CN101680136B - 用于散布纤维丝束的散布装置和使用该装置实施的散布方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于散布纤维丝束(32)以形成平的纤维带(14)的散布装置(20)和散布方法。通过将纤维丝束(32)反复放置于至少一个中凸的散布棱(80)上来解决与所要散布的纤维丝束(32)的材料质量有关的问题。

Description

用于散布纤维丝束的散布装置和使用该装置实施的散布方法

技术领域

本发明涉及一种用于将纤维丝束散布(铺散，Aufspreizen)成平的纤维带的散布装置。根据本发明的散布装置尤其适合用在按载荷流排列的(kraftflussgerechte)纤维复合结构的预成型件的制造方法中。此外，本发明涉及一种使用该散布装置实施的散布方法。

背景技术

在所有类型的运载工具的结构中，特别是在飞行器和航天器的结构中，也在诸如机械工程的其它工业分支中，对高强轻质且有成本效益的材料的需求越来越大。特别地，纤维复合材料具有突出的轻质结构潜力。其原理在于特别高强且坚挺的纤维以按载荷流排列的方式内嵌于基体内的事实，从而通过使用现有技术生产出具有显著机械特性的部件，该部件的重量在可比性能下比铝结构小典型地为25％，比钢结构小50％。缺点是材料成本高，特别是费力且主要是手工制造。

因此需要一种间隔放置纤维的自动化的方便制造的机器。现在，纤维增强塑料材料的特征在于在小重量下的极其高的强度和坚挺度，特别是在使用诸如碳纤维的定向长纤维的情况下。它们还具有高的比重量能量吸收能力和好的疲劳特性。

到目前为止，这一点通过以按载荷流排列的方式结合于基体(例如，环氧树脂)中的无端纤维实现。根据增强的方向，能生产出具有方向依赖的机械性能的各向异性材料。例如，一种材料可以具有在该材料长度和宽度上互不相同的特性。至今，现代飞行器和航天器中的高比重的结构重量由纤维增强塑料材料制成。

现在，最重要的制造方法基于所谓的预浸料技术。该技术包括将增强纤维按平行(单向)方式放置并将其嵌入基体。在固化步骤后生产出卷成薄层的半成品。在加工期间，这些薄层对应于部件轮廓被切割，并通过铺放机、优选地用手层压在一工具层中。随后在高压釜中在压力和温度下固化。得到的部件呈现出非常高的轻结构潜力，但该制造费力且昂贵。为此，材料研究者长期以来都在解决该问题，即，以何种方式能使纤维在自动化方法中按载荷流排列地三维放置，且具有与部件最终轮廓尽可能紧密相配的轮廓。

为生产具有按载荷流排列的纤维的纤维复合结构，目前已经针对包括预浸料在内的可选应用制成了作为纺织半成品的所谓的预成型件。这些主要是具有按载荷流排列的纤维取向的二维或三维结构。至今，无端纤维沿装载方向放置，且通过使用来自纺织工程的装置和技术——通常是缝纫、编织等——进行预先固定。用于制造此类预成型件的设备和方法的示例公开于DE 30 03 666 A1、DE 196 24 912、DE 197 26 831 A1和DE 100 05 202A1中。

然而考虑到其实施和加工技术，已知的用于制造预成型件的方法是复杂的。尤其是对于希望具有变化密度的弯曲的载荷流线的部件，不可能使用先前的方法来制造相应的按载荷流排列的部件。特别地，纤维不能沿确定的曲线路径任意取向，且纤维含量不能局部变化。

为了制造纺织半成品件，通过使用上述预成型件制造技术将所谓的纱编织成纺织预成型件。例如使用具有12000根单丝的12k纱。使用基质材料均匀浸透该纱实现起来很复杂。同样，在纱的位置处存在高的纤维聚集，而在相互之间只有少的纤维含量，因此，很难根据部件的个体要求局部改变纤维含量。

在纺织工程的完全不同的应用领域中已知用于散布纤维丝束的不同的散布技术。图4中示出了从DE 715 801 A中已知的常规散布技术的基本原理。此处，纤维束14相继通过弯杆76和之后的直杆78。直杆和弯杆在图4所示的已知的半径散布器中的结合造成作用于纤维上的张力的重新定 向。现在还作用有将纤维压在弯杆上的力。丝在挠度最高点处受最大力。该力随着距该点距离的增加而减小，也就是说，丝如果向弯杆的外侧移动就可能避免该负载。然而，散布操作的结果取决于作用于纤维上的张力、纤维和杆间的摩擦力、杆相互间的位置和杆的弯度。如果弯度过大，则最高点和外侧位置间的作用力相差太大，从而杆的表面摩擦力不再重要。丝将突然外移，也就是说，纤维束14将滑出或分离。如果弯度太小，弯曲比将太低。从而散布操作的结果会由于不规律的纤维分配而非常不规律。特别地，散布操作的结果很大程度上依赖于原料的质量。

发明内容

考虑到上述现有技术，本发明的目的在于提供一种用于将纤维丝束散布成平的纤维束的散布装置和散布方法，在该装置和方法中，原料质量对散布操作的结果只有很小的影响。

该目的通过根据所附权利要求1的散布装置和根据权利要求12的方法实现。该装置和方法的有益的应用在权利要求13中限定。

本发明的有利实施方式是从属权利要求的主题。

使用根据本发明的散布方法和散布装置，通过将纤维丝束反复放置于至少一个中凸弯曲的散布棱上，关于将要散布的纤维丝束的原料的质量的问题得以解决。为此，该散布装置至少包括一个中凸弯曲的散布棱，该散布棱通过至少一个垂直于纤维丝束的纵向延伸方向的导向装置相对于纤维丝束移动，使得纤维丝束在张力下被放置于中凸弯曲散布棱上，随后再通过至少一个导向装置垂直地从纤维丝束移开，从而使纤维丝束从散布棱分离。

