基于热塑预浸料的可展豆荚杆结构连续生产线及其方法

技术领域

本发明涉及热塑预浸料生产技术领域，具体涉及一种基于热塑预浸料的可展豆荚杆结构连续生产线及其方法。

背景技术

当前，市面上需要一种类似豆荚杆形状的结构，如图1所示，该结构（豆荚杆结构）是一种典型的薄壁管状空间伸展结构，可用于大型空间天线、太阳电池阵和太阳帆的在轨展开和支撑。在《可折叠复合材料豆荚杆的制备与验证》文章中，研究人员采用环氧树脂及真空导入工艺，验证该结构可以实现，并对其破坏性进行验证，但是，此种方法制作的豆荚杆树脂含量偏高，力学性能略差；在《面向半豆荚杆的先进拉挤装备技术研究》文章中，研究人员采用先进拉挤工艺连续化制造出半豆荚杆制品，并采用胶接工艺制造出豆荚杆结构产品，该工艺采用环氧预浸料，产品树脂控制精确，力学性能较好，但由于树脂采用热固树脂体系，因此，固化时间长，生产效率低，而且，固化过程发生化学反应，工艺参数控制精度要求高，后续粘接需要与制品相同长度的胶接工装，生产场地较大，无法实现连续化胶接。

而且，上述的两种方式都需要引入其他角度（±45°）预浸料来提升横向强度，用来保证产品不开裂，但是，这样会降低产品（豆荚杆结构）延长度方向上的强度和刚度。如何克服上述问题，方便快捷的批量生产该需求量比较大的豆荚杆结构，是当前急需解决的问题。

发明内容

本发明的目的是克服现有的可展豆荚杆形状的结构生产过程中存在的问题。本发明的基于热塑预浸料的可展豆荚杆结构连续生产线及其方法，提高可展豆荚杆结构长度方向力学性能，具有更好的韧性，整个可展豆荚杆结构的结构更轻，采用超声波焊接技术进行装配后焊接，可实现可展豆荚杆结构的连续生产并且性能更加稳定，具有良好的应用前景。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：

一种基于热塑预浸料的可展豆荚杆结构连续生产线，包括依次排布的纱架、脱模层放卷单元、预成型模具单元、加热模具单元、冷却模具单元、第一牵引单元、脱模单元、半豆荚切割单元、半豆荚收卷单元、预装配单元、超声波焊接单元、第二牵引单元和可展豆荚杆收卷单元，所述加热模具单元、冷却模具单元位于成型压机内，

将热塑预浸料层通过纱架与脱模层放卷单元放卷的脱模层进行叠层，形成平面状热塑预浸料覆脱模体；

所述平面状热塑预浸料覆脱模体通过预成型模具单元预成型到半豆荚状热塑预浸料覆脱模体；

所述半豆荚状热塑预浸料覆脱模体依次进入成型压机内的加热模具单元、冷却模具单元，将半豆荚状热塑预浸料覆脱模体通过加热模具单元加热至树脂熔融温度之上，将叠层间全部熔融，并进入冷却模具单元冷却定型，形成半豆荚状定型体；所述半豆荚状定型体依次进入第一牵引单元、脱模单元实现对半豆荚状定型体脱模层的除去；

除去脱模层的半豆荚状定型体依次进入半豆荚切割单元、半豆荚收卷单元，完成半豆荚结构的连续生产；

将半豆荚结构进入预装配单元进行装配，形成可展豆荚杆预焊接结构；将可展豆荚杆预焊接结构进入超声波焊接单元，形成可展豆荚杆结构；

所述可展豆荚杆结构上、下压缩后依次进入第二牵引单元和可展豆荚杆收卷单元，完成可展豆荚杆结构的连续生产，

所述热塑预浸料层为厚度在0.1-1mm之间的三明治结构的连续碳纤维增强热塑预浸料，该三明治结构的连续碳纤维增强热塑预浸料由上到下依次为上单项碳纤维热塑预浸料层、超薄横向补强层、下单项碳纤维热塑预浸料层。

前述的基于热塑预浸料的可展豆荚杆结构连续生产线，所述上单项碳纤维热塑预浸料层、下单项碳纤维热塑预浸料层的树脂基体为PP、PE、PA、PC、PPS或PEEK；所述超薄横向补强层为碳纤维、芳纶纤维或玻璃纤维，所述上单项碳纤维热塑预浸料层、下单项碳纤维热塑预浸料层的单层厚度为0.1mm，所述超薄横向补强层的单层厚度为0.04mm。

