CN102171026A - 堆布和悬垂增强纤维结构段以制造异型坯的设备及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于自动堆布和悬垂干燥的平面构型(55)、特别是多轴向纤维布和/或增强织物的大量带状分段(8；25、45、54)的设备(1；15)，用于在核芯(7；19)上通过重复地堆布和悬垂分段(8；25、45、54)形成异形坯(53)，从而以合成材料制造增强异型件。根据本发明，在至少一个磁带式盒(3-6；20)中在两个辊道(9、10；21、22)之间准备好至少一个分段(8；25、45、54)用以堆布在核芯(7；19)上。通过借助于磁带式盒结构(2)的至少一个磁带式盒(3-6)优选同时地将优选多于一个的预装配的平面构型(55)的分段(8、25、45、54)堆布在核芯(7、19)上，能够将用于制造CFK异型件的异形坯(53)快速地以及以较高的尺寸精确度在同时较好的可复制性的情况下全自动地堆布和悬垂。比如在设备(1、15)内部的RTM设备中将如此准备好的异形坯(53)通过在模具中以可硬化的合成材料浸渍来进一步加工成复合组件，特别是至少在一个空间方向上弯曲的CFK异型件。此外，本发明还设计一种用于有效地制造至少单轴弯曲的CFK异型件的方法。

Description

堆布和悬垂增强纤维结构段以制造异型坯的设备及方法
技术领域
本发明涉及一种设备，用于自动堆布和悬垂大量带状的平面构型的、特别是多轴向的纤维布和/或增强织物的分段，以在核芯上通过重复地堆布和悬垂分段形成异型坯，从而通过在模具中以可硬化的合成材料浸渍异形坯来制造增强异型件。
背景技术
在现代的飞机构造中越来越多地采用由复合材料、特别是碳纤维增强的环氧树脂(“CFK”)制成的构件。然而尽可能自动地以极小的尺寸偏差大批量地制造这种构件一直以来都是工艺技术上较大的难题。直到现在仅可以以相对较高的手动的工作比例来制造构件且由此导致了不准确性以及较高的成本，这迄今为止阻挠了大批量制造民用飞机的广泛应用。
为了避免前面提到的缺点，比如将注意力更多地关注到所谓的湿法工艺、比如公知的“树脂传递模塑”(“RTM”方法)的应用上。在该方法类型中针对具有复杂几何形状的CFK-构件将预制的、干燥的增强纤维结构(所谓的“型坯”)置入对应于型坯设计的、通常由多个部分构成的模具中且随后在同时施加压力和加温的情况下以可硬化的合成材料、比如环氧树脂系统来浸渍。随后将以可硬化的合成材料完全浸泡的型坯在直至200℃的温度下进行硬化。采用限定轮廓的模具确保了在该方法类型中较高的尺寸稳定性并且使得该制造适合于大批量生产。然而迄今为止很大程度上未解决的问题在于为该方法类型一直所需的型坯的机械制造，该型坯必要时还必须掺以粘结剂，以便从根本上能够进行处理，可想而知也有后续的缝合。
目前通过堆布预制的纤维半成品、比如多轴向纤维布(“MAG”)、羊毛或织物来制造此类用于复杂的、曲折的CFK-异型件的型坯。为此从卷装织物中裁切下料，敷设到用于包围型坯的核芯上且之后根据所要求的表面几何形状以及确切的特殊情况以不同的技术在使用各种各样的辅助装置的情况下主要以手动来悬垂。在本申请的上下文中“悬垂”的终端特别是被定义为将起初平坦的增强纤维布尽可能无褶皱地变型成至少在一个空间方向上弯曲的表面几何形状，其中，各相叠延伸的增强纤维被相叠地引导并且其相互间的角度在交叉区域中变化。
此外为了制造所谓的“TFP-堆布过程”(所谓的“剪裁式纤维铺放”)的干燥的型坯，在相对较窄的增强纤维束中接连并排地以及相叠地堆布在纺织基板上且随后固定在其位置中。该TFP-堆布过程虽然允许较高的自动化程度以及提供了具有近似任意的表面几何形状的型坯，但是特别费时。此外基板在制成的复合构件中为异物并且由于固定(Anheften)会导致增强纤维束的扭曲(“波浪形”)。
此外公知了在卷绕方法中通过卷绕在旋转的芯轴上来制造型坯。该卷绕方法特别适合于旋转对称的型坯且此外还可较好地自动化。但缺点在于可实现的型坯的表面几何形状基本上限于圆状体。
此外还公知了大量的用于制造拉长的型坯的针织方法、钩编方法和编织方法，从这些方法出来之后在第二步骤中通过复杂的折布过程或折叠过程形成具有比如z形或u形横截面几何形状的型坯。但折布过程仅能够很困难地自动化且结果导致了不可靠的可复制性。此外通过这种方式无法形成逐段的增强区域。
发明内容
本发明的目的在于，尽可能避免前述的公知的方法的缺点并且提出一种设备，其允许大批量地生产用于从复合材料、比如碳纤维增强的环氧树脂系统中制造至少一维弯曲的增强异型件的型坯。
该目的首先通过具有权利要求1的特征的设备实现。
通过在至少一个磁带式盒(Kassette)中在两个辊道之间准备好至少一个分段用以堆布到核芯上，可以快速地堆布和悬垂(Drapieren)用于制造笔直的和/或弯曲的异型件的异型坯，这是因为在至少一个磁带式盒中准备好至少一个分段的每个所需的层并且从中抽取用于堆布过程和悬垂过程。在这种情况下磁带式盒具有两个面对面设置的辊道用于容纳需堆布的以及悬垂的分段。
但该设备优选包括至少三个组合成所谓的磁带式盒结构的磁带式盒用于容纳和准备至少三个分段，这些分段在通常弯曲的异型件的整个纵向长度上延伸，从而将至少三个分段同时从磁带式盒中抽出用于堆布和悬垂。
