弹性的纤维铺放模、包括该铺放模的铺放装置以及该装置的应用的制作方法

专利名称：弹性的纤维铺放模、包括该铺放模的铺放装置以及该装置的应用的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于铺放纤维片段的铺放装置。本发明还涉及一种该
铺放装置中使用的铺放模(Legestempd)。根据本发明的铺放装置尤其适 合用在按载荷流排列的(kraftflussgerechte)纤维复合结构的预成型件的 制造方法中。
背景技术：
在所有类型的运载工具的结构中，特别是在飞行器和航天器的结构中， 也在诸如机械工程的其它工业分支中，对高强轻质且有成本效益的材料的 需求越来越大。特别地，纤维复合材料具有突出的轻质结构潜力。其原理
在于特别高强且坚挺的纤维以按载荷流排列的方式内嵌于基体内的事实， 从而通过使用现有技术生产出具有显著机械特性的部件，该部件的重量在 可比性能下比铝结构小典型地为25%，比钢结构小50%。缺点是材料成本 高，特别是费力且主要是手工制造。
因此需要一种间隔放置纤维的自动化的方便制造的机器。 为生产具有按载荷流排列的纤维的纤维复合结构，目前已经针对包括 预浸料在内的可选应用制成了作为纺织半成品的所谓的预成型件。这些主 要是具有按载荷流排列的纤维取向的二维或三维结构。至今，无端纤维沿 装载方向放置，且通过使用来自纺织工程的装置和技术一一通常是缝纫、 编织等一一进行预先固定。用于制造此类预成型件的设备和方法的示例公 开于DE 30 03 666 Al、 DE 196 24 912、 DE 197 26 831 Al和DE 100 05 202 Al中。
然而考虑到其实施和加工技术，已知的用于制造预成型件的方法是复200880015853.5
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杂的。尤其是对于希望具有变化密度的弯曲的载荷流线的部件，不可能使 用先前的方法来制造相应的按载荷流排列的部件。特别地，纤维不能沿确 定的曲线路径任意取向，且纤维含量不能局部变化。

发明内容
因此，本发明的目的在于提供一种用在按载荷流排列的纤维复合结构 的纺织半成品的制造过程中的装置，对于所述纤维复合结构，纤维能够更 好地适应复杂的载荷流。
该目的通过根据所附权利要求1的铺放装置实现。
用于该铺放装置中的铺放模和在纤维复合结构的制造方法中的有益的
应用是从属权利要求(Nebenansprtiche)的主题。 本发明的有利实施方式是从属权利要求的主题。
根据本发明，提供了一种用于铺放纤维片段的铺放装置，该铺放装置 具有可弹性变形的表面，以用于将纤维片段以二维的方式压靠在三维的形 成表面上。
该装置允许例如将纤维片段沿任意表面几何形状放置，例如甚至是沿 三维的弯曲的表面结构。
在可优选地使用铺放装置的纺织半成品的制造方法中，可通过首先将 纤维丝束、优选是纱散布(铺散，Aufspreizen)为平的形式来制造预成型 件。从该散布的纤维丝束切割出优选具有预定长度的纤维带片段，下文也 称作片段。随后，纤维带片段被拾捡并通过铺放装置^L^置于预定位置。 纤维带片段在该铺放装置上由粘合剂材料固定。重复进行纤维带片段的切 割、放置和固定，使得纤维带片段^^文置并固定于不同的预定位置。其优 选实施方式是，通过相互相邻固定和/或固定于可能的其它预成型件组成部 分的多个片段形成具有对应的按负载流排列的纤维取向的希望的预成型 件。这样还可能例如通过将片段以按负载流排列的方式放置于特别地承受 应力的位置处来特别地加固按传统方法生产的预成型件的一部分。
通常也可被称作纤维片段预成型技术的这种方法能实现将短纤维片段
6(片段)通过特殊的铺放过程放置在精确位置。预成型件的所需特性可以 通过纤维片段的取向和数量获得。
根据本发明的铺放装置能实现纤维片段沿复杂的三维弯曲表面取向。
在一优选实施例中，该铺放装置在这种纤维片段预成型技术(FPP) 的范围内适合于根据特殊的布局来精确定位用粘合剂浸渍且,皮切割成预定 几何形状的纤维片段(片段)。为此提供的铺放模形成铺放装置的一部分，
且能以不同几何形状变型祐:使用，例如以正方形的形式或以辊子的形式等。 可弹性变形的表面优选地设置在一弹性体上。特别是柔性表面优选地 由硅树脂制成，硅树脂是一种弹性体，其能够经受4艮多载荷周期，且同时 具有分离功能，这特别是对于用粘合剂浸渍的纤维的传输和对于纤维的放 置是有益的。
利用弹性体的表面适应性类似于移印技术，尽管尚不知道在铺放装置 中的任何类似的应用。
在铺放装置的一优选应用中，在制造预成型件的范围内，特别地可以 通过散布的短切纤维片段的放置来得到按负载流排列的预成型件。纤维切 割系统例如将特别预制的用粘合剂浸渍的纤维带切割成短的片段，并将其 传送到真空带传送器，纤维带片段在真空带传送器处被分离，并被传送到 铺放装置。纤维带片段向铺放装置的铺放头的传送通过抽吸模块和M模 块的结合平稳地进行。
在一优选实施例中，铺放装置设有用于粘合剂材料的活化装置，例如 设有位于铺放头上的加热装置，该加热装置在纤维带片段被传送到要放置 的位置的过程中将其加热，并从而活化粘合剂。铺放头将纤维带片段压在 预定位置，然后优选地通过吹放脉冲移开。随后，铺放头返回其初始位置。
为了生产甚至是复杂的三维结构，提出例如在放置过程中将纤维带片 段压在用于预制件的形成表面的部分上。
包括柔性表面或压力表面的铺放装置的铺放头优选地被全自动地控 制，使得其能够在纤维片段被拾捡的至少 一个或多个拾捡位置一一例如， 所述纤维带片段的各拾捡位置一一和相应的预定位置之间往复运动。为了将纤维带片段精确放置在预期位置，还优选将纤维段靠着柔性表面保持。这优选地可通过气力实现，特别是通过抽吸和吹放操作。通过气力抽吸保持纤维带片段的优点在于，除了简化了纤维段的拾捡之外，纤维段还能平放在表面上而不发生扭曲。特别是在要被放置的纤维带片段处于平的散布的状态下时，纤维带片段能容易地通过抽吸被保持。
