CN101247941A - 利用tfp过程，用于生产复合部件的纤维预制品用的设备的引导设备 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及引导设备1，用于利用TFP过程，通过在具有实质任何期望通路弯曲的背层上铺设和附加纤维束3，生产复合部件的纤维预制品的设备，其该引导设备1实质用于引导纤维束3。根据本发明，该引导设备1具有可变横截面几何形状的通透开口2，用于引导穿过纤维束3，其中：引导设备1能够安装在用于执行TFP过程的设备的缝纫头的区域中。作为通透开口2的可变横截面几何形状的结果，例如在具有小曲率半径的通路弯曲的部分中，将铺设和附加的纤维束3的宽度能够增加，以便：在通路弯曲的这些部分中避免不期望的局部变厚。在这里，开环和闭环控制设备优选地同时承担用于TFP过程的设备的缝纫头的通路控制和引导设备1的横截面几何形状的变化的控制。利用根据本发明的引导设备1，采用简单的方式能够翻新已知的利用TFP过程的用于生产复合部件的纤维预制品的设备。
Description
技术领域
本发明涉及用于利用TFP过程(″Tailored Fibre Placement″)，通过在具有实质任何期望通路弯曲的背层上铺设和附加纤维束，生产复合部件的纤维预制品的设备用的引导设备，该引导设备实质用于引导纤维束。
背景技术
在轻型结构中，尤其是在飞机结构和航天飞机中，纤维强化复合部件由于同时具有低质量和高强度，具有高重量节省潜力，其日益增长地用于承载结构部件。
在完成的复合部件中，强化纤维的对准对可取得的刚性和强度具有决定性影响。该强化纤维应尽可能按照负载方向，不具有任何波形状，并且承受均匀负载。
对于诸如例如编织或铺设纤维织物的传统半成品，由于强化纤维总是沿特定方位固定在那里，不是能够实现所有可以想到的纤维方位。所以例如在一些传统半成品中存在各自情况，其中：在0°和360°之间的所有强化纤维方位每个表现为具有近似相同的概率，因此只有沿所有空间方向实质暴露于相同的机械负载-“准各向同性”的复合部件能够利用它们得到有效加强。
然而，在受到扭曲负载的圆盘的情况中，力按照的通路按照表示纤维的最佳通路的特定的渐开线。在这种情况中，例如，强化纤维需要以面积覆盖方向铺设，并且以+45°和-45°的角度交替，其中：由于最高的负载出现在那里，在内部边缘处的部件厚度应比在外部边缘更大。因此，这些纤维方位无法以传统的强化纤维的垫或编织纤维形成。
纤维层根据负载符合要求的一种可能方式是所谓的TFP过程(“Tailored Fibre Placement”)。这涉及沿任何期望的通路曲线铺设至少一条纤维束，和借助于附加线将它固定在衬层，从而：采用这种方式形成的纤维预制品中的各个强化纤维的位置和方位能够以实际理想的方式调节到在后面的复合部件中主要的力通量。利用彼此平行延伸的大量单根强化纤维(细丝)，在这里形成将铺设的纤维束或多个束(“粗纱”)。例如利用玻璃纤维、碳纤维、芳族聚酰胺纤维(芳香尼龙纤维)或类似物形成单根强化纤维。
该纤维束尽可能平坦地铺设，以在纤维预制品中取得高填料密度。将铺设的最小层厚度受到纤维束的厚度限制。该纤维预制品或成品部件的厚度能够通过具有纤维束的铺设层的数目设置。在TFP过程中，一个在另一个上面布置的层的最大数目实质由使用的针的长度限制。该纤维束的给送利用关于通路曲线和关于衬层实质相切的引导设备(“操纵杆”)执行，通过以多个层铺设纤维束在衬层上建立纤维预制品。
利用已知设备执行采用TFP过程由纤维束生产纤维预制品，尤其是现代、计算机控制的自动缝纫和绣花机。此类用于执行TFP过程的设备具有缝合头，在计算机控制下，其能够以两维空间自由定位。此外，将铺设的纤维束的引导设备被设置在缝纫头的区域中。一旦所有需要的纤维束层已被铺设，完成的纤维预制品从衬层切除，并且例如利用已知的RTM过程(“树脂转移模制”)注入可固化的聚合物材料并固化。环氧树脂、聚脂树脂或相类似物例如被用作可固化聚合物材料。