为了能够将增强纤维平面构型的单个的分段从磁带式盒中抽出，磁带式盒分别具有至少面对面设置的辊道，在这些辊道之间容纳平面构型的分段。每个辊道又以大量辊形成。利用该设备优选将碳纤维构建的多轴向布作为平面构型来加工。
从一个磁带式盒或多个磁带式盒中抽出的分段被堆布到核芯上，该核芯的表面几何形状大致与需制造的异形坯的内表面几何形状一致。这些分段的长度大约等于核芯的周长，其包括正面、背面以及顶面加上用于后续必要时实施的异形坯的修剪的余量。
在将一层完全堆布和悬垂以后，至少一个磁带式盒重新装备或装载平面构型的下料并且一直重复堆布过程和悬垂过程，直至实现异形坯的预设的材料厚度。
在至少两个磁带式盒的情况下，这些磁带式盒可以相互铰接，从而使操作装置、比如具有多个自由度的弯臂机器人或龙门式机器人足以将多个磁带式盒共同在空间上相对于核芯定位。可替代的是，也可以考虑将磁带式盒设计成可分别独立地在空间上定位，这比如可通过针对每个磁带式盒分别配设一个操作装置来实现。
重新以平面的增强纤维布的分段来装备磁带式盒优选以至少一个用于布的供应辊以及至少一个裁切装置全自动地实现。
按照该设备的一种有利的设计方案，设置至少三个相互铰接的磁带式盒，用以遵循核芯的任意曲度。
由此不再需要将每个用于堆布过程、拉紧过程和悬垂过程的磁带式盒单独地在空间上借助于自身的、单独的操作装置来定位。此外，核芯或堆布在核芯上的异形坯的至少单轴弯曲的轮廓近似为多边形，该多边形由优选并排设置的且分别相互铰接的磁带式盒形成。
该设备内部带有辊的磁带式盒的数量越多，则磁带式盒结构与异形坯的各局部的曲度的近似度越高。在辊道之间的节点使得辊道可以从在堆布过程和悬垂过程中通常采取的相互平行间隔的布置中摆出，用以比如从供应辊接收增强纤维平面构型的新的分段。
在各个磁带式盒之间以及在辊道之间的节点可以比如以作为促动器的马达的伺服驱动装置、液压活塞装置和/或压力空气活塞装置来形成，从而可以实现通常包括大量的带有辊道的磁带式盒的磁带式盒结构与不同成形的核芯或需堆布的异形坯的全自动的、灵活的以及快速的匹配。
该设备的一种改进方案在于，磁带式盒可借助于至少一个操作装置、特别是至少一个具有至少六个自由度的弯臂机器人和/或龙门式机器人自由地在空间中定位。
由于该设计实现了借助于合适的轨道控制装置自动地遵循核芯或需在核芯上连续堆布的异形坯的二维弯曲的表面几何形状并且能够以较高的精确度和较好的可复制性全自动地将分段堆布和悬垂在核芯上。
按照该设备的另一种改进方案，核芯为了形成用于至少一次(einfach)弯曲的增强异型件的异形坯具有特别是U形、Z形、L形、I形横截面几何形状或上述形状任意的组合。
由此实现了借助于根据本发明的设备以较短的周期时间结合较高的制造和复制精确度近似全自动地生产由CFK-材料制成的增强异型件，比如用于加固飞机机身单元结构的纵梁异型件、横梁异型件或环形舱壁段，它们需要以极高的件数来生产，典型的比如为1000件。可以逐段地大小不同地实现弯曲，即异型件的弯曲半径不必在其纵向长度上恒定不变。此外也可以逐段地改变横截面几何尺寸。这意味着，比如针对矩形构造的需堆布的型坯或核芯的宽度和/或高度可沿圆周方向或纵向延伸发生改变。
本发明的一种改进方案在于，在核芯正面和核芯背面的区域中分别设置一个夹紧装置。
首先将需敷设在核芯上的增强纤维平面构型的事先精确截取的分段从磁带式盒中抽出。在此时刻在前部核芯的区域中借助于前部夹紧装置固定分段的起始端。随后将磁带式盒或整个磁带式盒结构借助于操作装置以预紧力在核芯上方拉起，其中，将分段在弯曲的区域中悬垂且在平坦的核芯区域中堆布。如果带有分段的磁带式盒到达核芯背面，则将磁带式盒再经过核芯的背面向下引出一小段，由此可借助于后部夹紧装置将堆布的以及处于极小的预紧力之下的分段在核芯上夹紧。随后将整个磁带式盒结构朝供应辊移动，增强纤维平面构型被预保持在该供应辊上。为了重新以分段装载磁带式盒结构可以比如将一个磁带式盒中的每两个辊道相互折开一个角度，从而使具有限定长度的分段可以从供应辊上在磁带式盒的辊道之间进入。之后借助于自动化的裁切装置将从供应辊上抽取的增强纤维平面构型截取成正确的长度。分段的长度分别对应于核芯的圆周轮廓的此处的长度加上余量，用以实现将各分段的起始端和末端固定夹紧到核芯上以及必要时还要在折布过程结束后进行修剪。在磁带式盒结构重新装备增强纤维平面构型(特别是具有碳纤维的多轴向布)的分段(它们以不同的角度、比如90°、±45°、30°、60°、和0°相叠地设置)之后，将分段的另一层堆布到核芯上。该过程被一直重复，直至达到在核芯上所需的层数。必要时借助于辅助装置、特别是退卷装置来堆布可选的0°-层。
根据另一个有利的设计方案设置成，带状的增强纤维结构特别是在核芯正面和/或核芯背面的区域中通过至少一个可自由地在空间中定位的退卷装置来堆布。
由此还可以将(特别是用于接收圆周力的)0°-层置入异形坯的层结构中，这些0°-层平行于异形坯的纵向或在弯曲的异形坯的情况下在圆周方向上延伸。如果增强异型件比如应被用作环形舱壁或环形舱壁段，则这些附加的增强纤维层产生对于制成的CFK构件的可实现的强度的决定性意义，这是因为在机身单元结构的这些区域中出现极高的圆周应力，其主要仅由平行于圆周方向延伸的增强纤维接收。由此根据本发明的设备实现了以极小的周期时间全自动地生产力线适当的或无作用力地优化设置在其中的增强纤维的定位的异形坯，同时还确保了较高的可复制性以及层结构的尺寸稳定性。
