用于制造先进复合部件的方法和系统的制作方法
【专利说明】用于制造先进复合部件的方法和系统
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本申请涉及2003年8月19日授权的美国专利第6，607，626号、2005年9月6日授权的美国专利第6，939，423号、2007年6月26日授权的美国专利第7，235，149号、2011年8月30日授权的美国专利第8，007，894号、2011年11月I日授权的美国专利第8，048，253号、2012年5月I日授权的美国专利第8，168,029号、2012年3月30日提交的美国专利申请第13/435,006号；以及2012年7月25日提交的美国专利申请第13/557,621号，所有这些专利全文以参见的方式纳入本文。
发明领域
[0003]本发明总体涉及先进复合部件的制造。更具体地，本发明涉及利用单相预浸料坯复合材料通过自动纤维放置工艺制造先进复合部件的方法和系统。
【背景技术】
[0004]常规纤维放置系统通常优化成形成非常大且通常轮廓浮凸明显的部件，其在固化之前接受很少或不接受后成形。形成的常规设计构造在用于生产小型大致平坦部件坯件时具有显著缺点，如下文揭示的:
[0005]最小过程长度(MCL):常规纤维放置系统通过将来自材料卷轴的落纤通过复杂纤维输送路径以或多或少连续的方式馈送到沿工作表面行进的辊的夹点内而将每个过程的材料施加到工作表面进入。这要求用于将每个落纤切割成所需长度的机构位于分配头上，尽可能靠近夹辊。切割机构与辊夹点之间的距离决定可形成和铺放的最短落纤(或过程)的长度。较长的最小过程长度尺寸因此增加修剪操作期间所要去除的废料的量。用常规纤维放置构造可得到的最小过程长度因此可能太长而对于形成非常小型平坦部件是不实际的。
[0006]复杂张力控制:因为常规系统以或多或少的连续方式将每个过程的材料施加到工作表面，每个落纤必须必要地从材料卷轴行进大量距离到达分配头，同时经受通过沿路径重复所需弯曲和扭绞而施加的应力。因为落纤穿过纤维输送系统的速度必须匹配工作表面上材料的铺放速率，所以馈送和切割每个落纤到一定长度的操作通常在飞行中执行。这些情况使得使用复杂且昂贵系统来控制每个单独落纤内的张力。与这些张力控制系统相关的成本使得常规纤维放置系统作为用于生产非常小型大致平坦部件的手工铺放的替代方式是不实际的。
[0007]轮廓铺放能力:常规纤维放置系统的构造部分地由该需求驱动以能够将材料过程施加到掠过相当复杂轮廓的工作表面。对这种能力的要求以多种显著的方式影响该设计，其净效果驱使太复杂且昂贵的系统设计作为小型大致平坦部件的手工铺放工艺的可行替代方式。
[0008]常规系统通常需要分配头设计，这允许每个单独落纤能够在全铺放速度的同时单独铺放，从而更好地能够适形于工作表面的轮廓；
[0009]常规系统通常需要具有足够顺应性的复杂夹辊设计以适应轮廓的陡峭局部变化；
[0010]常规系统通常需要高功率工艺热源以全铺放速度粘化该层上的部件表面;以及
[0011]常规系统通常需要具有6个(且在某些情况下7个)自由度的相对大的操纵器，从而能够以正确定向和路径将材料过程施加到工作表面，具有足够的模具间隙。
[0012]需要改进的技术，包括高效形成先进复合部件坯料、尤其是小型大致平坦先进复合部件坯料的技术。
【发明内容】
[0013]各实施例提供借助于自动纤维放置过程、利用单向预浸复合材料制造先进复合部件的方法、系统和装置。本文描述的各实施例可提供高效生产小型、大致平坦净形状复合层叠件的装置，该层叠件可在铺放后后成形并固化。通常，这些部件经由常规手工铺放方法形成。相反，各实施例以成本高效方式提供自动工艺，从而改进部件质量的一致性、降低成本并增加产量。各实施例可应用于基于热固化和基于热塑复合材料的高效制造。但是，为了说明目的，本文详细描述的各实施例关注单相热固化预浸渍复合材料。
[0014]本发明的一实施例涉及使用纤维放置系统制造复合部件的方法，该系统包括:
[0015]至少一个材料存储封壳，所述至少一个材料存储封壳包括用于每个过程形成的每个落纤束的材料卷轴组件、旋转辊组件、以及改向辊组件；
[0016]至少一个材料馈送/切割工位，所述至少一个材料馈送/切割工位构造有夹棍驱动系统和切割机构；
[0017]至少一个材料传送工位，所述至少一个材料传送工位构造有用于每个过程形成的每个落纤束的单独的、可动引导托盘，所述可动引导托盘分别构造有真空系统；以及
[0018]至少一个铺放工位，所述至少一个铺放工位包括真空台/铺放表面、以及配备有端部执行器的拾取和放置装置;该方法包括以下步骤:
[0019]启用所述夹辊驱动系统，以将每个线路的材料向前牵拉穿过其相应旋转辊和改向辊，从而每个线路的材料被向前馈送超过所述切割机构，并进入到位于所述至少一个材料传送工位内的其相应引导托盘内；