执行TFP过程用的已知设备的缺点在于：用于在衬层上铺设纤维的引导设备具有不可变横截面几何形状的通透开口。因此，通常具有近似矩形横截面几何形状的纤维束仅能够以相同的横截面几何形状铺设，更确切地说，具有恒定的宽度或高度。由此，接着，在一些情况下，由于纤维预制品的材料厚度的不期望的局部偏差，在纤维预制品的整个表面区域上，部件的厚度不十分均匀。例如，由于当以小半径铺设时，纤维束的高度增加，因此这种部件的增厚可能出现在纤维束的相对较小铺设半径的区域中。
DE 101 23 064 A1公开了一种用于生产具有纤维对齐的三维TFP预制品的方法，更确切地说，优选地根据力的通量。
在从文件引已知的方法的过程中，通过在泡沫材料块的表面上缝纫线以形成TFP预制品，采用多个环或强化纤维束(“粗纱”)铺设的强化纤维被用丝束钉住(附加)。在利用粘合剂固定TFP预制品后，TFP预制品被从泡沫材料块扯下并且注入可固化聚合物材料，用于生产完成的复合部件。在这种方法的情况中，其缺点在于：强化纤维束始终以相同的宽度铺设，这导致厚度不期望的波动，尤其在小铺设半径的情况中。
JP 6-210 751 A公开了一种设备，用于强化纤维束的可变横截面变化，其中：强化纤维束已预先注入可固化聚合物材料(所谓的“预浸料坯”材料)。为了能够改变强化纤维束的横截面几何形状，强化纤维束经过具有四边形横截面几何形状的引导框架，其内壁表面分别由循环运送带形成。利用运送带防止了预注入强化纤维束在引导框架中附着。总共四条运送带的至少三条被形成，以便：它们关于强化纤维束的纵向轴横向移位，以便：强化纤维束的横截面几何形状能够改变。用于引导强化纤维束的高度调节装置和宽度调节装置被设置在引导框架的上游。在这种改进的情况中，缺点在于：其复杂的结构，具有通过改变横截面几何形状引导和形成纤维强化束的多条运送带，运行带还被形成以便：它们可关于强化纤维束垂直地移位，使得从JP 6-210 751 A已知的设备直接布置在用于TFP过程的缝纫头变得困难。
发明内容
本发明的目的在于避免用于执行TFP过程的设备用的引导设备的已知实施例的上述缺点，并提供一种引导设备，其允许强化纤维束的横截面几何形状的变化，并且此外由于简化的结构，适合用于布置在用于TFP过程的缝纫头的区域中。
利用具有专利权利要求1的典型特征的引导设备实现了这个目标。
该引导设备具有可变横截面几何形状的通透开口，用于引导穿过纤维束，其中：引导设备能够安装在用于执行TFP过程的设备的缝纫头的区域中，这种事实例如允许将铺设的纤维束的宽度根据在任何给定时间的通路曲线的弯曲半径改变。
根据本发明的引导设备的另一优选特征实现了：该通透开口被形成，以便：它至少在特定部分是弯曲的，特别地采用椭圆、卵形或圆形方式。
结果，基本上可以避免纤维束在采用这种方式形成的类似套管的通透开口内阻塞。
根据本发明的引导设备的优选改进，通透开口采用大致四边形的方式形成。
结果，在结构上，能够相对容易地实现通透开口的横截面几何形状的变化。
引导设备的另一优选改进实现了通透开口的宽度和/或高度是可变的。
通过这种改进，例如仅通过改变通透开口的宽度，可以改变通透开口的横截面几何形状。
根据引导设备的另一优选实施例，实现了：在具有小的弯曲半径的通路曲线的部分中，通透开口的宽度能够增加和/或通透开口的高度能够减小，以避免在通路曲线的这些部分中，纤维预制品的不期望的变厚。
这具有纤维预制品的材料厚度更均匀分布的总结果，其大致对应于材料厚度在通路曲线的大致所有区域中的预设值。
安排的其它优选改进出现在其它专利权利要求中。
附图说明
图1显示了引导设备的示意图。
具体实施方式
图1显示了根据本发明的引导设备1的第一变型的示意表示，其表示未显示出的用于执行TFP过程的部分设备。