此外，本发明的目的通过按照权利要求13的方法实现，该方法包括以下步骤：
a)通过将增强纤维平面构型的分段逐层地堆布和悬垂在核芯上来提供异形坯，其中，从至少一个磁带式盒中抽出至少一个分段，
b)将异形坯置入模具中，
c)在同时施加压力和加温的情况下在模具中以可硬化的合成材料浸润和硬化异形坯。
由此可以以较小的周期时间和较高的复制性和制造精确度以较高的尺寸精确度全自动地制造用于加固飞机的机身单元结构的弯曲的CFK-增强异形坯。该方法原则上特别是可以在极小弯曲的异型件的情况下以仅一个磁带式盒实施。但可以以有利的方式采用两个、三个或更多的铰接成磁带式盒结构的磁带式盒，用以在用于生产环形舱壁或类似构件的比如CFK异型件的长形和弯曲的核芯上加速堆布过程和悬垂过程。
在方法步骤a)中通过在核芯上逐层地堆布和悬垂事先截取成正确的长度的增强纤维平面构型的分段来形成各异形坯。为此从磁带式盒中抽出分段，堆布到核芯上且同时在弯曲的核芯表面几何形状的区域中悬垂。堆布和悬垂的过程被一直重复，直至达到核芯上的预设的层数。已经堆布的分段的层固定借助于夹紧装置实现，夹紧装置设置在核芯的核芯正面和核芯背面的区域中。
如果不是在纤维材料中就已包含，必要时可以在该方法步骤中借助于涂层装置实现需堆布的层的固定。涂层装置包括比如合适的散布装置、比如设置在核芯上方的散射箱，其装有粘合剂。可替换的是，也可以设置浇注装置或喷射装置用于涂布粘合剂。作为粘合剂优选考虑由热塑性和较容易熔化的材料制成的细颗粒的粉末。在将增强纤维平面构型的层堆布到核芯上并且用夹紧装置固定之后，首先将粘合剂优选敷设到核芯顶面的区域中。随后堆布增强纤维平面构型的分段的接下来的层。然后将散布的粘合剂借助于加热装置(其优选设计成电驱动的辐射加热装置)熔化且因此在两个相叠的层之间形成固定的机械连接。为此所需的压紧力可以通过压力装置、比如真空垫和/或冲压冲头实现。冲压冲头可以通过感应线圈、电阻加热装置或通过在冲压冲头中循环的流体加热和/或可借助于冷却装置冷却，用以实现对强化的异形坯的快速调温。这里冲压冲头的表面几何形状遵循异形坯的预设的额定几何形状。
在方法步骤b)中将预制的异形坯从核芯揭起并且置入由多部分构成的模具中。在将异形坯从核芯上揭起之前和/或之后，可能需要修剪异形坯的边棱，用以确保所需的尺寸精确度。在将异形坯置入通常由多部分构成的模具中之后在方法步骤c)中完成将异形坯浸润或浸渍且硬化成构件。为此将可硬化的合成材料、特别是合适的环氧树脂系统在提高的压力下置入模具中，从而将异形坯完全浸泡。随后在同时施加压力和加温下在模具中对完全以可硬化的合成材料浸渍的异形坯进行硬化，用以提供CFK构件、特别是需制造的CFK异型件。
该设备以及该方法的其它有利的设计方案在其它的权利要求中给出。
附图说明
现在参照附图根据优选的实施例说明本发明。其中：
图1为该设备的一个磁带式盒结构的四个磁带式盒的透视图，
图2-6为将分段敷设和悬垂到核芯上时的借助于该设备的简化示图的该方法流程的示意图，
图7为借助于涂层装置任选地涂敷粘合剂的视图，
图8为粘合剂的熔化的视图，
图9为可选地涂敷具有0°定向的增强纤维的示图，以及
图10为以增强纤维平面构型的分段装备磁带式盒结构内部的磁带式盒的示图。
具体实施方式
图1示出了该设备的一个磁带式盒结构的四个磁带式盒(Kassette)的透视图。
在图1中没有完全示出的设备1主要包括磁带式盒结构2，其具有总共四个并排设置的磁带式盒3至6。本身平面的磁带式盒3至6分别比如以未示出的固定节点相互连接。为了尽可能准确地跟随核芯7的一维弯曲，可以松开节点并且将磁带式盒3至6对齐，直至达到磁带式盒结构2与预设的核芯7的弯曲达到最佳的接近。通过之后将固定节点锁定可以保持对于整个堆布过程和悬垂(Drapieren)过程的调节。这些固定节点可以比如以自锁的电动的伺服驱动装置实现。通常由于半径变化始终需要在悬垂过程期间进行调节。必要时磁带式盒3至6也可以设计成弯曲的。在这种状态下辊在辊道内部比如在可弯曲的轴上延伸。可替换的是，也可以考虑使用具有一定固有弹性的柔韧的辊。
磁带式盒结构2内部的磁带式盒3至6的数量越多，则可以(至少在非弹性的磁带式盒结构或辊道的情况下)使磁带式盒结构2的走向与弯曲的核芯的轮廓更准确地接近。核芯7用于堆布在图1中部分示出的增强纤维平面构型的分段8，该增强纤维平面构型被完全拉入四个磁带式盒3至6中的每一个中并且预保存用于加工。核芯7在所示的实施例中具有近似矩形的横截面几何形状，其特别适用于制造用于所谓的C形异型件或U形异型件的异形坯。核芯7原则上可以具有任意一维和/或二维弯曲的表面几何形状，从而也能够生产出用于制造可替代的异型件几何形状的其它型坯。
在该实施例中所有的磁带式盒3至6构造相同，从而前部磁带式盒6就能代表其余的磁带式盒的基本构造，因此详细说明磁带式盒6的构造就已足够。