在具有按载荷流排列的纤维复合结构的预成型件的制造方法中——该方法是优选在散布装置中使用的方法——可通过首先将纤维丝束、优选地将纱散布成平的形状来制造预成型件。从散布的纤维丝束上切割优选具有预定长度的纤维带片段(下文也称作片段)。随后，纤维带片段由铺放装置拾捡并放置于预定位置。纤维带片段由粘合剂材料固定在该处。反复进 行纤维带片段的切割、放置和固定，使得纤维带片段被放置和固定在不同的预定位置处。优选地，其实施方式是，通过相互固定和/或固定于可能的附加的预成型件组成部分的多个片段形成具有按负载流排列的纤维取向的希望的预成型件。通过这种方式还可能例如通过以按负载流排列的方式放置于特别地承受应力的位置处的片段来特别地加固按传统方法生产的预成型件的一部分。

通常，还可以被称作纤维片段预成型技术的本发明通过特殊的铺放方法实现了短纤维片段(片段)在精确位置的铺放。预成型件的所需特性可通过纤维片段的取向和数量来满足。

通过本发明，纤维丝束、特别是纱能特别平且均匀地被散布。因此，通过使用上述方法可避免增厚或其它不希望的纤维聚集，且每个丝能更好地嵌入基质。然而该发明也可用于希望实现由各个纤维组成的纤维束的平且均匀的散布的其它目的。

作为通过散布装置散布的丝束，纱、尤其是碳纱是优选的。

与先有技术相比，根据本发明的散布装置特别地能使纱的各个丝能散布得更宽。因此，在一优选实施例中，可从并排放置的各丝的尽可能少的层中提供尽可能平的纤维带。为此，该实施例中的散布装置包括散布器和位于下游的松放器。

附图说明

将通过附图更详细地说明本发明的实施例，其中：

图1是生产按载荷流排列的纤维复合结构所用的预成型件的制造设备的示意性总图；

图1a是图1的设备的可供选择的实施例在点划线标识的分界面处的示意图；

图2是图1所示设备的展开装置的示意图，该展开装置用于展开在根据图1的设备中加工的纤维丝束；

图3是图2的展开装置中所用的位置传感器的示意性透视图及其特性 曲线；

图4是散布装置的透视图，用于说明根据图1的设备中所用的纤维丝束的散布的操作原理；

图5是用于根据图1的设备中的散布装置的示意性透视图；

图6a是用于根据图1的设备中的松放装置的示意性侧视图；

图6b是图6a的松放装置的操作原理的示意图；

图7是用于根据图1的设备中的粘合剂浸渍装置的示意性侧视图；

图8是制造预成型件的设备的一实施例中所使用的切割及铺放装置的组合的示意性侧视图；

图9/10是图8的切割装置的操作原理的示意图；

图11是通过图1或图8所示的设备之一铺放纤维的预定路径的示意图；

图12是通过图1所示的设备铺放的一系列纤维带片段；

图13是要在图1或图8所示的设备中制造的预成型件的示意图；

图14是根据图1或图8的铺放装置中所用的铺放头的示意性剖面图；

图15是图14的铺放头的仰视图；和

图16是图8的铺放装置的详细的示意性透视图。

具体实施方式

图1示出了总体由附图标记10表示的预成型件制造设备的总视图。该预成型件制造设备允许用按载荷流排列的纤维丝制造复杂的纺织半成品，以便即使在半成品具有复杂结构的情况下也能以简单的方式制造纤维复合结构。该纺织半成品被称作预成型件。这些预成型件由通过粘合剂材料固定的各短纤维段在根据图1的设备中制造，这些纤维段可以预先从经特别预处理的纤维丝束或纤维带中切割得到。因此，预成型件制造设备可包括用于纤维带14的可能的准备工作的准备模块12和用于切割并铺放纤维带片段的切割及铺放模块16。由点划线表明模块12和16间可能的分界15。

图1示出了该切割及铺放模块16的第一实施例；该切割及铺放模块 16的第二实施例在图8中示出。

首先参考图1说明预成型件制造设备10的整体结构和操作原理。其后将参考附图说明各模块。

如图1所示，预成型件制造设备10包括展开装置18、散布装置20、粘合剂浸渍装置22、切割装置24、传送装置26、铺放装置28和预成型件30。各装置18、20、22、24、26、28和30可各自独立工作，且可用于在没有相应其它装置时实现其预期目的。当前公开内容因此分别且单独地包括各装置12、16、18、20、22、24、26、28、30。

展开装置18用于提供诸如纱32的纤维丝束。如下文更详细地说明，展开装置18的构造方式使得纱32可以不扭曲地被展开。为制造碳纤维增强(CFC)部件，所说明的实施例中使用了碳纱。

散布装置20用于尽可能宽地散布纱32的各丝，以便从并排放置的各丝的尽可能少的层中提供尽可能平的纤维带14。为此，散布装置20包括下文将更详细说明的散布器34和松放器36。

粘合剂浸渍装置22用于向纤维带14的丝和/或其各纤维带片段提供粘合剂材料38，该粘合剂材料用于在预成型件中固定纤维带片段。在图1所 示的实施例中，粘合剂浸渍装置22形成准备模块12的一部分，且因此用于为散布的纤维带14提供粘合剂材料38。在未详细说明的预成型件制造设备10的实施例中，粘合剂浸渍装置22可附加地或可选择地与切割及铺放模块16相关，从而为已切割得到的纤维带片段提供粘合剂材料38。

