冯梦尧，信春玲，任峰 ✉，翟玉娇，许文翀，马驰原，马宇飞，何亚东 ✉
北京化工大学机电工程学院，北京 100029
摘要：基于纤维铺放成型生产的复合材料层合板所出现的翘曲缺陷，运用合理表征方法，并运用形态学原理搭建无接触视觉测量平台对其进行识别，通过设计不同工艺参数对其进行优化，并探究翘曲度与拉伸性能的关系，并进一步对翘曲缺陷进行优化。结果表明，无接触视觉测量平台可以精准识别翘曲度，热风枪温度由300 ℃升到500 ℃，翘曲缺陷减小；翘曲度与拉伸性能呈负相关。通过加热模具的措施可以进一步优化翘曲。
关键词：热塑性复合材料; 纤维铺放成型; 翘曲缺陷; 边缘检测算法0 前言
随着科技和时代的发展和需求，人们对产品轻量化以及低碳环保的要求越来越突出，而传统金属材料已经难以满足这种发展趋势。连续纤维增强复合材料因其质量轻、强度高等优点［1-2］，在航空航天［3］、轨道交通［4］等领域广泛应用。
作为一种准脆性材料，连续增强复合材料分为热固性和热塑性两大类。相比于热固性而言，热塑性复合材料制造成本低，生产过程基本无污染，制品可回收并且可以反复加工，更加符合绿色环保可持续发展的理念，因而成为重要的研究方向。
在复合材料研究进程中，其成型技术是极为重要的环节。传统技术如热压罐成型［5］、缠绕成型［6］、模压成型［7］和拉挤成型［8］等虽然可以进行生产，但是其设备投资大且制件尺寸受限，研究人员仍然在成型设备发展进行研究和突破。近年来增材制造的发展，人们也开发出了3D打印成型［9］和自动铺放成型［10］。其中，相比3D打印成型而言，自动铺放成型的不仅可以制造复杂构件，而且其制品性能较好。由于复合材料主要是拉伸性能极佳，大多数应用场景承载拉伸载荷，所以其主要表征手段为拉伸强度，此外还有弯曲强度和剪切强度等。自动铺放成型制品性能直接影响因素是铺放制品的结构，而铺放过程中很多类型的制造缺陷无法避免。这些缺陷会影响最终的制品性能，表征缺陷并对缺陷对性能的影响是众多学者的研究方向。同时，缺陷的产生有很多因素，其中设备工艺参数是缺陷产生的主要原因，通过对工艺参数优化缺陷提高性能也是研究重点之一。Eldho Mathew等［11］研究了不同压辊压力以及有无基层预浸料对层合板构件的拉伸性能和弯曲性能的影响，结果表明，在无基层预浸料的情况下，0.35 MPa的压力下，其拉伸强度相比于0.2 MPa和0.5 MPa的压力分别增加了10 %和6.4 %。在拥有基本预浸料时，0.35 MPa的压力，其拉伸强度相比于0.2 MPa和0.5 MPa分别增加了5.5 %和3.5 %。这是因为0.2 MPa不能为层与层之间提供足够的黏聚力，而0.5 MPa的压辊压力过高，从而导致单层预浸料变得更宽更薄。A Forcelles等［12］详细研究了R？AFP生产碳纤维层合板过程中树脂质量分数以及压辊压力对拉伸性能的影响，结果表明，树脂质量分数降低会使拉伸强度和弹性模量升高，当铺放过程中压辊压力为0.08 MPa时，树脂质量分数从35.9 %降至25.1 %，层合板拉伸强度和弹性模量分别增加13 %和5 %，当增加压辊压力时强度和模量会继续增加，0.16 MPa压力下分别增加18 %和14 %，在2.4 MPa时随着树脂含量降低，拉伸强度和模量增加22 %和17 %。此外，该文还探究了热成像在实时铺放过程中检测空隙和层叠缺陷的可靠性。MH Nguyen等［13］研究了空隙和层叠对拉伸性能的影响并根据DIC数字图像技术捕捉失效过程中全场应变数据，结果表明，随着空隙缺陷的增大，拉伸强度下降了60 %，而随着层叠的缺陷增大，拉伸强度提高了20 %，Liu等［14］研究了层内波纹及翘曲等缺陷对力学性能的影响，并提出等温结晶工艺优化减少缺陷，以此提高性能。王鑫等［15］运用超声辅助加热层合板，并对工艺参数进行优化，结果表明，采用超声铺放成型的拉伸强度达到了热压的80.4 %。
基于以上分析，在自动铺放成型制造复合材料层合板过程中，会出现褶皱、空隙和层叠以及翘曲等缺陷，这些制造缺陷会对最终的力学性能产生影响。本文主要探究铺放成型过程中工艺参数对复合材料层合板翘曲缺陷的影响，并分析原因，通过加热模具来翘曲度进一步优化。考虑到翘曲缺陷通过需要手工测量，测量困难并且存在人为因素的误差，搭建视觉测量系统来识别翘曲。
1 实验部分
1.1 主要原料
玻璃纤维聚丙烯单向带（GF/PP），厚度0.25 mm，宽度20 mm，杰士杰新材料有限公司。
1.2 主要设备及仪器
自动铺放成型设备：本实验室自行搭建的龙门式纤维铺放机器人，如图1所示，其拥有3个自由度为xyz方向运动。
图1 龙门式纤维铺放机器人
Fig.1 Gantry？type fiber placement robot
纤维铺放头是铺放机器人最主要的部分，如图2所示，由压辊，热风枪和切刀等部分组成。
图2 纤维铺放头
Fig.2 Fiber placement head
设备工作原理如图3所示，由机械臂控制纤维铺放的速度，在铺放过程中热风枪加热使单向带树脂熔融，然后通过压辊的作用使得单向带在黏合区域紧密结合，单向带在热力耦合的作用下与已铺层黏合，压辊和热风枪在机械臂移动下不断重复上述过程，通过预定轨迹的堆叠最终形成构件。
图3 铺放过程工作示意图
Fig.3 Schematic diagram of the laying process
在纤维铺放过程中，铺放头对于玻璃纤维聚丙烯单向带（GFPP）的黏合过程如图4所示。首先，通过热风枪加热GFPP。随着铺放进行，压辊开始施加压力，GFPP在热力和压力的作用下黏合，黏合完成后冷却。铺放机器人重复此过程，最终形成复合材料层合板。
