专利名称：用于生产单-或多-层纤维预制品以及固定丝线和衬层的方法
技术领域：
本发明涉及一种利用实质对准的纤维束，通过TFP ("Tailored Fibre Placement")过程生产单-或多-层纤维预制品用的方法，以便它 们沿着力通量定向，铺设在至少一个衬层上，并且利用至少一个固定丝 线附加，纤维预制品具有实质任何期望的材料厚度。
本发明还涉及执行该方法用的固定丝线以及衬层。
背景技术：
在轻型结构中，尤其在飞机结构中，由纤维强化塑料制造的复合 部件的使用不断增加，其能够承受极端的机械负载并且同时提供高的重 量节约潜力。这些部件由随后浸润或注入可固化聚合物材料的强化纤维 形成，以形成完成的部件，例如聚酯树脂、环氧树脂或相类似物。
该强化纤维在这种类型的部件中的对齐对其刚性和强度具有决定 性影响。为实现最佳机械性能，如果可能，该强化纤维应按照负载的方 向，并且不具有任何波的形成。另外，每个单独的强化纤维期望接受均 匀负载。
对于诸如例如编织或铺设纤维织物的传统半成品，对于聚合材料 的强化，由于强化纤维总是沿特定、固定方位布置在那里，不是能够实 现所有可以想到的纤维方位。虽然铺设的纤维织物能够被"覆盖"，更 确切地说，以无折皱的平坦方式铺设，例如以形成圆环部件，该强化纤 维通常无法使它们与按照更复杂的力通量线的通路成直线。
一种符合根据负载纤维对准要求的可能方式是己知的TFP过程。 这涉及沿任何期望的通路曲线铺设依次由彼此平行延伸的多个分离的强 化纤维形成的纤维束，用于机械强化("粗纱")，并借助于衬层上的
固定丝线附加它们，以形成纤维预制品("预制品")，从而各个纤
维束的对准能够实际最佳地经调节到作用在完成的复合部件上的力。采用对应于传统缝纫方法的方式，通过在衬层下彼此联接的上部固定丝线 和下部固定丝线，执行固定。该纤维束的附加优选地利用之字型缝线优 选地执行。采用这种方式实现的纤维束的机械负载承受能力的最优使用 能够使其数目最小，并且因此也使重量最小。此外，该部件的横截面能 够采用理想的方式调节到各自的局部负载。此外，通过铺设附加纤维 束，强化能够具体地形成在接受特殊负载的区域中，诸如例如其中引导 力或相类似物的区域。例如利用玻璃纤维、碳纤维、芳族聚酰胺纤维或 类似物形成分离强化纤维。
在例如也用于纺织工业的通常CNC —控制的自动缝纫和绣花机上
执行利用TFP过程生产纤维预制品。 一旦所有需要的层已利用纤维束
铺设，通常已具有期望的最终轮廓的完成纤维预制品被放置在可关闭的 模具中，并且注入可固化聚合物材料并接着固化以形成完成的复合部
件。多个TFP纤维预制品与/或强化纤维层可组合在这里。通过一个在 另一个顶部上放置多个(单，单一层)纤维预制品形成多一层纤维预制 品，以便能够产生由于用于TFP过程的自动缝纫或绣花机中的有限针 长度无法生产的更大材料厚度。多层纤维预制品相应地具有至少两个衬 层，近似彼此平行地延伸在多层纤维预制品内。
例如在相应地设计的可关闭模具中利用已知RTM过程("Resin Transfer Moulding")，可执行采用可固化聚合物材料的纤维预制品的注 入。
然而，对于固定丝线和衬层，TFP过程将在后面的复合组件中不 再执行任何功能、尤其无衬层功能的两个元件，引导进入纤维预制品。 然而，在实现层的理想顺序中，衬层和固定丝线共同导致问题，并且此 外，占明显比例的总重量，尤其是如果多个纤维束被一个在另一个顶部 地放置，或利用一个铺设在另一个顶部上的多个纤维束形成更大材料厚 度的单-层纤维预制品。虽然利用编织强化纤维，例如利用编织玻璃或 碳纤维织物，也可形成衬层本身，即使在这种情况中，至少一些强化纤 维具有未根据负载的对准。此外，通过在TFT过程期间，利用缝纫针