切割装置24设计成用于从纤维带14切割确定长度的段(纤维段)。下文中，各纤维带片段指的是片段40、40’、40”。

传送装置26用于分离片段40并将其传送至铺放装置28。

铺放装置28构造成使得其能够拾捡各片段40并将其放置于确定位置，在本例中放置于预型件30上。预型件30用于为预成型件42提供预定的三维表面设计。

预成型件制造设备10还包括具有多个控制器44a、44b的控制装置44。控制装置44控制各装置12、18、20、22、26、30，使得预成型件42由各片段40以拼接的方式构成。

因此，预成型件制造设备10使得下述用于按载荷流排列的纤维复合结构的预成型件42的制造方法能自动进行：

首先，以纱32形式存在的纤维丝束被散布，且被供给粘合剂材料38，该粘合剂材料在该实施例中可以是热活化的。由此提供的用粘合剂浸渍的纤维带14随后被切割为确定长度的段，即片段40。分离该片段40并将其传送至铺放装置28。铺放装置28将每个片段放置于其各自在预型件30上的预先确定的位置46，并将片段40压靠在预型件30上。

因此，使用预成型件制造设备10能实现一种纤维片段预成型技术，其能通过特殊的铺放方法实现短纤维段的精确定位。预成型件42的所需特性可通过纤维段的取向和数量获得。因此可以沿确定的曲线路径确定纤维取向，且纤维含量可以局部变化。

通过散布的短切纤维带片段——片段40——的铺放，可以制造最佳地按载荷流排列的预成型件42。纤维切割装置48将经特别预制的粘合剂浸渍的纤维带14切割成短段并将其传送至传送装置26的真空带传送器50。

片段40从真空带传送器50向铺放装置28的铺放头52的传送通过抽 吸和吹放模块的组合结构平稳地实现。铺放头52在片段40传送至其放置位置期间将其加热，从而活化粘合剂材料38。铺放头52将片段40压在预先确定的位置上，并随后通过吹放脉冲移开。随后，铺放头52返回初始位置。

该技术实现了复杂的纤维预成型件的全自动生产。诸如纤维含量、纤维取向和曲率半径等参数可大范围地变化。

在此处说明的实施例中，使用散布的碳纤维代替纺织半成品来制造预成型件42。与预先制造的使用长纤维的层相比，纤维的长度很短(只有几厘米)。在片段40中，通过短纤维的精确定位，可获得类似于长纤维复合物的高机械特性。

短纤维可沿复杂的载荷流相对精确地放置。上述用于制造这种预成型件的纺织品切割仅仅使得能设定最佳取向。因此通过此处说明的技术可以生产极端的几何形状。该制造方法是全自动的，且可以实现预成型件内的厚度变化和/或改变纤维体积含量。

在图1说明的预成型件制造设备10的实施例中，使用激光54作为切割及铺放模块16中的纤维切割工具48。该激光是过程控制的，且可以相对纤维带14精确移动。此外，在图1中，机械手示出为用于移动铺放头的机械铺放系统184。预型件30可相对于该机械手按确定方式精确地移动和旋转，从而以简单方式产生预成型件42的复杂的3D结构。

概括地说，此处说明的纤维片段预成型技术的原理基于尽可能宽地散布碳纤维纱32、将其用粘合剂粉末涂覆、并通过使用新型切割技术将其切割为确定长度的段，即所谓的片段40。这些片段40随后由特殊的铺放装置28拾捡、放置于预定位置并由粘合剂材料38固定。这样能生产出最大变化的部件几何形状和纤维结构。

在本文所述的制造方法中使用了散布纤维。纤维散布形成了避免纤维端在稍后的复合材料中的局部积聚的基础，因为局部积聚引起应力集中，这在最坏情况下可能导致部件的故障。散布减小了纱32的厚度。因此更多连续的纤维可到达纤维端的影响区域且补偿应力的最高值。此外，在重叠 铺放时，位于纱32的切割端上的阶梯部或肩部减小。在无散布的纱中，该阶梯部或肩部可以高达250μm，且可能导致位于其顶部上的碳纤维偏离载荷流方向。此外，该处可能形成富含树脂的区域，这将不利地影响材料的强度。

为了尽可能有效地实施散布操作，应该避免纱32的扭曲，因为横向运动的长丝会再次束紧散布的纱。散布状态的纱32内的张力应该是恒定的，因为散布宽度和散布质量可能受张力差异的影响。

下文参考图2更详细说明的展开装置18用于实现纱32以非扭曲状态从供线轴56的传送并补偿纱32在其从供线轴56抽出时的摆动。为此，展开装置18包括供线轴56的活动支架58，该活动支架58设计成使得供线轴56可相应地接合纱32的正被展开的部分的位置，从而使展开位置尽量保持恒定。

为此，支架58包括沿直线导轨60支承的滑动部分62。该滑动部分62可依靠步进电机移动，在所示实施例中，在供线轴56的旋转轴线的方向上依靠传动螺杆64移动。滑动部分62由带有集成的控制器的电机66驱动。传感器68监控纱32的当前位置70，并从而控制电机66的旋转。

