宋清華，劉衛(wèi)平，肖 軍，陳 萍，楊 洋，陳吉平

(1 上海飛機制造有限公司，上海 201324;2 南京航空航天大學(xué) 材料科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，南京 210016)

復(fù)合材料低成本制造技術(shù)是目前國際上復(fù)合材料技術(shù)領(lǐng)域關(guān)注的核心問題之一，復(fù)合材料自動鋪放技術(shù)是歐美發(fā)達國家近30年來廣泛發(fā)展和應(yīng)用的低成本制造技術(shù)，是復(fù)合材料自動化成型的典型代表[1-2]。復(fù)合材料自動鋪放技術(shù)的加工對象一般為纖維增強樹脂基復(fù)合材料。按樹脂基體的不同，分為熱固性復(fù)合材料和熱塑性復(fù)合材料。熱固性復(fù)合材料作為一種輕質(zhì)高強材料已應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域，但由于其抗沖擊性能差、耐熱性低，阻礙其在航空航天上廣泛應(yīng)用。而熱塑性復(fù)合材料不僅克服上述缺點，還具備抗化學(xué)腐蝕性、可循環(huán)性以及良好的焊接性能[3]，因此越來越多的熱塑性復(fù)合材料零件及組合件應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域，如空客A380上采用荷蘭Tencate公司玻璃纖維/PPS制成的焊接固定機翼前緣，Gulfstream550飛機上的壓力艙壁肋板是碳纖維/PEI夾層結(jié)構(gòu)以及A400M駕駛員座艙板均已使用熱塑性復(fù)合材料制造[4]。熱塑性復(fù)合材料與自動鋪放相結(jié)合，采用“原位固結(jié)”技術(shù)，與傳統(tǒng)“熱壓罐”技術(shù)相比，預(yù)浸料鋪層沒有預(yù)成型階段，直接一次成型，因此加熱工藝是自動鋪放成型過程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。自動鋪放加熱工藝首先需考慮的是加熱方式的選擇，目前應(yīng)用在自動鋪放中的加熱方式主要有熱氣加熱、激光加熱及紅外加熱。熱氣加熱適用于要求加熱時間較短，同時加熱空間又很小的場合，但其最大的缺點就是熱量利用率比較低；激光加熱的加熱范圍很集中，可以在短時間內(nèi)提供大量能量，因此其加熱時間極短，但自身價格較高、體積較大，適用于對加熱空間及價格沒有限制的場合[5]；紅外輻射加熱相比前兩種加熱方式，雖加熱時間稍長，但由于其加熱過程中污染少、能耗低，加熱裝置響應(yīng)速率快、維修和管理簡單等優(yōu)點，能夠滿足大型復(fù)合材料構(gòu)件低成本制造要求[6]，因此本工作選擇紅外輻射加熱作為自動鋪放過程中的熱源。目前國外已經(jīng)把紅外加熱技術(shù)應(yīng)用于復(fù)合材料自動鋪放過程中，比如Pitchumani等[7]和Buijs等[8]對紅外加熱應(yīng)用于熱塑性復(fù)合材料纏繞及鋪帶進行了研究，并優(yōu)化鋪放工藝參數(shù)；美國Electroimpact公司及M-Torres公司均開展高速自動鋪絲下的紅外加熱技術(shù)研究。國內(nèi)余永波等[6]對熱固性復(fù)合材料自動鋪絲過程中的紅外加熱技術(shù)進行初步探索，并就紅外加熱對預(yù)浸料性能及鋪放質(zhì)量的影響進行分析，而關(guān)于熱塑性復(fù)合材料自動鋪放設(shè)備紅外加熱技術(shù)的研究國內(nèi)鮮見，國外在加熱溫度對鋪放質(zhì)量的影響及溫度場的有限元模擬做了大量研究[9-10]，但關(guān)于鋪放加熱過程中的恒溫控制尚缺乏研究。由于熱塑性復(fù)合材料對溫度的敏感性，在鋪放過程中不同的溫度梯度會引起復(fù)合材料內(nèi)部熱應(yīng)力和熱變形，進而對成型構(gòu)件的力學(xué)性能有很大的影響，因此對熱塑性復(fù)合材料自動鋪放成型加熱過程中的恒溫控制具有重要的理論意義與實用價值。

本工作以自行研制的熱塑性復(fù)合材料自動鋪放設(shè)備為平臺[11]，通過對紅外熱源與鋪層間能量傳輸過程的分析，提出紅外加熱過程中動態(tài)恒溫控制方程，建立熱源輻射強度與鋪放速率之間的匹配關(guān)系，在此基礎(chǔ)上構(gòu)建紅外加熱恒溫閉環(huán)控制系統(tǒng)，制定相應(yīng)控制策略，實現(xiàn)對熱塑性預(yù)浸料加熱過程中溫度的精確控制。