用于执行TFP过程的设备具有缝纫头，利用开环和闭环控制设备，其能够以优选的两维空间自由定位。用于引导纤维束以铺设在衬层上的根据本发明的引导设备1优选地设置在缝纫头的区域中或直接在缝纫头处。在开环和闭环控制设备的控制下，纤维束能够沿实质任何期望的通路曲线铺设在衬层上，并利用缝纫头通过固定线附加，以便：能够形成具有实质根据力的通量的强化纤维的方位的纤维预制品。通过固定纤维在衬层上的附加，该纤维束的空间位置被紧固在这里，以便：该纤维预制品能够从用于执行TFP过程的设备取出，并且例如通过放置在可关闭模具和后续注入或浸润可固化聚合物材料，能够固化以形成成品复合部件。可固化聚合物材料或可通过交联固化的树脂系统的注入和后续固化，尤其是环氧树脂、聚脂树脂、BMI树脂或相类似物，可例如通过已知RTM过程(“Resin Moulding Transfer”)执行。
该引导设备1具有贯穿-开口2，用于引导和穿过纤维束1。该贯穿-开口2通过纵向侧4到7形成在这里。该纤维束3由多个单根强化纤维形成，为更好地观看图，其未提供标号，但由圆圈指示。在这里，该单根强化纤维的纵向轴相对于附图的平面垂直。例如利用玻璃纤维、碳纤维、芳族聚酰胺纤维或类似物可建立强化纤维。在由实黑线表示的引导设备1的位置中，纵向侧4到7形成具有正方型横截面几何形状的贯穿-开口2。采用对应的方法，引导设备1的宽度8和高度9在这种状态中实质相同。
该纤维束3的强化纤维实质完全填充贯穿-开口2，并由纵向侧4到7引导。该纤维束3不能太紧固地依靠着这里的纵向侧4到7，以避免在引导设备1内堵塞。
在该第一位置中，纤维束3以最大可能的厚度铺设，也就是说大致以高度9铺设在衬层上。如果缝纫头例如在具有更小曲率半径的一部分通路弯曲中运动，期望减小纤维束3的将铺设的高度9，或增加宽度，以防止该区域中的不期望的厚度。此外，其它影响因素是可以想到的，例如周围温度、纤维束3运行穿过的速度或相类似物，在它看来像适合减小引导设备1的高度9的方面，并且因此纤维束的厚度。
为了这个目的，利用未具体显示的调节装置，纵向侧4到7沿箭头10到13的方向运动进入由虚线表示的第二位置。结果，宽度8增加到宽度14并且高度减小到高度15，然而由纵向侧4到7确定的矩形的面积量优选地保持近似没有变化，以便：总近似相同数目的强化纤维能够经过引导设备1。由实线或虚线代表的引导设备的第一和第二位置仅表示末端位置。大量中间位置可能在第一位置与第二位置之间。此外，对于引导设备1的宽度8和高度9不需要同时改变。也可以仅具有宽度沿箭头11，13的方向的可调节性，或引导设备1的高度9沿箭头10，12方向的可调节性。
关于这一点，从图1的表示也很明显：由于在由实线表示的引导设备1(正方形通透开口)的第一位置中的圆圈数目等于在由虚线表示的引导设备1(矩形通透开口)的第二位置中的圆圈数目，通透-开口2的横截面面积大致恒定。
此外，纤维束3的强化纤维无需由所有侧面上的纵向侧4到7包围。此外，可以规定：在纤维束3与纵向侧4之间存在空的空间。这减小了纤维束3或形成纤维束3的单根强化纤维(细丝)变得在引导设备1的通透开口2中阻塞的可能性，特别地在由纵向侧4到7确定的四边形的角区域中。
该调节装置可机械地、电地、气压地、液压地、热地或采用一些其它方式作用。该调节装置沿箭头10到13的方向的运动在这里受到未显示的开环和闭环控制设备控制。该开环和闭环控制设备例如采用已知的CNC控制器的形式，优选地同时在至少两维空间中同时控制缝纫头的位置，更确切地说例如在xy平面中。这种改进具有优点：在任何给定时刻，基于缝纫头的通路曲线的通路坐标，通路曲线的小曲率半径能够由开环和闭环控制设备无延迟地确定，因此利用调节装置，通透开口2的横截面几何形状的调节通过相应运动的纵向侧4到7实现。
该调节装置可例如形成为电动驱动齿轮或相类似物，其运动的通路能够由开环和闭环控制设备控制。引导设备1在这里优选地形成，采用这种方式：在执行TFP过程的设备的缝纫头的区域中或直接在缝纫头处，它能够容易地利用标准连接元件附加或更换。