在图3中连同其特性曲线一起示出的光敏二极管72用作传感器68。光敏二极管72的二极管队列记录纱32的阴影并通过放大电路(未进一步示出)将该位置作为模拟信号输出。阴影的中心对应于根据位置变化的特定电压。该模拟信号作为双极张力信号传送至电机66的控制器，0伏特对应于传感器中心。此外，传感器68暴露在来自IR-LED聚光灯的诸如10KHz的特定频率的闪光下，以避免测量信号受环境光照的影响。传感器68被最优化以满足补偿供线轴56上的纱32的位置的展开操作的特殊要求，也允许对诸如中心的移动的进一步调整和对弯曲度的调整。空间分析光敏二极管72和可控伺服电机66相结合的优点在于，依靠纱32的当前移动速度实现相对的运动。相对低速的补偿移动在低的展开速度下实现，而高的展开速度实现相应较快的相对的运动。这使得正被放开的纱32能作为平的带或带子74几乎不摆动。在展开装置18的端部，纱32以S形运动绕 两个小线轴75通过，所述小线轴在本例中是两个缩腰不锈钢线轴，它们附加地平息最终摆动。不同于图1所示方式，展开装置18也可完全独立自主地操作，即，独立于其它模块且通常只需要诸如电连接的电力供给。

在展开装置18之后，纱32通过散布装置20中的散布线。

如上文所述，散布装置20包括散布器34，散布器34在图5中更详细示出，其作用原理参考图4进行说明。

图4示出了从DE 715801 A中已知的传统散布原理的基本布局。此处，纤维束14连续地经过弯杆76和之后的直杆78。在图4所示的传统已知的半径散布器中，直杆和弯杆的结合提供了作用于重新定向的纤维上的拉力。现在也作用有一力，通过该力将纤维压在弯杆上。在偏转的最高点处，丝受最大力。该力随着距该点距离的增加而减小。这意味着，丝如果在弯杆上向外侧移动就可能规避载荷。然而，散布操作的结果取决于作用于纤维上的拉力、纤维和杆间的摩擦力、杆相互间的位置和杆的曲率。如果曲率极端，则作用于最高点和外侧位置间的力相差太大，从而杆的表面摩擦不再起作用。丝将突然外移，即，纱32将滑出或分离。如果曲率不足，则散布率( 

)将会太小。

为此，图4中所示的半径散布器不适于纱32的准备用于工业规模的预成型件制作的工业加工。特别地，纱32中诸如扭曲、间隙或重叠的缺陷将导致散布材料滑出或分离。

对于图5所示的散布器34，与要被散布的纱或其它纤维丝束的材料的质量有关的问题在于，纱32或纤维丝束被反复地重新铺放于至少一个中凸弯曲的散布棱上。为此，散布器34包括至少一个中凸弯曲的散布棱80，该散布棱通过至少一个垂直于纱32或任何其它纤维丝束的纵向延伸方向的导向部件相对于纱32或任何其它纤维丝束移动，从而将其在张力下铺放于中凸弯曲的散布棱80上，(该中凸弯曲的散布棱)随后通过至少一个导向部件垂直地从纱32或纤维丝束移开，从而使纤维丝束与散布棱80分离。

在其实际结构中，该至少一个散布棱80形成于旋转轴84上的径向伸出部82上。

在根据图5所示的实施例的优选结构中，至少两个棱——其中至少一个设计为中凸弯曲的散布棱80——可从相反方向向纱32或纤维丝束移动。为此，该实施例提供了两个具有径向伸出部82的旋转轴84、86。该旋转轴84、86以彼此相反的方向旋转。

除了形成有中凸弯曲的散布棱80的第一径向伸出部82之外，一优选实施例还提供有尾部为直棱90的第二径向伸出部88。因此提供了一种散布装置，其中至少一个中凸弯曲的散布棱80和至少一个直散布棱90可从相反方向向纱32或纤维丝束移动，直至该纱32或纤维丝束以类似于图4所示的方式在棱80、90之间散布。棱80、90也可反向地返回以释放纱32或纤维丝束。

在参考图5的实施例中，由于形成径向伸出部82、88的多个翼板94形成于由传动机构/齿轮机构(Zahnradgetriebe)92反向驱动的旋转轴84、86上，因此，这一点特别容易实现。翼板94大体沿轴向延伸，棱80或90形成于其径向最外的区域上。包括直棱90的翼板94在周向方向上跟随有包括中凸径向向外弯曲的散布棱80的翼板，该翼板又跟随有包括直棱90的翼板94，诸如此类。

在不同实施例中，全部翼板94的棱设计为径向向外弯曲的散布棱80。通过设置在以相反方向移动的运动部件上——在本实施例中是两个旋转轴84、86上，纤维分别在两个反向弯曲的散布棱80间散布。

以这种方式，散布器34设计成用于将纱32反复放置于散布棱80上的所谓的翼板型散布器。此外，纱32或纤维丝束上的最后一层由于交替的弯曲/曲折操作而断开，丝100可相互独立地移动。

散布装置20中的设计为翼板型散布器的散布器34在纱32的传送方向上跟随有松放器36，该松放器在本实施例中设计为根据所谓的Fukui原理的抽吸室。抽吸室96可以具有US-A-6 032 342中说明的一种类型。被松放且预先散布的纱32通过强的层流气流98被抽吸进抽吸室96。使空气围绕各丝100流动，从而使丝可较容易地相互上下滑动。此外，抽吸室96能补偿纱32的张力的微小变动。

在塑料纤维的生产中，丝束被频繁地自由引导并通过小孔。在此操作过程中，部分丝100可绕丝束其它部分扭曲，并导致纱在制造时已经被束紧。当丝束卷绕在纱轴上后，这些缺陷几乎不可见，因为丝束在平的状态下被卷起。但当丝束已经在散布器34中被松放后，横向行进的纱部分清晰可见。该作用可能导致纱32中的间隙和移位，这会不利地影响散布质量。