1 TPC自動鋪放紅外加熱系統(tǒng)的研究

熱塑性復(fù)合材料自動鋪放設(shè)備中的紅外加熱裝置位于切刀與熱壓輥中間，圖1為TPC自動鋪放紅外加熱系統(tǒng)的原理圖，圖2為本工作采用的管式紅外加熱燈。在紅外燈輻射區(qū)域內(nèi)，輻射能不以任何物質(zhì)為中介，直接輻射或經(jīng)反射涂層反射到預(yù)浸料表面，被有效輻射的預(yù)浸料吸收輻射轉(zhuǎn)化為內(nèi)部的蓄熱能[12]，其溫度升高，當達到樹脂熔點時，預(yù)浸料樹脂基體熔化，在壓輥壓力作用下，預(yù)浸料與底層鋪層熔合在一起，實現(xiàn)熱塑性復(fù)合材料原位固結(jié)成型。

圖1 自動鋪放紅外加熱系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic of infrared heating system for AFP

圖2 管式紅外燈結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure of tubular infrared heating system for AFP

熱塑性復(fù)合材料自動鋪放原位成型過程中，紅外加熱系統(tǒng)完全開放，紅外輻射的熱能傳遞受到外界的干擾較多，比如外界溫度變化及氣流等。而且輻射表面與吸收表面的物性(表面粗糙度、發(fā)射率、吸收率等)及溫度的不同也會給輻射傳熱計算過程帶來許多困難[13]。因此關(guān)于自動鋪放過程紅外輻射傳熱的計算較復(fù)雜，為解決上述難題，本工作采用近似等效的方法簡化自動鋪放過程中紅外輻射加熱的計算。

1.1 紅外燈輻射理論

由斯忒藩-玻爾茲曼定律可得紅外燈燈絲的輻射強度為：

(1)

式中:Ei為燈絲輻射強度；ε為燈絲發(fā)射率；σb為玻爾茲曼常數(shù)，其值為5.67×10-8W/(m2·K4)；Ti為燈絲溫度。

由式(1)可得，紅外燈的輻射強度與燈絲溫度的四次方成正比，而燈絲溫度取決于紅外燈的加熱功率。紅外燈燈絲為鎢絲緊密繞制成單螺旋圓柱體樣式，當達到熱平衡時，燈絲溫度可以按圓柱體發(fā)熱計算[13]：

Pe=εAσbT4

(2)

式中：Pe為紅外燈加熱功率；A為燈絲有效輻射面積，按公式(3)計算：

A=ξπDL

(3)

式中:ξ為燈絲螺旋排列致密度系數(shù)；D為燈絲直徑；L為燈絲長度。

由式(1),(2),(3)可得：

(4)

因此由式(4)可知，通過調(diào)節(jié)紅外燈的加熱功率改變紅外燈的輻射強度。

1.2 自動鋪放過程中動態(tài)恒溫控制方程

熱塑性復(fù)合材料自動鋪放過程中，紅外燈以鋪放速率運動的同時加熱預(yù)浸料表面，預(yù)浸料吸收輻射能轉(zhuǎn)化為內(nèi)部的蓄熱能，使其溫度上升，由能量守恒定律可得預(yù)浸料吸收的輻射能與其溫度變化關(guān)系為：

Qa=cmΔT

(5)

式中:Qa為預(yù)浸料吸收的輻射能；c為預(yù)浸料的比熱容；m為吸收輻射能的預(yù)浸料質(zhì)量；ΔT為預(yù)浸料的溫度變化，即ΔT=T2-T1，T1為環(huán)境溫度，T2為目標溫度。

由圖1和圖2可以看出，由于紅外燈存在反射燈罩及反射涂層，輻射被限定在一定區(qū)域內(nèi)，假定此區(qū)域為有效輻射區(qū)域，因此有效輻射區(qū)域內(nèi)預(yù)浸料吸收的輻射能有兩個路徑：直接輻射到預(yù)浸料表面的直接輻射能及經(jīng)反射涂層反射到預(yù)浸料表面的間接輻射能。

