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Key words
自动纤维铺放Auto Fiber Placement、超声波熔接Ultrasonic Consolidation、连续纤维、复合材料
增材制造(AM, Additive Manufacturing)工艺的定义并不局限于3D打印，它在工业领域，尤其是航空航天领域正变得越来越流行，因为它可以更高效、更具成本效益地制造复合材料结构与部件。最常用的AM工艺是自动纤维铺放(AFP)和自动带材铺放(ATL)。 为满足以更少的能源、废物和时间以及更低的成本制造先进热塑性复合材料部件的工业需求，研究了使用超声波熔接(UC, Ultrasonic Consolidation) 自动铺放纤维的可行性，以替代热气喷枪、激光和红外(IR)加热。尤其是聚对苯二甲酸乙二酯/碳纤维预浸带的单向和准各向同性铺层中UC焊接比热压更有效。图1展示了UC工艺中的硬件组成。 图1. 热塑性预浸料AFP的UC/熔接概念示意图 [1] 目前，热塑性复合材料预浸料层通过三种主要方法加热，即① 热气炬加热、② 激光加热和③ 红外线 (IR) 加热，这些加热方法虽然有效，但能效不高，尤其是激光加热需要昂贵的设备。另一种新颖的工艺便是使用超声波焊接机 (图2) 的UC技术，在此项技术中，超声波传导器接触顶部预浸料层施加所需的压力，并以高频率 (几万Hz) 振动，对材料进行局部加热，其作用位置主要是在预浸料材接合处。这种集中加热与施加压力相结合的方法大大降低了能耗，提高了熔接速度，并可省去后处理工艺。 图2. 超声波焊接机示意图 [2] 目前主流的热气炬加热是热塑性预浸料AFP/ATL工艺中最常用的方法，它也是焊接或修复热塑性部件最成熟的方法。热气炬加热对聚醚醚酮 (PEEK) 等高性能热塑性塑料非常有效，但通过对流加热会浪费太多能量从而提高能耗。此外，在一些高性能应用领域，如航空航天领域中，客户仍然要求对AFP使用热风喷枪 (HGT) 制造的热塑性复合材料层压板进行高压釜加工，以进一步控制减少空隙含量，在这种工艺要求下HGT不适合要求高生产率的产品。 图3. 带HGT的AFP工艺示意图 [3] 最近为Airbus S.A.S.公司申请的一项专利描述了一种热塑性复合材料ATL/AFP系统，该系统使用加热源(优先选择:激光)结合超声波传导器来焊接热塑性复合材料 (如图4)。 图4. 加热源/UC复合工艺专利示意图 [4]: (10) 上层热塑性材料, (12) 下层热塑性材料, (14) 超声波换能器,(16) 焊接点,(18)局部加热源 而更成熟的UC装置使用与模具表面成直角的特殊传导器，无需额外局部加热进行熔接；如图(5)展示了采用20kHz的Branson 2000超声波焊机的UC装置，该焊机配有一个定制设计的钛传导器 (见图5(a))，接触面积为242平方毫米，用于连续复合材料熔接，图5(b) 所示为具备多轴联动的实验平台用于支撑被焊工件。 图5 . (a) 超声波传导器几何形状的侧视图和端视图 (所有尺寸均以毫米为单位) 和 (b) UC 实验装置 [1] 超声波加热用于AFP的预浸料复合带的最新研究集中于超声波加热与后处理步骤的结合使用。使用能量导向器 (EDs)，即焊接表面上的突起物，可获得更好的焊接效果，对增强纤维破坏更少，如图6所示在AFP的预浸料复合带UC工艺实验中使用能量导向器熔接得到的实际样件。 图6 (a) 为制造八层准各向同性面板而焊接的层数顺序和 (b) 在UC实验装置中正在熔接的面板图片 [1] 参考文献 [1] Rizzolo RH, Walczyk DF. Ultrasonic consolidation of thermoplastic composite prepreg for automated fiber placement [J]. Journal of Thermoplastic Composite Materials. 2016;29(11):1480-1497. doi:10.1177/0892705714565705 [2] Villegas IF, Palardy G. Ultrasonic welding of CF/PPS composites with integrated triangular energy directors: melting, flow and weld strength development [J]. Compos Inter 2017; 24(5): 515–528. [3] Hauber H. Porous ceramic body electrical resistance fluid heater [P]. Patent 5117482, USA, 1990. [4] Inston D. Method and apparatus for fabricating a fibre reinforced thermoplastic composite structure [P]. Patent 8747585 B2, USA, 2004.
