CN101228022A - 用于通过tfp工艺生产单层或多层纤维预型件的方法以及一种衬垫层 - Google Patents

用于通过tfp工艺生产单层或多层纤维预型件的方法以及一种衬垫层 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种通过纤维束(4－16)、利用TFP工艺生产单层或多层纤维预型件的方法，纤维束大致排列为使得其通过力流被定向，并放置在衬垫层(2)上，并通过固定丝(17)连接，以便形成具有所需材料厚度的纤维预型件(1、25)，而不会对衬垫层(2)造成影响。根据本发明，脱离层(3、26)至少在一定的区域施加到衬垫层(2)，且当完成TFP工艺后，将纤维预型件(1、25)引入到固定装置(24)中，其中至少一些固定丝(17)通过供给的热熔化，接着，通过脱离层(3、26)与纤维预型件(1、25)分开的衬垫层(2)与纤维预型件(1、25)脱离。通过根据本发明方法形成的纤维预型件(1、25)具有最佳的纤维结构，而对于实际上任何所需的材料厚度没有裂纹，并注定用于必须承受高机械载荷的承载部件的复合部件的生产。本发明还涉及一种用于纤维预型件(1、25)的生产的衬垫层，以及涉及一种根据本发明的方法形成的纤维预型件(1、25)。

Description

用于通过TFP工艺生产单层或多层纤维预型件的方法以及一种衬垫层
技术领域
本发明涉及一种用于通过具有纤维束的TFP工艺(“特制纤维布置”)生产单层或多层纤维预型件的方法，纤维束大致排列成使得其通过力流被定向，并放置在衬垫层上，并通过固定丝连接，具体地，通过至少一个上固定丝和至少一个下固定丝连接，以便形成具有实际上所需材料厚度的纤维预型件。
本发明还涉及一种用于进行该方法的衬垫层。
背景技术
在轻质结构中，具体地，在飞行器结构中，利用由纤维加强塑料制作的复合部件的应用逐渐增加，这种纤维加强塑料可以承受极大的机械载荷，同时，具有十分节约重量的潜力。这些部件形成有连续浸透或充满有可固化的聚合材料(例如聚酯树脂、环氧树脂等)以形成最终部件的加强纤维。与到目前为止用于承载结构元件而主要使用的金属材料相反，加强纤维复合材料具有很依赖方向的机械性质。
因此，在此类部件中的加强纤维的排列对其刚度和强度具有决定性的影响。为了实现最佳的机械性能，如果需要，加强纤维应该沿着加载的方向且不具有任何波纹形成，也就是说，以伸展的方式行进。此外，理想地，对于各个加强纤维都需要经受均匀的机械加载。
对于传统的半成品，例如，用于加强聚合材料的纺织或捻搓纤维织物，由于加强纤维通常设置为具有特殊的、固定的取向，所以，不是所有可以想象到的纤维取向都能实现。虽然捻搓纤维织物可以“被悬挂”，也就是说以平面而没有褶皱的方式放置，例如以形成圆环等部分，但包含在其中的加强纤维通常不会随着更复杂的力流线而沿着路径排列。
符合用于与加载方向一致的纤维排列要求的一种可能方式是公知的TFP工艺。这包括用于机械加强的纤维束(粗纱)的布置，其也可以通过彼此平行延伸的多个离散的加强纤维沿任何所需路径曲线形成，并在衬垫层上的固定丝的协助下与其连接，以形成纤维预型件(“预型件”)，因此，各个纤维束的排列可以实质上最佳地适用于作用在最终复合部件上的力流。在此通过在衬垫层下彼此互连、以与传统的缝纫方法相对应的方式形成圈的上固定丝和下固定丝实施固定。在此，例如，利用习惯上的Z字形针脚进行纤维束的连接。以此方式实现的纤维束的机械承载能量的最佳利用可以最小化其数目，接着，也相应地减少纤维预型件的重量。此外，部件的横截面可以以理想的方式适用于各个局部载荷。此外，例如可以通过设置附加的纤维束，而在经受特殊加载的区域中形成加强，例如，在力被引入的区域内，等等。例如，可以使用玻璃纤维、碳纤维、芳族聚酸胺纤维等作为加强纤维。
