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基于软件的带材堆叠结合摄像头技术为热塑性复合材料铺平了道路

   日期:2020-10-12     来源:复材模压网    浏览:139    评论:0    
核心提示:各种不同的输入参数都会影响传统的带材堆叠工艺的结果。所用材料的质量至关重要,但是确保指定的带材宽度准确可靠等因素也很重要。传感器技术和智能软件概念有望在带材堆叠期间显著提高产品质量。在某些地区,使用高级软件解决方案编程的生产线已经能够自主优化工艺。
       各种不同的输入参数都会影响传统的带材堆叠工艺的结果。所用材料的质量至关重要,但是确保指定的带材宽度准确可靠等因素也很重要。传感器技术和智能软件概念有望在带材堆叠期间显著提高产品质量。在某些地区,使用高级软件解决方案编程的生产线已经能够自主优化工艺。

 

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为了提高生产效率,带材堆叠单元最好配备两个机器人和一个摄像台 ©恩格尔

 

为了将来取得更好的结果,带材堆叠生产线必须生成其他可直接用于控制行进工艺的信息。因此,生产线的传感能力将成为决定热塑性复合材料市场覆盖范围的关键因素。

 

未来,生产线需要能够从各种传感数据中选择特定堆叠工艺的相关信息。摄像头技术将在这里扮演关键角色。图像数据提供信息,然后将经过修改的软件解决方案合并到工艺控制设置中。它还能够针对各个部件单独执行。

 

更高的结构性能

 

有机板形式的热塑性复合材料已经颇具规模,它包含的织物由嵌入PP、PA、PC或PEEK热塑性基质中的玻璃纤维或碳纤维制成。带材是这种复合材料的另一种形式。这些单向增强材料的优点是没有纤维波动,即波纹——它通常会出现在织物上。部件中的纤维已经过最佳拉伸,能够提供更高的结构性能。

 

带材的使用也消除了织造步骤的需求。玻璃纤维或碳纤维粗纱通过连续法直接嵌入热塑性基体材料。另外,材料还可以以最小化废料的方式进行加工。带材经过特殊排列可以承受预期的载荷,并且不同的厚度可以共存于一个部件中。因此,总的来说,基于带材的热塑性复合材料前景光明。

 

堆叠精度决定质量

 

在多个应用中,单个带材无法提供所需的机械性能。因此,需要将数个带材结合在一起形成堆垛,堆垛固结之后再形成所谓的坯料。带材厚度范围通常在0.14和0.3mm之间。举例来说,1.5mm的壁厚需要五至十层带材。此外,每个带材层通常由多根预切带材组成,因为单根带材无法覆盖所需的宽度,并且将多根预切带材结合在一起有助于最大程度地减少废料。

 

预切带材在堆叠期间被点焊在一起。接着,将带材堆垛压实成为一个坚固的面板。它通过仔细地熔融整个结构使各个带材层的整个表面融合在一起然后在冷却时固化成坯料来完成。最后,通过在红外线炉中加热所得的半成品并将其放入模具成型并在必要时通过注塑成型将其功能化来制造实际部件。

 

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图1 实验室生产线专为最大为460 x 360 mm的堆垛尺寸而设计 ©恩格尔

 

成品的质量取决于预切带材堆叠的准确性。因为,一旦定位,带材就无法再重新排列。因此,带材堆叠是做出改进的唯一一次机会。带材之间存在的任何间隙都会形成通道,基质材料会在固结过程积聚在这些通道中并且纤维可以侧向移动。在最坏的情况下,针状型腔可能会在固结过程中产生。而且,如果两根带材在它们相遇的位置交叠,那么纤维会在固结过程中移动。型腔和交叠的后果是将在部件中产生薄弱点。

 

间隙和交叠的影响

 

奥地利恩格尔公司(EngelAustriaGmbH)轻质复合材料技术中心正着手通过生产样板产品来更仔细地研究这些相互关系,利用样板产品可以制备出试样来进行弯折测试。样板产品在实验室生产线(图1)上用五层带材(PA6-CF60)生产。测试选用包含90°和0°层的层结构(90/0/0/0/90),其中0°中间层包含以不同间隙和交叠宽度形式故意存在的缺陷。它通过分割中间层然后将带材平齐(邻接)、交叠且间隙最大为3mm来实现。结果发现,间隙和交叠都会降低冲击强度,且间隙比交叠导致的冲击强度下降幅度更大(图2)。

 

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图2 带材坯料的弯折试验含有故意存在的缺陷:与经过最佳对接排列的坯料相比,间隙和交叠均 降低了坯料的冲击强度 来源:恩格尔,图:© Hanser

 

因此,带材堆叠需要高度准确才能达到边缘尽可能齐平的理想状态。技术规范通常允许±1.0mm的间隙或交叠,有些应用则仅为±0.5mm。

 

为了确保堆叠精度,采用等宽切片带材的工艺必须严格遵守标称的带材宽度。带材宽度的变化将自动改变堆叠工艺的准确性。然后,挑战就变成了该如何借助软件解决方案克服这种依赖性。这正是分拣法的用武之地。

 

重视每个堆叠位置的校正值

 

通过分拣法堆叠带材的第一步是尽可能选用宽辊上最大的预切带材。简单的形状可直接从辊上切下。复杂的形状则需要冲孔。两个主要的管理原则是,一尽量减少废料,二尽量提高生产线产量。在理想的情况下,带材堆叠应在部件设计阶段以这样的方式进行设计——即充分利用带辊,用更少的堆叠操作将材料加工成堆垛。

