热塑性复合材料原位成型工艺及其关键技术是复合材料领域的重要研究方向，该工艺通过直接在产品上成型复合材料，实现了高效、低成本的生产方式。以下是对热塑性复合材料原位成型工艺及关键技术的详细阐述：
一、热塑性复合材料原位成型工艺概述
热塑性复合材料原位成型工艺是一种先进的成型方法，其基本原理是将热塑性预浸带经过导向系统送至铺放头，通过热源将预浸带中的热塑性树脂加热熔融，随后利用压力辊进行加压铺放，并最终冷却定型。整个过程通过控制单元实现闭环控制，确保热源热量和角度的精确调节，同时采用热成像仪对切点温度进行实时反馈，以保证成型质量。
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二、热塑性复合材料原位成型工艺的优点
- 尺寸无限制：解决了超大、超厚制件尺寸受热压罐等传统成型设备尺寸限制的问题。
高效低成本：作为一种在线成型方式，无需后处理过程，缩短了产品流转周期，提高了生产效率，降低了生产成本。
性能优良：热塑性复合材料本身具有优良的损伤容限、耐温性能和可回收性等特点，使得原位成型工艺制备的产品在性能上更具优势。
三、关键技术
热塑性复合材料原位成型工艺的关键技术主要包括铺放级预浸料制备技术和加热铺放头的设计制造技术。
- 铺放级预浸料制备技术
- 材料选择：需选用适合原位成型工艺的热塑性树脂和纤维材料，确保预浸料在加热熔融过程中具有良好的流动性和浸润性。
制备工艺：通过优化预浸料的制备工艺，如控制树脂含量、纤维分布和表面树脂层厚度等，以提高预浸料的质量，满足原位成型工艺的要求。
质量控制：对预浸料进行严格的质量控制，包括孔隙率、纤维树脂分布均匀性、表面树脂层厚度等指标的检测，确保预浸料的质量稳定可靠。
- 加热铺放头的设计制造技术
- 热源选择：根据具体工艺需求选择合适的热源类型，如燃气辅助型、激光辅助型等，确保热源能够提供足够的热量并均匀加热预浸带。
铺放头设计：设计合理的铺放头结构，包括加热元件、压力辊、导向系统等部件的布局和配合关系，以实现预浸带的精确铺放和加压。
控制系统：开发先进的控制系统，实现热源热量和角度的精确调节，以及铺放过程的实时监控和反馈，确保成型过程的稳定性和可靠性。
四、国内外研究进展
- 美国：以Automated Dynamics公司为代表，从20世纪90年代开始将原位成型技术应用于超大型潜艇壳体的制备。该公司与兰利研究中心合作开发了燃气辅助型铺放头，并不断优化预浸料制备工艺，实现了热塑性复合材料产品的规模化生产。
欧洲：欧洲是热塑性复合材料研发的温床，得益于热塑性复合材料研究中心的推动。荷兰的Twente大学、Victrex和TenCate公司等机构在热塑性树脂和预浸料的研究方面取得了显著成果。Astrium Space Transportation公司等航天企业则将原位成型技术应用于火箭发射器等航天器的制造中，实现了技术的跨越式发展。
五、未来发展趋势
随着科技的不断进步和工艺的不断优化，热塑性复合材料原位成型工艺将在更多领域得到应用和推广。未来发展趋势可能包括以下几个方面：
- 材料创新：开发新型热塑性树脂和纤维材料，提高复合材料的综合性能。
工艺优化：通过优化预浸料制备工艺和加热铺放头设计制造技术，进一步提高原位成型工艺的生产效率和产品质量。
智能化生产：将智能化技术引入原位成型工艺中，实现生产过程的自动化、智能化和远程监控。
环保可持续发展：注重环保和可持续发展理念在原位成型工艺中的应用和推广，推动绿色制造和循环经济的发展。