磁带式盒6包括两个辊道9、10，它们以较小的间隔先后设置。在图1所示的实施例中每个辊道9、10包括总共5个水平设置的辊，其中一个辊11代表所有其余的辊以附图标记表示。辊在竖直方向上可旋转地均匀地相叠容纳在磁带式盒6中。每个辊道中的辊的数量可以在较宽的界限中自由选择并且主要取决于容纳在辊道9、10之间的增强纤维平面构型的分段8的长度L。在图1所示的实施例中辊分别设计成由三部分构成，也就是说，比如辊11以总共3个分辊12至14构成，它们可旋转地容纳在共同的、必要时可弯曲的轴上。辊至少在辊道内部使用可弯曲的轴的情况下以弹性材料制成或至少具有弹性的外罩，从而使容纳在辊道9、10之间的增强纤维平面构型不被损害。特别适合的是如橡胶、毛毡或以合成纤维制成的具有少量绒毛的丝绒的材料。
在每个磁带式盒3至6中优选每个辊具有自身的驱动装置，其中，该驱动装置特别是无级的可电子调节的电动机，其直接整合到辊中。由此确保了增强纤维平面构型的分段能够以无拉长地或无变形地或无纤维结构的其它损害的方式从磁带式盒3至6中抽出。
整个磁带式盒结构2设置在操作装置、比如弯臂机器人或龙门式机器人上，用以确保尽可能自由地在空间中(特别是相对于核芯7)定位。可替换的是，每个磁带式盒3至6分别可以具有一个这样的定位装置。在这种情况下无需磁带式盒3至6之间的铰接。
根据本发明借助于操作装置围绕核芯7的顶面引导磁带式盒结构2，而同步地借助于辊从磁带式盒3至6中抽出分段并且在核芯7上堆布或悬垂。这里将增强纤维平面构型的分段的起始端或末端借助于合适的、在图1中未示出的夹紧装置固定在核芯7的区域中。该堆布过程和悬垂过程被一直重复，直至达到核芯7上的预设的分段层数。
整个设备1除了在图1中示出的磁带式盒结构2之外还包括吹气装置和涂层装置，其用于通过已经存在于纤维材料中和/或上的粘合剂或借助于涂层装置后续涂敷的粘合剂额外地对堆布的层进行中间层固定，该粘合剂随后借助于合适的加热装置熔化(参见特别是图2-11)并且通过压力装置固结。在上下文中固结(Konsolidieren)的概念指的是异形坯的表面几何形状在同时地压实、即压缩的情况下变得平滑，以及逼近异形坯的预设的理论表面几何形状。同时消除异形坯内部可能的气隙和波浪。在借助于压力装置采用足够高的压力下将型坯优选在同时地冷却的情况下固结。固结可以比如以至少一个冲压冲头、自动敷设的真空垫等实现，它们可选地具有用于热量输出的装置，用以在完成固结以后加速冷却过程。原则上在每次熔化粘合剂之后需要固结或压实以及平滑。此外还存在范围较广的控制和调节装置，用以使设备内部的所有的流程尽可能自动地进行。
借助于根据本发明的设备1生产的异形坯在结束堆布过程和悬垂过程之后被置入模具中并且在此在施加压力和/或加温的情况下以可硬化的合成材料、特别是合适的环氧树脂系统完全地浸渍并且随后在120℃至320℃之间的温度范围中硬化成CFK构件。
在图2中示出的设备15包括常见的弯臂机器人16，其如通过白色方向箭头所示具有大量的自由度。
借助于弯臂机器人16可以将磁带式盒结构17自由地在空间中且特别是相对于支承在基面18上的核芯19移动和定位。为了更好地概览附图，磁带式盒结构17仅包括一个磁带式盒20，其又以两个相互平行地竖直延伸的辊道21、22形成。每个辊道21、22具有五个辊，其中仅两个辊23、24在各辊道21、22中以附图标记表示。辊道21、22内部的辊23、24优选通过单独的电子调节的电动机驱动。在均匀地间隔设置的辊道21、22之间完全地容纳以点划线示出的增强纤维平面构型的分段25。分段25在小的黑色箭头26的方向上在两个辊道21、22之间通过马达驱动的辊被抽出。核芯19在大致矩形横截面几何形状的示例中具有正面27、核芯背面28以及核芯顶面29。核芯底面30支承在设备内部的基面18上。
原则上核芯19可以具有近似任意的横截面几何形状，用以能够制造用于生产CFK增强异型件的异形坯的较大的可变宽度。此外核芯19设计成可以在至少一个空间方向上以及必要时甚至可以逐段地不同程度地弯曲。在核芯正面27的区域中设置导向板31，其使得分段25的定位变得容易。分段25的起始端32已经位于磁带式盒20外部，而末端33还位于磁带式盒20内部。
在磁带式盒结构17的区域中还设置所谓的吹气装置34。吹气装置34包括保持件35以及向下倾斜地固定在保持件上的喷嘴36用于放出压力空气。
在核芯正面27的区域中设置前部夹紧装置37以及在核芯背面27的区域中设置与此相对应的后部夹紧装置38。两个夹紧装置37、38示出在从核芯19摆回的位置中且可以借助于未示出的促动器在小的白色弯曲箭头的方向上通过摆动分别贴靠在核芯正面27或核芯背面28上，用以固定夹紧分段25的起始端32或末端33。此外，由于分段25的固定夹紧实现了借助于设置在弯臂机器人16上的磁带式盒结构17将分段25在优选略微围绕核芯19拉紧的情况下进行堆布且这里特别在弯曲的区域中同时进行悬垂。坐标系39用于说明磁带式盒结构17在空间中的移动。
在图2的示图中磁带式盒结构17已经相对于核芯19的正面27被带入一个位置中，使得分段25能够借助于马达驱动的辊从磁带式盒20中抽出用于开始堆布过程和悬垂过程。
此外借助于图2至6详细说明用于借助于示意性示出的设备制造异形坯的方法。在图2至6中同样的结构元件分别以相同的附图标记表示。为了清晰起见在图3-6中舍弃了弯臂机器人16的示图。
