CN102006977A

CN102006977A - 制造纤维预制件的方法

Info

Publication number: CN102006977A
Application number: CN2009801132880A
Authority: CN
Inventors: 约阿希母·皮彭布罗克; 卡斯滕·巴拉格; 皮埃尔·萨伦德
Original assignee: Airbus Operations GmbH
Current assignee: Airbus Operations GmbH; Teijin Carbon Europe GmbH
Priority date: 2008-04-16
Filing date: 2009-02-16
Publication date: 2011-04-06
Anticipated expiration: 2029-02-16
Also published as: EP2262630A1; WO2009127456A1; ATE530316T1; EP2262630B1; BRPI0911413A2; CA2720205A1; US20110148007A1; RU2010144414A; JP2011516752A; DE102008019147A1; CN102006977B; US8771567B2

Abstract

根据本发明的用于复合材料元件的纤维预制件的制造方法使得以灵活和低成本的方式通过相互独立地应用多个干纤维粗纱直接制造复杂几何结构成为可能，即使在空间不平坦轮廓中也是如此。由于纤维预制件直接由干纤维粗纱制造，因此不再需要使用切割的织物带。这消除了对执行制造、运输和指令拣选过程的需要。不需将纤维带切割成合适尺寸，因此可节省材料。另外，因为不需缝合纤维网，复合材料中的机械特性值可能提高。由于临近布置的干纤维粗纱的数量可以改变被覆盖的表面，因此已经描述的方法可容易地被测量。另外，该方法中有利的是干纤维粗纱可直接被固定。

Description

制造纤维预制件的方法

技术领域

本发明涉及制造纤维预制件的方法。

背景技术

在轻质结构中，特别是在航空器结构中，由纤维增强塑性材料构成的复合元件越来越多地被使用，这种复合元件能够经受住极端机械载荷，同时提供了减轻重量的巨大潜力。这些元件使用增强纤维形成，所述增强纤维随后被充满或灌注可固化塑性材料，例如聚脂树脂、环氧树脂或类似物，以形成终结元件。通过这样做，纤维在其被用于制造纤维合成物的凝固期间被锚固为矩阵。

在这种类型的元件中的增强纤维的排列对元件的刚度和强度具有决定性的影响。如果可能的话，增强纤维应沿着载荷加载的方向且不应具有任何波动，以获得最佳的机械特性。此外，希望每个单独的增强纤维承受均匀的载荷。

还使用通过铺设由纤维束或干纤维粗纱组成的预制纤维半成品而被制造的纤维预制件，例如多轴向织物毯、非编织毯或编织毯。为此，几何结构例如被裁剪出主体。不是所有能想到的纤维方位都能够用这些传统的半成品而被获得，因为其内的增强纤维通常在被布置为特定的、固定的方位。虽然纤维编织织物可为“悬垂的”，以不带褶皱的平面方式铺设，例如形成圆环片断，但所述增强纤维通常不能与更复杂的力通量线的流动一致。

一种可能的满足纤维排列与载荷一致的要求的方法为已知的TFP方法。在该方法中，用于由多个相互平行地流动的离散的增强纤维形成的机械加固件的干纤维粗纱沿任何希望的轨线敷设，且通过固定线被粘附到衬背层，以形成纤维预制件，由此可能使单独的干纤维粗纱的方位实质上最佳地适应于施加在终结复合元件上的力。在这种情况下，根据传统的缝纫过程，由在衬背层下面相互连接的上固定线和下固定线来实现固定。以这种方式获得的对干纤维粗纱的机械承载能力的最佳利用可使所述干纤维粗纱的数量最小化，并且因此还使重量最小化。此外，元件的横截面可以以理想的方式适应于各个局部载荷。此外，加固件可形成在具体为承受特定载荷的区域，例如通过铺设额外的干纤维粗纱而使力被引入的区域或类似区域。增强纤维由例如玻璃纤维、碳纤维、水硅锡矿纤维、聚酯纤维或类似物形成。

