CN101304860A - 用于以tfp工艺生产具有几乎可任选的表面几何形状的纤维预成型件的装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种通过TFP工艺生产纤维预成型体7的装置，所述的纤维预成型体具有几乎可任选的表面几何形状，其中，可以利用引导装置1，沿着几乎任选的轨道曲线将纤维束4铺放在支撑层6上，并且可利用缝纫头2通过至少一种固定丝线、将纤维束4缝固在支撑层6上。根据本发明，可以将支撑层6在空间的X－Y轴方向上相对于引导装置1和缝纫头2进行定位，其中，可以将缝纫头2和引导装置1沿Z轴进行定位。由于支撑层6(在X－Y轴方向)与引导装置1、缝纫头2以及下线引导机构3(在Z轴方向)的可定位能力的独立性，可得到构造上相对更加简单的装置。利用按照本发明的装置，例如可生产用于球冠状的复合材料构件的纤维预成型件7，该构件主要用于飞机机舱的压力隔框，并具有近乎理想的性能。

Description

用于以TFP工艺生产具有几乎可任选的表面几何形状的纤维预成型件的装置

本发明涉及一种用于以TFP工艺来生产纤维预成型件的装置，所述的纤维预成型体具有的几乎可任选的表面几何形状，在此装置中，可以利用引导装置，沿着几乎任选的轨道曲线将纤维束铺放在支撑层上，并且可以利用缝纫头，通过至少一种固定丝线将其缝固在支撑层上。

在轻型结构中，特别是在飞机结构和宇航领域中，纤维增强的复合材料构件，因其在轻质的同时具有高强度而具有很大的减重潜力，越来越多地被应用于支撑结构部件上。

在成品复合材料构件中，增强纤维的排列对能达到的刚度和强度产生决定性的影响。增强纤维应尽可能地沿载荷方向取向，不起波皱并均匀地承受载荷。

一种能够满足与载荷相适应的纤维层的要求的方法是通过所谓的TFP工艺(剪裁式纤维铺放法)。此法中，至少将一股纤维束沿着任选的轨道曲线进行铺放、并利用至少一种固定丝线将其缝固在支撑层上，因而根据该工艺制造的纤维预成型件中的个体增强纤维的位置及取向能够以近于理想的方式，与后来复合材料构件中的主导的力的通量方向相适应。

在TFP工艺中，纤维预成型件的生产在公知的装置上实现，特别是在现代的计算机控制的缝纫或刺绣自动机械上实现。此种用于实施TFP工艺的装置通常具有一个固定的缝纫头。仅仅支撑层可在空间的X-Y轴上定位，在支撑层上，纤维预成型件通过纤维束的铺放和缝固来制造。

依照所述方法制造的纤维预成型件可以，例如利用RTM法(树脂传递模塑成型)，用可固化的树脂，更确切的说是用可交联固化的树脂体系浸渍并固化，形成成品复合材料构件。

在公知的装置上实施TFP工艺的缺点在于，只能将纤维束在平面上，例如在X-Y平面上引导并铺放。这样，生产的纤维预成型体通常具有平的表面几何形状。只有通过进一步的，后续的加工步骤，如变形，悬垂或诸如此类的加工步骤，才能使纤维预成型件具有异于平面的表面几何形状。但是，将本来平面的纤维预成型件进行进一步加工，有可能导致例如不期望的起波皱或增强纤维的错位，从而使得不能、或者是仅仅部分达到在纤维预成型件中力求达到的，特别是沿力的通量方向取向的增强纤维的排布。

本发明的目的在于提出一种用于生产纤维预成型件的装置，它能够生产具有不同于平面的、几乎任选的表面几何形状的纤维预成型件。此外，按照本发明的装置应只对已公知的用于实施TFP工艺的装置作轻微的、必要的修改。