为实现尽可能均匀的散布式样，本发明一未明确示出的实施例提供了一种多级散布操作，其散布率逐步增加。为此，提供有用于将纱32散布为例如在8和16mm间取值的第一宽度的第一散布器34和第一松放器36。其后跟随有比第一散布器宽的另一散布器34和比第一松放器的尺寸大的另一松放器36，以便能散布为例如在20和35mm间取值的更大宽度。

此后，纱32呈宽的薄带状，即，纤维带14。

在进一步过程中，纤维带14仍被提供以少量的粘合剂材料38。

理论上，在30mm宽的精确散布的12k的纱中只有三根丝重叠放置。本例中假定了7μm的丝100的直径和最大包装/存储密度。但实际上纱32仍包括可能局部地导致较厚部分和因此较多的丝端的散布缺陷。

由此散布的纱32的使用粘合剂材料38的浸渍在粘合剂浸渍装置22中进行，其原理在图7中说明。粘合剂浸渍装置22的基本原理类似于在例如US-A-3 518 810、US-A-2 489 846、US-A-2 394 657、US-A-2 057 538或US-A-2 613 633中说明的一种粉末混合器的原理。因此，该粉末混合器包括带有滚筒106的漏斗102，该滚筒106具有运动经过漏斗出口的径向凸起部分104。

在所示实施例中，所述滚筒106是使用其粗糙表面传送粉末的滚花钢制滚筒。滚筒106又经刷辊108处理，从滚筒106清除粉状粘合剂材料38，并将其喷洒于从滚筒106下方通过的纤维带14上。

纤维带14和施用机构之间可施加电压U，从而使粉末如在粉末涂覆过程中一样静电吸附于纤维带14上。

传送滚筒106和刷辊108由两个分离的电机110和112驱动，以便能实现喷洒参数的自由调整。由可作为控制装置44的一部分的控制单元114 实现控制。

为避免粉末拥堵而引起机械部件堵塞，漏斗102不是刚性地固定于粘合剂浸渍装置22的其它部分，而是由可以补偿移动的支架116支承。支架116的一优点在于，漏斗102在操作中可以振动，从而自动向下抖落粉末。粉末以能够精确量取的量喷洒到纱32表面，纱32以诸如3至6m/min的确定的速度移动通过漏斗下方。多余的粉末落入纱32外部的收集容器(未示出)中，且随后可被回收用于该过程。

测量表明，喷洒使用的粘合剂材料的量几乎是滚筒106的旋转速度的线性函数。粘合剂浸渍装置22还包括加热器118，其用于将在加热温度下熔化的粘合剂材料38的粉末颗粒固定于丝100的表面。

在所示实施例中，加热器118包括大约为100至500mm长的加热线。加热器118的优选实施例装备有辐射加热器，在本例中是红外线辐射加热器120。加热器118的加热能力可通过控制器114精确设定。

粘合剂颗粒轻微熔化并粘附于纤维表面。

然后如图1a所示，加工好的纤维带14可在特殊的膜层卷轴121上卷起并存储供以后使用。

在图1所示实施例中，向切割装置提供通过此方式特殊预制的纤维带14，并在其中将其切割为片段40、40’、40”，并随后由铺放装置28铺放。

图1a示出了具有分离的模块12、16的实施例，其中使用膜层卷轴121作为中间存储器的例子。该形式的模块12、16也可位于不同生产地点。

图8更详细地示出了切割及铺放模块16的第二实施例。在根据图8的实施例中，切割装置24包括纤维切割工具122，该纤维切割工具122具有刀系统124、对立滚筒126和至少一个或如该实施例中的多个传送滚筒128。

刀系统124可根据对立滚筒126和/或传送滚筒128的转速操作，以切割具有确定长度的片段40。

特别地，刀系统124包括联接刀系统124的驱动单元和滚筒126、128的驱动单元的联接机构(未进一步示出)。

在所述例子中，刀系统124装备有刀辊130，该刀辊包括至少一个(在本例中为多个)作为径向伸出部的切割刃132。在所示实施例中，刀辊130可通过未详细示出的联接装置联接于对立滚筒126的驱动单元，其方式使得切割刃132以与对立滚筒126的表面相同的圆周速度移动。

在图8中示出且在图9中更详细示出的切割装置包括一离合切割系统134，其中两对传送滚筒128和用橡胶处理的对立滚筒126由未详细示出的电机通过诸如齿带(未示出)的中央形状锁合传动装置驱动。传送滚筒128供应无端纤维带——在本例中具体是散布纤维带14，并以同样速度将其引导通过对立滚筒126上方。

在对立滚筒126上方，一刀架136处于等待位置。如果即将进行切割，则电磁离合器将刀架136耦联于切割系统的运动中。刀架136和对立滚筒126在接触点处有相同的转速。要切割的材料由刀片138切断。随后刀架136例如通过电磁制动器(未示出)被断开并停止。第二对传送滚筒128移开切条。

离合切割系统134能实现散布纤维带的不变形的切割。切割作用或切割长度在操作中可通过计算机控制进行调整。

制动系统(未明确示出)在离合器未作用时为刀辊130提供了永久的锁定。联接和制动操作通过常用的切换继电器(未示出)实现，从而排除了由程序错误导致的故障。诸如感应接近开关的传感器系统(未详细示出)记录刀片位置并为刀片在水平位置提供制动作用。如果连接的控制单元、例如控制单元44输出切割命令，则刀辊130被联接、加速并进行切割。如果此时刀辊130具有与对立滚筒126相同的、如该实施例中提供的圆周速度，则刀片138不弯曲或变形，从而使刀片具有比简单的竖直刀片更高的耐用性。在切割操作后，刀辊130被断开、减速并保持与初始相同的位置。切割长度在控制软件中编程。