纤维预制件可通过TFP方法在传统的计算机数控(CNC-controlled)缝纫机或还可用在例如纺织工业中的刺绣机上制造。

当所有必须的板层已经铺设有干纤维粗纱时，通常已经具有期望的最终轮廓的终结纤维预制件被引入可封闭模具中，被灌注可固化塑性材料并最终被固化，以制造终结复合材料。多个TFP纤维预制件和/或增强织物的板层能够在这里结合。多层纤维预制件可通过以一层在另一层顶部的方式放置多个纤维预制件而形成，以这种方式可以获得更大的材料厚度。

纤维预制件可在相应构造的可封闭模具中例如通过已知的RTM(“树脂传递模塑”)方法被灌注可固化塑性材料。

DE 10 2005 034 401 B4描述了在TFP方法中制造单层或多层纤维预制件的这种类型的方法。在这种情况下，固定线被用于锚固非编织织物。

TFP方法的缺点在于难以获得纤维预制件的大的材料厚度，因为随着材料厚度的增加用固定线缝纫变得困难。此外，固定接缝在纤维合成物中构成缺陷，并因此减小强度。

其它现有的方法或者具有高的主体废品率，不可能进行纤维半成品的弯曲单向铺设，或者是同时只能铺设一个单独的干纤维粗纱而不是几个干纤维粗纱。此外，至今仍必须在它们的端部固定单个的干纤维粗纱。

发明内容

因此，本发明的目的在于提供一种允许多个干纤维粗纱同时互相紧贴地被铺设的方法。还应该能够通过干纤维粗纱形成弯曲的织物。本发明的另一目的在于允许同时供给相互独立的多个干纤维粗纱，以减少制造纤维预制件所需的时间。此外，纤维预制件应该如纤维编织织物般稳定，并因此应能够无需用固定线固定干纤维粗纱或无需用胶带或粘合剂区域粘附干纤维粗纱而形成纤维预制件。

根据本发明的目的通过具有权利要求1的特征的方法而实现。

本发明所基于的思想在于，在制造纤维预制件的方法中，在第一步骤中，多个干纤维粗纱相互独立地被同时供给到模具，并且通过这样做，至少一些干纤维粗纱以不同的速度被供给。然后，干纤维粗纱相互紧靠地同时直接铺设到模具上或铺设到位于模具上的干纤维粗纱上。最后，所述干纤维粗纱被切断。

由于在根据本发明的方法中，所述干纤维粗纱被直接应用且不使用较宽的织物带，因此对期望的轮廓适应性改进。在这一点上，每个单独的干纤维粗纱可以以其自身的半径沿几何轮廓流动。为此目的，有利的是所述干纤维粗纱相互独立地被供给，优选以不同的速度被供给，因为在该方式中所述纤维可以沿不同的半径流动。

本发明的有利的实施例和改进提出在从属权利要求中。

因此，在本发明的一有利实施例中，基于碳纤维、水硅锡矿纤维、聚酯纤维或玻璃纤维的干纤维粗纱被供给。

前面提到的材料具有特别有利的强度特性。通过根据本发明的方法，特别是基于碳和水硅锡矿纤维的元件可以以强度和刚度与元件重量的非常有利的比率被制造。

在另一有利的实施例中，在另一个干纤维粗纱顶部流动的一个干纤维粗纱基本上相互成至少25°角被铺设。

与纯单向铺设相比，相互成角度铺设所述干纤维粗纱的优点在于能够制造更灵活地适应于载荷方向的元件。

在另一优选实施例中，所述干纤维粗纱以一个在另一个的顶部、相互之间成两个或更多个角度被铺设为多轴向织物的形式。

该实施例允许被制造的纤维复合材料能有效吸收从相应方向引入的力，并具有非常好的强度与成本的比率。沿所述元件的不同载荷方向的所述纤维的最佳铺设相对角度允许低的具体重量。所述多轴向织物的层构造优选地为双轴向、三轴向或四轴向。