把紅外燈燈絲1發(fā)射的輻射能直接輻射到預(yù)浸料表面2上的百分數(shù)記為X12，即燈絲1對有限輻射區(qū)域2的角系數(shù)；把紅外燈燈絲1發(fā)射的輻射能落到反射涂層3上的百分數(shù)記為X13，即燈絲1對涂層表面3的角系數(shù)；把經(jīng)反射涂層3反射的輻射能落到有效輻射區(qū)域2的百分數(shù)記為X32，即涂層3對有效輻射區(qū)域2的角系數(shù)。因此，單位時間內(nèi)直接輻射到有效輻射區(qū)域內(nèi)的直接輻射能Q12為：

Q12=EiAX12

(6)

單位時間內(nèi)經(jīng)反射涂層反射到有效輻射區(qū)域內(nèi)的間接輻射能Q32為：

Q32=λEiAX13X32

(7)

式中：λ為涂層的反射率。

自動鋪放過程中，預(yù)浸料吸收的輻射能為直接輻射能和間接輻射能的熱能總和，因此有效輻射區(qū)域內(nèi)預(yù)浸料單位時間吸收的輻射能為：

Qa=η(Q12+Q23)

(8)

因此，由式(2)及式(5)～(8)可得：

η(X12+λX13X32)Pet=cmΔT

(9)

式中：t為加熱時間，其計算公式為：

t=L/v

(10)

式中:L為有限輻射區(qū)域沿軌跡方向的運動長度；v為鋪放速率。

由式(9)，(10)可得，自動鋪放過程中紅外燈加熱功率與鋪放速率之間的關(guān)系為：

(11)

由于角系數(shù)純屬幾何因子，其只與燈絲表面和有效輻射區(qū)域的形狀、大小及相對位置有關(guān)。在自動鋪放過程中，鋪絲頭一般垂直于鋪放表面，沿鋪放表面切線方向運動，紅外燈與預(yù)浸料表面之間的距離只受熱壓輥變形量的影響，而熱塑性復(fù)合材料自動鋪放設(shè)備的熱壓輥采用鋼材料制成，其變形量可忽略不計，從工程應(yīng)用角度簡化，可認為加熱燈與預(yù)浸料表面的相對位置恒定，有效輻射區(qū)域保持不變，即角系數(shù)X12,X13,X32為常數(shù)。因此，由式(11)可得：

Pe=kΔTv

(12)

陳卓提到，近年來，我國農(nóng)藥工業(yè)發(fā)展迅速，農(nóng)藥產(chǎn)量逐年遞增，傳統(tǒng)產(chǎn)品出口增長，總量增大，進口產(chǎn)品推廣力度提升，農(nóng)藥工業(yè)產(chǎn)業(yè)布局更趨于集中，加快了農(nóng)藥綠色化進程。企業(yè)規(guī)模不斷擴大，農(nóng)藥向高效發(fā)展。產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)更趨合理，農(nóng)藥清潔化水平提升。

式(12)即為熱塑性復(fù)合材料自動鋪放過程中動態(tài)恒溫控制數(shù)學(xué)模型，是控制系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)運算、處理的依據(jù)，由此建立紅外燈加熱功率與鋪放速率之間的匹配關(guān)系。

2 紅外加熱動態(tài)恒溫控制策略

自動鋪放過程中鋪放速率會在較大的范圍內(nèi)變化，若紅外加熱系統(tǒng)以恒功率加熱，必然導(dǎo)致預(yù)浸料表面受熱不均勻，而且在鋪放過程中當出現(xiàn)切紗或送紗等特殊位置需要鋪放設(shè)備暫停運動時，紅外燈必須迅速停止工作，防止預(yù)浸料表面過熱而使樹脂降解，因此紅外加熱系統(tǒng)需具備鋪放速率檢測、保持恒目標溫度加熱及特殊位置判斷等功能。但由于自動鋪放是動態(tài)過程，預(yù)浸料融合區(qū)域溫度難以實時采集，且為保持預(yù)浸料加熱溫度恒定，加熱系統(tǒng)需具有良好的輸出功率快速響應(yīng)特性。鑒于上述要求，本工作采用前饋控制方式[14]，即干擾補償控制，當干擾剛剛出現(xiàn)而又能被檢測時，前饋控制器就發(fā)出調(diào)節(jié)信號使控制量做出相應(yīng)的調(diào)整，在產(chǎn)生偏差前，及時消除干擾作用，從而保持預(yù)浸料被恒溫加熱。