通过TFP工艺的纤维预型件的生产在同样在例如纺织工业中使用的传统的CNC控制的自动缝纫和绣花机上进行。一旦所有需要的层都通过纤维束被搓编并连接在衬垫层上，则将通常已经具有所需最终轮廓或最终形式的最终纤维预型件放置在密闭的模型中，并注入有可固化的聚合材料，接着，被固化以形成最终的复合部件。多个TFP纤维预型件和/或加强纤维层可以在此组合。多层纤维预型件通过将多个(单个、单层)纤维预型件一个放置在另一个之上地形成，以便可以产生由于在用于TFP工艺的自动缝纫和绣花机中的有限针长度而不能产生的更大材料厚度。因此，多层纤维预型件具有在多层纤维预型件内接近彼此平行延伸的至少两个衬垫层。
例如，通过在相应设计的封闭模型中的公知的RTM工艺(“树脂传递模制法”)，可以进行具有可固化聚合材料的纤维预型件的注入。
然而，利用固定丝和衬垫层，TFP工艺引入在后面的复合部件中不再起任何作用(具体地没有衬垫作用)的纤维预型辅助部件中。衬垫层和固定丝都可能产生有关实现理想的层顺序的问题，此外，具体地，如果多个纤维预型件一个放置在另一个之上，或具有大材料厚度的单层纤维预型件通过一个放置在另一个之上的多层纤维束形成，则表现出对整个重量至关重要的比例。此外，优先在最终复合部件中的衬垫层的区域中出现分层。虽然衬垫层本身也可以通过纺织的加强纤维，例如通过玻璃织物或碳纤维织物形成，但即使在此情况下，至少一些加强纤维通常也具有不按照加载方向的排列。此外，在一些情况下，在TFP工艺期间，纺织的加强纤维也由于缝纫针穿透受到损坏，使得特征材料值被削弱。例如，由于作为缝纫的结果而沿着纤维束形成波纹，并且由于作为在上固定丝和下固定丝之间打结的结果而形成圈，导致在纤维预型件中进一步产生裂纹。如果多个纤维预型件为一个放置在另一个之上，则也形成裂纹层。
此外，通过TFP工艺，固定丝、纤维束和衬垫层通过缝纫彼此牢固地连接在一起，使得其通常不可以用于衬垫层，而与纤维预型件撕离，具体地，不会损坏纤维束中的各个加强纤维。
DE10061028A1确实公开了一种在纤维预型件中的固定丝化学溶解或热熔化的方法，但在此作为撕离缝纫基底的结果，具有纤维束受到损坏的危险。在此情况下，在纤维预型件的注入期间，固定丝的化学溶解可能只在适合的树脂系统中进行，使得不会消除树脂基体的损伤。
发明内容
因此，本发明的目的是提供一种用于根据TFP工艺生产纤维预型件的方法，其中保证了衬垫层与纤维预型件之间能够方便地脱离，特别是不会损坏纤维束，以便形成纤维预型件，特别是没有易出故障的衬垫层，这使得通过该方法生产的复合部件具有实际上最佳层压性，而且其也伴随通过力流被大致取向的加强纤维束的对齐。此外，可以减少通过在TFP工艺中需要的固定丝造成的对纤维预型件的机械性能的影响，具体地，通过裂缝等的形成造成的影响。
根据本发明的目的通过具有专利权利要求1的特征条款的技术特性的方法来实现。
脱离层至少在一定的区域中首先施加到衬垫层，且当TFP工艺完成后，将纤维预型件引入到固定装置中，其中至少一些固定丝通过供给的热熔化，接着，通过脱离层与纤维预型件分开的衬垫层与纤维预型件脱离的事实意味着，进行TFP工艺所需要的衬垫层可以与纤维预型件脱离而不损坏纤维预型件的纤维束。同时，熔化的固定丝使其可以保证在固定装置内的纤维束的空间位置，使得当用于脱离已经通过脱离层与纤维预型件分开的衬垫层而部分熔化固定丝后，纤维预型件可以从固定装置去除，以用于进一步的加工步骤，而不会有任何显著的尺寸改变。
