CN102395459A - 用于为纤维复合材料的弯曲成形的结构部件覆盖针织纤维织物的设备和方法 - Google Patents

用于为纤维复合材料的弯曲成形的结构部件覆盖针织纤维织物的设备和方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种在制造纤维复合材料的弯曲成形的结构部件期间用于覆盖针织纤维织物的设备(10)。该设备(10)包括：具有模面(14)的至少一个模具(12)，所述模面(14)对应于后来成形的结构部件期望成形的几何形状和曲率的至少一部分；以及至少一个夹紧装置(20)，用于将至少一个针织纤维织物层(16)沿张紧线(22)夹进到预应力状态；和运动装置(24)，用于在所述模具(12)与所述至少一个夹进的针织纤维织物层(16)之间以这样一种方式产生相对运动，以使所述模具(12)的所述模面(14)沿垂直于或至少近似垂直于所述张紧线(22)的方向移动靠近所述针织纤维织物层(16，18)，并且在所述相对运动的进一步过程中冲过所述张紧线(22)到达使所述针织纤维织物层(16)完全覆盖所述模面(14)的程度，其中所述夹紧装置(20)被装备为在整个覆盖操作期间以沿所述张紧线(22)作用的张紧力加载所述针织纤维织物的所述层(16)。

Description

用于为纤维复合材料的弯曲成形的结构部件覆盖针织纤维织物的设备和方法
技术领域
本发明涉及一种用于为纤维复合材料的弯曲成形的结构部件覆盖(drape)针织纤维织物的设备和方法，所述纤维复合材料例如为GFRP或CFRP。本发明上下文中的术语“成形结构部件”表示为主体提供结构强度的结构限定构件，即可以形成主体的支撑结构的一部分的构件，例如飞机机身。
背景技术
特别地，在飞机构造中，对针织纤维织物的成形结构部件的实用性的深入研究目前已经进行了一段时间，针织纤维织物表示玻璃纤维增强的(GFR)或碳纤维增强的(CFR)的例如垫或带形式的纺织织物、无纺织物或针织织物。为了形成纤维复合材料成形结构部件，纤维首先必须根据它们所需的朝向被预制和排列，然后被预制的纺织织物、无纺织物或针织织物必须一层一层地被放置，即覆盖，到所需的模具中。特别地，在弯曲成形结构的情况下，该覆盖过程是困难的并且因而是费力的。为了获得弯曲的几何形状，针织纤维织物由于在外侧边缘和内侧边缘之间的长度的差别而必须弧形地放置，这可能导致不希望的折痕形成。另一个困难在于观察模具上的期望的纤维朝向。
覆盖之后，得到的多层层叠结构被固定。这传统上在所谓的预成型步骤中实现，在该预成型步骤中，涂有(powdered)粘合剂的层叠结构被加热以固化所述粘合剂，该粘合剂具有通常通过施加热量而展现出的固定效果。
将来的纤维复合材料成形结构部件的一个应用实例是诸如用于飞机的机身和机翼中的框架。到目前为止，由针织纤维织物制造的这种框架必须通过以手工将单独的纺织织物层小心地覆盖到合适的模具上这种耗时的方式制造，纺织织物层在模具上临时地固定然后通过施加热量而烘烤成预加工成品。如果由针织纤维织物制成的框架将来被用于一系列飞机构造中，那么这种制造方法是过慢且成本过高的。
本发明的根本目的在于弥补这些缺点并提出一种用于为纤维复合材料的弯曲成形的结构部件覆盖针织纤维织物的设备和方法，经由该设备和方法可以更快且更经济地以可复现的质量覆盖大量这种成形结构部件。
发明内容
根据本发明，该目的通过具有权利要求1的特征的设备和通过包括权利要求6中所提出的步骤的方法来实现。
因此，根据本发明的所述设备包括具有模面的至少一个模具，所述模面对应于后来成形的结构部件的期望成形的几何形状和曲率的至少一部分。在此情形下，所述模面可被构造为对应于待被制造的完全成形的结构部件的期望成形的几何形状和曲率。可替换地，可提供各自具有模面的多个模具，在此情形下，所有模面一起形成所述后来成形的结构部件的期望成形的几何形状和曲率。