上述目的通过按照权力要求1的特征的装置来实现。

即利用按照本发明的装置通过可以将支撑层在空间的X-Y轴方向上相对于引导装置和缝纫头进行定位，其中可以将缝纫头和/或引导装置在Z轴方向上定位，因而能够以TFP工艺生产具有几乎任选的，特别是不同于平面的表面几何形状的纤维预成型件，并且其中增强纤维基本上按力的通量方向取向。按照本发明的装置仅仅要求增加缝纫头在Z轴上可移动性，从而使得公知的用于实施TFP工艺的装置能够被相对容易地改造，更确切地说是改进。

利用按照本发明的装置例如能够制造具有基本上呈球冠状的表面几何形状，同时具有近乎理想的、特别是沿力的通量方向的纤维取向的纤维预成型件。此外，这样的纤维预成型件在浸渍可固化的树脂后和树脂固化后，例如可作为飞行器机身单元的压力隔框。

根据一种进一步有利的设计，可以通过冲头改变支撑层的表面几何形状，以生产带有几乎任选的表面几何形状的纤维预成型件。这样，就能够在一个通用的底板铺放具有不同表面几何形状的许多变化的实施形式的纤维预成型件。支撑层表面几何形状的改变通过许多位于支撑层之下的冲头实现，所述冲头被设计为可通过执行机构进行移动。其中，支撑层相对于静止的冲头越过其进行移动。

根据一种进一步有利的设计，支撑层被收纳于夹框内。

这样，可以利用执行机构由控制和调节装置以简单的方式对于支撑层在X-Y平面上的移动通过夹框的相应的移动来进行。必要时，特别是当支撑层弹性不够时，可以通过执行机构改变夹框的几何形态，从而对于利用冲头来改变支撑层的表面几何形状进行支持。

按照本发明的一种进一步有利的设计，支撑层由平面针织物，特别是编织物或诸同类物，以用于通过传统的缝纫法来缝固纤维束，所述缝纫法带有缝固上线和缝固下线。

这样，在相应的结构上的修改之后，特别是增加缝纫头和下线引导机构在Z轴上的可定位性之后，就能继续利用具有缝固上线和缝固下线的传统装置来实施TFP工艺。

根据一种更加有利的设计，支撑层由具有弹性的、柔韧的平面产品，特别是由橡胶板制备，用于通过“簇绒(Tufting)”法来缝固纤维束。

橡胶板、更确切的说是橡胶垫的使用允许用所谓的“簇绒(Tufting)”法来缝固纤维束，使得下线引导机构和缝固下线都可省略。这样，按照本发明的装置可得到明显更简单的结构。缝固上线被至少针入橡胶板的表面，并由于其高弹性而夹在里面，使得在针拔出时，在橡胶板的表面上形成的固定的回线环，其保证了将纤维束的足够牢固地缝固在支撑层上，而且不需要采用传统意义上的具有缝固上线和缝固下线缝纫法。

根据本发明所述装置的其它进一步有益设计在其余的专利权利要求中得到体现。

在图中示意出：

图1按照本发明的装置的透视的原理示意图。

图1示出按照本发明的装置的透视的原理示意图。

该装置主要包括一个引导装置1，一个缝纫头2和一个下线引导机构3。将纤维束4从储存盘5中持续抽出，穿过引导装置1，沿几乎任选的轨道曲线铺放在支撑层6上，以制备纤维预成型件7。随后，将纤维束4通过安装在缝纫头2上的缝针8缝固在支撑层6上。此处使用了没有示意出的缝固上线和下线。缝固下线和上线在支撑层之下形成了许多回线环，利用这些回线环将纤维束4缝固在支撑层6上。缝固上线在缝纫头2的范围内通过缝针8来引导，而在支撑层6下的缝固下线通过下线引导机构3来引导。以此，缝针8和缝固上线一起刺入支撑层6与缝固下线联结，例如形成了一种具有相对低的材料厚度的布状织物。

支撑层6被容纳在夹框9内。可以利用未示意出的执行机构，将夹框9仅仅在空间的X-Y轴方向上(如坐标系10所示)，相对于引导装置1、缝纫头2和下线引导机构3进行定位。通过同样未示意出的执行机构，可将引导装置1和缝纫头2在图1示意出的实施例中仅仅在Z轴(如箭头11，12所示)进行定位。同样可以将下线引导机构3在箭头13表示的Z轴方向上进行定位。