根据本发明的方法的进一步优选方案提供：脱离层通过具有不粘性的材料而形成。作为此脱离层的结果，衬垫层可以与纤维预型件脱离，而对所述纤维预型件中的纤维束不具有任何损坏。
根据本发明的方法的进一步优选方案，在通过施加负压使至少部分固定丝熔化之前，保证纤维束的空间位置在固定装置中。
这样，在固定装置中的熔化工艺之前或期间，就避免了纤维预型件内的纤维束的偏离。在此，固定装置可以作为基底形成，其形式大致对应待生产的纤维预型件。将通过TFP工艺形成的纤维预型件引入到真空密闭体中，接着，放置在基底上并通过密封元件以气密的方式连接至基底。通过将负压施加到真空密闭体中，真空密闭体本身压紧纤维预型件，因此固定纤维束。如果适合，具体地，在大尺寸的纤维预型件的情况下，需要至少在具有可透气的排出层的一定区域中覆盖纤维预型件，例如，可透气的无纺织物等，以便使负压在纤维预型件的全部表面上尽可能均匀地作用。可供选择地，可以使用具有开口单元结构的刚性泡沫薄板。为了避免纤维预型件粘接到真空密闭体和/或基底的内侧，可以至少在一定的区域内将脱离膜放置在纤维预型件上。
根据进一步的优选方案，至少上固定丝和/或下固定丝至少部分熔化，以保证固定装置中的纤维束的空间位置。结果，在纤维束之间可以实现良好的粘接，大大地避免了纤维束的空间位置的意外偏离。这样就在所述固定装置中完成固定操作后，使纤维预型件从固定装置中去除，以用于后续加工步骤，例如，衬垫层等的分离，而没有变形的危险。此外，可以使纤维预型件中的裂缝在很大程度上变平或去除，使得纤维预型件具有最佳机械性能。例如，由于纤维束用固定丝缝纫，所以，造成此裂缝以波纹形成的形式出现在纤维束上。此外，具体地，在具有多层纤维束的纤维预型件的情况下，在纤维预型件内打结的一些情况下，通过上固定丝和下固定丝对纤维束的缝纫可能导致在衬垫层下方增加圈的形成。此裂缝通过熔化至少一些固定丝而被消除。此外，至少上固定丝与脱离层一起熔化使衬垫层很容易与纤维预型件脱离，而不会损坏纤维束。当发生此情况时，固定丝的材料在熔化状态具有足够的粘度，使得不会出现材料在不控制的情况下引入到纤维预型件中。
根据进一步的优选方案，固定装置中的纤维束的空间位置通过另外的粘合剂保证，具体地，通过热塑性材料和/或热硬化材料保证。
这样，就以纤维束保持在一起的方式获得进一步改进，进而保证了纤维预型件的尺寸稳定性。
根据本发明的目的也通过根据专利权利要求8到11任何一项形成的衬垫层实现。
衬垫层至少在一定区域中具有至少一个脱离层的事实使衬垫层与纤维预型件方便地脱离或分离，特别是，不会损坏所述纤维预型件内的纤维束。
此外，根据本发明的目的是通过根据权利要求12的纤维预型件实现的。
纤维预型件通过根据权利要求1到7任何一项所述方法形成的实施意味着其具有最佳的机械性能，具体地，由于不再具有任何衬垫层，则削弱了纤维预型件的均一性，而纤维预型件中的裂纹通过至少部分熔化固定丝而大部分被去除，特别地，在多层纤维预型件的情况下是非常重要的。
衬垫层和该方法的进一步优选方案表示在进一步的专利权利要求中。
附图说明
在图中：
图1是表示通过由TFP工艺形成的具有脱离层的纤维预型件的横截面视图；以及
图2是显示用于根据本发明方法进行的固定装置的视图。
标号表：
1：纤维预型件
2：衬垫层
3：脱离层
4：纤维束
5：纤维束
6：纤维束
7：纤维束
8：纤维束
9：纤维束
10：纤维束
11：纤维束
12：纤维束
13：纤维束
14：纤维束
15：纤维束
16：纤维束
17：固定丝
18：上固定丝
19：上固定丝
20：下固定丝
21：层
22：层
23：圈
24：固定装置
25：纤维预型件
26：脱离层
27：基底