根据本发明的所述覆盖设备进一步包括至少一个夹紧装置，该夹紧装置用于将至少一个针织纤维织物层沿张紧线夹进(clamp in)到预应力状态。所述夹紧装置可被构造为夹进单独的针织纤维织物层，但是可以可替换地被构造为共同地夹进多个重叠的针织纤维织物层。所述夹紧装置还可以被构造为保持针织纤维织物的多个层分离地且沿互相平行的张紧线彼此相距一距离地被夹紧。可使用多个夹紧装置来代替一个夹紧装置而实现此目的。所述夹紧装置或多个夹紧装置可用于沿与针织纤维织物层相关的张紧线夹进，即紧固，每个针织纤维织物层，这样使得所述被夹进的针织纤维织物层承受沿所述张紧线的张紧负荷，即在沿所述张紧线的张紧应力作用下被恒定地保持。被提供用于被夹进的每个针织纤维织物层优选被预制，即被至少切割到期望的长度。
最后，根据本发明的覆盖设备包括运动装置，该运动装置用于在所述模具或多个模具与所述至少一个夹进的针织纤维织物层之间以这样一种方式产生相对运动，以使所述模具的所述模面(或多个模具的多个模面)沿垂直于或至少近似垂直于所述张紧线的方向移动靠近所述针织纤维织物层，并且在所述相对运动的进一步过程中，冲过所述张紧线到达所述针织纤维织物层完全覆盖所述模面(或多个模面)的程度。如果有多个针织纤维织物层，那么这意味着所有针织纤维织物层的张紧线被穿过，直到最后的针织纤维织物层即距离模面最远的针织纤维织物层完全依靠在模面上。
根据根据本发明的覆盖设备的优选构造，所述夹紧装置将所述针织纤维织物层或者可选地将多个针织纤维织物层保持在横切所述张紧线的预成型状态。例如，该预成型状态可为Z形，即由所述夹紧装置保持在张紧应力下的所述针织纤维织物层具有Z形横截面。其他横截面形状当然同样是可能的，例如L形、S形等。以此方式，甚至具有更复杂形状的纤维复合材料成形结构部件也可被容易地覆盖并且具有高的可重复性。
在介绍中所述的目的还通过用于为纤维复合材料的弯曲成形的结构部件覆盖针织纤维织物的方法来实现，该方法包括下述步骤：
沿张紧线张紧至少一个针织纤维织物层，其中在整个覆盖操作期间，张紧力沿所述张紧线被施加到所述层上，
执行相对运动以减小位于所述模具上的模面和所述至少一个针织纤维织物层之间的距离，以这样一种方式使所述模面沿垂直于或至少近似垂直于所述张紧线的方向移动靠近所述针织纤维织物层，和
继续所述相对运动，直至所述张紧线被穿过且所述针织纤维织物层完全覆盖所述模面。优选地每个针织纤维织物层在沿所述张紧线张紧之前被预制，即至少获得期望的长度。
如前文已经结合根据本发明的设备描述的一样，在根据本发明的方法中同样是多个针织纤维织物的层可以以重叠的方式被夹紧或者分离地且沿互相平行的张紧线彼此相距一距离地被夹紧，在此情况下所述相对运动继续直到每个张紧线已经被穿过且每个针织纤维织物层完全覆盖所述模面。等同地，所述针织纤维织物层或者所述多个针织纤维织物中的一些或全部可以以导致预定横截面形状的方式被夹紧，所述预定横截面形状例如为Z形、L形、S形等。
每个针织纤维织物层可为所谓的预浸料坯(prepreg)，即预先渗入接合剂的针织纤维织物层。如果多个针织纤维织物层被使用，则所述层中的一个、一些或全部可为预浸料坯。
在根据本发明的覆盖方法中，实际覆盖操作在切向地朝向模面延伸的静态自由张紧的针织纤维织物层与模具相遇处执行，并且在该处接触模具的所述针织纤维织物层被迫使到模具的曲率。换言之，所述模具将成形几何形状强加到每个针织纤维织物层上。由预先设定的曲率导致的所述针织纤维织物层的可选地提供的外边缘和内边缘之间的长度差通过外边缘和内边缘的不同延长程度的优点在该处被类似地补偿。
经由根据本发明的覆盖设备并且经由根据本发明的覆盖方法，针织纤维织物的弯曲轮廓可快速和容易地被覆盖。以这种形式被覆盖的预加工成品的质量是非常高的并且是可重复的。由于已经验证过且简单的技术可用于根据本发明的覆盖设备，因此覆盖操作可以是高度自动化的以获得相对较低的资金支出。因此，根据本发明，能够大批量、快速且高质量地制造弯曲的轮廓。此外，根据本发明的设备和根据本发明的方法能用于众多不同的几何形状和层叠结构。在改变几何形状的情况下，所述模具仅仅需要相应地被修改。
