用于纤维复合构件的纤维预成型件的制造方法
【专利摘要】本发明提出一种用于纤维复合构件的纤维预成型件的制造方法，其中，纤维结构布置在承载材料(11)上并且所述承载材料(11)在成型过程中由夹紧装置(24)保持，该方法包括如下步骤：?提供由纤维材料构成的至少一个坯料(15)，?根据在纤维复合构件中坯料(15)的受载方向借助自动化操作装置(14)对坯料(15)进行定向，?将坯料(15)固定在承载材料(11)上，?将包括经固定的坯料(15)的承载材料(11)提供用于后续过程。
【专利说明】
用于纤维复合构件的纤维预成型件的制造方法
技术领域
[0001]本发明涉及一种按照权利要求1的前序部分所述的用于纤维复合构件的纤维预成型件的制造方法，其中，纤维结构布置在承载材料上并且所述承载材料在成型过程中由夹紧装置保持。
【背景技术】
[0002]对于工业化制造纤维复合构件必需的是，将多层的层结构体在成型过程中成型。为了准备该成型过程，必须提供二维的纤维预成型件，其由多个单层组成。为了制造该纤维预成型件，目前使多个纤维材料层组成为一个堆叠部或层结构体并且将其逐点地化学或机械式固定，其然后通过将所有单层一次地剪切成要成型的预成型件而被进一步处理并且最后在利用供热的成型过程中制造该纤维复合构件。
[0003]为了使预成型件在成型过程中在模具型腔中受控地以规定的纤维取向变化变形而不会导致形成不希望的折叠或扭曲，预成型件必须利用夹紧框架或下压装置保持，其能够实现单层区域彼此间受控的相对运动和蠕变，但阻止单层彼此间不受控的打滑。为此目的，目前大面积剪切纤维复合构件的原材料，借此提供足够的材料用于将材料固定在夹紧框架中。自然的是，在该操作方式中导致纤维材料的高材料消耗，所述纤维材料仅因此必须被添加以便提供足够的材料用于在夹紧框架中的夹紧。
[0004]借助DE 10 2010 023 044 Al已知一种用于纤维复合构件的纤维预成型件的制造方法，其中，由碳纤维构成的纤维束借助放置装置沿预定空间曲线在承载材料上沉积并且在其上通过热激活热塑性的胶结材料而固定。
[0005]此外借助DE 10 2004 060 647 B4已知一种用于借助缝合站将纤维结构固定在传送带上的装置。纤维结构可以借助放置装置布置在纤维基本结构上。
[0006]为了减少用于纤维复合构件的原材料的材料消耗，借助源于
【申请人】的未公开的专利申请DE 10 2013 204 270.9已知:将要成型的纤维结构布置在包封部中，所述包封部由柔性材料组成并且简化多层纤维结构的操作。包封部在此在尺寸上大于纤维结构并且可以由夹紧框架保持。在此也可能的是，所述包封部至少局部力锁合和/或材料锁合地与纤维结构连接，以便能够实现包封部和纤维结构之间的力传递。
【发明内容】
[0007]由此出发本发明的任务是，提供一种方法，其一方面可以减少纤维原材料的材料消耗，可以减少纤维复合构件的制造费用并且能够制造具有复杂外轮廓和复杂集成结构体的纤维复合构件。
[0008]本发明为了解决该任务而具有在权利要求1中给出的特征。有利设计由此在其他权利要求中说明。
[0009]本发明提供一种用于纤维复合构件的纤维预成型件的制造方法，其中，纤维结构布置在承载材料上并且所述承载材料在成型过程中由夹紧装置保持，该方法包括如下步骤:
[0010]-提供由纤维材料构成的至少一个坯料，
[0011]-根据在纤维复合构件中坯料的受载方向借助自动化操作装置对坯料进行定向，
[0012]-将坯料固定在承载材料上，
[0013]-将包括经固定的坯料的承载材料提供用于后续过程。