28：密封元件
29：密封元件
30：真空密闭体
31：真空连接件
32：温度传感器
33：脱离膜
34：脱离膜
35：无纺织物
具体实施方式
根据本发明的方法和根据本发明的衬垫层将根据图1和图2更具体地说明。
图1表示通过由TFP工艺形成的具有脱离层的纤维预型件的横截面视图。
纤维预型件1具有在其中的衬垫层2和设置在衬垫层2上的脱离层3。脱离层3例如通过具有良好不粘性的薄层PTFE膜等形成。
此外，脱离层3还可以通过具有良好不粘性的其它聚合物(例如聚乙烯、聚丙烯等)的膜形成。此外，脱离层可以通过薄板状形式，例如设置有脱离剂的纺织纤维形成，脱模剂为例如释放涂层等。脱离层3可以可选择地通过将不粘性的材料喷洒或涂敷到衬垫层2上而被产生，使得在此情况下，脱离层3为衬垫层2的整体部分。脱离层3还可以通过制造商施加到衬垫层2上。
在公知的方式中，纤维束4到16通过TFP工艺，以通过力流而被取向的排列放置在脱离层3上，并通过固定丝17以上固定丝18、19和下固定丝20的方式连接到衬垫层2。纤维束4到16通过彼此平行设置的多个单独的加强纤维，例如玻璃纤维、碳纤维或芳族聚酸胺纤维形成。在图1的描述中，加强纤维大致垂直于图的平面。在纤维预型件1内，纤维束4到8形成上层21，而纤维束9到16形成下层22。因此，通常在TFP工艺中用于引导固定丝17而使用的针穿透层21、22，并且脱离层3设置在层22和衬垫层2之间并包括衬垫层2。公知的自动缝纫和绣花机，例如可以用于缝纫头以在两维空间尺寸中控制的CNC控制机可以用于纤维预型件1的生产。将要放置的纤维束的引导可以通过缝纫头或单独的导向装置进行。
上固定丝18、19和/或下固定丝20通过易于熔化的材料，例如热塑材料、可熔的纤维线等，而被形成。在此情况下，在熔化状态的可熔化材料具有如此高的粘度，使得在纤维预型件1内尽可能地发生可控制的分布。由于与脱离层3机械分离或脱离以终止加工，所以，衬垫层2可以通过适用于TFP工艺的惯用材料形成。由于与公知的TFP工艺的情况中的程序不同，根据本发明，在预型件1的第二层22和衬垫层2之间具有至少一个脱离层3，该脱离层3通过缝纫和绣花加工连接至纤维预型件1或衬垫层2。
作为在上固定丝18、19和下固定丝20之间的相互连接的结果，在衬垫层2的下方形成多个圈23，为了简化图，其中只有一个设置有标号。通过圈，在衬垫层2下方的纤维束4到16连接到衬垫层2，或牢固地连接到其上。为了形成所谓的多层纤维预型件，已经去除衬垫层2的多个纤维预型件1和至少部分熔化的固定丝17为一个设置在另一个之上。
图2是显示固定装置的示例实施例，在进行根据本发明的方法期间，其可以用于熔化至少一些固定丝。
已经通过公知的TFP工艺生产的具有脱离层26的纤维预型件25已经放置在固定装置24中。纤维预型件25具有与在图1中纤维预型件1的表示相对应的结构。
固定装置24包括在其中的基底27、密封件28、29和具有真空连接件31的真空密闭体30。还提供了没有表示出来的加热装置、以及温度传感器32。通过密封件28、29，真空密闭体30相对周围环境密封并连接到基底27。
为了进行所述方法的涉及至少部分熔化固定丝的阶段，在第一方法步骤中，将通过TFP工艺形成的纤维预型件25放入固定装置24。为了避免纤维预型件27意外地粘接到设置的其它部件，如果需要，至少部分覆盖有脱离膜33、34。脱离膜33、34具有良好的不粘性，并可以通过与脱离层26同样的材料形成。例如，脱离膜33、34可以通过PTFE材料等形成。为了保证在真空密闭体30内各处具有足够高的负压，具体地，在大表面面积的纤维预型件25的情况下，可透气的无纺织物35至少在一定的区域中设置在纤维预型件25上方，接着，进行“真空或负压排出”的作用。作为可透气的无纺织物35的结果，负压在纤维预型件25的全部表面积上均匀起作用。