从在图2示出的位置中出发，分段25借助于辊竖直地从磁带式盒20中驶出，直至分段25的起始端32向前推进直至一小段经过核芯正面27向下突出并且能够借助于前部夹紧装置37(如图3所示)固定夹紧。可替代的是，起始端32也可以与核芯正面27平齐地终止。
随后将整个磁带式盒结构17借助于弯臂机器人16竖直地、即平行于坐标系39的z轴向上移动并且如在图3、4中示出在水平方向上、即平行于x轴移动，用于将分段25经过核芯正面27和核芯背面29牵拉。根据核芯19的局部曲率同时对增强纤维平面构型的分段25进行悬垂。在所有附图中借助于白色方向箭头示出的磁带式盒结构17的移动中，容纳在辊道21、22之间的分段25在理想情况下同步地借助于马达驱动的辊在小的黑色箭头26的方向上从磁带式盒结构17中输出。在图5中磁带式盒结构17在竖直向下移动结束之后到达其相对于核芯19的最终位置中并且分段25的末端33贴靠在核芯背面28的区域中。
在图6中示出，压力空气如何从吹气装置34的喷嘴36中出来且由此将分段25的末端33(直至较小的超出部分)贴靠在核芯背面28上。随后可以借助于后部夹紧装置38实现堆布的以及悬垂的分段25的层固定(特别参见图7)。通过采用压力空气防止分段25的纤维结构的完整性受到损害。
在图7中示出，如何借助于涂层装置40(其比如包括带有粘合剂42的容器41)将粘合剂42尽可能均匀地以及全面地在核芯顶面29的区域中涂敷到已有的分段25上。为此将磁带式盒结构17或在这种情况下将单个的磁带式盒20从涂层装置40的作用区域中移出。粘合剂42优选为细颗粒的热塑性颗粒材料，其在较低的温度下就已经能够熔化。在该方法步骤中分段25借助于夹紧装置37、38固定夹紧在核芯19上。可替代的是，粘合剂42也可以涂敷在贴合在核芯正面27以及核芯背面28上的分段25的区域中。在按照图8的过程阶段中将增强纤维平面构型的分段45的另一层44堆布和悬垂在涂敷有粘合剂42的分段25上。随后将加热装置43在核芯19上方以适当的间隔定位。加热装置43具有大量矩阵式设置的红外辐射器46，其比如可以由具有置入的电热线圈或其它合适的辐射源的陶瓷板构成。加热装置43可以借助于感应加热来工作。由于加热装置43下方的红外辐射器46的矩阵式布置确保了快速地以及首要是均匀地将粘合剂42加热到其熔化温度上。此外红外辐射器46也允许粘合剂42的快速冷却，由此尽可能地防止了粘合剂42在层44之间不受控制地延伸。为了在粘合剂42起作用之后使堆布的层的表面变得平滑，可以设置至少一个未示出的冲压冲头，其大小和结构与堆布的增强纤维平面构型的理论表面几何尺寸相符。一个或多个冲压冲头优选可主动地调节温度，即其设计有加热装置和/或冷却装置。加热装置和冷却装置都可以比如利用贯穿的孔形成到冲头中，通过所述孔引导相应调温的流体、比如油或气体。可替代的是，可以设置电阻和电感加热装置以及具有珀耳帖元件的冷却装置。
在图9中示出了如何将两个可选的带状的增强纤维结构47、48借助于核芯正面27以及核芯背面28的区域中的两个退卷装置49、50堆布到分段25上。这两个退卷装置49、50主要分别包括一个供应辊51、52，从该供应辊上可以连续地抽取无极(endlos)的增强纤维结构47、48。必要时退卷装置49、50也具有未示出的裁切装置，以便能够将增强纤维结构47、48截短成预设的尺寸。这两个退卷装置49、50通过操作设备、比如常见的弯臂机器人基本上平行于坐标系39的y轴移动。为了确保尽可能无应力地以及无变形地堆布过程和悬垂过程，供应辊51、52与退卷装置49、50沿y轴的直线运动同步地转动。
两个增强纤维结构47、48优选以大量碳纤维构成，它们在所谓的90°方向上延伸，即在图9的示出中平行于坐标轴39的y轴延伸。与此相反分段25以所谓的多轴向碳纤维布构成，其中各碳纤维在方向角度±45°以及0°的情况下交替地相叠分层延伸。这意味着，在贴合在核芯顶面29上的分段25的区域中多轴向布的碳纤维基本上在坐标系39的xy平面内或平行于xy平面延伸并且这里与x轴或y轴分别包围±45°或0°的角度。
带状的增强纤维结构47、48的整合可选地以及通常仅在生产用于特殊目的(比如用作加固飞机的机身单元结构的环形舱壁段)的异形坯时采用。增强结构以有利的方式以优选0°方向在两侧分别由多轴向纤维布的分段25、45的至少一个层来覆盖，用以实现稍后的复合构件的最佳的表面特性，但这在图9中为了更好地观察起见没有示出。随着根据图9的过程步骤的结束，由大量相叠堆布的以及悬垂的多轴向纤维布的分段25、45以及可选地插入其之间的具有0°层的增强纤维结构构成的异形坯53的构建完毕。
具有复杂的碳纤维增强结构的异形坯53借助于另一个操作装置从核芯19上自动地揭起并且置入相应设计的、通常由多部分构成的模具中。该模具随后牢固地封闭。之后在模具中置入可硬化的合成材料用于形成完全包围异形坯的矩阵。随后在同时施加压力和/或加温的情况下将合成材料、特别是适合的环氧树脂系统硬化成CFK构件或CFK异型件，其在工具冷却后可从中取出。在将异形坯53置入由多部分构成的模具以实施前述的RTM过程之前可能需要特别是在异形坯53的边棱区域中通过修剪除去多余的材料，用以确保所需的较高精确度。此外可能也需要使制成的硬化的CFK构件经受随后的裁切过程，以形成最终有效的尺寸。