在用于移动柔性表面以进行放置操作的定位装置附加地设置有用于使表面旋转或枢转的装置时，纤维段能容易地以相互不同的纤维取向被放置，从而能实现使纤维取向能跟随更加弯曲的预定路径的放置操作。
因此，在一优选实施例中，铺放装置适于快速平稳地拾捡纤维段例如纤维切条，且适于将它们传送到一确定的放置位置。在传送过程中，活化装置将用于固定纤维的粘合剂材料活化。例如集成在接触面中的加热器加热(粘合剂)材料，并从而将存在于纤维切条上的粘合剂活化。
在其放置位置，纤维段被压在例如预型件的表面，柔性表面适合于该表面几何形状。
另外，在放置位置，已经这样被施加的纤维的组有利地通过吹放脉冲被释放。这也有助于冷却粘合剂材料。粘合剂材料在放置位置被冷却并固化，从而固定纤维。当铺放头返回拾捡位置以拾捡下一纤维段时，纤维材料保持在放置位置。


将通过附图更详细地说明本发明的实施例，其中图1是生产按载荷流排列的纤维复合结构所用的预成型件的制造设备的示意性总图la是图1的设备的可供选择的实施例在点划线标识的分界面处的示意图2是图1所示设备的展开装置的示意图，该展开装置用于展开在根据图1的设备中加工的纤维丝束；
图3是图2的展开装置中所用的位置传感器的示意性透视图及其特性曲线；
图4是散布装置的透视图，用于说明根据图l的设备中所用的纤维丝
束的散布的操作原理；
图5是用于根据图1的设备中的散布装置的示意性透视图6a是用于根据图1的设备中的松放装置的示意性侧视图6b是图6a的松放装置的操作原理的示意图7是用于根据图1的设备中的粘合剂浸渍装置的示意性侧视图8是制造预成型件的设备的一实施例中所使用的切割及铺放装置的
组合的示意性側视图9/10是图8的切割装置的操作原理的示意图11是通过图1或图8所示的设备之一铺放纤维的预定路径的示意
图12是通过图l所示的设备铺放的一系列纤维带片段；
图13是要在图l或图8所示的设备中制造的预成型件的示意图14是根据图l或图8的铺放装置中所用的铺放头的示意性剖面图15是图14的铺放头的仰视图；和
图16是图8的铺放装置的详细的示意性透视图。
具体实施例方式
图1示出了总体由附图标记10表示的预成型件制造设备的总视图。该预成型件制造设备允许用按载荷流排列的纤维丝制造复杂的纺织半成品，以便即使在半成品具有复杂结构的情况下也能以简单的方式制造纤维复合结构。该纺织半成品被称作预成型件。这些预成型件由通过粘合剂材料固定的各短纤维段在根据图1的设备中制造，这些纤维段可以预先从经特别预处理的纤维丝束或纤维带中切割得到。因此，预成型件制造设备可包括用于纤维带14的可能的准备工作的准备模块12和用于切割并铺放纤维带片段的切割及铺放模块16。由点划线表明模块12和16间可能的分界15。
图1示出了总体由附图标记10表示的预成型件制造设备的总视图。该
9预成型件制造设备允许用按载荷流排列的纤维丝制造复杂的纺织半成品，以便即使在半成品具有复杂结构的情况下也能以简单的方式制造纤维复合
结构。该纺织半成品;陂称作预成型件。
该设备适于加工不同的原材料。这些预成型件由通过粘合剂材料固定的各短纤维段在根据图l的设备中制造。这些纤维段可以预先从经特别预处理的纤维丝束或纤维带中切割得到。
另 一技术规定了这些短纤维段从预先浸渍的半成品得到。该预先浸渍的半成品提供成用粘合剂材料浸渍过的纤维丝束或纤维带，短纤维段从该纤维丝束或纤维带中切割得到。预成型件制造设备可包括用于纤维带14的可能的准备工作的准备模块12和用于切割并铺放纤维带片段的切割及铺放模块16。由点划线表明模块12和16间可能的分界15。
图1示出了该切割及铺放模块16的第一实施例；该切割及铺放模块16的第二实施例在图8中示出。
首先参考图1说明预成型件制造设备10的整体结构和操作原理。其后将参考

各模块。
如图1所示，预成型件制造设备10包括展开装置18、散布装置20、粘合剂浸渍装置22、切割装置24、传送装置26、铺放装置28和预成型件30。各装置18、 20、 22、 24、 26、 28和30可各自独立工作，且可用于在没有相应其它装置时实现其预期目的。当前公开内容因此分别且单独地包括各装置12、 16、 18、 20、 22、 24、 26、 28、 30。
展开装置18用于提供诸如纱32的纤维丝束。如下文更详细地说明，展开装置18的构造方式使得纱32可以不扭曲地被展开。为制造碳纤维增强(CFC)部件，所说明的实施例中使用了碳纱。
散布装置20用于尽可能宽地散布纱32的各丝，以便从并排放置的各丝的尽可能少的层中提供尽可能平的纤维带14。为此，散布装置20包括下文将更详细说明的散布器34和松放器36。
粘合剂浸渍装置22用于向纤维带14的丝和/或其各纤维带片段提供粘合剂材料38,该粘合剂材料用于在预成型件中固定纤维带片段。在图l所示的实施例中，粘合剂浸渍装置22形成准备模块12的一部分，且因此用于为散布的纤维带14提供粘合剂材料38。在未详细说明的预成型件制造设备10的实施例中，粘合剂浸渍装置22可附加地或可选择地与切割及铺放模块16相关，从而为已切割得到的纤维带片段提供粘合剂材料38。
切割装置24设计成用于从纤维带14切割确定长度的段(纤维段)。下文中，各纤维带片段指的是片段40、 40，、 40"。
传送装置26用于分离片段40并将其传送至铺放装置28。铺放装置28构造成使得其能够拾捡各片段40并将其放置于确定位置，在本例中放置于预型件30上。预型件30用于为预成型件42提供预定的三维表面设计。
预成型件制造设备10还包括具有多个控制器44a、44b的控制装置44。控制装置44控制各装置12、 18、 20、 22、 26、 30，使得预成型件42由各片段40以拼接的方式构成。