在本发明的上下文中，术语“针织纤维织物”不限于针织材料，而是也包括纺织织物材料和无纺织物材料，例如粘合材料(bonded material)。
附图说明
下面将参考所附示意性附图对本发明实施例进行详细描述。所述附图示出：
图1为根据本发明的具有处于初始状态的模具的覆盖设备，和
图2为图1所示的具有部分覆盖到其上的第一针织纤维织物层的处于中间状态的覆盖设备。
具体实施方式
图1示意性地示出一种用于覆盖针织纤维织物的设备10。覆盖主要为网状的针织纤维织物是制造纤维复合材料诸如CFRP和GFRP的弯曲成形的结构部件中的重要步骤。
覆盖设备10包括具有模面14的模具12，模面14在所例示的实施例中具有用于飞机机翼的框架的形状。所例示的模具12的模面14不仅仅如可见的一样沿纵向方向弯曲而且还具有Z形的三维横截面，即其包括沿横截面方向水平延伸的第一部分、沿竖直向上方向从所述第一部分的一个端部延伸的第二部分，该第二部分与再次水平延伸且由此平行于所述第一部分的第三部分结合。
在模面14上方距该模面一距离处，单独地预制的针织纤维织物的两个网状层16、18沿平行于模面14的纵向延伸部的方向延伸。两个针织纤维织物层16、18由夹紧装置保持，夹紧装置在这里仅由箭头20表示并且将每个针织纤维织物层16、18保持在沿相关联的张紧线22的张紧应力下。每个张紧线22沿相关联的针织纤维织物层16或18的纵向方向延伸并因此平行于模面14的纵向延伸部。
为了夹进每个针织纤维织物层16、18，夹紧装置包括未示出的夹紧元件，在夹紧元件中在每种情况下针织纤维织物层16或18的一个端部被紧固使得相应的针织纤维织物层可在张紧应力下由夹紧元件放置。例如，这些夹紧元件可为夹钳形状的元件，该夹钳形状的元件将针织纤维织物层的一个端部紧紧地夹在两个爪之间。
如所示的，每个针织纤维织物层16、18由夹紧装置保持为对应于模面14的形状的Z形构造的预应力状态。此外，两个针织纤维织物层16、18彼此分开。替代于保持被夹进的所例示的两个针织纤维织物层16、18和可选的其他针织纤维织物层的一个夹紧装置，可使用多个夹紧装置，该多个夹紧装置在每种情况下仅保持一个针织纤维织物层被夹进。
为了将两个针织纤维织物层16、18覆盖到模面14上，模具12可借助由箭头24表示的运动装置沿在这里垂直于张紧线22延伸的方向朝向针织纤维织物层16、18运动。然而，根据本申请，该运动方向还可以不同于所述垂直。随着模具12沿针织纤维织物层16、18的方向移动，首先模面14的中部(沿纵向方向观看)开始与第一针织纤维织物层16接触，然后，随着模具12继续沿所述方向运动，该模具沿着被夹紧的针织纤维织物层16传送，结果该针织纤维织物被精确地贴到模面14上(参见图2)。
模具12，更准确地说模具12的模面14冲过张紧线22越远，则被覆盖的针织纤维织物已经贴到其上的模面14的面积变得越大。在此情况下，实际覆盖操作在切向地朝向模面14延伸的静态自由夹紧的针织纤维织物层与模面14相遇处执行，并且在该处通过与该模面接触而被迫使形成由模面14限定的构造。在图2中，由26表示的区域代表针织纤维织物层16的已经被完全覆盖的部分，而在区域26右边和左边的由28表示的两个区域代表针织纤维织物层16的覆盖操作在该处恰好发生的部分。因此，模具12经由模面14将成形几何形状强加到针织纤维织物层16上。由模面14的限定曲率所导致的针织纤维织物层16的外边缘和内边缘之间的长度差在覆盖进区域28的过程中通过针织纤维织物的相应不同延长的优点而被补偿，结果针织纤维织物层16精确地适应模面14。
一旦第一针织纤维织物层16已经以所述方式覆盖到模面14上，模具12借助运动装置24沿所示方向的进一步继续运动导致第二针织纤维织物层18也以与覆盖所述第一针织纤维织物层16相同的方式被覆盖到模面14上，或者更精确地说覆盖到第一针织纤维织物层16上。夹紧装置20可被构造为考虑到每个针织纤维织物层的“缩短”，该“缩短”在覆盖操作期间由于模面14沿纵向方向弯曲而发生，例如未例示的夹紧元件在针织纤维织物层的覆盖操作的过程中沿张紧线22逐渐向内移动，以通过这种方式保持作用在每个针织纤维织物层上的张紧力恒定。