在图10中示出如何在将分段堆布和悬垂到核芯19上之后实现以新的增强纤维平面构型55的分段54优选全自动地装备磁带式盒结构17或个别的磁带式盒20。
为此可以如图10中原理性示出的那样，将辊道21、22以较小的角度、比如各10°相互折开，从而使平面构型55的引入变得容易。通过将平面构型55在较小的黑色箭头的方向上从供应辊56上退卷，将需分离的分段54在两个辊道21、22之间经过。随后将辊道21、22在白色弯曲箭头的方向上再次翻折到一起，即辊道21、22大致相互平行延伸并且在它们之间容纳增强纤维平面构型55。
最后借助于裁切装置57将分段54从增强纤维平面构型55上分离。全自动的裁切装置57主要具有比如扶壁58以及裁切刀59。通过裁切刀59在水平的白色双箭头的方向上的水平移动将分段54分离下来。可代替的是，比如也可以借助于水切割装置或激光切割装置实现分离。
随后可以借助于操作装置将磁带式盒20重新相对于核芯19定位并且将新的分段54(如在图3至8中所示)在核芯19上堆布以及悬垂。该过程一直被重复，直至在核芯19上达到需构建的异形坯53内部的增强纤维平面构型和/或带状增强纤维结构的分段的预设的层数。
优选将用于以可硬化的合成材料浸润异形坯53或用于实施RTM过程的模具，以及用于对模具进行调温的加热装置，用于可硬化的合成材料的喷射装置连同为此所需的所有辅助装置直接地整合到该装置中以实施该方法。
附图标记
1 设备
2 磁带式盒结构
7 核芯(一维弯曲)
8 分段(增强纤维平面构型)
9 辊道
10 辊道
11 辊
12 分辊
13 分辊
14 分辊
15 设备
16 弯臂机器人
17 磁带式盒
18 基面(设备)
19 核芯(一维弯曲)
20 磁带式盒
21 辊道
22 辊道
23 辊
24 辊
25 分段(增强纤维平面构型)
26 箭头
27 核芯正面
28 核芯背面
29 核芯顶面
30 核芯底面
31 导向板
32 起始端(分段)
33 末端(分段)
34 吹气装置
35 保持件(吹气装置)
36 喷嘴(吹气装置)
37 前部夹紧装置
38 后部夹紧装置
39 坐标系
40 固定装置
41 容器
42 粘合剂
43 加热装置
44 (第二分段的)层
45 (第二增强纤维平面构型的)分段
46 红外辐射器
47 (带状的)增强纤维结构
48 (带状的)增强纤维结构
49 退卷装置
50 退卷装置
51 供应辊
52 供应辊
53 异形坯
54 (增强纤维平面构型的)分段
55 增强纤维平面构型
56 供应辊
57 裁切装置
58 扶壁
59 裁切刀
权利要求书(按照条约第19条的修改)
1.一种用于自动堆布和悬垂平面构型(55)、特别是多轴向纤维布和/或增强织物的大量带状分段(8；25、45、54)的设备(1；15)，用于在核芯(7；19)上通过重复地堆布和悬垂分段(8；25、45、54)形成异形坯(53)，从而通过在模具中以可硬化的合成材料浸渍异形坯(53)来制造增强异型件，其特征在于，在至少一个磁带式盒(3-6；20)中在两个辊道(9、10；21、22)之间准备好至少一个分段(8；25、45、54)用以堆布在核芯(7；19)上，其中，已经被截取成正确长度的至少一个分段(8；25、45、54)能够容纳在两个辊道(9、10；21、22)之间。
2.根据权利要求1所述的设备(1；15)，其特征在于，为形成磁带式盒结构(2；17)设置的至少三个磁带式盒(3-6；20)、特别是相互铰接的磁带式盒(3-6；20)随核芯(7；19)的任意曲率弯曲。
3.根据权利要求1或2所述的设备(1；15)，其特征在于，所述磁带(3-6；20)能够借助于操作装置、特别是借助于弯臂机器人(16)和/或龙门式机器人以至少六个自由度自由地在空间中定位。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的设备(1；15)，其特征在于，为了形成用于至少一次弯曲的增强异型件的异形坯(53)，核芯(7；19)特别是具有U形、Z形、L形、I形的横截面几何形状或上述任意横截面几何形状的组合。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的设备(1；15)，其特征在于，在核芯正面(27)和核心背面(28)的区域中分别设置一个夹紧装置(37、38)。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的设备(1；15)，其特征在于，带状增强纤维结构(47、48)特别是在核芯正面(27)和/或核芯背面(28)的区域中借助于至少一个能够自由地在空间中定位的退卷装置(49、50)进行堆布。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的设备(1；15)，其特征在于，至少一个磁带式盒(3-6；20)中的每两个辊道(9、10；21、22)之间的间隔是可调的。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的设备(1；15)，其特征在于，每个辊道(9、10；21、22)具有大量圆柱形辊(11；23、24)。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的设备(1；15)，其特征在于，所述辊(11；23、24)以弹性材料、特别是以橡胶材料、泡沫塑料、绒毛或上述任意材料组合构成。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的设备(1；15)，其特征在于，在至少一个磁带式盒(3-6；20)的区域中设置以压力空气工作的吹气装置(34)。