在另一优选实施例中，在敷设之前的过程步骤中，所述干纤维粗纱被提供有粘合剂，特别是热塑性粘合剂。

所述粘合剂的目的在于粘合所述干纤维粗纱以制造稳定的纤维预制件。所述粘合剂优选为粉状的熔融粘合剂，其作为粉末被应用到所述干纤维粗纱。优选地，为此目的，干纤维粗纱、更优选地所述粘合剂粉末被充以静电，以允许所述粘合剂粉末有效附着到所述干纤维粗纱上。液体粘合剂还可优选地被喷射、卷起或涂敷到所述干纤维粗纱上，或者所述干纤维粗纱可被浸入所述液体粘合剂中。此外，包含粘合剂的单独的细丝还可以被合并到所述干纤维粗纱中。

在另一优选实施例中，在切断所述干纤维粗纱的步骤中，至少一些干纤维粗纱相互独立地被至少一个切断单元切断。

以这种方式，单独的干纤维粗纱的长度可单独地被调节，以制造适合的纤维合成物。

在另一优选实施例中，当所述干纤维粗纱被铺设时或在其被铺设之后，所述干纤维粗纱通过所述粘合剂的活化而被固定。为此目的，可有利地使用不同的方法，例如接触加压和/或热照射和/或微波照射和/或红外照射和/或紫外照射和/或激光照射和/或感应能量的引入和/或接触加热。

根据另一优选实施例，在所述干纤维粗纱被铺设之后或被切断之后，执行用可固化塑性材料灌注或渗透所述被铺设的干纤维粗纱的过程步骤。

该步骤在纤维的为了制造纤维合成物而固化的期间将所述纤维锚固为矩阵。所述塑性材料的渗透可通过真空促进，以这种方式，所述液体塑性材料通过大气压力被压进所述带纤维的材料中。

在下文中，基于实施例并参考附图对本发明进行更详细的描述。

附图说明

附图为用于实现根据本发明的用于制造纤维预制件的方法的装置的基本结构的示意图，左手侧为横向剖视图，右手侧为正视图。

具体实施方式

图1为用于实现根据本发明的制造纤维预制件的方法的装置的基本结构示意图，左手侧为横向剖视图，右手侧为正视图。根据本发明一优选实施例，干纤维粗纱2位于纤维粗纱线轴1上。干纤维粗纱2被提供具有粘合剂20。一个或多个切断单元3被布置在纤维粗纱线轴1的下游，并用于切断干纤维粗纱2。一个或多个压力辊筒4被布置在切断单元3的下游，并用于在干纤维粗纱被铺设到模具5上时挤压干纤维粗纱2。

干纤维粗纱2相互独立地从纤维粗纱线轴1展开，并被铺设到模具5上或被铺设先前铺设的干纤维粗纱2上。压力辊筒4压缩并加热干纤维粗纱2，使得干纤维粗纱2相互粘附。从右手侧的正视图可见，多个干纤维粗纱2被同时供给到模具5并供给到压力辊筒4。然后，单独的干纤维粗纱2可被切断单元3切断。其后，干纤维粗纱2可被重新铺设，以制造层状的纤维预制件。

在这一点上，干纤维粗纱2被相互独立地单独地供给，使得一方面它们能够灵活地落在模具5的轮廓上，另一方面它们的长度还可被单独地调节。特别地，非平面或弯曲模具因此可被覆盖，而不会有没有突出部分。由于多个干纤维粗纱2同时被供给，宽表面也可被干纤维粗纱2有效地被覆盖。另外，作为干纤维粗纱的分层应用的结果，还可能经由多个层而获得大的材料厚度。