在第二方法步骤中，将负压施加到真空连接件31。作为周围空气压力通行的结果，此负压具有将纤维预型件25牢固地压紧在一起的效果，同时压紧到基底27上，使得可以主要防止纤维束的意外偏离，直到至少部分熔化固定丝，且在纤维预型件25内冷却的固定丝材料起到其粘接效果为止。
在第三方法步骤中，将固定装置24通过加热装置加热，使得在纤维预型件25中的固定丝至少部分熔化，并固定纤维预型件25，也就是说，具体地，保证纤维束彼此相关的空间位置。当纤维预型件25冷却后，可以从固定装置24取出，作为已经穿透进纤维预型件25并冷却的固定丝材料的粘接效果的结果，由于具有足够的尺寸稳定性，而不会有不可控制的尺寸变化的危险。作为固定丝熔化的结果，固定效果可以通过在纤维预型件25内或上增加粘合剂而被进一步增加。具体地，例如，粉末或颗粒形式的热塑和/或热固材料可以考虑作为粘合剂。
最后，在第四方法步骤中，去除衬垫层。作为脱离层26的不粘性效果的结果，可以去除衬垫层而没有任何问题。具体地，例如，通过加强纤维的分离端或断裂，脱离层26的存在使其可以用于衬垫层、以与纤维预型件25方便地脱离，而不留下任何剩余物，也不损坏任何纤维束。基底27优选具有与后续由纤维预型件25产生的复合部件的需要形式相对应的表面几何形状。基底27可以柔性形成，以用于适应具有不同形式的纤维预型件。
全部方法的顺序通过没有表示出来的开环和闭环控制装置监测，但例如检测通过温度传感器32确定的温度值，并以对应于规定要求的方式，控制通过加热装置引入到纤维预型件中的热的供给。也可以通过用于基底27的表面几何形状的开环和闭环控制装置，在计算机控制下适用于具有不同形式的纤维预型件。开环和闭环控制装置监测和控制各个方法步骤的顺序，因此保证根据本发明的方法的优选完全自动顺序。
当可能仍然需要将其切割到规定的尺寸的步骤后，以此方式形成的纤维预型件25可以在封闭模具中顺序地用可固化的聚合材料，并例如通过公知的RTM工艺(“树脂传递模制方法”)直接固化，以形成最终的复合部件。例如，聚脂树脂、环氧树脂、BMI树脂等都可以考虑作为可固化的聚合材料。在最终完成复合部件之前，可以在RTM模具中设置多个纤维预型件以形成多层纤维预型件。复合部件的最终产品，也就是说，用可以通过交联固化的树脂系统对纤维预型件25进行的注入及其固化不在固定装置24中进行，而是在分离的、封闭的RTM模具中进行。
以此方式形成的纤维预型件具有最佳的机械性能，同时具有很低的重量。具体地，至少一些固定丝的熔化和接下来的衬垫层的分离具有主要消除纤维预型件内的不均一性或裂缝的效果，以便获得具有加强纤维的理想排列的“准同向性的”纤维预型件，使得其通过力流被取向，而使通过该方法生产的复合部件具有最佳层状结构。通过根据本发明的方法生产的复合部件由于有一个设置在另一个之上的多个纤维预型件，因此，可以具有较大的材料厚度。此外，可以避免在公知的纤维预型件可能在衬垫层的区域中出现的分层的情况。
因此，通过根据本发明的方法生产的纤维预型件注定用于必须在航空领域承受高机械载荷的承载部件的复合部件的生产。
因此，本发明涉及一种用于通过具有纤维束4-16的TFP工艺生产单层或多层纤维预型件(1，25)的方法，纤维束主要通过力流被取向，并放置在衬垫层2上，通过固定丝17连接，具体地，通过至少一个上固定丝18、19和至少一个下固定丝20连接，以便形成具有任意理想的材料厚度的纤维预型件1，25。其中脱离层3、26首先至少在一定的区域中施加到衬垫层2，当完成TFP工艺后，将纤维预型件1、25引入到固定装置24中，其中至少一些固定丝17通过供给的热量熔化，接着，通过脱离层3，26与纤维预型件1、25分开的衬垫层2与纤维预型件1脱离。