穿入也损害了编织强化纤维，这样典型的材料值可能被损坏。为了避免 提及的困难，例如通过容易熔化的材料可以形成固定丝线，但这导致进入纤维预制品的不确定的材料量，这会损坏通过利用可固化聚合物材料 注入后面的复合材料中形成的矩阵的机械性能。发明内容本发明的目的在于提供一种方法，利用它，能够产生实质任何期望材料厚度的单-或多-层纤维预制品，没有TFT过程通常需要的固定丝 线与/或通常所需的衬层的烦扰影响。利用具有专利权利要求1的典型条款的特征的方法实现了根据本 发明的目标。利用根据本发明的方法，在完成TFT过程后，至少一个纤维预 制品被引导入固定设备，以保证纤维束在纤维预制品内的位置，并且固 定丝线或多条丝线与/或衬层或多个衬层至少被部分去除，该事实使得 可以在理想情况中，在后面的复合组合中不再执行任何功能的所有固 定丝线和衬层能够从纤维预制品去除。结果，由根据本发明的方法产生的纤维预制品具有实质理想的 "准各向同性"化学属性。特别地，避免了作为利用固定丝线有缺陷缝 纫纤维束的结果，纤维预制品中的瑕疵，由于上部固定丝线与下部固定 丝线之间的节和环的形成，这导致波状纤维丝线等，和纤维预制品中的 不均匀性。由于它们在后面的复合部件中提供了优选的层离，衬层的去 除具有相应的优选效果。此外，固定丝线和衬层的去除产生了相当的重 量节省。上述优选效果尤其在多层纤维预制品的情况中对前述甚至更 大。该固定设备优选地采用如下方式形成，以便在固定丝线与/或衬层的去除期间，它关于彼此可靠地紧固纤维束的层，并且同时给予纤维 预制品尽可能正确地对应于通过树脂注入随后由纤维预制品生产的复合 部件的几何形状。根据本发明的方法的优选改进，该固定丝线或多条固定丝线与/或 衬层或多个衬层由能够被化学与/或物理去除的材料形成，尤其是能够 溶解的材料。结果，采用简单的方式，固定丝线和衬层均能够从纤维预制品被去除或溶解。
根据另一优选的改进，实现了该固定丝线或多条固定丝线与/或 衬层或多个衬层通过溶解和冲洗去除，溶剂流过固定设备，尤其是作为 溶剂的水。
通过利用适合的溶剂，尤其是利用水，溶解固定丝线和衬层材料 和后面冲洗溶解的固定丝线和衬层材料，在单层纤维预制品的情况中的 固定丝线与/或衬层或多层纤维预制品的情况中的衬层的去除实际上允 许完全去除固定丝线与/或衬层或多个衬层。在这里，尤其作为溶剂的 水具有通常不会出现可能导致损害机械属性的与纤维预制品中的强化纤 维相互作用的优点。特别地，作为溶剂的水不会实质影响通常应用于强 化纤维以改进强化纤维到树脂矩阵的结合的尺寸属性。另外，利用施加 的热量，作为溶剂的水能够快速从纤维预制品逐出，并且特别地没有任 何留在后面。此外，作为溶剂的水能够容易和安全地处理。优选地，利 用水溶性聚合物材料形成固定丝线或多条固定丝线与/或衬层或多个衬
层。例如，日本东京的NITIVY公司的名称SOLVRON Sewing Thread SX 100T/lx3禾卩SOLVRON SF62dtex的丝线可用作水溶性固 定丝线。另一方面，如果固定丝线与/或衬层由水溶性材料形成，它需 要使用可选的溶剂，代替水。
根据本发明的方法的另一优选改进，在固定丝线或多个固定丝线 去除与/或衬层或多个衬层去除后，该纤维预制品固定设备中通过施加 的热量干燥。
结果，用于溶解和冲洗固定丝线与/或衬层的溶剂能够优选地从纤
维预制品完全去除，以便基本上排除纤维预制品的属性削弱。
根据本发明的方法的另一优选改进，利用可固化聚合物材料在固 定设备中执行纤维预制品的注入以生产完成的复合部件，尤其根据
RTM过程，利用环氧树脂、聚脂树脂或相类似物。