[0014]亦即不同于已知方法，在按照本发明的方法中，首先提供由纤维材料构成的至少一个坯料并且所述至少一个坯料根据在纤维复合构件中坯料的受载方向借助自动化操作装置布置在承载材料上。定向过程可以是指通过自动化操作装置对所述至少一个坯料进行定位和旋转，所述自动化操作装置例如借助传感器装置可以识别在坯料中校准的纤维走向并且然后可以将坯料符合负载路径地定位在承载材料上。
[0015]对于三维纤维复合构件，可以以这种方式将不同的原始纤维材料的不同成型的坯料借助自动化操作装置布置在承载材料上，亦即例如沿纤维预成型件的纵向和横向以各个坯料的不同层厚度和不同层取向来优化完成的纤维复合构件的强度和刚度。
[0016]根据在纤维复合构件中在后续使用中主导的多维应力分布，由不同的纤维基本材料和纤维基本取向构成的坯料可以借助自动化操作装置层式地施加在基底材料上以及至少一个已经布置在其上的坯料上，其中，与在已知方法的情况中相比(在已知方法中，提供原始纤维材料的具有多个同样大小的彼此堆叠的层的堆叠部，然后贯穿所有层一次地进行剪切过程)，纤维原材料的面积使用可以显著减少并且可以与坯料在完成的纤维复合构件中的所需尺寸适配并且因此需要显著较少的纤维基本材料的原材料。
[0017]然后在按照本发明的方法的下一个步骤中这样制造的纤维结构至少局部地固定在承载材料上，其中，在这里例如可以使用缝合过程，利用所述缝合过程，纤维结构的各个区域可以固定在承载材料上亦或加强结构集成到纤维结构中，所述加强结构正面影响在后续过程中的后续成型过程。
[0018]然后这样制造的纤维结构连同承载材料提供在用于后续过程的下一个步骤中、亦即例如直接输送给热成型过程或存储在处于成型站上游的堆叠区域中。承载材料可以是低成本的玻璃纤维垫或类似物并且使纤维预成型件在夹紧钳、夹紧框架、下压装置和类似物中的处理变得容易，并且可以为了后续成型过程而保留在纤维预成型件中并且可以在纤维预成型件再处理成纤维复合构件时辅助后续过程并且在构件中改善强度和刚度和防腐蚀保护。
[0019]按照本发明的一种扩展方案设定，坯料的提供包括如下步骤:裁切由纤维材料构成的坯料和紧接于此将坯料布置在承载材料上，以及在将坯料布置在承载材料上之前将经裁切的坯料临时存放在预置区域中。
[0020]按照本发明的方法，承载材料可以例如以带的形式提供在滚子上，然后由切割龙门从该带上成型出承载材料的坯料，该坯料然后输送给处于切割龙门下游的转移龙门。也可能的是，已经预制的承载材料坯料在转移龙门的预置区域中准备好并且然后由自动化操作装置堆放在转移龙门上。以与此类似的方式，可以由切割龙门从配置给该切割龙门的半成品存储装置形成纤维材料的至少一个坯料，其方式为:半成品由存储装置输送给切割龙门，切割龙门根据例如借助嵌套程序或有限元计算确定的成型规定而由源于半成品存储装置的材料带制造坯料并且将其然后在没有临时存放步骤的情况下直接布置在承载材料上。也可以将多个用于存储纤维材料半成品的装置置于切割龙门的单次或多次切割仪器的上游，半成品从中取出并且输送给用于制造坯料的切割龙门。这些坯料可以然后立即由机器人或类似物形式的自动化操作装置施加在承载材料坯料上和/或已经布置在其上的坯料上或在布置之前通过自动化操作装置临时存放。
[0021]由纤维材料构成的一个坯料或多个坯料的纤维走向的在其通过切割龙门制造之后的角度取向在此无关紧要，因为坯料的符合负载路径的定向在施加在承载材料和/或已经施加在其上的坯料上之前根据例如有限元计算、亦即完全一般地以预先确定的方式通过自动化操作装置实施。以这种方式，包括呈例如针织物、刺绣、纱布、织物或机织物形式的具有不同材料特性的纤维材料的处于切割龙门上游的不同半成品存储装置的坯料也可以结合到用于制造纤维预成型件的自动化方法中。
