通过红外辅助的自动化纤维铺设技术提升热塑性复合材料的制造质量

《Frontiers in Manufacturing Technology》：Enhanced manufacturing quality of thermoplastic composites through infrared-assisted automated fiber placement

碳纤维/聚碳酸酯（CF/PC）复合材料采用红外辅助自动铺丝（IR-AFP）工艺参数优化，探究压强（343 N）与工具温度（100°C）对弯曲强度（521 MPa）和层间剪切强度（4.82 MPa）的影响，首次实现无次加工缺陷的平面CF/PC结构及3D打印模具上曲率铺层。

　　在当今工业制造领域，复合材料因其优异的力学性能、轻量化和可设计性，正逐渐成为关键材料。其中，碳纤维增强热塑性复合材料（CFRTPs）因其可重复加工性和可回收性而受到广泛关注。然而，传统的热压或自动缠绕工艺在处理CFRTPs时往往面临效率低、成本高以及工艺控制复杂等问题。为此，研究者们致力于开发更加高效、经济且可控的制造技术，其中红外辅助自动化纤维铺设（IR-assisted AFP）技术因其在无需高温高压环境下实现材料融合的潜力，成为研究热点。本文旨在探讨IR-assisted AFP工艺参数对CF/PC复合材料力学性能的影响，评估其在制造无缺陷结构中的应用前景，并展示其在半结构应用中的潜力。

### 1. 自动化纤维铺设与热塑性复合材料制造

自动化纤维铺设（AFP）和自动化带材铺设（ATP）作为先进的制造技术，相较于传统复合材料制造方式具有更高的生产效率、更精确的工艺控制以及更一致的制造质量。这些技术在处理热塑性材料时，能够实现“无气压”（out-of-autoclave, OOA）或“就地”（in-situ）加工，减少了对昂贵设备的依赖，提高了制造的经济性。热塑性复合材料由于其熔融再加工和热压成型的特性，可以在较短时间内完成加工，相较于热固性复合材料的制造周期缩短了约十倍。这一特性使得热塑性材料在汽车、航空航天和海洋工程等领域的应用前景更加广阔。

在AFP过程中，纤维铺设头通过快速加热和冷却实现层间材料的融合。然而，热塑性材料的高粘度和快速的层间融合过程使得其在自动化制造中存在一定的挑战。例如，不当的工艺参数可能导致层间结合不充分，从而影响最终材料的机械性能。因此，理解并优化工艺参数对于实现高质量、高性能的CFRTPs至关重要。已有研究表明，诸如铺设速度、加热方式（如激光或热气炬）、工具温度和压紧力等参数对CFRTPs的机械性能具有显著影响。然而，目前关于使用红外辅助技术进行CFRTPs制造的研究仍较为有限。

### 2. 材料与制造方法

本研究采用的CF/PC复合材料是由Covestro公司提供的碳纤维（1000T 170-00-01/44）与聚碳酸酯（PC）增强的预浸料（prepreg）。该材料的密度为1.5 g/cm3，碳纤维体积含量为44%，其带宽为12.7 mm，厚度为0.17 mm。CF/PC材料自2017年推出以来，已逐渐被应用于电子和汽车行业，作为半结构材料展现出良好的应用前景。

在制造过程中，采用了一种红外辅助的AFP设备，其由BROJETEC公司制造，配合KUKA五轴机器人实现自动化铺设。红外灯作为主要的加热源，用于促进材料的熔融和层间结合。为了进一步提升制造效率，研究者们还引入了热力学监测系统，利用高温度热敏电阻和Arduino微控制器进行实时温度采集。这种低成本、高可靠性的监测方式不仅有助于优化加热过程，还能在制造过程中及时发现红外灯的性能退化问题。

在铺设过程中，材料被放置在一个3D打印的聚醚酰亚胺（PEI）圆柱形模具上。该模具的设计和制造采用SOLIDWORKS软件进行建模，并使用INSTAMYS-FUNMAT-HT 3D打印机进行高温打印。为了验证模具的强度，研究团队还进行了有限元分析（FEA），以确保其能够承受AFP设备在制造过程中施加的344.35 N压紧力。结果显示，模具的最大Von Mises应力仅为0.043 MPa，远低于其极限拉伸强度（85 MPa），表明该模具具备良好的结构稳定性。

此外，为了实现复杂曲面结构的制造，研究者们利用HAL插件在Rhino软件中生成工具路径。这一过程确保了纤维铺设的准确性和一致性，同时减少了因路径规划不当导致的材料缺陷。在制造过程中，压紧力和工具温度是影响层间结合质量的关键参数，而切割力和张力对最终性能的影响相对较小。

