熱塑性復合材料原位成型工藝及其關鍵技術是復合材料領域的重要研究方向，該工藝通過直接在產品上成型復合材料，實現了高效、低成本的生產方式。以下是對熱塑性復合材料原位成型工藝及關鍵技術的詳細闡述：
一、熱塑性復合材料原位成型工藝概述
熱塑性復合材料原位成型工藝是一種先進的成型方法，其基本原理是將熱塑性預浸帶經過導向系統送至鋪放頭，通過熱源將預浸帶中的熱塑性樹脂加熱熔融，隨后利用壓力輥進行加壓鋪放，并最終冷卻定型。整個過程通過控制單元實現閉環控制，確保熱源熱量和角度的精確調節，同時采用熱成像儀對切點溫度進行實時反饋，以保證成型質量。
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二、熱塑性復合材料原位成型工藝的優點
- 尺寸無限制：解決了超大、超厚制件尺寸受熱壓罐等傳統成型設備尺寸限制的問題。
高效低成本：作為一種在線成型方式，無需后處理過程，縮短了產品流轉周期，提高了生產效率，降低了生產成本。
性能優良：熱塑性復合材料本身具有優良的損傷容限、耐溫性能和可回收性等特點，使得原位成型工藝制備的產品在性能上更具優勢。
三、關鍵技術
熱塑性復合材料原位成型工藝的關鍵技術主要包括鋪放級預浸料制備技術和加熱鋪放頭的設計制造技術。
- 鋪放級預浸料制備技術
- 材料選擇：需選用適合原位成型工藝的熱塑性樹脂和纖維材料，確保預浸料在加熱熔融過程中具有良好的流動性和浸潤性。
制備工藝：通過優化預浸料的制備工藝，如控制樹脂含量、纖維分布和表面樹脂層厚度等，以提高預浸料的質量，滿足原位成型工藝的要求。
質量控制：對預浸料進行嚴格的質量控制，包括孔隙率、纖維樹脂分布均勻性、表面樹脂層厚度等指標的檢測，確保預浸料的質量穩定可靠。
- 加熱鋪放頭的設計制造技術
- 熱源選擇：根據具體工藝需求選擇合適的熱源類型，如燃氣輔助型、激光輔助型等，確保熱源能夠提供足夠的熱量并均勻加熱預浸帶。
鋪放頭設計：設計合理的鋪放頭結構，包括加熱元件、壓力輥、導向系統等部件的布局和配合關系，以實現預浸帶的精確鋪放和加壓。
控制系統：開發先進的控制系統，實現熱源熱量和角度的精確調節，以及鋪放過程的實時監控和反饋，確保成型過程的穩定性和可靠性。
四、國內外研究進展
- 美國：以Automated Dynamics公司為代表，從20世紀90年代開始將原位成型技術應用于超大型潛艇殼體的制備。該公司與蘭利研究中心合作開發了燃氣輔助型鋪放頭，并不斷優化預浸料制備工藝，實現了熱塑性復合材料產品的規模化生產。
歐洲：歐洲是熱塑性復合材料研發的溫床，得益于熱塑性復合材料研究中心的推動。荷蘭的Twente大學、Victrex和TenCate公司等機構在熱塑性樹脂和預浸料的研究方面取得了顯著成果。Astrium Space Transportation公司等航天企業則將原位成型技術應用于火箭發射器等航天器的制造中，實現了技術的跨越式發展。
五、未來發展趨勢
隨著科技的不斷進步和工藝的不斷優化，熱塑性復合材料原位成型工藝將在更多領域得到應用和推廣。未來發展趨勢可能包括以下幾個方面：
- 材料創新：開發新型熱塑性樹脂和纖維材料，提高復合材料的綜合性能。
工藝優化：通過優化預浸料制備工藝和加熱鋪放頭設計制造技術，進一步提高原位成型工藝的生產效率和產品質量。
智能化生產：將智能化技術引入原位成型工藝中，實現生產過程的自動化、智能化和遠程監控。
環保可持續發展：注重環保和可持續發展理念在原位成型工藝中的應用和推廣，推動綠色制造和循環經濟的發展。