[0022]按照本发明的方法按照一种扩展方案也设定，将至少另一个坯料布置在已布置在承载材料上的坯料上，同时导致所述另一个坯料至少局部地重叠在已布置的坯料上，并且所述另一个坯料在根据在纤维复合构件中坯料的受载方向布置之前借助自动化操作装置定向地、亦即符合负载路径地定位并且旋转地布置。
[0023]以这种方式，具有单向纤维走向和/或多向纤维走向的至少一个坯料可以布置在已经安装在承载材料上的坯料上，亦即也以自动化方式提供具有不同尺寸坯料的多层纤维预成型件，从而不同于已知方法以自动化方式提供纤维预成型件，其只在符合负载地相关的区域中多层、亦即加强地构成，从而产生的纤维预成型件的总质量并且借此纤维复合构件的总质量也可以减少并且在后来的构件中可以取得纤维半成品的明显的材料节省和轻型结构潜力的益处。
[0024]本发明按照一种扩展方案也设定，呈补丁、嵌件或TFP结构或类似物形式的衬里和/或呈例如树脂膜片或热塑性塑料膜片或类似物形式的成型结构或其坯料集成到纤维预成型件中。亦即除了纤维基本材料之外也可以将特殊材料集成到层结构体中，其由自动化操作装置以预定方式定位并且旋转地嵌入到层结构体中。以这种方式也可以将坯料带有重叠区域地彼此布置并且一同提供有意的空腔或具有倾斜的坯料重叠区域的区域，其中，各层局部地重叠和/或导致承受负载的纤维结构的符合负载路径的角度变化。
[0025]按照本发明的一种扩展方案也设定，由承载材料和至少一个坯料构成的结构体的预定区域在例如处于自动化操作装置下游的并且处于位于成型站上游的用于预成型件的临时存放区域上游的固定站中彼此局部固定，其方式为:例如借助纤维缝合所述区域，由此也可以在缝合过程中将针对性的加强结构集成到层结构体中，其针对性地辅助后来的热成型过程并且避免折叠或扭曲的形成。通过缝合，也可以局部地机械加强后续的完成构件，其结构在成型过程中固定并且直接堆放的结构为了注射过程被针对性地固定并且实现沿厚度方向和平面方向的较好的渗入。
[0026]按照本发明的一种扩展方案也设定，借助在由承载材料和/或至少一个坯料构成的结构体上直接堆放碳纤维粗纱将二维的加强结构布置在层结构体中。所述加强结构可以符合负载路径地沿纤维复合构件的主负载方向的方向或以纤维走向的不同于0°取向的角度施加，其提前作为相对于主负载轴的角度确定。
[0027]最后本发明也设定，承载材料在制造纤维预成型件之后的后续过程、亦即例如整个处理直到热成型期间并且在热成型过程期间保留在预成型件上，稳定该成型的拉力经由所述承载材料引入纤维预成型件中。
[0028]按照本发明的方法允许:可以将不同面积基重集成到预成型件的层结构体中。织物半成品为了形成预成型件不是必须关于其纤维走向而存在以便集成在正确层取向的预成型件中，因为坯料的符合负载路径的定向通过自动化操作装置按照堆叠部的功能预先规定进行。以这种方式，在层结构体中的纤维材料半成品的坯料的混匀也是可能的，因为自动化操作装置接纳分离的单层坯料并且将其按照功能预先规定符合负载路径地施加到承载材料和/或已经处于其上的单层坯料上并且在此也还可以将特殊材料集成到层结构体中。在此可以导致单层坯料之间的规定的重叠区域，在层结构体中形成空腔也是可能的，同样可以导致在纤维走向中的预定的层嵌接和角度变化。呈树脂膜片、热塑性塑料膜片或类似物形式的成型结构也可以集成到层结构体中。
[0029]这样制造的预成型件可以直接输送给连接于下游的热成型过程或例如在成型过程之前临时存放，以便等待例如对于热流程所需的停留时间。
【附图说明】
[0030]接着借助附图进一步解释本发明。示出；
[0031]图1具有预置区域的制造装置的示意图，所述预置区域包括多个不同的用于制造纤维预成型件的纤维材料半成品；