11.根据权利要求1至10中任一项所述的设备(1；15)，其特征在于，设置涂层装置(40)、特别是包含粘合剂(42)的散布装置，其中，粘合剂(42)特别是热塑性粉末，其能够借助于加热装置(43)熔化。
12.根据权利要求1至11中任一项所述的设备(1；15)，其特征在于，设置至少一个用于固结异形坯(53)的温度可调的压力装置。
13.一种借助于根据权利要求1至12中任一项所述的设备(1；15)制造至少一次弯曲的增强异型件的方法，包括以下步骤：
a)以增强纤维平面构型(55)的分段(8；25、45、54)如下方式装备所述装置(1；15)的至少一个磁带式盒(3-6；20)，即随后将被截取成正确长度的分段(8；25、45、54)容纳在磁带式盒(3-6；20)的两个辊道(9、10；21、22)之间，
b)将磁带式盒(3-6；20)相对于核芯(7；19)定位，
c)在至少一个磁带式盒(3-6；20)中在两个辊道(9、10；21、22)之间准备好增强纤维平面构型(55)的至少一个分段(8；25、45、54)，
d)通过在核芯(7；19)上逐层地堆布和悬垂增强纤维平面构型(55)的分段(8；25、45、54)形成异形坯(53)，其中，从至少一个磁带式盒(3-6；20)中抽出至少一个分段(8；25、45、54)，
e)将异形坯(53)置入模具中，
f)在同时施加压力和加温的情况下在模具中以可硬化的合成材料浸渍和硬化异形坯(53)。
14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，从至少一个磁带式盒(3-6；20)中抽出至少一个分段(8；25、45、54)，随后分别以前部夹紧装置(37)将需堆布的分段(8；25、45、54)的起始端(32)固定在核芯正面，随后借助于操作装置将至少一个磁带式盒(3-6；20)围绕核芯(7；19)引导，同时，在两个辊道(9、10；21、22)之间将至少一个分段(8；25、45、54)抽出、悬垂以及堆布且随后借助于后部夹紧装置(38)将至少一个分段(8；25、45、54)的末端(33)固定在核芯背面(28)上。
15.根据权利要求13或14所述的方法，其特征在于，借助于退卷装置(49、50)、特别是在核芯正面(27)和/或核芯背面(28)的区域中将基本上带状的增强纤维结构(47、48)进行堆布并且以夹紧装置(37、38)固定。
16.根据权利要求13至15中任一项所述的方法，其特征在于，在堆布分段(8；25、45、54)的至少一个层(44)后将用于层固定的粘合剂(42)至少局部地涂布到堆布后的分段(8；25、45、54)上和/或带状的增强纤维结构(47、48)上。
17.根据权利要求13至16中任一项所述的方法，其特征在于，在完成异形坯(53)的分段(8；25、45、54)的至少一个层(44)的层固定之后借助于压力装置通过粘合剂(42)完成固结。
说明或声明(按照条约第19条的修改)
PCT第19条修改声明
1.修改后的权利要求书
新的权利要求1基于原权利要求1以及原始提交的说明书第3页第26至29行、第6页第6至16行以及第17页第3至18行。在新的权利要求1中加入：已经被截取成正确长度的至少一个分段能够容纳在两个辊道之间。
新的权利要求2至12与原权利要求2至12相同。
新的权利要求13基于原权利要求13以及原始提交的说明书第3页第21至25行、第6页第7至11行和第16页第34行至第17页第21行以及原始提交的附图10。在新的权利要求13中纳入两个方法步骤，其包括以增强纤维平面构型的分段装备至少一个磁带式盒以及随后将磁带式盒相对于核芯定位，这些特征如下进一步被具体化，即在装备之后将分段容纳在两个辊道之间并且截取到正确的长度。
新的权利要求14至17与原权利要求14至17相同。
2.创造性
在由国际检索机构引用的对比文件中都没有公开根据新的权利要求1所述的设备，该设备设计成在磁带式盒中在两个辊道之间容纳至少一个已经被截取到正确长度的平面构型的分段。此外在这些对比文件中都没有描述根据新的权利要求13的方法，其中，在第一步骤中完成磁带式盒的装备，随后在磁带式盒的两个辊道之间容纳被截取到正确长度的分段，并且在下一步骤中将磁带式盒相对于核芯定位。

Claims (17)

1.一种用于自动堆布和悬垂平面构型(55)、特别是多轴向纤维布和/或增强织物的大量带状分段(8；25、45、54)的设备(1；15)，用于在核芯(7；19)上通过重复地堆布和悬垂分段(8；25、45、54)形成异形坯(53)，从而通过在模具中以可硬化的合成材料浸渍异形坯(53)来制造增强异型件，其特征在于，在至少一个磁带式盒(3-6；20)中在两个辊道(9、10；21、22)之间准备好至少一个分段(8；25、45、54)用以堆布在核芯(7；19)上。