### 3. 工艺参数对材料性能的影响

为了系统地研究工艺参数对CF/PC材料性能的影响，研究团队采用了一种结构化的实验设计方法（Design of Experiments, DOE）。该方法通过设定两个参数的两个水平（即最低和最高操作范围），并分析其对材料力学性能的影响。研究发现，压紧力和工具温度是影响CF/PC复合材料性能的关键因素，而红外功率和铺设速度则对工艺过程本身具有重要影响。

在DOE实验中，研究者们测试了四种不同的工艺条件，并记录了其对材料的弯曲强度和搭接剪切强度的影响。结果显示，当工具温度为100°C且压紧力为343 N时，CF/PC材料的弯曲强度和搭接剪切强度均达到最佳状态。这一条件下的弯曲强度为521 MPa，而搭接剪切强度则达到了4.82 MPa。相比之下，其他条件下的材料性能则有所下降。例如，在工具温度为30°C且压紧力为196 N的条件下，弯曲强度仅为300 MPa，而搭接剪切强度也仅为2.20 MPa。

为了进一步分析这些参数对材料性能的影响，研究者们采用了数字显微镜对材料的微观结构进行观察。结果显示，工具温度对层间结合质量具有显著影响，而压紧力则主要影响材料的压紧效果。当工具温度较低时，材料的粘性较高，导致层间结合不充分，从而引发剥离和分层现象。相反，较高的工具温度有助于材料的均匀加热，促进层间融合，减少材料缺陷。同时，压紧力的增加有助于提高材料的致密性，减少内部空隙的形成，从而改善材料的整体性能。

此外，研究还发现，不同材料的性能差异与工艺参数密切相关。例如，与激光辅助AFP相比，红外辅助AFP在制造CF/PC材料时展现出更高的成本效益和更低的安全风险。然而，其快速的加热和冷却过程可能导致材料内部温度分布不均，进而影响层间结合质量。因此，如何优化红外加热参数以实现均匀的温度分布，是未来研究的重要方向。

### 4. 机械性能分析

在材料性能测试方面，研究团队进行了弯曲强度、搭接剪切强度、拉伸强度和剥离强度的分析。其中，弯曲强度和搭接剪切强度是衡量材料层间结合质量的重要指标，而拉伸强度和剥离强度则反映了材料的整体性能和界面粘附能力。

在弯曲测试中，材料的弯曲强度随着工具温度和压紧力的增加而显著提升。当工具温度为100°C且压紧力为343 N时，材料的弯曲强度达到最高值，为521 MPa。相比之下，当工具温度较低或压紧力不足时，材料的弯曲强度则有所下降。此外，研究还发现，较高的工具温度有助于减少材料的分层现象，提高其整体结构稳定性。

在搭接剪切测试中，材料的搭接剪切强度同样受到工具温度和压紧力的影响。当工具温度为100°C且压紧力为343 N时，搭接剪切强度达到4.82 MPa，显著高于其他条件下的测试结果。这一结果表明，较高的工具温度和适当的压紧力能够有效提升CF/PC材料的层间结合能力，从而提高其在实际应用中的性能表现。

在拉伸测试中，材料的极限拉伸强度（UTS）和杨氏模量（Young’s modulus）均表现出较高的数值。当使用优化后的工艺参数（即工具温度为100°C且压紧力为343 N）时，材料的UTS达到831 MPa，杨氏模量为53 GPa。这些数值表明，CF/PC材料在IR-assisted AFP工艺下具有良好的机械性能，能够满足半结构应用的需求。

在剥离测试中，材料的剥离强度同样受到工具温度和压紧力的影响。当使用优化后的工艺参数时，材料的剥离强度达到1.95 kN/m，表明其在界面粘附方面具有较好的性能。然而，测试结果也显示，部分材料在剥离过程中表现出较大的标准偏差，这可能与材料的微观结构不均或工艺参数的微小波动有关。因此，进一步优化工艺参数以减少材料性能的波动，是未来研究的重要方向。

### 5. 实际应用与未来研究方向

本研究不仅展示了IR-assisted AFP在制造CF/PC材料方面的潜力，还成功实现了在3D打印模具上的铺设。这表明，该技术能够用于制造复杂曲面结构，为未来半结构件的生产提供了新的思路。此外，研究团队还制造了一种500×500×1 mm的平面复合材料，并通过水刀切割形成了用于无人机框架的孔洞结构。这一应用展示了CF/PC材料在轻量化结构制造中的可行性。

然而，尽管IR-assisted AFP在制造CF/PC材料方面展现出良好的性能，但仍存在一些需要进一步研究的问题。例如，如何减少材料中的空隙和热残余应力，以及如何优化工具路径以减少铺设过程中的缺陷。此外，如何利用机器学习技术对红外加热过程进行实时调控，也是未来研究的重要方向。

总的来说，本研究为CF/PC材料的制造提供了重要的理论支持和实验数据，展示了IR-assisted AFP在提升材料性能和制造效率方面的潜力。随着技术的不断进步，CF/PC材料有望在更多领域得到应用，如汽车、航空航天和海洋工程等。