虽然本发明目前基于优选实施例而被描述，但并不限于此，而是能以许多不同的方式修改。

根据本发明的制造用于复合材料元件的纤维预制件的方法使得通过相互独立地应用多个干纤维粗纱以灵活和低成本的方式直接制造复杂几何结构成为可能，即使在空间非平面轮廓中也是如此。由于纤维预制件直接由干纤维粗纱制造，因此不再需要使用切割织物带。因此，不需要制造、运输和指令拣选(order picking)操作。不需将纤维带切割成合适尺寸，从而可以节省材料。另外，因为不需缝制纤维网，复合材料中的机械特性值可提高。此外，由于临近布置的干纤维粗纱的数量可以改变被覆盖的表面，因此已经描述的方法可容易地被测量。另外，该方法中有利的是干纤维粗纱可直接被固定。

附图标记清单

1纤维粗纱线轴

2干纤维粗纱

3切断单元

4压力辊筒

5模具

20粘合剂

权利要求书(按照条约第19条的修改)

1.一种制造纤维预制件的方法，包括如下步骤：

(a)将多个被提供有粘合剂的干纤维粗纱相互独立地供给到成型模具(5)，至少一些干纤维粗纱(2)以不同的速度被供给；

(b)通过所述粘合剂的活化将所述多个干纤维粗纱(2)相互紧靠地同时直接铺设并固定到所述模具(5)上或铺设并固定到位于所述成型模具(5)上的干纤维粗纱(2)上，以形成所述预制件，以及

(c)切断所述干纤维粗纱(2)。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在供给所述干纤维粗纱(2)的过程步骤中，基于碳、水硅锡矿、聚酯或玻璃纤维的干纤维粗纱(2)被供给。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，一个在另一个顶部流动的干纤维粗纱(2)基本上相互成至少25°角地被铺设。

4.根据上述权利要求中的至少一项所述的方法，其特征在于，所述干纤维粗纱(2)以一个在另一个的顶部、相互之间成两个或更多个角度被铺设为多轴向织物的形式。

5.根据上述权利要求中的至少一项所述的方法，其特征在于，在被铺设之前的一过程步骤中，所述干纤维粗纱(2)被提供具有粘合剂(20)，特别是热塑性粘合剂(20)。

6.根据上述权利要求中的至少一项所述的方法，其特征在于，在切断所述干纤维粗纱(2)的过程步骤中，至少一些干纤维粗纱(2)相互独立地被至少一个切断单元(3)切断。

7.根据上述权利要求中的至少一项所述的方法，其特征在于，所述粘合剂(20)通过接触加压和/或热照射和/或微波照射和/或红外照射和/或紫外照射和/或激光照射和/或感应能量的引入和/或接触加热而被活化。

8.根据上述权利要求中的至少一项所述的方法，其特征在于，在所述干纤维粗纱(2)已经被铺设或被切断之后，执行用可固化塑性材料灌注或渗透所述被铺设的干纤维粗纱(2)的过程步骤。

Claims

1.一种制造纤维预制件的方法，包括如下步骤：

(a)将多个干纤维粗纱相互独立地供给到模具(5)，至少一些干纤维粗纱(2)以不同的速度被供给；

(b)将多个干纤维粗纱(2)相互紧靠地同时直接铺设到所述模具(5)上或铺设到位于所述模具(5)上的干纤维粗纱(2)上，以及

(c)切断所述干纤维粗纱(2)。

7.根据上述权利要求中的至少一项所述的方法，其特征在于，在供给所述干纤维粗纱(2)的过程步骤中，被供给的干纤维粗纱被提供具有粘合剂(20)。

8.根据上述权利要求中的至少一项所述的方法，其特征在于，当所述干纤维粗纱(2)被铺设时或在所述干纤维粗纱(2)被铺设之后，所述干纤维粗纱(2)经由接触加压和/或热照射和/或微波照射和/或红外照射和/或紫外照射和/或激光照射和/或感应能量的引入和/或接触加热通过所述粘合剂(20)的活化而被固定。

9.根据上述权利要求中的至少一项所述的方法，其特征在于，在所述干纤维粗纱(2)已经被铺设或被切断之后，执行用可固化塑性材料灌注或渗透所述被铺设的干纤维粗纱(2)的过程步骤。