因此，预成型件制造设备10使得下述用于按载荷流排列的纤维复合结构的预成型件42的制造方法能自动进行
首先，以纱32形式存在的纤维丝束被散布，且被供给粘合剂材料38，该粘合剂材料在该实施例中可以是热活化的。由此提供的用粘合剂浸渍的纤维带14随后被切割为确定长度的段，即片段40。分离该片段40并将其传送至铺放装置28。铺放装置28将每个片段放置于其各自在预型件30上的预先确定的位置46，并将片段40压靠在预型件30上。
因此，使用预成型件制造设备10能实现一种纤维片段预成型技术，其能通过特殊的铺放方法实现短纤维段的精确定位。预成型件42的所需特性可通过纤维段的取向和数量获得。因此可以沿确定的曲线路径确定纤维取向，且纤维含量可以局部变化。
通过散布的短切纤维带片段一一片段40——的铺放，可以制造最佳地按载荷流排列的预成型件42。纤维切割装置48将经特别预制的粘合剂浸渍的纤维带14切割成短段并将其传送至传送装置26的真空带传送器50。
片段40从真空带传送器50向铺放装置28的铺放头52的传送通过抽
ii吸和吹放模块的组合结构平稳地实现。铺放头52在片段40传送至其i文置 位置期间将其加热，从而活化粘合剂材料38。铺放头52将片段40压在预 先确定的位置上，并随后通过吹放脉冲移开。随后，铺放头52返回初始位 置。
该技术实现了复杂的纤维预成型件的全自动生产。诸如纤维含量、纤 维取向和曲率半径等#可大范围地变化。
在此处说明的实施例中，使用散布的碳纤维代替纺织半成品来制造预 成型件42。与预先制造的使用长纤维的层相比，纤维的长度很短(只有几 厘米)。在片段40中，通过短纤维的精确定位，可获得类似于长纤维复合 物的高才几械特性。
短纤维可沿复杂的载荷流相对精确地放置。上述用于制造这种预成型 件的纺织品切割仅仅使得能设定最佳取向。因此通过此处说明的技术可以 生产极端的几何形状。该制造方法是全自动的，且可以实现预成型件内的 厚度变化和/或改变纤维体积含量。
在图1说明的预成型件制造设备10的实施例中，使用激光54作为切 割及铺放模块16中的纤维切割工具48。该激光是过程控制的，且可以相 对纤维带14精确移动。此外，在图1中，机械手示出为用于移动铺;^文头的 才几械铺i文系统184。预型件30可相对于该4几械手按确定方式精确地移动和 旋转，从而以简单方式产生预成型件42的复杂的3D结构。
概括地说，此处说明的纤维片段预成型技术的原理基于尽可能宽地散 布碳纤维纱32、将其用粘合剂粉末涂覆、并通过使用新型切割技术将其切 割为确定长度的段，即所谓的片段40。这些片段40随后由特殊的铺放装 置28拾捡、放置于预定位置并由粘合剂材料38固定。这样能生产出最大 变化的部件几何形状和纤维结构。
在本文所述的制造方法中使用了散布纤维。圩维散布形成了避免纤维 端在稍后的复合材料中的局部积聚的基础，因为局部积聚引起应力集中， 这在最坏情况下可能导致部件的故障。散布减小了纱32的厚度。因此更多 连续的纤维可到达纤维端的影响区域且补偿应力的最高值。此外，在重叠
12铺放时，位于纱32的切割端上的阶梯部或肩部减小。在无散布的纱中，该 阶梯部或肩部可以高达250 u m，且可能导致位于其顶部上的碳纤维偏离载 荷流方向。此外，该处可能形成富含树脂的区域，这将不利地影响材料的 强度。
为了尽可能有效地实施散布操作，应该避免纱32的扭曲，因为横向运 动的长丝会再次束紧散布的纱。散布状态的纱32内的张力应该是恒定的，
因为散布宽度和散布质量可能受张力差异的影响。
下文参考图2更详细说明的展开装置18用于实现纱32以非扭曲状态 从供线轴56的传送并补偿纱32在其从供线轴56抽出时的摆动。为此，展 开装置18包括供线轴56的活动支架58，该活动支架58设计成使得供线 轴56可相应地接合纱32的正被展开的部分的位置，从而使展开位置尽量 保持恒定。
为此，支架58包括沿直线导轨60支承的滑动部分62。该滑动部分62 可依靠步进电机移动，在所示实施例中，在供线轴56的旋转轴线的方向上 依靠传动螺杆64移动。滑动部分62由带有集成的控制器的电机66驱动。 传感器68监控纱32的当前位置70，并从而控制电机66的旋转。
在图3中连同其特性曲线一起示出的光敏二极管72用作传感器68。 光敏二极管72的二极管队列记录纱32的阴影并通过放大电路(未进一步 示出)将该位置作为模拟信号输出。阴影的中心对应于根据位置变化的特 定电压。该模拟信号作为双极张力信号传送至电机66的控制器，O伏特对 应于传感器中心。此外，传感器68暴露在来自IR-LED聚光灯的诸如 lOKHz的特定频率的闪光下，以避免测量信号受环境光照的影响。传感器 68被最优化以满足补偿供线轴56上的纱32的位置的展开操作的特殊要 求，也允许对诸如中心的移动的进一步调整和对弯曲度的调整。空间分析 光敏二极管72和可控伺服电机66相结合的优点在于，依靠纱32的当前移 动速度实现相对的运动。相对低速的补偿移动在低的展开速度下实现，而 高的展开速度实现相应较快的相对的运动。这使得正被放开的纱32能作为 平的带或带子74几乎不摆动。在展开装置18的端部，纱32以S形运动绕两个小线轴75通过，所述小线轴在本例中是两个缩腰不锈钢线轴，它们附 加地平息最终摆动。不同于图l所示方式，展开装置18也可完全独立自主 地操作，即，独立于其它模块且通常只需要诸如电连接的电力供给。
在展开装置18之后，纱32通过散布装置20中的散布线。
如上文所述，散布装置20包括散布器34,散布器34在图5中更详细 示出，其作用原理参考图4进行说明。