图4 玻璃纤维聚丙烯单向带形成层合板过程
Fig.4 Process of forming laminate from GFPP
1.3 翘曲度的表征
对于复合材料层合板翘曲程度的表征方法，本人沿用文献［16］的表征方法，如图5所示，表达式为：
式中 Rwarpage——复合材料层合板翘曲程度
H——层合板翘曲的垂直高度，mm
L——层合板的长度，mm
考虑到复合材料翘曲度极小的改变可能对力学性能亦有很大影响，而人工测量方法工作量极大，存在一定误差，并且每次测量耗时长，不能实时测量。基于此考虑，运用图像处理相关知识及形态学原理，搭建视觉测量平台，以此避免人为误差，并且支持实时测量。
图5 复合材料层合板翘曲程度测量方法
Fig.5 Measurement method for warpage degree of composite laminate
1.4 无接触视觉测量平台搭建
本节采用龙门式支架作为工业相机平台，硬件设备设计流程图如图6所示。整体装配后如图7所示。
图6 视觉测量硬件平台设计流程图
Fig.6 Flowchart of visual measurement hardware platform design
图7 视觉测量硬件平台
Fig.7 Vision measurement hardware platform
考虑到，翘曲度的表征为H和L的比值，所以并不需要测量出其真实长度，只需要得到长像素点的距离和宽像素点距离即可。在此基础上采用Canny边缘检测算法，其流程如图8所示。
图8 翘曲度算法设计
Fig.8 Warpage algorithm design
以上，Canny边缘检测算法处理前后图像如图9所示。
图9 Canny边缘检测算法处理前后的图像
Fig.9 Images before and after processing with the Canny edge detection algorithm
此时通过轮廓检测时可以识别两个或者多个轮廓，通过轮廓剔除方法只输出纤维带轮廓如图10所示。
图10 轮廓识别与翘曲轮廓输出
Fig.10 Contour recognition and warping contour output
在输出轮廓后，考虑到翘曲度的表征为比值，所以并不需要测量出其真实长度，只需要得到长像素点的距离和宽像素点距离即可，如图11所示。
图11 翘曲度计算输出
Fig.11 Warping degree calculation output
2 结果与讨论
根据实验设备所能支持的参数范围以及材料性能设计实验方案，并运用上述搭建无接触测量平台测量不同工艺下的翘曲程度，实验方案及翘曲度如表1所示。
表1 不同工艺参数实验及翘曲度
Tab.1 Experiments with different process parameters and warpage
由于工艺参数对翘曲度的影响极为复杂，通过简单的数据分析以及多项式回归方法很难建立模型，从表中可以看出，温度为350 ℃时翘曲度较高，而为500 ℃时较低。
测量其拉伸载荷，翘曲度与拉伸载荷的关系如图12所示。
图12 翘曲度与拉伸性能趋势
Fig.12 Trends between warping degree and tensile performance
从宏观角度上，随着翘曲度增大，拉伸性能逐渐降低，数据略有波动，这可能是因为纤维带不同段本身性能存在一定差异，以及拉伸性能测试过程中的误差。但是总体趋势降低，通过优化翘曲的方式来提高力学性能这一方法具有可靠性。
为了进一步优化翘曲，考虑到模具底板与复合材料层合板热膨胀系数以及导热系数不同，这在冷却过程也会使得复合材料层合板出现冷却残余应力，所以增加一个模具温度工艺参数，实验方案及翘曲度如表2所示。
表2 铺放机器人加热模具试验
Tab.2 Experiments with a heated mold for the placement robot
模具温度与翘曲度关系如图13所示。
图13 模具温度与翘曲度关系
Fig.13 The relationship between mold temperature and warpage
可以看出，当模具温度升高时，翘曲程度的阈值区间下降。采用加热模具的措施，翘曲最小值从0.034降到0.019。
对比热风枪温度、铺放速度、压辊压力相同时，加热模具前后的翘曲度如图14所示。
图14 热风枪温度、铺放速度、压辊压力相同时加热模具前后翘曲度对比
Fig.14 Comparison of warpage before and after heating the mold
可以看出，在原有的热风枪温度、铺放速度、压辊压力基础上采用加热模具措施后，翘曲程度具有不同程度的降低，证明这是一种减小翘曲极为有效的措施，也与文献［14］所研究“等温结晶工艺”采用方法一致。
3 结论
（1）对翘曲度进行表征，通过搭建及设计视觉测量系统对其进行识别，结果表明，这种方法可以代替手工测量方法，并实现实时测量功能；
（2）通过设计试验方案，探究工艺参数对翘曲度的影响，结果表明，随着热风枪温度升高，翘曲度减小；翘曲度越小，拉伸性能越好；
（3）通过加热底板温度，可以进一步优化翘曲，优化后最佳工艺参数为热风枪温度425 ℃、铺放速度7 mm/s，压辊压力0.2 MPa，模具温度75 ℃。
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