图10示意性示出了切割系统的控制流程。如图10所示，切割周期根据切割系统的进给速度预先确定。最小切割长度由刀辊130和对立滚筒126的尺寸决定，且在例如散布的纤维带14的宽度范围内。最大切割长度理论 上不受限制。

在切割及铺放模块16的所示两个实施例中，在离开切割装置24后，片段40、40’、40”传送至传送装置26，该传送装置26将片段40、40’、40”从切割装置24中移出，其传送速度高于纤维带14向切割装置24或在切割装置24中的传送速度。因此，片段40、40’、40”互相分离且相距足够远。传送装置26包括将片段40、40’、40”靠着传送装置保持的保持系统和将片段40、40’、40”传送至铺放装置28的铺放头52的传送系统。

此处，保持系统和传送系统以真空带传送器50的形式实施。大容量抽吸室140将未详细示出的真空源——例如鼓风机——的抽吸力分配于整个传送装置26上。包括多个通孔的带、诸如聚丙烯带通过覆盖抽吸室140的穿孔金属片142上方。

传送装置26通过与切割装置24的传送器单元的联接被驱动。在所示实施例中，真空带传送器50与驱动传送滚筒128和对立滚筒126的形状锁合传动装置关联。相应的传动比、例如为1∶2的传动比在片段40、40’、40”间提供足够大的距离。在传送距离的末端设置有由气力真空模块驱动的抽吸类型的吹放室144。只要纤维段——片段40——从其上方通过，该抽吸类型的吹放室便运行。一旦铺放模(Legestempel)处于预定传送位置146，便在合适的时刻输出吹放脉冲以将片段40移送至铺放头52。

铺放头52通过抽吸吸引片段40、将其加热并以预定取向向其预定位置传送。

如图11所示，在该操作过程中，将片段40、40’、40”沿预定的弯曲路径148放置于预型件30上。位置150示出了沿这些弯曲路径148以相应取向铺放的片段及其重叠。在重叠区域，片段40通过由铺放头52加热的粘合剂材料38相互固定。

图1所示的切割装置与激光54(或其它种类的光束切割技术)相结合甚至使得能形成复杂的切口形状。图12示出了切口的一种特别优选的形状，切口152和154以互相凸凹互补的形式弯曲。每个片段上的相反指向的切口152、154以圆弧状弯曲。这样，即使按顺序前后布置的片段40、 40’、40”互成角度，其切口152、154相互间也可以非常靠近而没有形成间隙或增厚。这样，可以铺放成使得纤维段总是紧密相邻，且具有也是沿路径148的小曲率半径的相应的纤维取向。片段40、40’、40”的固定可能受到与相邻片段、或布置在上方或下方的片段(未示出)的重叠的影响。

这样，甚至可以生产例如图13所示的非常复杂的预成型件42。本例中，短纤维段根据拼接方式构成例如飞行器和航天器的窗体喇叭口(Fenstertrichter)所用的按载荷流排列的纤维复合结构的预成型件192。片段40、40’、40”的取向与载荷流相对应。

关于该技术过程，所示环形可通过图1中箭头156所示的确定的可旋转的预型件30实现。

下面，将参考图14至16进一步说明图8中较详细说明的切割及铺放模块16的实施例的铺放装置28及其铺放头52。

铺放头52具有拾捡纤维段或片段40、40’、40”并将其传送至需要铺放片段40、40’、40”的预型件30上的相应的下一个预定位置46的功能。为此，铺放头52包括保持装置。所示例子中的保持装置由抽吸装置158构成，从而能更容易地从传送装置26上拾捡片段，但是，也可设想其它保持装置。

此外，在传送中通过铺放头52活化提供给所拾捡的片段40的粘合剂材料38是有利的。为此，铺放头52包括用于活化粘合剂材料38的活化系统。该活化系统的结构取决于所使用的粘合剂材料。例如，如果所使用的粘合剂材料依靠添加物活化，则铺放头包括用于添加添加物的装置。在未详细示出的不同实施例中，诸如胶粘剂的直接活化的粘合剂材料仅当片段在铺放头上传送时被提供。在该情况中，铺放头包括用于添加粘合剂材料的装置。为了在上述使用热活化粘合剂材料38的预成型件制造设备中使用，该活化系统在所示实施例中设计为加热装置160。

铺放头152更优选地能够将片段40、40’、40”甚至是靠着预型件30的复杂的三维表面结构进行铺放。为此，铺放头52包括适于将所传送的片段40压靠在不同表面结构上的压力装置162。在优选结构中，压力装置162 包括柔性表面164，片段40能够通过保持装置保持于该柔性表面上。更优选地，柔性表面164形成于弹性载体166上。

图14示出了结合有保持装置、活化系统和压力装置的铺放头52的铺放模168的剖面图。图14中所示的铺放模168因此包括抽吸装置158、加热装置160和压力装置162，其柔性表面164位于弹性载体166上。

图15是柔性表面164的仰视图。

如果该纤维片段预成型技术(FPP)被应用，则铺放模168使粘合剂浸渍过且切割成确定几何形状的纤维段(片段)能够根据铺放样式(例如图11所示的铺放样式)被精确地放置于预期位置。铺放模168是该铺放技术的中心部件，也可以用于其它几何变型中。例如，也可设想是正方形或滚筒状的铺放模。