根據(jù)上述要求，設(shè)計熱塑性復(fù)合材料自動鋪放專用加熱系統(tǒng)，該系統(tǒng)應(yīng)包括加熱機構(gòu)、鋪放速率檢測單元及控制單元。如圖1所示，在導(dǎo)紗輥處安裝編碼器，編碼器滾輪與導(dǎo)紗輥嚙合，鋪放過程中，導(dǎo)紗輥旋轉(zhuǎn)帶動編碼器主軸旋轉(zhuǎn)，實時檢測鋪放速率。控制單元接收編碼器采集的速率信號，根據(jù)設(shè)定的目標溫度及已建立的紅外加熱恒溫控制方程，進行程序運算后輸出控制量，調(diào)節(jié)紅外燈的加熱功率，從而根據(jù)鋪放速率實時調(diào)整紅外燈的輻射強度。圖3為紅外加熱控制系統(tǒng)原理圖。

圖3 紅外加熱控制系統(tǒng)原理圖Fig.3 Schematic of temperature control system for infrared heating

2.1 鋪放速率的獲取

自動鋪放紅外加熱前饋控制系統(tǒng)中鋪放速率為主要控制變量，本工作采用增量型編碼器為采集速率信號的傳感器，以可編程控制器(PLC)作為控制單元，將編碼器連接在PLC的脈沖輸入端口，實現(xiàn)對鋪放速率的實時采集。但由于編碼器輸出的是脈沖信號，而動態(tài)恒溫控制數(shù)學(xué)模型中采用的是速率信號，因此需將采集的脈沖量轉(zhuǎn)化成速率量。

如圖4所示為編碼器測速示意圖，編碼器滾輪半徑為re，假定編碼器的分辨率為N，即編碼器每旋轉(zhuǎn)一周發(fā)出N個脈沖，因此編碼器每發(fā)出一個脈沖對應(yīng)編碼器滾輪的位移量為：

(13)

編碼器發(fā)出的脈沖信號，經(jīng)PLC采集后獲得該脈沖的頻率f，則編碼器滾輪的線速率即鋪放速率為：

(14)

圖4 編碼器測速示意圖Fig.4 Schematic of speed collection with encoder

2.2 加熱功率的調(diào)節(jié)

在紅外加熱控制系統(tǒng)中，通過調(diào)壓模塊調(diào)節(jié)紅外燈的加熱功率，因此必須明確紅外燈加熱功率與輸入電壓之間的關(guān)系。本實驗用的紅外燈為鹵素石英燈，燈內(nèi)鎢絲的電阻率隨溫度的升高而增大，因此燈絲的電阻并不是固定不變的，紅外燈加熱功率與輸入電壓并不是線性變化。通過實驗，獲得加熱燈功率與輸入電壓的關(guān)系，分析實驗數(shù)據(jù)，如圖5所示。

圖5 加熱功率與輸入電壓的關(guān)系Fig.5 Relationship between heating power and voltage

通過二次多項式擬合，得到紅外燈加熱功率Pe與輸入電壓U的關(guān)系為：

Pe=0.00812U2+0.71826U-2.2658

(15)

控制單元根據(jù)目標溫度及獲取的鋪放速率由式(12)計算出紅外燈加熱功率，通過式(15)得出紅外燈工作電壓，調(diào)壓模塊根據(jù)比例關(guān)系輸出控制電壓至紅外燈，從而實現(xiàn)紅外燈加熱功率的調(diào)節(jié)。

3 實驗驗證與分析

為驗證建立的動態(tài)恒溫控制數(shù)學(xué)模型的準確性，本工作基于熱塑性復(fù)合材料自動鋪放實驗平臺，搭建紅外加熱恒溫控制系統(tǒng)及加熱溫度在線測量系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括紅外加熱燈、控制單元、溫度采集單元、數(shù)據(jù)顯示及存儲單元，如圖6所示。

圖6 熱塑性復(fù)合材料自動鋪放紅外加熱系統(tǒng) (a)熱塑性復(fù)合材料自動鋪放實驗平臺;(b)紅外加熱控制系統(tǒng)Fig.6 Infrared heating control system for automated fiber placement (a)platform for automated fiber placement; (b)temperature control system for infrared heating

本實驗以三菱FX3G PLC作為控制單元，其一方面與上位機通訊，實現(xiàn)運算程序的傳輸及命令發(fā)送，另一方面根據(jù)采集的編碼器頻率及目標溫度，經(jīng)運算程序計算輸出模擬量至調(diào)壓模塊，調(diào)節(jié)紅外燈加熱功率；采用熱電偶作為溫度采集單元的溫度測量元件，采集的溫度值經(jīng)西門子Step-300PLC信號處理后，由西門子觸摸屏Smart 700顯示并存儲溫度值，其原理圖如圖7所示。