图4示出了从DE 715801 A中已知的传统散布原理的基本布局。此处， 纤维束14连续地经过弯杆76和之后的直杆78。在图4所示的传统已知的 半径散布器中，直杆和弯杆的结合提供了作用于重新定向的纤维上的拉力。 现在也作用有一力，通过该力将纤维压在弯杆上。在偏转的最高点处，丝 受最大力。该力随着距该点距离的增加而减小。这意味着，丝如果在弯杆 上向外侧移动就可能规避载荷。然而，散布操作的结果取决于作用于纤维 上的拉力、纤维和杆间的摩擦力、杆相互间的位置和杆的曲率。如果曲率 极端，则作用于最高点和外侧位置间的力相差太大，从而杆的表面摩擦不 再起作用。丝将突然外移，即，纱32将滑出或分离。如果曲率不足，则散 布率(Spreizverhaitnisses )将会太小。
为此，图4中所示的半径散布器不适于纱32的准备用于工业规才莫的预 成型件制作的工业加工。特别地，纱32中诸如扭曲、间隙或重叠的缺陷将 导致散布材料滑出或分离。
对于图5所示的散布器34，与要被散布的纱或其它纤维丝束的材料的 质量有关的问题在于，纱32或纤维丝束被反复地重新铺放于至少一个中凸 弯曲的散布棱上。为此，散布器34包括至少一个中凸弯曲的散布棱80, 该散布棱通过至少一个垂直于纱32或任何其它纤维丝束的纵向延伸方向 的导向部件相对于纱32或任何其它纤维丝束移动，从而将其在张力下铺放 于中凸弯曲的散布棱80上，并随后通过至少一个导向部件竖直地从纱32 或纤维丝束移开，从而使纤维丝束与散布棱80分离。
在其实际结构中，该至少一个散布棱80形成于旋转轴84上的径向伸 出部82上。
14在根据图5所示的实施例的优选结构中，至少两个棱一一其中至少一 个设计为中凸弯曲的散布棱80——可从相反方向向纱32或纤维丝束移动。 为此，该实施例提供了两个具有径向伸出部82的旋转轴84、 86。该旋转 轴84、 86以彼此相反的方向旋转。
除了形成有中凸弯曲的散布棱80的第一径向伸出部82之外， 一优选 实施例还提供有尾部为直棱卯的第二径向伸出部88。因此提供了一种散 布装置，其中至少一个中凸弯曲的散布棱80和至少一个直散布棱卯可从 相反方向向纱32或纤维丝束移动，直至该纱32或纤维丝束以类似于图4 所示的方式在棱80、卯之间散布。棱80、 90也可反向地返回以释放纱32 或纤维丝束。
在参考图5的实施例中，由于形成径向伸出部82、 88的多个翼板94
86上，因此，这一点特别容易实现。翼板94大体沿轴向延伸，棱80或90 形成于其径向最外的区域上。包括直棱90的翼板94在周向方向上跟随有 包括中凸径向向外弯曲的散布棱80的翼板，该翼板又跟随有包括直棱90 的翼板94,诸如此类。
在不同实施例中，全部翼板94的棱设计为径向向外弯曲的散布棱80。 通过设置在以相反方向移动的活动部件上一一在本实施例中是两个旋转轴 84、 86上，纤维分别在两个反向弯曲的散布棱80间散布。
以这种方式，散布器34设计成用于将纱32反复放置于散布棱80上的 所谓的翼板型散布器。此外，纱32或纤维丝束上的最后一层由于交替的弯 曲/曲折操作而断开，丝IOO可相互独立地移动。
散布装置20中的设计为翼板型散布器的散布器34在纱32的传送方向 上跟随有松放器36，该松放器在本实施例中设计为根据所谓的Fukui原理 的抽吸室。抽吸室96可以具有US-A-6 032 342中说明的一种类型。被松 放且预先散布的纱32通过强的层流气流98被抽吸进抽吸室96。使空气围 绕各丝100流动，从而使丝可较容易地相互上下滑动。此外，抽吸室96 能补偿纱32的张力的^:小变动。在塑料纤维的生产中，丝束被频繁地自由引导并通过小孔。在此操作
过程中，部分丝IOO可绕丝束其它部分扭曲，并导致纱在制造时已经被束
紧。当丝束巻绕在纱轴上后，这些缺陷几乎不可见，因为丝束在平的状态
下被巻起。但当丝束已经在散布器34中被松放后，横向行进的纱部分清晰 可见。该作用可能导致纱32中的间隙和移位，这会不利地影响散布质量。 为实现尽可能均匀的散布式样，本发明一未明确示出的实施例提供了 一种多级散布操作，其散布率逐步增加。为此，提供有用于将纱32散布为 例如在8和16mm间取值的第一宽度的第一散布器34和第一松放器36。 其后跟随有比第一散布器宽的另一散布器34和比第一松放器的尺寸大的 另一松放器36，以便能散布为例如在20和35mm间取值的更大宽度。 此后，纱32呈宽的薄带状，即，圩维带14。 在进一步过程中，纤维带14仍被提供以少量的粘合剂材料38。 理论上，在30mm宽的精确散布的12k的纱中只有三根丝重叠放置。 本例中假定了 7jum的丝100的直径和最大包装/存储密度。但实际上纱32 仍包括可能局部地导致较厚部分和因此较多的丝端的散布缺陷。
由此散布的纱32的使用粘合剂材料38的浸渍在粘合剂浸渍装置22 中进行，其原理在图7中说明。粘合剂浸渍装置22的基本原理类似于在例 如US-A-3 518 810、 US-A-2 489 846、 US-A-2 394 657、 US画A國2 057 538或 US-A-2 613 633中说明的一种粉末混合器的原理。因此，该粉末混合器包 括带有滚筒106的漏斗102，该滚筒106具有运动经过漏斗出口的径向凸 起部分104。
在所示实施例中，所述滚筒106是使用其粗糙表面传送粉末的滚花钢 制滚筒。滚筒106又经刷辊108处理，从滚筒106清除粉状粘合剂材料38, 并将其喷洒于从滚筒106下方通过的纤维带14上。
纤维带14和施用机构之间可施加电压U，从而使粉末如在粉末涂覆过 程中一样静电吸附于纤维带14上。
传送滚筒106和刷辊108由两个分离的电机110和112驱动，以便能 实现喷洒参数的自由调整。由可作为控制装置44的一部分的控制单元114实现控制。
为避免粉末拥堵而引起机械部件堵塞，漏斗102不是刚性地固定于粘 合剂浸渍装置22的其它部分，而是由可以补偿移动的支架116支承。支架 116的一优点在于，漏斗102在操作中可以振动，从而自动向下抖落粉末。 粉末以能够精确量取的量喷洒到纱32表面，纱32以诸如3至6m/min的 确定的速度移动通过漏斗下方。多余的粉末落入纱32外部的收集容器(未 示出)中，且随后可被回收用于该过程。