在所例示的实施例中，模具12沿针织纤维织物层16、18的方向移动。然而，不言而喻地，模具12可选择性地保持静止，并且可代替地，夹紧装置20与夹进的针织纤维织物层16、18一起可沿模具12的方向移动，以将针织纤维织物层16、18覆盖到模面14上。

Claims (11)

1.一种用于为纤维复合材料的弯曲成形的结构部件覆盖针织纤维织物的设备(10)，包括：
具有模面(14)的至少一个模具(12)，所述模面对应于后来成形的结构部件期望的成形几何形状和曲率的至少一部分，
至少一个夹紧装置(20)，用于将至少一个针织纤维织物层(16)沿张紧线(22)张紧到预应力状态，和
运动装置(24)，用于在所述模具(12)与所述至少一个夹进的针织纤维织物层(16)之间以这样一种方式产生相对运动，以使所述模具(12)的所述模面(14)沿垂直于或至少近似垂直于所述张紧线(22)的方向移动靠近所述针织纤维织物层(16)，并且在所述相对运动的进一步过程中冲过所述张紧线(22)到达使所述针织纤维织物层(16)完全覆盖所述模面(14)的程度，
其中所述夹紧装置(20)被装备为在整个覆盖操作期间以沿所述张紧线(22)作用的张紧力加载所述针织纤维织物层(16)。
2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，各自具有模面的多个模具一起形成所述后来成形的结构部件的所述期望成形的几何形状和曲率。
3.根据权利要求1或2所述的设备，其特征在于，所述夹紧装置(20)或多个夹紧装置(20)将多个针织纤维织物层(16，18)保持为分离地且沿互相平行的张紧线(22)彼此相距一距离地被夹进。
4.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其特征在于，借助所述夹紧装置(20)或多个夹紧装置(20)夹进的所述针织纤维织物层(16，18)，被保持为在预成型状态下被夹进。
5.根据权利要求4所述的设备，其特征在于，所述预成型状态为Z形。
6.一种为纤维复合材料的弯曲成形的结构部件覆盖针织纤维织物的方法，包括以下步骤：
沿张紧线(22)张紧至少一个针织纤维织物层(16)，其中在整个覆盖操作期间，张紧力沿所述张紧线(22)被施加到所述层(16)上，
执行相对运动以减小位于所述模具上的模面(14)和所述至少一个针织纤维织物层(16)之间的距离，以这样一种方式使所述模面沿垂直于或至少近似垂直于所述张紧线(22)的方向移动靠近所述针织纤维织物层(16)，和
继续所述相对运动，直至所述张紧线(22)被穿过且所述针织纤维织物层(16)完全覆盖所述模面(14)。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，针织纤维织物的多个层(16，18)分离地且沿互相平行的张紧线(22)彼此相距一距离地被夹紧，其中所述相对运动继续，直至每条张紧线(22)已经被穿过且每个针织纤维织物层(16，18)完全覆盖所述模面(14)。
8.根据权利要求6或7所述的方法，其特征在于，所述针织纤维织物层或多个所述针织纤维织物层(16，18)的一些或全部以这样一种方式被张紧，以便产生预定的横截面形状。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述预定的横截面形状为Z形。
10.根据权利要求6至9中任一项所述的方法，其特征在于，所述针织纤维织物层(16，18)为预浸料坯。
11.根据权利要求6至10中任一项所述的方法，其特征在于，每个针织纤维织物层(16，18)被预制。
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