缝纫头2和下线引导机构3的移动优选平行地实现。由于移动性可分解，可使得所述装置的结构更简单。特别是通过增加缝纫头2、引导装置1和下线引导机构3在Z轴上的可定位性，可以对公知的装置按照本发明进行改进，因为从生产角度来说，这些装置通常已经提供了夹框9在空间的X-Y轴方向上的可定位性，所需要的只是设置更多的冲头来调整支撑层6的表面几何形状。

为了能铺放成具有异于平面形状的表面几何形状的纤维预成型件7，通过三个冲头14、15、16来改变支撑层6的表面几何形状。此处，将冲头14、15、16设计为可以通过未示意出的执行机构沿着小的黑色双箭头表面的方向、与Z轴平行)进行定位。如图示，冲头14、15、16与底座紧固连接。此外，冲头14、15、16具有支撑件17、18、19，使支撑层6在固定的冲头14、15、16上滑移变得容易。例如，支撑件17、18、19可制成为蘑菇状的支撑板。为使支撑层6在空间的X-Y轴方向上的移动变得容易，可在支撑板上附加地涂上易滑的材料，或其由这样的材料组成。为了进一步改善滑移性能，可将支撑件17、18、19设计成辊支撑件或诸如此类。通过冲头14、15、16在小的黑色双箭头表示的方向上的定位，可以使得支撑层6具有异于平面的、几乎是任选的表面几何形状。为增加冲头的可定位性并以此增加支撑层6的变形范围，必要时，可将冲头14、15、16设计为，除了在Z轴上的可移动性，其可利用执行机构绕在支撑件下设置的轴偏转。

在支撑层6之下存在着更多的被支撑层盖住的，未示意出的冲头，其设计为与冲头14、15、16相同。优选将冲头14、15、16排列成矩阵式均匀地相互间隔地设置在支撑层6之下，而在支撑层之上铺放纤维预成型件7。

通过支撑层6的变形以产生几乎任选的表面几何形状是以其一定的弹性为前提的。为达到预定的表面几何形状，当支撑层6所用的材料的弹性不够时，可以利用未示意出的执行机构，附加地轻微地调整夹框9的几何形状。

另外，在示出的所述装置的实施例中，导向装置1、缝纫头2和下线引导机构3被设计为可绕轴20、21、22偏转，从而使得可定位的自由度得到提高。此外还可以将导向装置1、缝纫头2和下线引导机构3设计为可各自绕另一轴偏转，此轴基本上垂直于轴20、21、22设置，使得自由度进一步提高。如需要，将储存盘5设计为使其能够利用未示意出的执行机构平行于导向装置1、缝纫头2和下线引导机构3移动。导向装置1、缝纫头2和下线引导机构3绕轴20、21、22的偏转通过相应的，此处未示意出的执行机构实现。所有执行机构的定位由此处未示意出的控制或调节装置控制。

由于导向装置1、缝纫头2和下线引导机构3同冲头14、15、16和夹框9相关的广泛的定位可能性，可以利用按照本发明的装置生产具有几乎任选的表面几何形状的纤维预成型件7。因此如图1中实施例所示，例如，可铺放或构建成基本上具有波浪形表面几何形状的纤维预成型件7。

此处，控制或调节装置对于导向装置1和缝纫头2各自的执行机构的控制，使得带有纤维束4的导向装置1、缝纫头2和下线引导机构3相对于支撑层6处于最佳的距离(各自与纤维预成型件7上其局部的表面弯曲或表面几何形状相适应)，并且同时实现沿着预定轨道曲线的纤维束4的特别是按力的通量方向取向的铺放。利用按照本发明的装置，可以将纤维束4相互重叠地铺放成更多的层，以形成具有更高材料厚度的纤维预成型件。相互叠放的可达到的层数基本上取决于缝针8的长度。