结果，为利用RTM过程生产完成的聚合物部件，固定设备能够 同时采用优选的方式作为可关闭模具。这特别地优选，因为用于RTM 过程的可关闭模具通常也具有加热设备，后面能够同时用于干燥纤维预 制品。此外，用于RTM过程的模具另外具有真空设备，利用它，能够加速干燥过程。根据本发明的方法的另一优选改进规定至少两个纤维预制品被布 置在固定设备中，用于形成多层纤维预制品。作为布置多个(单，单-厚度，单-层)纤维预制品的结果，所谓的 多层纤维预制品能够形成有更大材料厚度。这些多层纤维预制品相应地 具有多个衬层和多条固定丝线。利用专利权利要求7的固定丝线实现了根据本发明的目标。该固定丝线由尤其通过水溶性材料，能够化学与/或物理去除的材 料形成的事实意味着它能够釆用简单的方式优选地完全从纤维预制品 去除。优选地，利用容易水溶的聚合物材料形成固定丝线。例如，日本东京的NITIVY公司的名称SOLVRON Sewing Thread SX 100T/lx3 和SOLVRON SF62dtex的丝线可用作水溶性固定丝线。此外，利用根据专利权利要求8的衬层实现了根据本发明的目标。该衬层由尤其通过水溶性材料，能够化学与/或物理去除的材料形成的事实意味着它能够采用简单的方式完全从纤维预制品去除。在特 别优选的变形中，利用容易水溶性聚合物材料形成衬层或多个衬层。来自曰本东京的NITIVY公司的丝线SOLVRON Sewing Thread SX 100T/lx3禾Cl SOLVRON SF62dtex能够类似地用于形成衬层。
图1显示了穿过单层纤维预制品的示意横截面表示；和 图2显示了穿过多层纤维预制品的示意横截面表示，其中利用 根据本发明的方法，固定丝线和衬层已被完全冲洗。
具体实施方式
基于图1和图2，下面将更详细地说明根据本发明的方法。 图1显示了单层纤维预制品1的基本结构的示意横截面表示。 该纤维预制品，1具有多个纤维束2,其仅一个配置标号，作为其它的 表示。该纤维束接着由多个强化纤维形成，其类似地不再具体指示，并且大致与附图的平面垂直地延伸。例如作为强化纤维，考虑玻璃纤维、 碳纤维或芳族聚酰胺纤维。
在第 一 方法步骤中，利用已知TFP过程 ("Tailored Fibre Placement")首先优选地在衬层3上铺设纤维束，以便它们沿力的 通量定向，并且利用作为固定丝线6的上部固定丝线4和下部固定丝 线5附加。该上部固定丝线4在衬层3下形成环路，为了附图的更 清楚，其仅一个配置标号，如环路7。该下部固定丝线5延伸经过所 有环，包括环路7，以便所有纤维束被附于衬层上，用于紧固抑制移 位。通过已知CNC自动缝纫或绣花机执行纤维束的铺设和附加，执 行纤维束的铺设和附加，利用它，纤维束在衬层3上实际能够形成任 何期望的铺设曲线。利用未显示的、沿至少两个空间维度受计算机控制 并能够通过自动缝纫或绣花机器定位的缝纫头执行将铺设纤维束的引导 和在铺设层3上的附加。
可选地，该纤维预制品1也可利用所谓的"栽绒法"铺设和缝合 在一起。在这种情况中，仅上部固定丝线4被使用，并且通过夹在其 中，直接固定在适合选择的衬层3中。下部固定丝线5，用于通过利 用上部固定丝线4的连接或环状构成而将上部固定丝线4固定在衬层 3下面，和下部固定丝线引导因而是多余的。柔韧和弹性橡胶片、泡沬 塑料或类似物例如用作衬层3，其中上部固定丝线4由针至少表面 地引导。在针縮回后，在橡胶板中形成的上部固定丝线环被紧固地保持 在橡胶片内，并随后固定。
这个过程尤其具有优点由于在溶解并冲洗固定丝线6前，它能 够从固定设备中的纤维预制品1脱离，不会对强化纤维任何可感知的 损坏，利用根据本发明的方法不必溶解衬层3。
根据图1中的表示，通过将多个纤维预制品1 一个放置在另一 个上，如果需要，所谓的多层纤维预制品也可形成用于生产由于有限的 针长度，利用TFP过程不能生产的具有更大材料厚度的复合部件。
至少利用可溶解固定纤维6利用TFP过程在衬层3上建立具有 多层的纤维预制品1，更确切地说，尤其利用可溶解固定纤维4和可 溶解下部固定纤维5。另外，为形成衬层3，也可以使用能够通过溶解去除的这种材料。关于这一点尤其考虑的是水溶性材料，这使得溶解的 纤维6和/或衬层3的材料容易地可以利用水冲洗，并且此外，通过供 应的热量快速干燥，丝毫不会留下。此外，作为溶剂的水具有通常不会 发生损害纤维束中的强化纤维的性能的优点。特别地，通常应用于强化 纤维以改进强化纤维到后面的完成复合部件的周围树脂矩阵的机械结合 的尺寸不会被侵蚀。