2.根据权利要求1所述的设备(1；15)，其特征在于，为形成磁带式盒结构(2；17)设置的至少三个磁带式盒(3-6；20)、特别是相互铰接的磁带式盒(3-6；20)随核芯(7；19)的任意曲率弯曲。
3.根据权利要求1或2所述的设备(1；15)，其特征在于，所述磁带(3-6；20)能够借助于操作装置、特别是借助于弯臂机器人(16)和/或龙门式机器人以至少六个自由度自由地在空间中定位。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的设备(1；15)，其特征在于，为了形成用于至少一次弯曲的增强异型件的异形坯(53)，核芯(7；19)特别是具有U形、Z形、L形、I形的横截面几何形状或上述任意横截面几何形状的组合。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的设备(1；15)，其特征在于，在核芯正面(27)和核心背面(28)的区域中分别设置一个夹紧装置(37、38)。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的设备(1；15)，其特征在于，带状增强纤维结构(47、48)特别是在核芯正面(27)和/或核芯背面(28)的区域中借助于至少一个能够自由地在空间中定位的退卷装置(49、50)进行堆布。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的设备(1；15)，其特征在于，至少一个磁带式盒(3-6；20)中的每两个辊道(9、10；21、22)之间的间隔是可调的。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的设备(1；15)，其特征在于，每个辊道(9、10；21、22)具有大量圆柱形辊(11；23、24)。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的设备(1；15)，其特征在于，所述辊(11；23、24)以弹性材料、特别是以橡胶材料、泡沫塑料、绒毛或上述任意材料组合构成。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的设备(1；15)，其特征在于，在至少一个磁带式盒(3-6；20)的区域中设置以压力空气工作的吹气装置(34)。
11.根据权利要求1至10中任一项所述的设备(1；15)，其特征在于，设置涂层装置(40)、特别是包含粘合剂(42)的散布装置，其中，粘合剂(42)特别是热塑性粉末，其能够借助于加热装置(43)熔化。
12.根据权利要求1至11中任一项所述的设备(1；15)，其特征在于，设置至少一个用于固结异形坯(53)的温度可调的压力装置。
13.一种借助于根据权利要求1至12中任一项所述的设备(1；15)制造至少一次弯曲的增强异型件的方法，包括以下步骤：
a)在至少一个磁带式盒(3-6；20)中在两个辊道(9、10；21、22)之间准备好增强纤维平面构型(55)的至少一个分段(8；25、45、54)，
b)通过在核芯(7；19)上逐层地堆布和悬垂增强纤维平面构型(55)的分段(8；25、45、54)形成异形坯(53)，其中，从至少一个磁带式盒(3-6；20)中抽出至少一个分段(8；25、45、54)，
c)将异形坯(53)置入模具中，
d)在同时施加压力和加温的情况下在模具中以可硬化的合成材料浸渍和硬化异形坯(53)。
14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，从至少一个磁带式盒(3-6；20)中抽出至少一个分段(8；25、45、54)，随后分别以前部夹紧装置(37)将需堆布的分段(8；25、45、54)的起始端(32)固定在核芯正面，随后借助于操作装置将至少一个磁带式盒(3-6；20)围绕核芯(7；19)引导，同时，在两个辊道(9、10；21、22)之间将至少一个分段(8；25、45、54)抽出、悬垂以及堆布且随后借助于后部夹紧装置(38)将至少一个分段(8；25、45、54)的末端(33)固定在核芯背面(28)上。
15.根据权利要求13或14所述的方法，其特征在于，借助于退卷装置(49、50)、特别是在核芯正面(27)和/或核芯背面(28)的区域中将基本上带状的增强纤维结构(47、48)进行堆布并且以夹紧装置(37、38)固定。
16.根据权利要求13至15中任一项所述的方法，其特征在于，在堆布分段(8；25、45、54)的至少一个层(44)后将用于层固定的粘合剂(42)至少局部地涂布到堆布后的分段(8；25、45、54)上和/或带状的增强纤维结构(47、48)上。
17.根据权利要求13至16中任一项所述的方法，其特征在于，在完成异形坯(53)的分段(8；25、45、54)的至少一个层(44)的层固定之后借助于压力装置通过粘合剂(42)完成固结。
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