圖7 溫度采集系統(tǒng)原理圖Fig.7 Diagram of the temperature acquisition system

溫度采集系統(tǒng)以Step7-300PLC為信號處理中心，通過Profibus-DP現(xiàn)場總線與西門子觸摸屏Smart 700建立通信網(wǎng)絡(luò)，系統(tǒng)以觸摸屏基于WinCC flexible軟件編寫的人機交互界面，實時更新并存儲熱電偶采集的溫度。

本實驗選擇的預(yù)浸紗為玻璃纖維增強聚丙烯復(fù)合材料，玻纖含量為60%(體積分數(shù))，寬度為12.7mm，聚丙烯熔點為180℃左右，降解溫度為350℃左右，選擇預(yù)浸紗目標溫度為280℃。為初步確定控制系數(shù)k，設(shè)定鋪放速率0.3m/min保持不變，改變控制系數(shù)k，做多組鋪放實驗，通過紅外測溫儀測量鋪放輥與預(yù)浸紗黏合點處的溫度，圖8為控制系數(shù)與鋪放表面溫度的關(guān)系曲線及其線性擬合方程。

圖8 控制系數(shù)與黏合點溫度的關(guān)系曲線Fig.8 Relation curve between control coefficient and bonding point temperature

根據(jù)圖8的擬合方程可計算出控制系數(shù)k=2.32。以k=2.32為控制系數(shù)，在多種速率下做鋪放實驗。鋪放開始前，先把熱電偶A～G固定在同一鋪層，測量不同鋪放速率下同一鋪層溫度變化。

圖9為熱塑性復(fù)合材料自動鋪放紅外加熱溫度采集過程，設(shè)定目標溫度為280℃，當鋪放速率為0.3m/min時，熱電偶測量的峰值溫度如圖10所示。

圖9 紅外加熱溫度采集過程Fig.9 Picture of the temperature acquisition for infrared heating

圖11為不同鋪放速率下，熱電偶測量的同一鋪層溫度峰值變化。從圖中可以看出，雖然鋪放速率在變化，但黏合區(qū)域的溫度始終接近預(yù)浸紗目標溫度280℃。當鋪放速率為0.6m/min時，鋪放過程中熱成像儀拍攝的黏合區(qū)域溫度場畫面如圖12所示。

圖11 不同鋪放速率下熱電偶峰值溫度Fig.11 Peak temperature for thermocouples at different speeds

圖12 熱成像儀測量鋪放過程中黏合區(qū)域的溫度Fig.12 Thermography for bounding point temperature

由以上實驗結(jié)果可得出，本工作構(gòu)建的紅外加熱動態(tài)恒溫控制系統(tǒng)基本能夠滿足熱塑性復(fù)合材料變速自動鋪放對加熱溫度的要求，并且在不同鋪放速率下表現(xiàn)出較好的適應(yīng)性。

圖13為壓輥壓力0.1MPa、紅外加熱目標溫度280℃、鋪放速率0.6m/min的工藝條件下鋪放成型的尺寸為300mm×12.7mm×3mm的平板實驗件。

圖13 自動鋪放成型玻璃纖維增強聚丙烯復(fù)合材料平板實驗件Fig.13 Polypropylene/fiberglass flat component made by AFP

按ASTM D 6641/D 6641M-09標準采用組合加載壓縮夾具測量鋪放成型平板實驗件的壓縮性能，其壓縮強度測量平均值為98.71MPa；按GB 3357-82標準測量平板實驗件的層間剪切性能，其層間剪切強度測量平均值為25.67MPa。相同預(yù)浸料經(jīng)熱模壓成型后的平板實驗件，其壓縮強度為101.32MPa，層間剪切強度為28.42MPa。由數(shù)據(jù)對比可見，紅外加熱自動鋪放成型實驗件的壓縮強度及層間剪切強度均接近模壓成型的實驗件[15]。

4 結(jié)論

(1)針對熱塑性復(fù)合材料自動鋪放過程中鋪放速率變化范圍較大的特點，本工作采用的前饋控制方式使紅外加熱系統(tǒng)在鋪放速率從0.3m/min增大到0.9m/min時保證黏合區(qū)域的溫度始終接近預(yù)浸紗的目標溫度280℃，實現(xiàn)變速工況下快速響應(yīng)，提高系統(tǒng)的控溫精度。

(2)紅外加熱動態(tài)恒溫控制系統(tǒng)能夠較好地滿足熱塑性復(fù)合材料自動鋪放過程中對加熱溫度的要求，實現(xiàn)原位固結(jié)過程中預(yù)浸料恒溫加熱。

(3)雖然紅外加熱自動鋪放成型的實驗件性能接近模壓成型的實驗件性能，但其加工速率與熱固性復(fù)合材料自動鋪放成型相比仍較慢，因此有必要探尋新的加熱方式。