[0020]在每个线路的材料被馈送所需距离进入其相应引导托盘之后，启用每个相应可移动引导托盘的真空系统，使每个线路的材料保持就位；
[0021]在使每个线路的材料在其相应可移动引导托盘内保持就位之后，致动所述切割机构以将每个线路的材料与从所述材料供应卷轴馈送的材料切断并由此形成各个落纤；
[0022]每个线路的材料在其相应可移动引导托盘内保持就位时，沿远离切割机构的方向水平移动所述可移动引导托盘，由此使所有落纤通过所述拾取和放置装置可触及；
[0023]将所述拾取和放置装置的端部执行器转动到与所述可移动引导托盘对准；
[0024]将所述端部执行器降低到与所述落纤接触；
[0025]启用所述端部执行器；
[0026]停用所述可移动引导托盘内的所述真空系统；
[0027]缩回所述拾取和放置装置的所述端部执行器，从而将所述落纤提离所述可移动引导托盘；
[0028]将所述拾取和放置装置的所述端部执行器定位在所述真空台/铺放表面上方；
[0029]将所述拾取和放置装置的所述端部执行器降低以将所述落纤放置成与所述真空台/铺放表面上先前铺放的层接触；
[0030]停用所述拾取和放置装置的所述端部执行器;以及
[0031]缩回所述拾取和放置装置的所述端部执行器，留下所述落纤在真空台/铺放表面上先前铺放的层顶上就位。
[0032]可设置成端部执行器是真空驱动夹持器，其中真空被启用或停用以启用或停用端部执行器。
[0033]在将拾取和放置装置的端部执行器下降从而将纤维束放置成与真空台或铺放表面上先前放置的层接触之后，拾取和放置装置可施加向下定向的力以将各纤维束压抵真空台或铺放表面上先前放置的层。
[0034]可较佳地设置成当通过夹辊驱动系统从其相应材料盘卷抽拉每个材料幅材时，材料幅材被彼此独立地相应抽拉，且每个材料幅材被引导过一定距离到其相应引导槽，该距离对应于通过部件的铺放程序预定的纤维束长度。
[0035]铺放工位可较佳地还包括加热装置，且该方法可还包括以下步骤:在拾取和放置装置位于可动引导槽上方的同时，将加热装置定位在真空台或铺放表面上方，并启用加热装置来加热真空台或铺放表面上先前铺放的材料层的表面并使该表面变粘，且一旦先前铺放层的表面已被加热并变粘，则在拾取和放置装置的真空驱动夹持器定位在真空台或铺放表面上方之前将加热装置从其在真空台或铺放表面上方的位置缩回。
[0036]在各可动引导槽沿远离切割装置的方向水平运动期间，每个可动引导槽可较佳地被独立引导到分开的终端位置，使得每个纤维束的端部以彼此连续的关系定向，如同它们在所生产的部件中被包含那样。
[0037]较佳地，纤维束可沿横向位置与相邻纤维束间隔开用于所要铺放的至少一个材料层的距离，该距离对应于单个纤维束的宽度，且其中纤维束之间的间隙通过铺放所要铺放的下一层内的纤维束来填充。
[0038]可较佳地设置成对于所要铺放的第一材料层执行以下步骤:将承载材料，具体是承载膜铺放到真空台的表面上，并启用真空系统用于固定承载材料;使承载材料的表面变粘以准备接收第一材料层;将所述拾取和放置装置的端部执行器转动到与所述可移动引导槽对准;将端部执行器降低到与各纤维束接触;启用所述端部执行器;停用可动引导槽内的真空系统;将所述拾取和放置装置的端部执行器缩回以从可移动引导槽取出各纤维束;将拾取和放置装置的端部执行器定位在真空台或铺放表面上方;将拾取和放置装置的端部执行器下降从而将纤维束放置成与真空台或铺放表面上的承载材料接触；由拾取和放置装置施加向下定向的力以将各纤维束压抵真空台或铺放表面上承载材料;停用拾取和放置装置的端部执行器并缩回拾取和放置装置的端部执行器，使得承载材料上的纤维束保持在真空台或铺放表面上；以及重复各步骤指导完成第一层为止。
[0039]本发明的另一实施例涉及一种纤维放置系统。纤维放置系统包括:
[0040]至少一个材料存储封壳，所述至少一个材料存储封壳包括用于每个过程形成的每个落纤的材料卷轴组件、旋转辊组件、以及改向辊组件；
[0041]至少一个材料馈送/切割工位，所述至少一个材料馈送/切割工位构造有夹棍驱动系统和切割机构；
[0042]至少一个材料传送工位，所述至少一个材料传送工位构造有用于每个过程形成的每个落纤的单独、可动引导托盘，所述可动引导托盘分别构造有真空系统；以及
[0043]至少一个铺放工位，所述至少一个铺放工位包括真空台/铺放表面、以及配备有端部执行器的拾取和放置装置;其中
[0044]所述夹辊驱动系统适于被启用并将每个线路的材料向前牵拉穿过其相应旋转辊和改向辊，使得每个线路的材料可被向前馈送超过所述切割机构并进入到位于所述至少一个材料传送工位的其相应引导托盘内；
[0045]每个相应可动引导托盘的真空系统适于被启用，以使每个线路的材料在其相应可动引导托盘内保持在位，所述切割机