前述的基于热塑预浸料的可展豆荚杆结构连续生产线，所述脱模层放卷单元设置有纠偏、张力控制功能，张力控制可调节张力为1-500N/cm；该脱模层分布在热塑预浸料层的上、下面，所述脱模层为脱模布或者含有脱模剂的薄钢板，所述脱模层用于可展豆荚杆结构与传动平台的脱离，该脱模剂的涂覆量100-500g/㎡。

前述的基于热塑预浸料的可展豆荚杆结构连续生产线，所述预成型模具单元采用逐步收缩预成型，将平面状热塑预浸料覆脱模体预成型到半豆荚状热塑预浸料覆脱模体并控制最终形状，厚度为最终可展豆荚杆结构产品的1-1.2倍；所述预成型模具单元的温度控制在室温-400℃之间。

前述的基于热塑预浸料的可展豆荚杆结构连续生产线，所述加热模具单元的加热区实现分段控制，且分段≥3段，温控范围在室温-450℃；所述冷却模具单元采用水冷或油冷，温度可控，温控范围在室温-300℃；所述成型压机的压力可调，可实现压力范围在5-100kg/cm²，模具的开合高度范围为0.3-10mm。

前述的基于热塑预浸料的可展豆荚杆结构连续生产线，所述第一牵引单元、第二牵引单元为往复式牵引或者连续牵引提供1-100kg/cm的牵引力。

前述的基于热塑预浸料的可展豆荚杆结构连续生产线，所述预装配单元设置定位模块，定位精度±0.05mm；所述超声波焊接单元的超声波焊接频率为15-40kHz，焊接时间为0.1-1.5s，压力为0.1-1Mpa。

一种基于热塑预浸料的可展豆荚杆结构连续生产线的连续生产方法，包括以下步骤，

步骤（A），将热塑预浸料层通过纱架与脱模层放卷单元放卷的脱模层进行叠层，形成平面状热塑预浸料覆脱模体；

步骤（B），将平面状热塑预浸料覆脱模体通过预成型模具单元预成型到半豆荚状热塑预浸料覆脱模体；

步骤（C），将半豆荚状热塑预浸料覆脱模体依次进入成型压机内的加热模具单元、冷却模具单元，将半豆荚状热塑预浸料覆脱模体通过加热模具单元加热至树脂熔融温度之上，将叠层间全部熔融，并进入冷却模具单元冷却定型，形成半豆荚状定型体；

步骤（D），将半豆荚状定型体依次进入第一牵引单元、脱模单元实现对半豆荚状定型体脱模层的除去；除去脱模层的半豆荚状定型体依次进入半豆荚切割单元、半豆荚收卷单元，完成半豆荚结构的连续生产；

步骤（E），将半豆荚结构进入预装配单元进行装配，形成可展豆荚杆预焊接结构，并将可展豆荚杆预焊接结构进入超声波焊接单元，形成可展豆荚杆结构；

步骤（F），将可展豆荚杆结构上、下压缩后依次进入第二牵引单元和可展豆荚杆收卷单元，完成可展豆荚杆结构的连续生产。

前述的热塑预浸料的可展豆荚杆结构连续生产线的方法，步骤（A），所述上单项碳纤维热塑预浸料层、下单项碳纤维热塑预浸料层的树脂基体为PP、PE、PA、PC、PPS或PEEK；所述超薄横向补强层为碳纤维、芳纶纤维或玻璃纤维，所述上单项碳纤维热塑预浸料层、下单项碳纤维热塑预浸料层的单层厚度为0.1mm，所述超薄横向补强层的单层厚度为0.04mm。

本发明的有益效果是：本发明的基于热塑预浸料的可展豆荚杆结构连续生产线及其方法，可展豆荚杆结构由两片半豆荚结构组成，该半豆荚结构的厚度为0.05-1mm，组装后的可展豆荚杆结构，可进行上下压缩，压缩后可进行收卷，再次打开后的整个可展豆荚杆结构不会发生破坏，提高可展豆荚杆结构长度方向力学性能，具有更好的韧性，整个可展豆荚杆的结构更轻，采用超声波焊接技术进行装配后焊接，可实现可展豆荚杆结构的连续生产并且性能更加稳定，具有良好的应用前景。

附图说明

图1是可展豆荚杆结构的结构示意图；

图2是本发明的基于热塑预浸料的可展豆荚杆结构连续生产线的系统框图；

图3是本发明的基于热塑预浸料的可展豆荚杆结构连续生产方法的流程图。

图4是本发明生产的可展豆荚杆结构使用时候的状态图。

附图中标记如下：

1：纱架；2：脱模层放卷单元；3：预成型模具单元；4：加热模具单元；5：成型压机；6：冷却模具单元；7：第一牵引单元；8：脱模单元；9：半豆荚切割单元；10：半豆荚收卷单元；11：预装配单元；12：超声波焊接单元；13：第二牵引单元；14：可展豆荚杆收卷单元。