在根据图14的具体实施例中，铺放模168设计为硅树脂模。硅树脂模的表面适应性类似于移印，尽管当前的应用领域完全不同。

铺放模168可快速轻轻地拾捡纤维切条，并通过集成的抽吸——抽吸装置158——传送至确定位置。在传送过程中，集成于接触面——柔性表面164——中的加热器——加热装置160——加热材料，从而活化纤维切条上的粘合剂——粘合剂材料38。纤维切条压在表面上，而柔性的模材料适应于表面几何形状。在铺放模168从表面移开时输出吹放脉冲，粘合剂材料38被冷却，而纤维材料保持在其所放置的位置。

铺放模168能实现纤维片段预成型件42的生产。

在图14中，所示弹性载体166——弹性压力体——包括构成抽吸装置158的一部分的空气分配器170。抽吸装置158的未示出的部分装备有常见的气力源和气力控制器(未示出)。此外，柔性表面164示出为包括抽吸和吹放通道174的弹性受热面172。

弹性载体166位于连接板4上，该连接板4装备有用于将铺放模168固定于定位装置176(如图16)的可拆卸的固定元件(未示出)。

此外，热电偶(Thermoelement)178作为加热装置160的控制元件被提供。高柔性的电力线180将热电偶178连接到弹性受热面172。

图15示出了包括抽吸和吹放通道174的抽吸表面——柔性表面164。

铺放模块168的使用以及铺放装置28的更多详细信息将结合其在预成型件制造设备10中的使用在下文中说明。

在纤维片段预成型技术中，各纤维片段40被布置以形成三维预成型件42、192。为此，通过应用合适的铺放技术实现平面布局。铺放装置28从与切割装置24相关的真空带传送器50传送经粘合剂浸渍且切割得到的纤维片段40，并以尽可能短的周期将其放置于一表面上。在所示实施例中，纤维片段40、40’、40”被放置于预型件30的表面上。

片段40、40’、40”将被压靠于成形表面，以产生坚固的预成型件42。铺放模168应尽可能柔软，以在均匀力下适应于三维面。对于该结构，更优选地，在放置片段之前不久，可提供一定量的热量以活化粘合剂材料38。为此，柔性表面164包括尽可能少地影响(铺放)模的材料的机械特性的加热装置160。类似于真空带传送器50，丝状纤维片段40的二维固定是有利的。为此，柔性表面164也具有抽吸功能。

铺放模168的制造类似于印刷工程中已知的印刷垫的制造。在印刷垫的制造中使用了一组能长时间抵抗持久交替的机械载荷的特殊的硅树脂。从这些硅树脂中选取一种符合加热装置160的附加要求和与粘合剂材料38尽可能理想地接触的硅树脂。由于铺放模168集成有加热器，所以对(铺放)模的材料的温度稳定性进行了检测。本例中，铺放模168能够抵抗持久的高达200℃的温度是有利的。对应于这些要求，选取了一种用于硅树脂材料的软化剂。

可使用各种加热装置160来加热铺放模168的铺放表面，其中还包括电加热装置、流体回路或热空气。至于制造技术，包括电加热装置160的变型方案最便于实施，同时为高的加热能力和精确的温度设定提供了可能性。

为了不影响载体166的柔韧性，电力线180有利地由碳纤维纱形成。该纤维纱的高柔韧性避免了柔性表面164变硬。同时，该纤维纱能够经受多个100,000负载周期。

通过在硅树脂中混合导热材料可提高弹性载体166的导热性。

例如，对于导热材料占10-30％重量百分数的混合物，柔性表面的导热性足够高，因而加热装置160的加热元件和柔性表面164可保持在几乎相同的温度。

抽吸和吹放通道174集成于铺放模块168的柔性表面164中，并通过腔182在铺放模168中相互连接。腔182中插入有减震吸气垫(Saugvlieses，未示出)，以防止在受到铺放模168的压力负载时坍塌。

为避免静电，柔性表面164有利地由具有抗静电特性的柔性材料制成。

将在下文中参考图16说明铺放装置28的机械铺放系统。

图16所示的机械铺放系统184用于移动铺放模168，以便将纤维片段40从切割装置24传送至预定位置46。机械铺放系统184能实现快速的铺放周期和可调的铺放角度。

如上述说明，片段40以非接触的方式从真空带传送器50传送至铺放模168。为此，控制装置44在预设延时后根据切割命令输出真空带传送器50的抽吸/吹放室144的吹放脉冲。片段40通过几毫米(大约0.5-10mm)的空气路径被传送至吸气的铺放模168。随后，机械铺放系统184的运动周期开始。

该机械铺放系统184包括用于将铺放模168从拾捡位置传送至高于预定位置的一位置的平移驱动装置。在机械铺放系统184的所示实施例中，第一驱动单元由水平气压缸186构成。该水平气压缸186适于将铺放模168从其拾捡位置移动至铺放位置。由竖直气压缸188构成的第二驱动单元将铺放模168优选以可调整的压力压在表面上。

在移动过程中，铺放模表面永久保持在可调温度，从而粘合剂可活化其粘结性。粘合剂材料38在片段40接触表面时立即冷却并凝固。然后，在控制装置44的控制下输出铺放模168的抽吸装置中的吹放脉冲，造成铺放模移开，并随后返回其初始位置。此处，硅树脂的分离特性是有利的，因为没有粘合剂材料38剩余在模上。

铺放模168可依靠第三驱动单元旋转，该第三驱动单元在所示实施例 中由包括花键轴系统191的步进电机190构成。因此，甚至可以产生倾斜的片段40的轨迹，而不需要旋转整个铺放头(例如包括机械铺放系统184的铺放模168)。

