【前沿技术】自动铺丝过程中的典型缺陷及原因分析,西安福川电子科技有限公司

【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）。

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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。

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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。

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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）。

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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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