纤维束4实际上是由许多基本上相互平行的增强纤维构成的。可采用例如碳纤维、玻璃纤维、聚酰胺纤维或诸如此类作为增强纤维。为了由纤维预成型件7制备成品复合材料构件，将其从根据按照本发明的装置中取出，例如，与公知的RTM法相同地、将其在可闭合并优选可加热的模中，用可固化的树脂浸渍纤维并随后固化。作为可固化的树脂或通过交联固化的树脂，可优选采用环氧树脂、聚酯树脂、双马来酰亚胺(BMI)树脂或同类物质。

通过对引导装置1、缝纫头2、下线引导装置3的执行机构、对用于改变支撑层6的表面几何形状的冲头14、15、16的执行机构的适当操纵，以及通过对于用于在空间的X-Y轴方向上利用控制或调解装置对夹框9进行定位的执行机构的适当操纵，还可以生产出在两个空间维度上弯曲的纤维预成型件，即，例如具有半球形表面几何的球形弯曲的纤维预成型件，或诸如此类。此外，在经过可固化的树脂浸渍及随后的固化过程之后，此类纤维预成型件可被主要用来生产一体构成的飞机机身座舱的压力隔框，或同类部件。

执行机构可机械地、电动地、气动地、液压地或以其他方式和方法或通过上述几种物理作用机理的结合来控制。特别有利的方式为执行机构用电动的主轴驱动装置或同类装置的来实现，利用控制或调节装置，它允许在很高的定位精确度的同时轻易地控制，此外，与气动汽缸相比，它还能采用中间定位。在构造相对简单的结构下和在足够高的重复精度时，电动的主轴驱动装置还具有高的调节速率。

根据一种未示意出的按照本发明装置的实施形式的变化形式，支撑层6可由弹性材料，特别是弹性体或诸如此类的材料构成。例如，支撑层6可设计为具有相对较低的材料厚度的橡胶垫，更确切地说是橡胶板。橡胶板优选容纳在夹框9上。必要时，在橡胶板有足够的内在稳定性时可弃用夹框9。

这种实施形式的变化方案有很大的优势，因为能在缝固纤维束4时弃用缝固下线和下线引导机构3。优选的是，用“栽绒”(“Tufting”)法，仅仅利用缝固上线将铺放的纤维4缝固在橡胶板上。其中，缝针8不完全穿过橡胶板，而只是剌入其表面。由于橡胶板有限的弹性，缝固上线在缝针8从橡胶板内拔出时卡在里面，这样，在每个刺痕中都形成了机械上足够牢固的回线环。由于缝固上线在橡胶板上面形成的回线环，实现了纤维束4足够牢固地缝固在橡胶板上。由于仅仅通过缝固上线在橡胶板上形成的回线环就能实现缝固，完成的纤维预成型件7能相对容易地和不产生损害地从橡胶板上提取。在纤维预成型件7完成制作之后，不在纤维预成型件7下面留下网状的，纺织物般的的支撑层6。除了橡胶板，也可使用泡沫塑料板或诸如此类的材料。

在按照本发明的装置上实施“栽绒”(“Tufting”)法时，可相应地完全舍弃用于缝针穿透的网状的、纺织物般的用于铺放和缝固纤维束4的支撑层，，所述支撑层特别是在多层的纤维预成型件7中显示一种优选的分层范围。此外，在利用“栽绒”(“Tufting”)法将纤维束缝固时，缝固下线和下线引导机构3也可舍弃，从而使得用于按照本发明的装置的结构上的消耗显著地减少。

因此本发明涉及一种用于在TFP工艺中生产纤维预成型体7的装置，该纤维预成型体具有的几乎可任选的表面几何形状，在此装置中，可通过引导装置1将纤维束4沿着几乎可任选的轨道曲线铺放在支撑层6上，并且可通过至少一种缝固丝线，利用缝纫头2将纤维束4缝固在支撑层6上，可将支撑层6在空间的X-Y轴方向上相对于引导装置1和缝纫头2进行定位，可将缝纫头2和引导装置1在Z轴上定位。