[0032]图2用于实施按照本发明的方法的制造路线的示意构造；
[0033]图3类似于图2的视图，用于解释通过直接堆放纤维来集成加强结构；
[0034]图4呈由A立柱和车顶框架的上部区域构成的预成型件形式的、布置在承载材料的一个区段上的纤维预成型件的俯视图；
[0035]图5类似于图4的俯视图，其示出施加UD纤维作为加强结构；
[0036]图6类似于图4的俯视图，其示出施加具有45°纤维的坯料作为加强结构；以及
[0037]图7类似于图6的俯视图，其示出施加具有0°纤维的坯料作为加强结构。
【具体实施方式】
[0038]附图的图1示出用于按照本发明的方法制造纤维预成型件的制造装置或成型设备的示意概览图。
[0039]在示出的示例中，在预置区域I中布置有具有例如不同面积基重的三个不同纤维材料半成品2、3、4。尽管在示出的示例中仅示出三个半成品，但半成品的数量能够按照应用需求扩大。
[0040]半成品2、3和4输送给共同的切割龙门5，由其提前例如借助嵌套程序和有限元计算产生确定的坯料形状，其针对对应的使用情况而优化。
[0041]织物半成品的角度在此无关紧要，因为在连接于下游的转移龙门6中每个纤维角度可以符合负载路径地形成，其方式为:相应的坯料由在转移龙门中布置的自动化操作装置对应地定位和旋转。
[0042]转移龙门6也能够将呈例如补丁或嵌件形式的特殊材料从存储装置7、8中取出并且输送给层结构体。以这种方式产生纤维结构的进一步借助其他图显示的层结构体，该层结构体然后在连接于转移龙门6下游的固定段9中固定在承载材料11上并且在修剪之后输送给连接于下游的堆叠区域10。
[0043]代替将纤维预成型件输送给堆叠区域10(其处于未进一步示出的热成型站上游)，也可能的是，将这样制造的纤维预成型件立即输送给用于热成型的成型站，这例如取决于成型站的处理能力或纤维预成型件在热成型之前必需的停留时间。
[0044]在附图的图2和图3中以示意图示出用于实施按照本发明的方法的制造路线。
[0045]在第一区段中，提供呈存在于滚子12上的玻璃纤维基底材料形式的承载材料11，其借助传送带13朝呈机器人14形式的自动化操作装置的方向输送。机器人14在示出的实施形式中从具有已制成的纤维材料坯料的未进一步示出的预置区域中取出坯料15并且将其定位在承载材料11上并且更确切地说是这样定位，使得坯料15的纤维走向符合负载路径以便接收对要制造的纤维复合构件施加负载的力。
[0046]在层结构体的第一层中这可以是以0°角度取向的坯料，也可以在第一层中即已处理织物半成品的具有不同面积基重的多个坯料15。
[0047]尽管在附图的图2中只示出一个坯料15，但可以由机器人14将各个坯料15彼此间具有不同纤维走向角度的多个坯料15布置在承载材料11上，从而在多个至少局部相叠地布置的坯料中产生多个纤维预成型件区域，其符合负载路径地具有不同的材料厚度，从而纤维材料只在负载相关位置上以不同的材料厚度存在，但不是例如在之后完成的纤维复合构件的处于主负载方向之外的区域中，从而可以避免在纤维材料上的不必要的材料集聚并且因此一方面节省材料并且另一方面也可以使完成的纤维复合构件的重量减少。
[0048]在通过机器人14构建进一步借助图4至图7显示的具有多个坯料15的层结构体16之后，包括承载材料11的层结构体16借助传送带13输送给制造路线的下一个区段，在其中CNC龙门缝纫机17借助缝合头18产生二维固定缝并且将层结构体16或坯料15固定在承载材料11上。
[0049]此后，承载材料11连同在其上固定的坯料15离开制造路线的具有龙门缝纫机17的区段并且通过传送带13输送给呈例如借助激光工作的切割装置形式的横向分离系统，其将由附图示出的、由带状存在的玻璃纤维基底材料11构成的区段20切断并且制造出这样得出的纤维预成型件连同承载材料11以便堆叠在示意性示出的存储装置21上。