测量表明，喷洒使用的粘合剂材料的量几乎是滚筒106的旋转速度的 线性函数。粘合剂浸渍装置22还包括加热器118，其用于将在加热温度下 熔化的粘合剂材料38的粉末颗粒固定于丝100的表面。
在所示实施例中，加热器118包括大约为100至500mm长的加热线。 加热器118的优选实施例装备有辐射加热器，在本例中是红外线辐射加热 器120。加热器118的加热能力可通过控制器114精确设定。
粘合剂颗粒轻孩i熔化并粘附于纤维表面。
然后如图la所示，加工好的纤维带14可在特殊的膜层巻轴121上巻 起并存储供以后使用。
在图l所示实施例中，向切割装置提供通过此方式特殊预制的纤维带 14,并在其中将其切割为片段40、 40，、 40"，并随后由铺放装置28铺放。
图la示出了具有分离的模块12、 16的实施例，其中使用膜层巻轴121 作为中间存储器的例子。该形式的模块12、 16也可位于不同生产地点。
图8更详细地示出了切割及铺放模块16的第二实施例。在根据图8 的实施例中，切割装置24包括纤维切割工具122，该纤维切割工具122具 有刀系统124、对立滚筒126和至少一个或如该实施例中的多个传送滚筒 128。
刀系统124可根据对立滚筒126和/或传送滚筒128的转速操作，以切 割具有确定长度的片段40。
特别地，刀系统124包括联接刀系统124的驱动单元和滚筒126、 128 的驱动单元的联接机构(未进一步示出)。在所述例子中，刀系统124装备有刀辊130,该刀辊包括至少一个(在 本例中为多个)作为径向伸出部的切割刃132。在所示实施例中，刀辊130 可通过未详细示出的联接装置联接于对立滚筒126的驱动单元，其方式使 得切割刃132以与对立滚筒126的表面相同的圆周速度移动。
在图8中示出且在图9中更详细示出的切割装置包括一离合切割系统 134，其中两对传送滚筒128和用橡胶处理的对立滚筒126由未详细示出的 电机通过诸如齿带(未示出)的中央形状锁合传动装置驱动。传送滚筒128 供应无端纤维带一一在本例中具体是散布纤维带14,并以同样速度将其引 导通过对立滚筒126上方。
在对立滚筒126上方， 一刀架136处于等待位置。如果即将进行切割， 则电磁离合器将刀架136耦联于切割系统的运动中。刀架136和对立滚筒 126在接触点处有相同的转速。要切割的材料由刀片138切断。随后刀架 136例如通过电磁制动器(未示出)被断开并停止。第二对传送滚筒128 移开切条。
离合切割系统134能实现散布纤维带的不变形的切割。切割作用或切 割长度在操作中可通过计算机控制进行调整。
制动系统(未明确示出)在离合器未作用时为刀辊130提供了永久的 锁定。联接和制动操作通过常用的切换继电器(未示出)实现，从而排除 了由程序错误导致的故障。诸如感应接近开关的传感器系统(未详细示出) 记录刀片位置并为刀片在水平位置提供制动作用。如果连接的控制单元、 例如控制单元44输出切割命令，则刀辊130被联接、加速并进行切割。如 果此时刀辊130具有与对立滚筒126相同的、如该实施例中提供的圆周速 度，则刀片138不弯曲或变形，从而使刀片具有比简单的竖直刀片更高的 耐用性。在切割操作后，刀辊130被断开、减速并保持与初始相同的位置。 切割长度在控制软件中编程。
图IO示意性示出了切割系统的控制流程。如图10所示，切割周期才艮 据切割系统的进给速度预先确定。最小切割长度由刀辊130和对立滚筒126 的尺寸决定，且在例如散布的纤维带14的宽度范围内。最大切割长度理论上不受限制。
在切割及铺放模块16的所示两个实施例中，在离开切割装置24后， 片段40、 40，、 40"传送至传送装置26,该传送装置26将片段40、 40，、 40" 从切割装置24中移出，其传送速度高于纤维带14向切割装置24或在切割 装置24中的传送速度。因此，片段40、 40，、 40"互相分离且相距足够远。 传送装置26包括将片段40、 40，、 40，，靠着传送装置保持的保持系统和将 片段40、 40，、 40"传送至铺放装置28的铺放头52的传送系统。
此处，保持系统和传送系统以真空带传送器50的形式实施。大容量抽 吸室140将未详细示出的真空源一一例如鼓风机一一的抽吸力分配于整个 传送装置26上。包括多个通孔的带、诸如聚丙烯带通过覆盖抽吸室140 的穿孔金属片142上方。
传送装置26通过与切割装置24的传送器单元的联接,皮驱动。在所示 实施例中，真空带传送器50与驱动传送滚筒128和对立滚筒126的形状锁 合传动装置关联。相应的传动比、例如为1:2的传动比在片段40、 40，、 40" 间提供足够大的距离。在传送距离的末端设置有由气力真空模块驱动的抽 吸类型的吹放室144。只要纤维段一一片段40——从其上方通过，该抽吸 类型的吹放室便运行。 一旦铺放模处于预定传送位置146，便在合适的时 刻输出^i文脉冲以将片段40移送至铺放头52。
铺放头52通过抽吸吸引片段40、将其加热并以预定取向向其预定位 置传送。
如图11所示，在该操作过程中，将片段40、 40，、 40"沿预定的弯曲 路径148放置于预型件30上。位置150示出了沿这些弯曲路径148以相应 取向铺放的片段及其重叠。在重叠区域，片段40通过由铺放头52加热的 粘合剂材料38相互固定。