为了实现经济的铺放过程，计划每秒多于两个铺放操作的非常高的周期时间。例如实施每秒五个或更多铺放操作。对于60mm长的片段和使用12k的纱，可实现理论上14.4g/min的纤维产量。如果打算例如在每平方米铺放厚度为双轴铺放(大约为500g/m²)的纤维片段40，则预成型件制造设备10将需要35分钟。通过使用多个铺放装置28，并结合以在一个表面上一起工作的多个自动机械，可以实现较短的时间。

由于相对较低的可实现的速度，现存形式的FPP技术仍然主要用于其它种类的预成型件的加固和用于薄壁的复杂部件，例如多轴铺放层或织品中的孔的边缘的加固。窗体喇叭口——其预成型件192如图13所示——也可制造成具有非常薄的壁和确定的纤维层。

一些种类的预成型件在FPP系统——预成型件制造设备10——中需要较少的自由度。如果只是要生产加固外形，则各模块可被简化，并结合到一条生产线中。不需要的模块可省略。可选择地，该装置可分为包括半成品材料的中间存储器在内的多个模块。

这将有助于降低系统成本并提高生产率。

附图标记列表：

10预成型件制造设备

12准备模块

14纤维束

16切割及铺放模块

18展开装置

20散布装置

22粘合剂浸渍装置

24切割装置

26传送装置

28铺放装置

30预型件

32纱

34散布器

36松放器

38粘合剂材料

40、40’、40”片段(纤维带的部分；纤维带片段)

42预成型件

44控制装置

46预定位置

48纤维切割系统

50真空带传送器

52铺放头

54激光

56供线轴

58支架

60直线导轨

62滑动部分

64传动螺杆

66电机

68传感器

70位置

72光敏二极管

74平的带

75小线轴

76弯杆

78直杆

80散布棱

82第一径向伸出部

84旋转轴

86旋转轴

88第二径向伸出部

90直棱

92传动机构

94翼板

96抽吸室

98层流气流

100丝

102漏斗

104径向凸起部分

106滚筒

108刷辊

110电机

112电机

114控制装置

116支架

118加热装置

120红外线辐射加热器

122纤维切割系统

124刀系统

126对立滚筒

128传送滚筒

130刀辊

132切割刃

134离合切割系统

136刀架

138切割刀片

140抽吸室

142穿孔金属板

144抽吸/吹放室

146传送位置

148弯曲路径

150重叠的片段

152切割刃

154切割刃

156预型件的可移动性——多维的

158抽吸装置

160加热装置

162压力装置

164柔性表面

166弹性载体

168铺放模

170空气分配器

172弹性受热面

174抽吸和吹放室

175连结板

176定位装置

178热电偶

180电力线

182腔

184机械铺放系统

186水平气压缸(第一驱动单元)

188竖直气压缸(第二驱动单元)

190步进电机(第三驱动单元)

191花键轴系统

192窗体喇叭口预成型件

Claims (8)

1.一种用于将纤维丝束(32)散布成平的纤维带(14)的散布装置(20)，所述散布装置包括至少一个中凸弯曲的散布棱(80)，该散布棱能通过至少一个垂直于所要散布的纤维丝束(32)的纵向延伸方向的导向装置相对于纤维丝束移动，从而纤维丝束能在张力下被放置于中凸弯曲的散布棱(80)上，该散布棱随后能通过至少一个导向装置垂直地从纤维丝束(32)移开，以将纤维丝束从散布棱(80)释放；所述散布装置设有包括径向伸出部(82)的两个旋转轴(84、86)，所述旋转轴(84、86)以彼此相反的方向旋转；所述至少一个散布棱(80)形成在所述径向伸出部(82)上，该径向伸出部形成为在旋转轴(84)上旋转；在彼此反向驱动的旋转轴(84、86)上形成有形成径向伸出部(82、88)的多个翼板(94)，所述翼板(94)基本沿轴向方向延伸，且具有形成于其径向最外侧区域上的棱部分(80、90)；所述散布装置包括至少两个棱部分，其中一个形成中凸弯曲的散布棱(80)，该两个棱部分能从相反方向朝向纤维丝束(32)移动；所述旋转轴(84，86)可旋转地布置成使得一个旋转轴(84)的翼板(94)接合在另一旋转轴(86)的两个翼板(94)之间，从而在张力下传送至散布装置(20)的纤维丝束(32)能在具有变化张力的棱部分(80，90)之间散布；所述棱部分能移动成使得在张力下传送至散布装置的纤维丝束能被棱部分之间的交替夹紧力夹紧。

2.根据权利要求1的散布装置，其特征在于，所述旋转轴(84、86)通过传动机构彼此反向地被驱动。

3.根据权利要求1的散布装置，其特征在于，用于散布的多个棱部分形成为中凸径向向外弯曲的散布棱(80)，要被相继放置于纤维丝束(32)上的棱部分在彼此反向运动的运动部件上设置成使得纤维分别散布在两个反向弯曲的散布棱(80)之间。

4.根据权利要求1-3之一的散布装置，其特征在于，设有用于松放散布的纤维丝束(32)的松放装置(36)，该松放装置(36)在纤维丝束(32)的传送方向上位于包括至少一个散布棱(80)的散布装置(34)之后。

5.根据权利要求4的散布装置，其特征在于，松放装置(36)包括抽吸室(96)。

6.根据权利要求1-3之一的散布装置，其特征在于，包括多个下游的散布装置(34)，以用于逐渐提高散布率。

7.用于制造预成型件的预成型件制造设备，其特征在于，该预成型件制造设备包括根据权利要求1-6之一所述的散布装置。

8.根据权利要求1-6之一所述的散布装置用于制造按载荷流排列的纤维复合结构的方法中和用于为了制造预成型件而提供散布的平的纤维束的方法中的用途。

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