脱离层3，26优选通过具有不粘性的材料形成。
通过实例，在通过施加负压至少部分熔化固定丝17之前，保证在固定装置24中的纤维束4-16的空间位置。
至少上固定丝18、19和/或下固定丝20优选至少部分熔化，以保证在固定装置24中的纤维束4-16的空间位置。
例如，纤维束4-16的空间位置通过附加的粘合剂固定在固定装置24中，具体地，利用热塑材料和/或热固材料固定。
固定丝17优选通过易于熔化的材料形成，具体地，通过热塑材料、可熔的纤维线等形成。
至少两个纤维预型件1、25优选一个设置在另一个之上，以形成多层的纤维预型件。
本发明还涉及一种用于根据权利要求所述方法用于纤维预型件1、25的生产的衬垫层2，衬垫层2至少在一定的区域内具有至少一个脱离层3、26。
特别地，脱离层3、26通过具有不粘性的材料形成。
脱离层3、26优选通过聚合物膜形成，优选通过具有小的层厚度的PTFE膜形成。
例如，脱离层3、26优选至少在一定的区域中将涂层施加到衬垫层2而被形成。
优选通过权利要求所述方法形成光纤预型件1、25。

Claims (7)

1.一种通过纤维束(4-16)、利用TFP工艺生产单层或多层纤维预型件(1、25)的方法，纤维束(4-16)大致排列成使得其通过力流被定向，并放置在具有脱离层(3、26)的衬垫层(2)上，并通过固定丝(17)连接，具体地，通过至少一个上固定丝(18、19)和至少一个下固定丝(20)连接，以便形成具有任意材料厚度的纤维预型件(1、25)，所述方法包括以下步骤：
(a)将脱离层(3、26)以具有较小层厚度的PTFE膜的形式施加到衬垫层(2)，
(b)在TFP工艺中，将纤维预型件(1、25)放置在脱离层(3、26)上，
(c)当完成TFP工艺后，将纤维预型件(1、25)引入到固定装置(24)中，
(d)通过供给的热量，将固定装置(24)中的至少一些固定丝(17)熔化，以及
(e)将通过脱离层(3、26)与纤维预型件(1、25)分开的衬垫层(2)与纤维预型件(1、25)脱离。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，通过施加负压，在至少部分固定丝(17)熔化之前，确保纤维束(4-16)在固定装置(24)中的空间位置。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，至少上固定(18、19)和/或下固定丝(20)至少部分熔化，以保证固定装置(24)中的纤维束(4-16)的空间位置。
4.根据权利要求1到3中任何一项所述的方法，其中，固定装置(24)中的纤维束(4-16)的空间位置通过附加的粘合剂而被确保，具体地，通过热塑材料和/或热固材料而被确保。
5.根据权利要求1到4中任何一项所述的方法，其中，固定丝(17)通过易于熔化的材料形成，具体地，通过热塑材料、可熔的纤维线等形成。
6.根据权利要求1到5中任何一项所述的方法，其中，至少两个纤维预型件(1、25)设置为一个在另一个之上以形成多层纤维预型件。
7.一种用于根据权利要求1到6中任何一项所述的方法生产纤维预型件(1、25)的衬垫层(2)，其中，衬垫层(2)具有至少一个脱离层，该脱离层至少在一定的区域中通过具有较小层厚度的PTFE膜形成。
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