图1所示的切割装置与激光54 (或其它种类的光束切割技术)相结合 甚至使得能形成复杂的切口形状。图12示出了切口的一种特别优选的形 状，切口 152和154以互相凸凹互补的形式弯曲。每个片段上的相反指向 的切口 152、 154以圆弧状弯曲。这样，即使按顺序前后布置的片段40、40，、 40，，互成角度，其切口 152、 154相互间也可以非常靠近而没有形成间隙或增厚。这样，可以铺放成使得纤维段总是紧密相邻，且具有也是沿路径148的小曲率半径的相应的纤维取向。片段40、 40，、 40"的固定可能受到与相邻片段、或布置在上方或下方的片段(未示出)的重叠的影响。
这样，甚至可以生产例如图13所示的非常复杂的预成型件42。本例中，短纤维段根据拼接方式构成例如飞行器和航天器的窗体喇叭口(Fenstertrichter )所用的按载荷流排列的纤维复合结构的预成型件192。片段40、 40，、 40"的取向与载荷流相对应。
关于该技术过程，所示环形可通过图1中箭头156所示的确定的可旋转的预型件30实现。
下面，将参考图14至16进一步说明图8中较详细说明的切割及铺放模块16的实施例的铺放装置28及其铺放头52。
铺放头52具有拾捡纤维段或片段40、 40，、 40"并将其传送至需要铺放片段40、 40，、 40"的预型件30上的相应的下一个预定位置46的功能。为此，铺放头52包括保持装置。所示例子中的保持装置由抽吸装置158构成，从而能更容易地从传送装置26上拾捡片段，但是，也可设想其它保持装置。
此外，在传送中通过铺放头52活化提供给所拾捡的片段40的粘合剂材料38是有利的。为此，铺放头52包括用于活化粘合剂材料38的活化系统。该活化系统的结构取决于所使用的粘合剂材料。例如，如果所使用的粘合剂材料依靠添加物活化，则铺放头包括用于添加添加物的装置。在未详细示出的不同实施例中，诸如胶粘剂的直接活化的粘合剂材料仅当片段在铺放头上传送时被提供。在该情况中，铺放头包括用于添加粘合剂材料的装置。为了在上述使用热活化粘合剂材料38的预成型件制造设备中使用，该活化系统在所示实施例中设计为加热装置160。
铺放头152更优选地能够将片段40、 40，、 40"甚至是靠着预型件30的复杂的三维表面结构进行铺放。为此，铺放头52包括适于将所传送的片段40压靠在不同表面结构上的压力装置162。在优选结构中，压力装置162包括柔性表面164，片段40能够通过保持装置保持于该柔性表面上。更优选地，柔性表面164形成于弹性载体166上。
图14示出了结合有保持装置、活化系统和压力装置的铺放头52的铺放模168的剖面图。图14中所示的铺放模168因此包括抽吸装置158、加热装置160和压力装置162，其柔性表面164位于弹性载体166上。
图15是柔性表面164的仰视图。
如果该纤维片段预成型技术(FPP),皮应用，则铺放才莫168使粘合剂浸渍过且切割成确定几何形状的纤维段(片段)能够根据铺放样式(例如图11所示的铺放样式)被精确地放置于预期位置。铺放模168是该铺放技术的中心部件，也可以用于其它几何变型中。例如，也可设想是正方形或滚筒状的铺放模。
在根据图14的具体实施例中，铺放模168设计为硅树脂模。硅树脂模的表面适应性类似于移印，尽管当前的应用领域完全不同。
铺放模168可快速轻轻地拾捡纤维切条，并通过集成的抽吸一一抽吸装置158——传送至确定位置。在传送过程中，集成于接触面一一柔性表面164——中的加热器——加热装置160——加热材料，从而活化纤维切条上的粘合剂一一粘合剂材料38。纤维切条压在表面上，而柔性的模材料适应于表面几何形状。在铺放模168从表面移开时输出吹放脉冲，粘合剂材料38被冷却，而纤维材料保持在其所方文置的位置。
铺放模168能实现纤维片段预成型件42的生产。
在图14中，所示弹性载体166——弹性压力体一一包括构成抽吸装置158的一部分的空气分配器170。抽吸装置158的未示出的部分装备有常见的气力源和气力控制器(未示出)。此外，柔性表面164示出为包括抽吸和吹放通道174的弹性受热面172。
弹性载体166位于连接板4上，该连接板4装备有用于将铺放模168固定于定位装置176 (如图16)的可拆卸的固定元件(未示出)。
此外，热电偶(Thermoelement) 178作为加热装置160的控制元件被提供。高柔性的电力线180将热电偶178连接到弹性受热面172。图15示出了包括抽吸和吹方文通道174的抽吸表面——柔性表面164。
铺放模块168的使用以及铺放装置28的更多详细信息将结合其在预成型件制造设备10中的使用在下文中说明。
在纤维片段预成型技术中，各纤维片段40被布置以形成三维预成型件42、 192。为此，通过应用合适的铺放技术实现平面布局。铺放装置28从与切割装置24相关的真空带传送器50传送经粘合剂浸渍且切割得到的纤维片段40，并以尽可能短的周期将其放置于一表面上。在所示实施例中，纤维片段40、 40，、 40"净iU文置于预型件30的表面上。
片段40、 40，、 40，，将被压靠于成形表面，以产生坚固的预成型件42。铺放;漠168应尽可能柔软，以在均匀力下适应于三维面。对于该结构，更优选地，在放置片段之前不久，可提供一定量的热量以活化粘合剂材料38。为此，柔性表面164包括尽可能少地影响(铺放)模的材料的机械特性的加热 装置160。类似于真空带传送器50，丝状纤维片段40的二维固定是有利的。为此，柔性表面164也具有抽吸功能。
铺放模168的制造类似于印刷工程中已知的印刷垫的制造。在印刷垫的制造中使用了 一组能长时间抵抗持久交互的机械载荷的特殊的硅树脂。从这些硅树脂中选取一种符合加热装置160的附加要求和与粘合剂材料38尽可能理想地接触的硅树脂。例如，可从市场上得到的来自Wacker公司的硅树脂类型M 4615是合适的，因为其具有高的抗张强度和能够^f皮涂以软化剂。由于铺放模168集成有加热器，所以对(铺放)模的材料的温度稳定性进行了检测。本例中，铺放模168能够抵抗持久的高达200。C的温度是有利的。基于硅油的传统的软化剂容易严重扩散，且可能从硅树脂模中泄漏出来。通过至少部分网状掺混在硅树脂中的软化剂可解决该问题。这种软化剂例如可从Wacker公司得到，其产品名称为MH20。