支撑层6的表面几何形状可通过冲头14、15、16改变，以生产优选的具有几乎任选的表面几何形状的纤维预成型件7。

特别是，支撑层6容纳在夹框9上。

支撑层6优选由平面针织物，特别是编织物制备，以用带有缝固上线和下线的传统缝纫法来缝固纤维束4。

例如，在支撑层6之下的缝纫头2范围内设置有用于引导缝固下线的下线引导机构3。

缝纫头2和/或下线引导机构3优选各自至少可绕一个轴21、22偏转。

导向装置1、缝纫头2和下线引导机构3的定位特别是通过执行机构实现。

夹框9和冲头14、15、16优选能够通过执行机构进行定位。

执行机构优选可由控制或调节装置进行控制。

支撑层6例如可由具有弹性和柔韧的平面产品，特别是由橡胶板制备，以“簇绒(Tufting)”法来缝固纤维束。

缝纫头2和/或引导装置1优选能够通过执行机构进行定位。

夹框9和冲头14、15、16优选能够通过执行机构进行定位。

执行机构优选能够通过控制或调节装置进行控制。

附图标记单

1  引导装置

2  缝纫头

3  下线引导机构

4  纤维束

5  储存盘

6  支撑层

7  纤维预成型件

8  缝针

9  夹框

10 坐标系统

11 箭头

12 箭头

13 箭头

14 冲头

15 冲头

16 冲头

17 支撑件

18 支撑件

19 支撑件

20 轴

21 轴

22 轴

Claims (12)

1.一种通过TFP工艺生产具有几乎任选的表面几何形状的纤维预成型件(7)的装置，其具有以下特征：

a)可以利用引导装置(1)沿着几乎任选的轨道曲线将纤维束(4)铺放在具有弹性的并且柔韧的支撑层(6)上；

b)可以利用缝纫头(2)通过至少一种缝固丝线将纤维束(4)缝固在支撑层(6)上；

c)可以将支撑层(6)在空间的X-Y轴方向上相对于引导装置(1)和缝纫头(2)进行定位；

d)可以将引导装置(1)和缝纫头(2)沿着Z轴方向进行定位；

e)可以通过大量位于支撑层(6)之下矩阵般排布的带有支撑件(17，18，19)的冲头(14，15，16)将支撑层(6)的表面几何形状进行改变，以生产具有任意表面几何形状的纤维预成型件(7)。

2.按照权利要求1的装置，其特征在于，将所述支撑层(6)容纳于夹框(9)内。

3.按照权利要求1或2的装置，其特征在于，所述支撑层(6)由编织物制备，以用带有缝固上线和下线的传统缝纫法来缝固纤维束(4)。

4.按照权利要求1至3的装置，其特征在于，在缝纫头(2)处于支撑层(6)之下的部分设置用于引导缝固下线的下线引导机构(3)。

5.按照权利要求4的装置，其特征在于，缝纫头(2)和/或下线引导机构(3)可以分别至少绕一个轴(21，22)偏转。

6.按照权利要求4或5的装置，其特征在于，导向装置(1)、缝纫头(2)和下线引导机构(3)的定位通过执行机构实现。

7.按照权利要求4至6的装置，其特征在于，可以将所述夹框(9)和所述冲头(14，15，16)通过执行机构进行定位。

8.按照权利要求4至7的装置，其特征在于，所述执行机构可由控制或调节装置控制。

9.按照权利要求1或2的装置，其特征在于，所述支撑层(6)可由弹性的平面产品，特别是由橡胶板构成，由于以“簇绒(Tufting)”法来缝固纤维束。

10.按照权利要求9的装置，其特征在于，所述缝纫头(2)和/或引导装置(1)可通过执行机构定位。

11.按照权利要求9或10的装置，其特征在于，可以将所述夹框(9)和冲头(14，15，16)通过执行机构进行定位。

12.按照权利要求9至11的装置，其特征在于，所述执行机构可由控制或调节装置进行控制。

Images