具体实施方式

下面将结合说明书附图，对本发明作进一步的说明。

本发明的基于热塑预浸料的可展豆荚杆结构连续生产线，生产出来的可展豆荚杆结构的产品如图1所示，如图2所示，基于热塑预浸料的可展豆荚杆结构连续生产线，包括依次排布的纱架1、脱模层放卷单元2、预成型模具单元3、加热模具单元4、冷却模具单元6、第一牵引单元7、脱模单元8、半豆荚切割单元9、半豆荚收卷单元10、预装配单元11、超声波焊接单元12、第二牵引单元13和可展豆荚杆收卷单元14，所述加热模具单元4、冷却模具单元6位于成型压机5内，

将热塑预浸料层通过纱架1与脱模层放卷单元2放卷的脱模层进行叠层，形成平面状热塑预浸料覆脱模体；

所述平面状热塑预浸料覆脱模体通过预成型模具单元3预成型到半豆荚状热塑预浸料覆脱模体；

所述半豆荚状热塑预浸料覆脱模体依次进入成型压机5内的加热模具单元4、冷却模具单元6，将半豆荚状热塑预浸料覆脱模体通过加热模具单元4加热至树脂熔融温度之上，将叠层间全部熔融，并进入冷却模具单元6冷却定型，形成半豆荚状定型体；所述半豆荚状定型体依次进入第一牵引单元7、脱模单元8实现对半豆荚状定型体脱模层的除去；

除去脱模层的半豆荚状定型体依次进入半豆荚切割单元9、半豆荚收卷单元10，完成半豆荚结构的连续生产；

将半豆荚结构进入预装配单元11进行装配，形成可展豆荚杆预焊接结构；将可展豆荚杆预焊接结构进入超声波焊接单元12，形成可展豆荚杆结构；

所述可展豆荚杆结构上、下压缩后依次进入第二牵引单元13和可展豆荚杆收卷单元14，完成可展豆荚杆结构的连续生产。

所述热塑预浸料层为厚度在0.1-1mm之间的三明治结构的连续碳纤维增强热塑预浸料，该三明治结构的连续碳纤维增强热塑预浸料由上到下依次为上单项碳纤维热塑预浸料层、超薄横向补强层、下单项碳纤维热塑预浸料层。

所述上单项碳纤维热塑预浸料层、下单项碳纤维热塑预浸料层的树脂基体为PP、PE、PA、PC、PPS或PEEK；所述超薄横向补强层为碳纤维、芳纶纤维或玻璃纤维，所述上单项碳纤维热塑预浸料层、下单项碳纤维热塑预浸料层的单层厚度为0.1mm，所述超薄横向补强层的单层厚度为0.04mm。

所述脱模层放卷单元2设置有纠偏、张力控制功能，张力控制可调节张力为1-500N/cm；该脱模层分布在热塑预浸料层的上、下面，所述脱模层为脱模布或者含有脱模剂的薄钢板，所述脱模层用于可展豆荚杆结构与传动平台的脱离，该脱模剂的涂覆量100-500g/㎡，便于脱膜。

所述预成型模具单元3采用逐步收缩预成型，将平面状热塑预浸料覆脱模体预成型到半豆荚状热塑预浸料覆脱模体并控制最终形状，厚度为最终可展豆荚杆结构产品的1-1.2倍；所述预成型模具单元3的温度控制在室温-400℃之间。

所述加热模具单元4的加热区实现分段控制，且分段≥3段，温控范围在室温-450℃；所述冷却模具单元6采用水冷或油冷，温度可控，温控范围在室温-300℃；所述成型压机5的压力可调，可实现压力范围在5-100kg/cm²，模具的开合高度范围为0.3-10mm。

所述第一牵引单元7、第二牵引单元13为往复式牵引或者连续牵引提供1-100kg/cm的牵引力。

所述预装配单元11设置定位模块，定位精度±0.05mm；所述超声波焊接单元12的超声波焊接频率为15-40kHz，优选20-25kHz，焊接时间为0.1-1.5s，优选0.3-0.6s，压力为0.1-1Mpa，优选0.2-0.4Mpa。

如图3所示，本发明的基于热塑预浸料的可展豆荚杆结构连续生产线的方法，包括以下步骤，

步骤（A），将热塑预浸料层通过纱架1与脱模层放卷单元2放卷的脱模层进行叠层，形成平面状热塑预浸料覆脱模体；

步骤（B），将平面状热塑预浸料覆脱模体通过预成型模具单元3预成型到半豆荚状热塑预浸料覆脱模体；

步骤（C），将半豆荚状热塑预浸料覆脱模体依次进入成型压机5内的加热模具单元4、冷却模具单元6，将半豆荚状热塑预浸料覆脱模体通过加热模具单元4加热至树脂熔融温度之上，将叠层间全部熔融，并进入冷却模具单元6冷却定型，形成半豆荚状定型体；