 

传统的分拣工艺需要高度精确的预切带材和料仓中精确的导轨以及附加的对齐和定心模块。光学计量带来了新的可能性,因为它能够使生产线达到精度要求并使排列可控(标题图)。机械手末端工具(EOAT)用于拾取预切带材——带材的精度及其在EOAT上的位置在这里都不重要。预切带材相对于EOAT上参考标记的位置只有在摄像台到达之后才能确定。当机器人将预切带材堆叠在工作台上时,该信息可用于影响机器人定位的位置。

 

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图3 通过搜索区域确定边缘走行:在25个位置进行测量,然后通过最优拟合线将点连接在一起 ©恩格尔

 

从带材向背景的过渡是在沿带材边缘区域的多个位置上确定的——示例中显示了25个这样的位置(图3)。这些点连接在一起之后产生了一条最优拟合线,它被投映到了搜索窗口之外。第二条边也执行相同操作。最后两条直线的投影形成了一个角点(图4)。与直接光学测量相比,该角点可以通过预切边缘更准确地确定,因为冲孔或切割通常无法产生精确尖锐的角点。

 

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图4 转角位置由确定的边缘走行得出。该方法比直接光学测量准确得多,因为带材并非总有角点©恩格尔

 

带材在EOAT上的位置和角度信息可用于对放在工作台上的带材进行定位。沿着带材边缘的点可以确定在三个像素以内。经过数次测量,实验室生产线上的铺层精度达到了±0.5mm及以下。换句话说,间隙或交叠小于0.5mm。但是,可达的铺设精度还取决于切割或冲孔边缘的笔直程度。影响边缘的确定的其他因素还有带材的颜色以及与背景的对比度。

 

带材堆叠精度是整个工艺优化的度量标准。但是,这种高铺设精度背后的概念才是关键。通过利用摄像头技术,信息能够被收集用于支持基于软件的主动调整,从而优化堆叠精度。该软件一直致力于产生最佳结果,即尽可能提高堆叠精度。

 

实时高性能

 

从中期来看,基于软件或软件主导的工艺技术将在众多领域胜过传统解决方案。后者可以通过精密测试、调整和验证达到相应的质量,但它们始终高度依赖机械元件和原材料的质量。这种方法已接近自然极限。

 

更有效的方法是使生产线能够识别和评估周边材料的性能并采取适当的措施。此外,通过利用传感器技术来检查带材是否有裂纹、不均匀的纤维走行或缺失的角点还可以获得附加价值,这样子能够检测出比细心的生产线操作员可察觉的细微得多的偏差。

 

带材堆叠单元的首选设计包括两个机械手和一个摄像台。第一根带材用真空装置固定在堆叠台上。所有后续层都点焊于下一层上。

 

预切带材在堆叠料仓中分开并放置于拣选台上固定到位。然后,机器人可以高速接近工作台(图5)。EOAT配备用于抓取预切带材的真空夹具。这种配置使每一个工艺步骤都具有高动态的堆叠过程。经过数次测试,通过机器人的交替操作,测试生产线上每个带材坯料的堆叠时间为3.4s。

 

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图5 预切带材在堆叠料仓中分开并在拣选台上固定到位,然后由机器人进行收集 ©恩格尔

 

为了帮助光学测量系统轻松识别EOAT上的带材,整个接收表面都用电致发光膜照射,然后EOAT与带材一起被压在玻璃板上。检测到边缘之后,确定预切带材的角点,并将结果与EOAT的工具中心点进行对照。然后,该信息将传输至机械手控制器,便于它校正带材的位置和角度。

 

因此,带材可以精确地放置并与现有边缘齐平。当带材进入堆叠台时,用于确定确切的堆叠位置的算法作用于数字图像材料上。因此,这种方法对生产线的实时性能要求很高。

 

混合堆垛的分拣

 

通过利用分拣式带材堆叠装置,带材堆垛可以在很短的时间内高精度完成。为了提高铺设速度并及时提供所需的校正数据,在光学测量过程中仅测量选定的边缘和角点。但是,摄像头数据可保存用于堆垛质量的后续评估和分析。哪些文件与工艺数据一起自动保存则由产品规格要求决定。如果是安全攸关的部件,所有图像数据都将保存;在其他情况下,最好只保存那些与工艺错误和废品相关的图像。

 

分拣概念的一大优势是能够产生混合堆垛。由于堆叠料仓不仅可以放置带材,还可以放置由多个织物层组成的有机复合材料以及壁厚恒定的已固结带材坯料和其他热塑性半成品,因此可以使用低廉的多层半成品作为基材并仅对其进行局部增强。

 

适用于不同负载范围的玻璃纤维和碳纤维

 

带材堆叠是经济高效的轻量化设计的关键技术。通过按载荷路径局部加强部件,通常可以减少标称壁厚。因此,混合材料结构不仅可以减轻重量,而且一般还可以显著降低成本。因此,随着部件标称壁厚的减少,可以针对大规模生产设定更多地考虑昂贵的碳纤维。承受轻负荷的部件区域可以用低廉的玻璃纤维加固,而必须承受重负荷的区域则用碳纤维加固。

 

本文翻译自KUNSTSTOFFEINTERNATIONAL杂志

 
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标签: 复合材料
 
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