可使用各种加热装置160来加热铺放模168的铺》文表面，其中还包括电加热装置、流体回路或热空气。至于制造技术，包括电加热装置160的变型方案最便于实施，同时为高的加热能力和精确的温度设定提供了可能性。为了不影响载体166的柔韧性，电力线180有利地由碳纤维纱形成。 该纤维纱的高柔韧性避免了柔性表面164变硬。同时，该纤维纱能够经受 多个100,000负载周期。
通过在硅树脂中混合导热材料可提高弹性载体166的导热性。铝粉或 其它轻金属粉末适合于此。
对于重量百分数为约10-25%、特别是20%的粉末含量，柔性表面164 的导热性足够高，从而加热装置160的加热元件和柔性表面164能,皮保持 在几乎相同的温度。
另一方面，较高的粉末含量可能会影响铺放模168的柔性。如果粉末 含量仍进一步增加，则可能导致电击穿。为此，所述含量是最优选的含量。
抽吸和吹放通道174集成于铺放;溪块168的柔性表面164中，并通过 腔182在铺放模168中相互连接。腔182中插入有减震吸气垫(Saugvlieses， 未示出)，以防止在受到铺方文模168的压力负载时坍塌。
为避免静电，柔性表面164有利地由具有抗静电特性的柔性材料制成。 该柔性表面例如由抗静电的硅树脂形成。因此，当柔性表面164由抗静电 的硅树脂形成时，由上述硅树脂形成的弹性载体166具有良好的弹性。可 从市场上得到这种抗静电的硅树脂的一个例子，其商标名为Elastosil RT402。
将在下文中参考图16说明铺放装置28的机械铺放系统。 图16所示的机械铺放系统184用于移动铺放模168，以便将纤维片段 40从切割装置24传送至预定位置46。机械铺放系统184能实现快速的铺 放周期和可调的铺放角度。
如上述说明，片段40以非接触的方式从真空带传送器50传送至铺放 模168。为此，控制装置44在预设延时后根据切割命令输出真空带传送器 50的抽吸/也改室144的吹放脉冲。片段40通过几亳米(大约0.5-10mm ) 的空气路径被传送至吸气的铺放模168。随后，机械铺放系统184的运动 周期开始。
该机械铺放系统184包括用于将铺放模168从拾捡位置传送至高于预定位置的一位置的平移驱动装置。在才几械铺放系统184的所示实施例中， 第一驱动单元由水平气压缸186构成。该水平气压缸186适于将铺放模168 从其拾捡位置移动至铺放位置。由竖直气压缸188构成的第二驱动单元将 铺放模168优选以可调整的压力压在表面上。
在移动过程中，铺放模表面永久保持在可调温度，从而粘合剂可活化 其粘结性。粘合剂材料38在片段40接触表面时立即冷却并凝固。然后， 在控制装置44的控制下输出铺放模168的抽吸装置中的^it脉冲，造成铺 放模移开，并随后返回其初始位置。此处，硅树脂的分离特性是有利的， 因为没有粘合剂材料38剩余在模上。
铺放模168可依靠第三驱动单元旋转，该第三驱动单元在所示实施例 中由包括花键轴系统191的步进电机190构成。因此，甚至可以产生倾斜 的片段40的轨迹，而不需要旋转整个铺放头(例如包括机械铺放系统184 的铺放模168)。
为了实现经济的铺放过程，计划每秒多于两个铺放操作的非常高的周 期时间。例如实施每秒五个或更多铺放操作。对于60mm长的片段和使用 12k的纱，可实现理论上14.4g/min的纤维产量。如果打算例如在每平方米 铺放厚度为双轴铺放(大约为500g/m2)的纤维片段40，则预成型件制造 设备10将需要35分钟。通过使用多个铺放装置28,并结合以在一个表面 上一起工作的多个自动机械，可以实现较短的时间。
由于相对较低的可实现的速度，现存形式的FPP技术仍然主要用于其 它种类的预成型件的加固和用于薄壁的复杂部件，例如多轴铺放层或织品 中的孔的边缘的加固。窗体喇叭口——其预成型件192如图13所示——也 可制造成具有非常薄的壁和确定的纤维层。
一些种类的预成型件在FPP系统——预成型件制造i殳备10—一中需 要较少的自由度。如果只是要生产加固外形，则各模块可被简化，并结合 到一条生产线中。不需要的模块可省略。可选择地，该装置可分为包括半 成品材料的中间存储器在内的多个模块。
这将有助于降低系统成本并提高生产率。附图标记列表
10预成型件制造设备
12准备模块
14纤维束
16切割及铺》欠模块
18展开装置
20散布装置
22粘合剂浸渍装置
24切割装置
26传送装置
28铺放装置
30预型件
32纱
34散布器
36松放器
38粘合剂材料
40、 40，、 40"片段(纤维带的部分；纤维带片段)
42预成型件
44控制装置
46预定位置
48纤维切割系统
50真空带传送器
52铺方丈头
54激光
56供线轴
58支架
60直线导轨62滑动部分
64传动螺杆
66电机
68传感器
70位置
72光敏二极管
74平的带
75小线轴
76弯杆
78直杆
80散布棱
82第一径向伸出部
84 3走转轴
86旋转轴
88第二径向伸出部
90直棱
92传动机构
94翼板
96抽吸室
98层流气流
100丝
102漏斗
104径向凸起部分
106滚筒
108刷辊
110电机
112电机
114控制装置116支架
118加热装置
120红外线辐射加热器
122纤维切割系统
124刀系统
126对立滚筒
128传送滚筒
130刀辊
132切割刃
134离合切割系统
136刀架
138切割刀片
140抽吸室
142穿孔金属板
144抽吸/W文室
146传送位置
148弯曲路径
150重叠的片段
152切割刃
154切割刃
156预型件的可移动性一一多维的
158抽吸装置
160加热装置
162压力装置
164柔性表面
166弹性载体
168铺放模