[0050]附图的图3示出制造路线的示意图，其原则上对应于在附图的图2中示出的制造路线并且其中集成有附加功能。该附加功能在布置有用于自动定位和旋转坯料15的机器人14的区域中示出。
[0051 ]除了将坯料15在承载材料11上自动地符合负载路径地定位和旋转之外，机器人14还实施借助将纤维直接堆放在坯料15上形成加强结构的附加功能。为此目的，借助粗纱输送部23将呈纤维线缆形式的纤维材料输送给机器人14的多重放置头22，其由多重放置头22施加在层构造上以便形成加强结构。
[0052]在图3中示出的制造路线的其他工作步骤则再次对应于按照图2的工作步骤。
[0053]附图的图4示出布置在承载材料11的一个区段上的、呈由未进一步示出的车辆的A立柱和车顶框架的上部区域的预成型件的形式的纤维预成型件的俯视图。
[0054]该附图也同时用于解释，按照本发明的方法也可能的是，提前提供由例如玻璃纤维材料构成的基底材料I的区段，然后可以借助自动化操作装置14在其上安装由纤维材料构成的坯料15并且更确切地说是这样安装，使得坯料15符合负载路径地定位并且旋转地布置在预成型件的相应区段中。附图也示出，承载材料11侧向地由呈夹紧钳24形式的夹紧机构保持并且可以在应力下保持。代替夹紧钳24也可能的是，借助未进一步示出的夹紧框架将承载材料11至少固定在承载材料11的短端侧上。
[0055]与纤维复合构件的希望形状对应的集成预成型件可以以上描绘的方式借助在承载材料11上施加多个由纤维材料构成的坯料15提供。
[0056]此外也可以借助施加沿力流方向延伸的UD纤维将加强结构施加在集成预成型件上，其借助机器人14的呈绞合线25的形式的对应放置头施加在至少一个已经放置的坯料15上。
[0057]附图的图6此外也示出借助按照本发明的方法使集成预成型件的抗扭性提高的可能性，其方式为:借助自动化操作装置14施加由45°纤维材料构成的补丁28，所述补丁可以存在于具有直切边或斜切边的不同坯料15之间的重叠区域26中。
[0058]最后附图的图7也示出在集成预成型件上借助按照本发明的方法在局部的重叠区域27上形成加强结构，其通过施加0°纤维材料的坯料I而5施加在已经为了形成纤维结构而放置的坯料上。
[0059]然后这样制造的纤维预成型件可以直接转移给用于热处理的成型站亦或布置在临时存放区域中，如以上已经解释的那样。
[0060]按照本发明的方法允许将碳纤维加强结构关于纤维复合构件的构件几何结构接近最终轮廓地自动地施加到基底材料上。昂贵的碳纤维材料的边角料减少。
[0061]承载材料参与跟随制造纤维预成型件的过程步骤并且使纤维预成型件的处理和存放变得容易。
[0062]通过承载材料，成型过程所需的支承力可以继续传递到缝合部和加强结构上。这允许在成型过程中避免折叠和扭曲的形成并且提高预成型件的质量。
[0063]除了通过施加坯料和/或补丁将加强结构引入纤维预成型件中，也可能的是，将碳纤维粗纱展开成纤维带并且直接放置在要加强的结构上。由此相比于形成其中加强结构整面地构成的堆叠部，取得显著的材料节省并且减少边角料。
[0064]加强结构可以符合负载路径地集成到纤维结构中，再次产生材料节省，完成的纤维复合构件可以在重量减小的同时接收较高的负载。
[0065]在坯料彼此并且在承载材料上固定的过程中，加强结构也可以集成到纤维结构中，其避免在成型过程期间形成折叠，由此可以取得较好的成型结果。
[0066]呈缝合形式的固定也提高层压板沿厚度方向的负载能力，由此尤其是在胶粘位置上可以接收局部较高的负载。