步骤（D），将半豆荚状定型体依次进入第一牵引单元7、脱模单元8实现对半豆荚状定型体脱模层的除去；除去脱模层的半豆荚状定型体依次进入半豆荚切割单元9、半豆荚收卷单元10，完成半豆荚结构的连续生产；

步骤（E），将半豆荚结构进入预装配单元11进行装配，形成可展豆荚杆预焊接结构，并将可展豆荚杆预焊接结构进入超声波焊接单元12，形成可展豆荚杆结构；

步骤（F），将可展豆荚杆结构上、下压缩后依次进入第二牵引单元13和可展豆荚杆收卷单元14，完成可展豆荚杆结构的连续生产。

根据本发明的基于热塑预浸料的可展豆荚杆结构连续生产线及其方法，具体介绍两个实施例，

实施例1：以一款热塑预浸料层为0.44mm厚度三明治结构为例，采用CF/PEEK热塑预浸料，纤维面密度110gsm，上单项碳纤维热塑预浸料层、下单项碳纤维热塑预浸料层的单层厚度0.1mm，超薄横向补强层采用30gsm碳纤维毡，单层厚度0.04mm，共5层，其中2层上单项碳纤维热塑预浸料层、1层超薄横向补强层，2层下单项碳纤维热塑预浸料层；总厚度0.44mm，施工工艺为：采用高温脱模剂，不锈钢板喷涂量200g/㎡，预成型产品厚度为0.6mm，预成模具温度300±5℃，成型温度380±3℃，冷却温度150±10℃，生产速度为400mm/min，采用超声波焊接，超声波频率30kHz，每个焊点焊接时间0.5s，压力0.8Mpa。

实施例2：以一款热塑预浸料层为0.34mm厚度三明治结构为例，采用CF/PEEK预浸料，纤维面密度160gsm，上单项碳纤维热塑预浸料层、下单项碳纤维热塑预浸料层的单层厚度0.1mm，超薄横向补强层采用30gsm碳纤维毡，单层厚度0.04mm，共3层，其中1层上单项碳纤维热塑预浸料层、1超薄横向补强层，1层下单项碳纤维热塑预浸料层；总厚度0.34mm，施工工艺为：采用高温脱模剂，不锈钢板喷涂量200g/㎡，预成型产品厚度0.5mm，预成模具温度295±5℃，成型温度375±3℃，冷却温度150±10℃，生产速度为450mm/min，采用超声波焊接，超声波频率30kHz，每个焊点焊接时间0.5s，压力0.75Mpa。

上述的CF/PEEK预浸料为连续碳纤维增强聚醚醚酮(CF/PEEK)预浸料是指以特种工程塑料PEEK为基体，连续碳纤维(CF)为增强体，通过高温高压的工艺成型，将PEEK树脂材料浸入碳纤维(CF)中，形成的组合物，是连续碳纤维增强聚醚醚酮(CF/PEEK)复合材料及制品的中间材料。聚醚醚酮(PEEK)具有耐高温、耐化学药品腐蚀等物理化学性能，是一类半结晶高分子材料，可用作耐高温结构材料和电绝缘材料，可与玻璃纤维或碳纤维复合制备增强材料，适用于航空航天领域、医疗器械领域、军工领域和工业领域。在上海超聚新材料科技有限公司购置，产品的牌号为ACTECH*1201/CCF700。

本发明的基于热塑预浸料的可展豆荚杆结构连续生产线及其方法，生产出的基于热塑预浸料的可展豆荚杆结构的优点，如下表1所示，包括90°拉伸强度（测试方法是室温、干燥下，测试标准参考ASTM D3039）、纵向开裂（测试方法为成品任意位置处，反复压合10次）两项测试，

表1

综上所述，本发明的基于热塑预浸料的可展豆荚杆结构连续生产线及其方法，可展豆荚杆结构由两片半豆荚结构组成，该半豆荚结构的厚度为0.05-1mm，组装后的可展豆荚杆结构，可进行上下压缩，压缩后可进行收卷，再次打开后的整个可展豆荚杆结构不会发生破坏，使用时如图4所示，提高可展豆荚杆结构长度方向力学性能，具有更好的韧性，整个可展豆荚杆的结构更轻，采用超声波焊接技术进行装配后焊接，可实现可展豆荚杆结构的连续生产并且性能更加稳定，具有良好的应用前景。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征及优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。