图2显示了穿过多层纤维预制品8的示意横截面表示，其中 在第二方法步骤中，在适合的固定设备中，固定丝线和衬层均已被完全 去除。利用适合的溶剂并且接着利用溶剂优选地完全冲洗溶解的固定丝 线和衬层材料，通过溶解固定丝线和衬层材料层，执行固定丝线和衬层 的去除。
为了附图的更全面、清晰，放大了图2中的纤维束之间的距离。
该固定丝线沿窄的垂直和水平中间空间延伸，同时衬层已以宽的水平中 间空间被布置。实际上，在通过溶解和冲洗去除固定丝线和/或衬层
后，纤维束直接彼此靠着，大致无任何间隙，以便在后面的复合部件 中取得纤维体积50%和更高的极高比例。从多个纤维束，为了更好地
概观附图，仅一个纤维束9已被指出并配置标号，作为剩余纤维束的表示。
该纤维预制品8采用多层形式建立，也就是说由根据纤维束1
分别建立并一个在另一个上面布置的总共三个纤维预制品，其中在每种 情况中，具有强化纤维的两层纤维束，所有固定丝线和衬层己通过用溶 剂冲洗被消除。
结果，纤维预制品8具有实质最佳的机械、准各向同性的属性。 特别地，没有利用固定丝线通过将其附于衬层上通常产生的纤维束的波 形形成。此外，由于上部固定丝线和下部固定丝线之间形成的节和环以 及衬层被简单地溶解，通过冲洗完全消除了纤维束8的纤维布置中的 瑕疵。
为了使得固定丝线与/或衬层可以溶解并完全冲洗，它们优选地利 用能够容易地化学与/或物理去除的材料制造，尤其是利用能够利用适 合的溶剂容易并快速溶解并冲洗的聚合物材料或类似物。优选地使用允许使用水作为溶剂的水溶性聚合物材料，用于形成固定丝线与/或衬层。例如，日本东京的NITIVY Co. LTD公司的名称SOLVRON Sewing Thread SX 100T/lx3禾tl SOLVRON SF62dtex的丝线可用作水 溶性固定丝线。可选地，根据用于固定丝线与/或衬层的材料，也可以使用诸如例如有机溶剂、氯代烃类和相类似物的其它溶剂。固定丝线与/或衬层的溶解和接着的冲洗在未更特别表示的固定设备中执行。 一方面，在冲洗过程期间，固定设备用于实质保持纤维预制 品8的形式的目的，并且结果避免纤维束的移位。另一方面，该固定 设备具有确保溶剂流尽可能均匀并渗透纤维预制品的所有区域的任务。为实现纤维束与/或衬层的溶解和冲洗，固定设备例如具有至少一 个流入口和至少一个流出口，用于优选地用作溶剂的水。该溶剂也可在 封闭的回路中引导，其通常需要过滤出固定丝线与/或衬层的溶解材料 粒子。为避免异物进入纤维预制品8，尤其采用溶解矿石或类似物的形 式，可能需要使用蒸馏水作为溶剂。在第三方法步骤中，为了纤维束8的后续干燥，它采用特别优选 地方式保留在固定设备中，其然后通过用于干燥纤维预制品8的加热 设备加热。利用加热设备，例如用作溶剂的水能够从纤维预制品8完 全驱使出来。为进一步加速干燥过程，负压可另外应用于固定设备。在第四方法步骤中，例如利用已知RTM过程("Resin Moulding Transfer")，采用这种方式干燥的纤维预制品8浸润或注入可固化聚 合物材料，例如环氧树脂、聚脂树脂、BMI树脂或相类似物。采用特 别优选的方式，这种方法步骤也在固定设备中执行，其然后用于或同时 形成在RTM过程内作为可关闭模具，以便，和其它事物，能够削弱 完成复合部件的维度稳定性的纤维预制品8的不确定变形得到大大避 免。这种过程另外具有特别的优点效果在第三方法步骤中，用于执 行RTM过程的可关闭模具具有加热设备，同时能够用于冲洗后，干 燥纤维预制品8。采用相应的方法，当执行RTM过程时通常提供的 真空设备还能够用于进一步加速干燥纤维预制品8的过程。利用根据本发明的方法形成的纤维预制品生产的复合部件具有强 化纤维的实质最优的对准，更确切地说，尤其是实质沿力的通量的定 向，没有节和环和波层形式的瑕疵，并且结果被认为关于其物理属性的 "准各向同性"。此外，复合部件可以实质任何期望的材料厚度生产， 没有任何麻烦的衬层。