[0067]按照本发明的方法也允许层结构体关于单层的数量不受限制，因为不是如在按照已知方法形成堆叠部的情况中那样对所有整面的单层一次地进行剪切。
[0068]按照本发明的方法也允许输送呈嵌件或类似物形式的特殊材料，坯料的角度取向不取决于原材料、亦即半成品的角度取向，因为分别单独地构建各个坯料。
[0069]此外关于本发明的上述未单独进一步解释的特征明确参阅权利要求和附图。
[0070]附图标记列表
[0071]I 预置区域
[0072]2 纤维材料半成品
[0073]3纤维材料半成品
[0074]4纤维材料半成品
[0075]5切割龙门
[0076]6转移龙门
[0077]7存储器
[0078]8存储器
[0079]9固定段
[0080]10堆叠区域[0081 ]11承载材料
[0082]12滚子
[0083]13传送带
[0084]14机器人
[0085]15坯料
[0086]16层结构体
[0087]17龙门缝纫机
[0088]18缝合头
[0089]19切割装置
[0090]20区段
[0091]21存储装置
[0092]22放置头
[0093]23粗纱输送部
[0094]24夹紧装置
[0095]25绞合线
[0096]26重叠区域
[0097]27重叠区域
[0098]28补丁
【主权项】
1.一种用于纤维复合构件的纤维预成型件的制造方法，其中，纤维结构布置在承载材料(11)上并且所述承载材料(11)在成型过程中由夹紧装置(24)保持，包括如下步骤: -提供由纤维材料构成的至少一个坯料(15)， -根据在纤维复合构件中坯料(15)的受载方向借助自动化操作装置(14)对坯料(15)进行定向， -将坯料(15)固定在承载材料(11)上， -将包括经固定的坯料(15)的承载材料(11)提供用于后续过程。2.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，提供坯料(15)包括如下步骤:裁切由纤维材料构成的坯料(15)和紧接于此将该坯料(15)布置在承载材料(11)上，以及在将该坯料(15)布置在承载材料(11)上之前将经裁切的坯料(15)临时存放在预置区域(I)中。3.按照权利要求1或2所述的方法，其特征在于，将至少另一个坯料(15)布置在已布置在承载材料(11)上的坯料(15)上，同时导致所述另一个坯料(15)至少局部重叠在该已布置的坯料(15)上，并且在布置之前根据在纤维复合构件中坯料(15)的受载方向对所述另一个还料(15)进行定向。4.按照上述权利要求之一所述的方法，其特征在于，至少一个还料(15)以单向纤维走向和/或多向纤维走向布置在已安装在承载材料(11)上的坯料上。5.按照上述权利要求之一所述的方法，其特征在于，将衬里和/或成型结构集成到所述纤维预成型件中。6.按照上述权利要求之一所述的方法，其特征在于，缝合由承载材料(11)和至少一个坯料(15)构成的结构体的预定区域。7.按照上述权利要求之一所述的方法，其特征在于，借助直接堆放碳纤维粗纱将二维的加强结构布置在由承载材料(11)和至少一个坯料(15)构成的结构体上。8.按照权利要求7所述的方法，其特征在于，所述加强结构沿纤维复合构件的主负载方向的方向布置在所述结构体上。9.按照上述权利要求之一所述的方法，其特征在于，在制造所述纤维预成型件之后的成型过程中，承载材料(11)保留在所述纤维预成型件上。
【文档编号】B29B11/06GK105848842SQ201580003327
【公开日】2016年8月10日
【申请日】2015年3月5日
【发明人】E·霍尼克尔, H·马伊, M·马夸特, M·沙德
【申请人】宝马股份公司