170空气分配器172弹性受热面 174抽吸和^i文室 175连结板 176定位装置 178热电偶 180电力线 182腔
184才几械铺放系统
186水平气压缸(第一驱动单元)
188竖直气压缸(第二驱动单元)
l卯步进电机(第三驱动单元)
191花键轴系统
192窗体喇叭口预成型件
权利要求
1.用于铺放纤维片段(40、40’、40”)的铺放装置(28)，所述铺放装置包括用于以二维的方式将纤维片段压靠在弯曲的形成表面(30)上的可弹性变形的表面(164)。
2. 根据权利要求l的铺放装置，其特征在于，该弹性表面设置于铺 放头(52)上，该铺放头(52)能在用于拾捡至少一个纤维片段(40、 40，、 40")的至少一个拾捡位置和用于放置拾捡的纤维片段的至少一个预定位 置(46)之间移动。
3. 根据上述权利要求之一的铺放装置，其特征在于，包括用于靠着 弹性表面(164)可释放地保持纤维片段的保持装置。
4. 根据权利要求3的铺放装置，其特征在于，该保持装置包括气力 系统(158)，纤维片段(40、 40，、 40")能通过该气力系统(158)被吸 靠于弹性表面(164)和/或从弹性表面(164)吹下。
5. 根据上述权利要求之一的铺放装置，其特征在于，包括用于活化 粘合剂材料(38)的活化装置，以用于将纤维片段(40、 40，、 40")固定 于放置位置。
6. 根据上述权利要求之一的铺放装置，其特征在于，包括用于加热 靠着柔性表面(164 )放置的纤维片段(40、 40，、 40")之一的加热装置(160 )。
7. 根据权利要求6的铺放装置，其特征在于，该加热装置(160) 构造成电加热装置，其中，设有用于电连接加热装置的至少一条柔性的电 力线(180)。
8. 根据上述权利要求之一的铺放装置，其特征在于，弹性表面(164 ) 形成于弹性载体(166)上。
9. 根据权利要求7和权利要求8的铺放装置，其特征在于，该至少 一条电力线(180)包括至少一股通过载体(166)的碳纱。
10. 根据权利要求8或9的铺放装置，其特征在于，弹性载体(166) 包括由弹性体制成的块状件。
11. 根据上述权利要求之一的铺放装置，其特征在于，弹性表面(164 ) 由弹性体形成。
12. 根据权利要求10或11的铺放装置，其特征在于，该弹性体由硅 树脂制成。
13. 根据权利要求12的铺放装置，其特征在于，该硅树脂网状地掺 混有软化剂。
14. 根据权利要求10至13之一的铺放装置，其特征在于，弹性体掺 混有金属成分。
15. 根据权利要求14的铺放装置，其特征在于，该弹性体至少在柔 性表面(164)的区域中包括重量百分比为10-25%的金属粉末，特别是轻 金属粉末。
16. 根据上述权利要求之一的铺放装置，其特征在于，弹性表面(164 ) 由抗静电的弹性体形成，或者具有抗静电的弹性体，特别是抗静电的硅树 脂。
17. 根据权利要求7和权利要求8至16之一的铺放装置，其特征在 于，在弹性体中紧邻弹性表面(164)嵌入有至少一个电加热元件。
18. 根据权利要求4和权利要求8、或根据权利要求4和权利要求9 至17之一并参考权利要求8的铺放装置，其特征在于，载体(166)具有 用于将气力装置(158)的压力介质引导至柔性表面(164)的至少一个通 道(170)和/或用于将压力介质分配于柔性表面(164)上的分配系统。
19. 根据权利要求18的铺放装置，其特征在于，该通道和/或分配系 统的至少一个空腔(182)具有可透过气体的支承结构，特别地通过利用吸 气垫。
20. 根据上述权利要求之一的铺放装置，其特征在于，柔性表面(164) 设有抽吸和^^文通道(174 )，以吸取和吹放纤维片段(40、 40，、 40")。
21. 根据上述权利要求之一的铺放装置，其特征在于，包括用于在至 少两个预定位置(46、 146)之间精确移动并放置柔性表面(164)的定位 装置(176 )。
22. 根据权利要求21的铺放装置，其特征在于，定位装置(176)适 于使柔性表面(164 )围绕与柔性表面相交或与平行于该表面的平面相交的 旋转轴旋转或枢转。
23. 根据权利要求21或22的铺放装置，其特征在于，铺放模(168 ) 可安装在定位装置(176)上，该铺放模支承弹性冲压面类型的柔性表面(164)。
24. 根据权利要求23的铺放装置，其特征在于，铺放模(168)包括 用于可释放地联接到定位装置(176)的联接装置(4)。
25. 根据权利要求21至24之一的铺放装置，其特征在于，该定位装 置(176)包括机械铺放系统(184),该机械铺放系统包括用于沿第一方 向驱动铺放模(158)的第一驱动单元(186)、用于沿不同于且优选近似 垂直于第一方向的第二方向驱动铺放才莫(158)的第二驱动单元(188)、 和/或机械手。
26. 用于根据上述权利要求之一的铺放装置(28 )中的铺放模(168 )， 所述铺放模包括柔性表面(164)和用于靠着柔性表面保持纤维片段(40、 40，、 40")的保持装置(158)。
27. 根据权利要求1至25之一的铺放装置和/或根据权利要求26的铺 放模在按负载流排列的纤维复合结构的制造方法中的应用，其用于将各纤 维片段(40、 40，、 40")放置于预定位置。
全文摘要
本发明涉及一种用于铺放纤维片段(40，40’，40”)的铺放装置(28)。为了向纤维片段提供更加复杂的三维表面结构，提出该铺放装置具有一柔性表面(164)，以用于将纤维片段放置和压靠在预型件表面。该铺放装置(28)在制造按载荷流排列的纤维复合结构时特别有用。
文档编号B29C70/38GK101678566SQ200880015853
公开日2010年3月24日 申请日期2008年3月13日 优先权日2007年3月13日
发明者O·迈尔, S·朔佩 申请人:伊兹德国有限公司