在未显示的引导设备的第二变型中，通透开口可以是弯曲的，至少在特定部分。在这种情况中，该通透-开口例如具有圆形、椭圆或整体横截面几何形状。这种改进提供了特别的优点，其中：延伸穿过的光纤束3不会在根据第一种变形(参照图1)的有角度的通透开口的角区域中变得阻塞。为提供具有弯曲通透开口的引导设备或这种类型的引导套管，它例如可以将弹性材料条的两端连接起来，以便：取得在基本状态中具有实质环形的横截面几何形状的引导设备或引导套管。金属条、塑料条或相类似物例如考虑作为弹性材料的条。可选择地，还可以使用弹性圆形材料。
例如四个调节装置作用在材料条的外部表面区域，所述四个调节装置分别偏离90°设置，并且通透开口的横截面几何形状利用其以这种方式形成，在基本状态—即放松状态—为大致环形的所述通透开口通过开环和闭环控制设备的控制来移动调节装置而改变。如果例如上部调节装置和下部调节装置一起按压弹性材料条，而在左侧和右侧上布置的调节装置同时将材料条拉开，例如可以产生具有椭圆横截面几何形状的通透开口，其宽度大于其高度。
可选地，代替外部调节装置，可以给予材料条本身激励(执行)能力，至少在特定区域中。例如，压电致动器，具有“记忆金属”的致动器或类似物可应用于材料条的外部表面区域。如果例如由金属条形成材料条，记忆金属还可直接集成在材料条中以形成致动器，更确切地说，金属条在至少特定部中形成有其自己的“记忆金属”。这种改进具有极紧缩结构形式的优点，并且另外实现通透开口的横截面几何形状的极快速和很大程度上无延缓地变化。
附图标记列表
1引导设备
2通透-开口；
3纤维束
4纵向侧
5纵向侧
6纵向侧
7纵向侧
8宽度
9高度
10箭头
11箭头
12箭头
13箭头
14宽度
15高度
Claims (10)
1.引导设备(1)，用于利用TFP过程，通过在具有实质任何期望通路弯曲的背层上铺设和附加纤维束(3)，生产复合部件的纤维预制品的设备用，所述引导设备(1)实质用于引导纤维束(3)，其特征在于：所述引导设备具有可变横截面几何形状的通透开口(2)，用于引导穿过纤维束(3)，其中：引导设备(1)能够配合在用于执行TFP过程的设备的缝纫头的区域中。
2.根据权利要求1所述的引导设备(1)，其特征在于：所述通透开口(2)被形成，以便：它至少在特定部分尤其以椭圆、卵形或圆形的方式弯曲。
3.根据权利要求1所述的引导设备(1)，其特征在于：所述通透开口(3)形成，以便它为大致四边形。
4.根据权利要求1到3之一所述的引导设备(1)，其特征在于：通透开口的宽度(8，14)和/或高度(9，15)是可变的。
5.根据权利要求1到4之一所述的引导设备(1)，其特征在于：在具有小的弯曲半径的通路曲线的部分中，通透开口的宽度(8，14)能够增加和/或通透开口(2)的高度(9，15)能够减小，以避免纤维预制品在这些通路曲线的部分中的不期望的厚度。
6.根据权利要求1到5所述之一的引导设备(1)，其特征在于：在具有大的弯曲半径的通路曲线的部分中，通透开口的宽度(8，14) 能够减小和/或通透开口(2)的高度(9，15) 能够增加，以更快速地在通路曲线的这些部分中实现纤维预制品的特定材料厚度。
7.根据权利要求1到6之一所述的引导设备(1)，其特征在于：利用调节装置，能够改变通透开口(2)的横截面几何形状，尤其是通透开口(2)的高度(9，15)和/或宽度(8，14)。
8.根据权利要求1到7之一所述的引导设备(1)，其特征在于：调节装置能够由开环和闭环控制设备控制，尤其根据任何给定时刻通路弯曲的部分的曲率半径。
9.根据权利要求1到8之一所述的引导设备(1)，其特征在于：利用开环和闭环控制设备，能够在至少两维空间中控制用于将纤维束(3)附于衬层上的缝纫头的位置。
10.根据权利要求1到9之一所述的引导设备(1)，其特征在于：不管其宽度和/或高度，通透开口(2)的横截面面积大致恒定。
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