熱塑性復合材料自動鋪放過程中紅外加熱技術研究

宋清華，劉衛平，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 材料科學與技術學院，南京 210016)

復合材料低成本制造技術是目前國際上復合材料技術領域關注的核心問題之一，復合材料自動鋪放技術是歐美發達國家近30年來廣泛發展和應用的低成本制造技術，是復合材料自動化成型的典型代表[1-2]。復合材料自動鋪放技術的加工對象一般為纖維增強樹脂基復合材料。按樹脂基體的不同，分為熱固性復合材料和熱塑性復合材料。熱固性復合材料作為一種輕質高強材料已應用于航空航天領域，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用。而熱塑性復合材料不僅克服上述缺點，還具備抗化學腐蝕性、可循環性以及良好的焊接性能[3]，因此越來越多的熱塑性復合材料零件及組合件應用于航空航天領域，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夾層結構以及A400M駕駛員座艙板均已使用熱塑性復合材料制造[4]。熱塑性復合材料與自動鋪放相結合，采用“原位固結”技術，與傳統“熱壓罐”技術相比，預浸料鋪層沒有預成型階段，直接一次成型，因此加熱工藝是自動鋪放成型過程中的關鍵環節之一。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，加熱裝置響應速率快、維修和管理簡單等優點，能夠滿足大型復合材料構件低成本制造要求[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。目前國外已經把紅外加熱技術應用于復合材料自動鋪放過程中，比如Pitchumani等[7]和Buijs等[8]對紅外加熱應用于熱塑性復合材料纏繞及鋪帶進行了研究，并優化鋪放工藝參數；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研究。國內余永波等[6]對熱固性復合材料自動鋪絲過程中的紅外加熱技術進行初步探索，并就紅外加熱對預浸料性能及鋪放質量的影響進行分析，而關于熱塑性復合材料自動鋪放設備紅外加熱技術的研究國內鮮見，國外在加熱溫度對鋪放質量的影響及溫度場的有限元模擬做了大量研究[9-10]，但關于鋪放加熱過程中的恒溫控制尚缺乏研究。由于熱塑性復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合材料內部熱應力和熱變形，進而對成型構件的力學性能有很大的影響，因此對熱塑性復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合材料自動鋪放設備為平臺[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系，在此基礎上構建紅外加熱恒溫閉環控制系統，制定相應控制策略，實現對熱塑性預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的研究

熱塑性復合材料自動鋪放設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。在紅外燈輻射區域內，輻射能不以任何物質為中介，直接輻射或經反射涂層反射到預浸料表面，被有效輻射的預浸料吸收輻射轉化為內部的蓄熱能[12]，其溫度升高，當達到樹脂熔點時，預浸料樹脂基體熔化，在壓輥壓力作用下，預浸料與底層鋪層熔合在一起，實現熱塑性復合材料原位固結成型。

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

圖2 管式紅外燈結構圖Fig.2 Structure of tubular infrared heating system for AFP

熱塑性復合材料自動鋪放原位成型過程中，紅外加熱系統完全開放，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]。因此關于自動鋪放過程紅外輻射傳熱的計算較復雜，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為燈絲發射率；σb為玻爾茲曼常數，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；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，通過調節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恒溫控制方程

熱塑性復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浸料表面，預浸料吸收輻射能轉化為內部的蓄熱能，使其溫度上升，由能量守恒定律可得預浸料吸收的輻射能與其溫度變化關系為：

Qa=cmΔT

(5)

式中:Qa為預浸料吸收的輻射能；c為預浸料的比熱容；m為吸收輻射能的預浸料質量；ΔT為預浸料的溫度變化，即ΔT=T2-T1，T1為環境溫度，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域內，假定此區域為有效輻射區域，因此有效輻射區域內預浸料吸收的輻射能有兩個路徑：直接輻射到預浸料表面的直接輻射能及經反射涂層反射到預浸料表面的間接輻射能。

把紅外燈燈絲1發射的輻射能直接輻射到預浸料表面2上的百分數記為X12，即燈絲1對有限輻射區域2的角系數；把紅外燈燈絲1發射的輻射能落到反射涂層3上的百分數記為X13，即燈絲1對涂層表面3的角系數；把經反射涂層3反射的輻射能落到有效輻射區域2的百分數記為X32，即涂層3對有效輻射區域2的角系數。因此，單位時間內直接輻射到有效輻射區域內的直接輻射能Q12為：

Q12=EiAX12

(6)

單位時間內經反射涂層反射到有效輻射區域內的間接輻射能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，因此有效輻射區域內預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系為：

(11)

由于角系數純屬幾何因子，其只與燈絲表面和有效輻射區域的形狀、大小及相對位置有關。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，而熱塑性復合材料自動鋪放設備的熱壓輥采用鋼材料制成，其變形量可忽略不計，從工程應用角度簡化，可認為加熱燈與預浸料表面的相對位置恒定，有效輻射區域保持不變，即角系數X12,X13,X32為常數。因此，由式(11)可得：