本发明涉及一种用于利用实质对准的纤维束2, 9，通过TFP过程生产单-或多层纤维预制品1,8的方法，以便它们利用力通量定向，铺设在至少一个衬层3上，并且利用至少一个固定丝线6附加，纤维 预制品1， 8具有实质任何期望的材料厚度，其中在完成TFT过程 后，至少一个纤维预制品1， 8被引导入固定设备，以确保纤维束2， 9 在纤维预制品1, 8内的位置，并且固定丝线6与/或多个固定丝线6 与/或衬层3或多个衬层3至少被部分去除。该固定丝线6或多个固定丝线6与/或衬层3或多个衬层3由 能够被化学与/或物理去除的材料形成，尤其是能够溶解的材料。该固定丝线6或多个固定丝线6与/或衬层3或多个衬层3通 过溶解和冲洗去除，固定设备由溶剂流过，尤其是作为溶剂的水。在固定丝线6或多条固定丝线6的去除与/或衬层3或多个衬 层3去除后，该纤维预制品1,8优选地在固定设备中被干燥。利用可固化聚合物材料，在固定设备中执行纤维预制品1， 8的注 入，尤其利用环氧树脂、聚脂树脂或相类似物，根据RTM过程，以 生产最后的复合部件。至少两个纤维预制品1， 8被布置在固定设备中，用于形成多层纤 维预制品。该固定丝线优选地由能够化学与/或物理去除的材料形成，尤其是 利用水溶性聚合物材料。该衬层尤其由能够化学与/或物理去除的材料形成，尤其是利用水 溶性聚合物材料。标号列表1 纤维预制品2 纤维束3 衬层4 上部固定丝线5 下部固定丝线6 固定丝线7 环8 纤维预制品9 纤维束
权利要求
1.用于利用实质对准的纤维束(2，9)，通过TFP过程生产单-或多层纤维预制品(1，8)的方法，以便它们沿着力的通量定向，包括步骤a)纤维束(2，9)被铺设在衬层(3)上并由固定丝线(6)附加，以形成纤维预制品(1，8)，固定丝线与/或衬层由水溶性材料形成，并且纤维预制品(1，8)具有实质任何期望的材料厚度，b)在完成TFT过程后，至少一个纤维预制品(1，8)被引导入固定设备，以确保纤维束(2，9)在纤维预制品(1，8)中的位置，c)作为溶剂的水流经固定设备，以通过溶解和冲洗，去除至少一个固定丝线(6)与/或至少一个衬层(3)，通过流入和流出，水在封闭环路中被引导经过固定设备并经过滤，d)在去除至少一个固定丝线(6)与/或去除至少一个衬层(3)后，至少一个纤维预制品(1，8)在固定设备中通过应用的热量干燥；和e)利用环氧树脂，根据RTM过程，在固定设备中执行至少一个纤维预制品(1，8)的注入以生产最后的复合部件。
2. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于至少一个固定丝线 (6) 与/或至少一个衬层 (3) 由丝线SOLVRON Sewing ThreadSX100T/lx3或SOLVRON SF62dtex形成。
3. 根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于至少两个纤维预制品(1,8)被布置在固定设备中，用于形成多层纤维预制品。
全文摘要
本发明涉及一种用于利用实质对准的纤维束2，9，通过TFP过程生产单-或多层纤维预制品1，8的方法，以便它们沿着力通量定向，铺设在至少一个衬层3上，并且利用至少一个固定丝线6附加。根据本发明，在完成TFT过程后，至少一个纤维预制品1，8被引导入固定设备，以确保纤维束2，9的位置，并且固定丝线6与/或衬层3至少被部分去除。作为固定丝线6与/或衬层3从纤维预制品1，8优选地完全去除的结果，后者具有实质理想的机械、准各向同性的属性。在优选的变形中，利用水溶性材料形成固定丝线6与/或衬层3，以便它们能够由作为溶剂的水完全溶解并冲洗。本发明还涉及由能够化学与/或物理去除的材料形成的固定丝线6，以及由这种材料形成的衬层3。
文档编号D04H3/04GK101253037SQ200680032195
公开日2008年8月27日 申请日期2006年7月24日 优先权日2005年7月22日
发明者乌尔里奇·埃贝茨, 保罗·约恩 申请人:空中客车德国有限公司