接的预成型的纤 维体积分数为 72%。另外,通过渗 透率的测试发现预成型体的间隙并 不能显著提高其渗透率,但值得注意 的是,渗透率的测试方法作者没有提 及,也没有说明是面内渗透率还是厚 度方向上的渗透率。Aziz 等 [11] 也做了类似的研究, 对TX1100 干纤维的自动铺丝预成型 进行了厚度方向渗透率的测试。同时 也进行了理论模型仿真,在 X-CT 机 里进行了在线的预成型体压缩试验 并观察间隙的变化和微观形貌,通过 TexGen 软件在微观形貌基础建立了 干纤维预成型模型,模型中考虑了流 道,并在 ANSYS 中进行了流体动力 学模拟以预测厚度方向上的渗透率。预测的渗透率与实际测试和厚度渗透 率基本一致,并且发现不同的预成型 在厚度方向上的渗透率可相差 5 倍 (图 6)。
4 缺陷的在线监测方法
探寻一种稳定而可靠的在线监 测方法是保证纤维铺丝质量的重要 前提,因为在实际生产中,为了提高 效率,很难做到每铺一层就停下然后 人工检查铺贴质量,即使这样做,对 于大型的机身壁板等结构件,单纯靠 肉眼去观察也不现实。目前常用的 做法是通过在线摄像头的方法去观 察铺放中的实时缺陷,但这种光学识 别方法对于都是黑色的纤维层来说, 有时难以辨别是否有缺陷。因此也 有学者通过其他方法来在线监测铺 贴过程的缺陷。Denkena 等 [12] 研究了热成像 技术对自动铺丝过程的在线缺陷监 测,分析了铺放丝束及下方铺贴面 的温度差,并研究了纤维搭接、间 隙、丝束扭曲、纤维架桥等缺陷的成像信息。Schmidt 等 [13] 用了涡 流探伤的方法对自动铺丝的预浸料 以及固化后制作表面进行了缺陷探 测。研究结果表明,尽管碳纤维具 备较高的导电率,但其电磁性与金 属相比相差较多。这种造成碳纤维 复合材料中的涡流密度较低,从而 信号透入深度较大但测得信号不明 显。对于金属来讲,涡流的频率为0.05~1MHz,但对于碳纤维复合材 料,其频率至少达到 5MHz 才能使 用。要想获得最佳的成像质量,频 率范围最好在 5~25MHz。但作者提 出,通过探测纤维方向的变化,涡流 探伤可以检测到纤维间隙及搭接, 甚至可能探到纤维的气泡或架桥 (此项有待验证)。目前涡流探头的 最大扫描速度为 70mm/s,远远低于 正常的铺放速度 1m/s,此矛盾有望 通过建立传感器矩阵来实现,如图 7所示。
纤维弯曲铺放试验中的 典型缺陷
本文研究团队对于纤维 TX1100 以及 Hexcel M21E 碳纤维 / 环氧预 浸料分别做了纤维弯曲铺放试验,在 试验中主要发现了翘边、纤维褶皱、 剪切变形、气泡、面外架桥等缺陷。在干纤维铺放试验中,主要发 现了剪切变形、架桥和气泡等缺陷, 因为干纤维表面只有少量的定型 剂,变形能力较强,但在弯曲的铺放 曲线中,最外侧受拉力,最内侧受压 力,在内侧受到挤压后纤维会鼓起, 但随着压辊的压力,鼓起的纤维又 被压下去而发生剪切变形。在起始 端当铺放速度过快或压力较小时容 易出现翘边。另外气泡主要在纤维 束的中间产生,这种情况是由于纤 维束两边紧贴在模具上,此时纤维 的应力会通过产生小鼓包而释放。气泡在干纤维铺放中较为普遍,这 主要是由于干纤维的黏性相对不 强,中间的纤维不能很好地贴合在 一起。在预浸料铺放试验中,主要发现 了架桥,纤维面外褶皱以及起始端翘 边等缺陷。由于预浸料的黏性较大, 与模具的切合性较好,因此在预浸料 的弯曲铺放试验中,气泡的缺陷要远 远小于干纤维。但在纤维的内侧由 于受到压力,纤维仍然会发生屈曲而 引起架桥。
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