Pe=kΔTv

(12)

陳卓提到，近年來，我國農藥工業發展迅速，農藥產量逐年遞增，傳統產品出口增長，總量增大，進口產品推廣力度提升，農藥工業產業布局更趨于集中，加快了農藥綠色化進程。企業規模不斷擴大，農藥向高效發展。產業結構更趨合理，農藥清潔化水平提升。

式(12)即為熱塑性復合材料自動鋪放過程中動態恒溫控制數學模型，是控制系統進行數據運算、處理的依據，由此建立紅外燈加熱功率與鋪放速率之間的匹配關系。

2 紅外加熱動態恒溫控制策略

自動鋪放過程中鋪放速率會在較大的范圍內變化，若紅外加熱系統以恒功率加熱，必然導致預浸料表面受熱不均勻，而且在鋪放過程中當出現切紗或送紗等特殊位置需要鋪放設備暫停運動時，紅外燈必須迅速停止工作，防止預浸料表面過熱而使樹脂降解，因此紅外加熱系統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過程，預浸料融合區域溫度難以實時采集，且為保持預浸料加熱溫度恒定，加熱系統需具有良好的輸出功率快速響應特性。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，當干擾剛剛出現而又能被檢測時，前饋控制器就發出調節信號使控制量做出相應的調整，在產生偏差前，及時消除干擾作用，從而保持預浸料被恒溫加熱。

根據上述要求，設計熱塑性復合材料自動鋪放專用加熱系統，該系統應包括加熱機構、鋪放速率檢測單元及控制單元。如圖1所示，在導紗輥處安裝編碼器，編碼器滾輪與導紗輥嚙合，鋪放過程中，導紗輥旋轉帶動編碼器主軸旋轉，實時檢測鋪放速率。控制單元接收編碼器采集的速率信號，根據設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，調節紅外燈的加熱功率，從而根據鋪放速率實時調整紅外燈的輻射強度。圖3為紅外加熱控制系統原理圖。

圖3 紅外加熱控制系統原理圖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，而動態恒溫控制數學模型中采用的是速率信號，因此需將采集的脈沖量轉化成速率量。

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，即編碼器每旋轉一周發出N個脈沖，因此編碼器每發出一個脈沖對應編碼器滾輪的位移量為：

(13)

編碼器發出的脈沖信號，經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 加熱功率的調節

在紅外加熱控制系統中，通過調壓模塊調節紅外燈的加熱功率，因此必須明確紅外燈加熱功率與輸入電壓之間的關系。本實驗用的紅外燈為鹵素石英燈，燈內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系，分析實驗數據，如圖5所示。

圖5 加熱功率與輸入電壓的關系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的關系為：

Pe=0.00812U2+0.71826U-2.2658

(15)

控制單元根據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，調壓模塊根據比例關系輸出控制電壓至紅外燈，從而實現紅外燈加熱功率的調節。

3 實驗驗證與分析

為驗證建立的動態恒溫控制數學模型的準確性，本工作基于熱塑性復合材料自動鋪放實驗平臺，搭建紅外加熱恒溫控制系統及加熱溫度在線測量系統，該系統包括紅外加熱燈、控制單元、溫度采集單元、數據顯示及存儲單元，如圖6所示。

圖6 熱塑性復合材料自動鋪放紅外加熱系統 (a)熱塑性復合材料自動鋪放實驗平臺;(b)紅外加熱控制系統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，實現運算程序的傳輸及命令發送，另一方面根據采集的編碼器頻率及目標溫度，經運算程序計算輸出模擬量至調壓模塊，調節紅外燈加熱功率；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 溫度采集系統原理圖Fig.7 Diagram of the temperature acquisition system

溫度采集系統以Step7-300PLC為信號處理中心，通過Profibus-DP現場總線與西門子觸摸屏Smart 700建立通信網絡，系統以觸摸屏基于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。

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

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

根據圖8的擬合方程可計算出控制系數k=2.32。以k=2.32為控制系數，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為熱塑性復合材料自動鋪放紅外加熱溫度采集過程，設定目標溫度為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，但黏合區域的溫度始終接近預浸紗目標溫度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域的溫度Fig.12 Thermography for bounding point temperature

由以上實驗結果可得出，本工作構建的紅外加熱動態恒溫控制系統基本能夠滿足熱塑性復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出較好的適應性。

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。相同預浸料經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。由數據對比可見，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 結論

(1)針對熱塑性復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在鋪放速率從0.3m/min增大到0.9m/min時保證黏合區域的溫度始終接近預浸紗的目標溫度280℃，實現變速工況下快速響應，提高系統的控溫精度。

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

(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。