CN103384592A - 强化纤维稀松布及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种强化纤维稀松布20，由多层的MD稀松布（多轴向稀松布）10、11、12组成，所述MD稀松布分别由在一个层中单个并排设置的纤维组成，至少两个层在层平面中彼此间具有一角度并利用固着剂相连，为了改进多轴向稀松布10、11、12的加工并明显降低在加工时间，以便制造复杂的碳部件，本发明建议，至少两个预制的MD稀松布10、11、12以相互间的一定角度设置在层平面内并相互连接。由此提供了一种强化纤维稀松布20，所述强化纤维稀松布具有至少两个、在MD稀松布10、11、12的0°层中有六个单纤维层。重叠设置的MD稀松布10、11、12的数量这里可以任意地提高，从而在制成强化纤维稀松布20时就已经存在提高的层结构，这种层结构可以特别有利地通过变形和硬化进行进一步的加工。

Description

强化纤维稀松布及其制造方法
技术领域
本发明涉及一种强化纤维稀松布，由多层设置的MD稀松布（多轴向稀松布）组成，所述MD稀松布分别由在一个层中单个并排设置的纤维组成，至少两个层在层平面中彼此间具有角度并利用固着剂相连。
背景技术
例如由碳纤维组成的所谓的多轴向稀松布广泛地用于需要极高的抗拉强度并应存在尽可能小的重量的场合。由于这个原因，用于设定的构件的多轴向稀松布在构件制造完成后被带入一个形状中并接着用合成树脂、例如环氧树脂对其进行浇注。由此可以制造这样的工件，所述工件可以一体地具有任意的形状。通过所采用的纤维这里可以达到远超其他材料的强度。通过碳纤维的特殊的特性，可以明显提高强度特性，从而多轴向稀松布可以在越来越广泛的领域中使用。典型的应用实例包括艇身以及舰艇和船舶制造中的内置件和附装件。此外，多轴向稀松布可以在飞机制造中用于机翼覆板、尾翼覆板或机身外壳。即使是对于直升飞机，所述多轴向稀松布可以用于转子叶片的制造。此外，在车辆制造中还存在这样的可能性，用模制的构件替代车辆部件的多种元件，所述构件由树脂化的多轴向稀松布构成。
由此，由于高的结构强度，在构件重量较小的同时可以特别是在车辆制造和飞机制造中实现一系列优点，这里优点例如在于，由于较小的自重，在力消耗较小的同时，较大的载重量导致了较高的经济性。因此使用多轴向稀松布对解决生态和经济问题有实质性的贡献。
由于在一些情况下必须遵守预先规定的材料厚度的事实，有必要重叠设置多个多轴向稀松布。为此，目前已知以这样的方式制造多轴向稀松布，即，将两个由在一层中单个的并排设置的纤维组成的单独的稀松布以例如45°的角度铺放或卷绕在一起。除此以外还存在这样的可能性，即，附加于两个±45°的层沿多轴向稀松布的纵向设置一个0°的层。为此已知通过缝合技术或粘接技术将各个铺放在一起的多轴向稀松布相互连接。如果多轴向稀松布相互缝合，则需要专用机器，这种专用机器需要很高的耗时用于缝合。这里作为另一个缺点已经证实的是，特别是对于以后的使用，由于制造工艺导致的待缝合的稀松布之间的间隙会导致缝合面的不稳定性。如果各个纤维没有间隙地并排设置并通过粘附线或粘附线网相互连接，则不会出现这个缺点，由此所述纤维在一次性固定的位置中不再能够移动。但由此通常会形成致密的纤维网，这种纤维网很难被加入的树脂渗透。另一方面还已经确认，由于在缝合时出现穿刺通道在各个纤维之间形成空隙，这可以改善树脂的渗入。当然根据以后的应用情况两种方法的组合可能是合理的，以便一方面实现要求的强度值，但同时确保，所采用的树脂能够渗入所有的稀松布层。除此以外，也可以根据使用目的采用其他变型方案。
多轴向稀松布的制造可以通过交叉（Schneid）/铺放技术进行，但同样可以通过卷绕技术实现，其中至少两个相向延伸的纤维束以例如±45°的卷绕角相互卷绕。由此形成了这样的可能性，即给各个稀松布设置粘附线或粘附网，从而在第一稀松布上放置的另外的纤维与第一稀松布连接。
由此前面所述方法使得可以制造多轴向稀松布，所述多轴向稀松布通常由两个单层或必要时由三个层组成，并被称为MD（多方向）稀松布。由于MD稀松布现有的厚度需要多个单个的工步，这些工步一方面必须细心地执行，另一方面是非常耗时的，以便实现希望的层厚度和优点。
发明内容
本发明的目的是，改进的对多轴向稀松布的加工并明显降低再加工时间。
根据本发明为了实现所述目的而设定，至少两个预制的MD稀松布在层平面中以相互间一定角度设置并相互连接。本发明其他有利的实施形式由各从属权利要求得出。
为了简化对多轴向稀松布的再加工以及明显减少必需的单个工步，本发明由此出发，即，多个MD稀松布以一定的角度设置在层平面中并相互连接，从而形成多层的稀松布，所述稀松布一方面提高了简单类型的MD稀松布的已有的优点，此外还通过不同的彼此交叉的MD稀松布进一步提高了强度值。由于已经彼此叠置地设置了多个多轴向稀松布并使其相互连接，存在明显缩短进一步的加工工艺的可能性。由此可供使用的强化纤维稀松布在一些情况下可以直接使用，或者在要求有预先规定的材料厚度时以相应的数量彼此叠置并相互连接，由此仅需将强化纤维稀松布再带入希望形状，以便接下来通过树脂固化/定型。
出于这个原因，在本发明的另一个实施形式中设定，两个或多个MD稀松布以规定的形式和方式相互叠置并相互连接。通过选择例如为±45°、必要时0°/90°和±45°的卷绕角，这里每个单个的MD稀松布已经具有需要的强度值，所述强度值接近与方向无关地存在。如果此外各单个MD稀松布设置成相互成例如±45°的角度，则强化纤维稀松布层内部的单个纤维的定向以多个优选方向进行，从而对抗拉强度特性起到积极的影响。如果使用多个MD稀松布，则这里当然各单个层也可以具有相同的方向，这些层通常与另外的层交替地设置并且使整个强化纤维稀松布在厚度上分布地具有接近相同的抗拉强度特性。在最简单的情况下，由两个相互成45°角的MD稀松布组成的强化纤维稀松布由两个MD稀松布制成。
可选地存在这样的可能性，±45°的下面的MD稀松布与另一个0°/90°的MD稀松布和上面的±45°的MD稀松布铺放在一起。由此形成总共6个单层。对于必须相互重叠设置多个这种强化纤维稀松布以实现相应的厚度的情况，可以为了避免两个相同的层直接相互贴合，可以使用具有总共4个MD稀松布的强化纤维稀松布。这里布置这样来进行，最下面的层由±45°的MD稀松布组成，其上设置0°/90°的MD稀松布，然后再次铺放一个±45°的MD稀松布，在它上面又铺放一个0°/90°的MD稀松布。这种具有总共4个MD稀松布的强化纤维稀松布由此可以任意地与另外的强化纤维稀松布相组合，而不会有两个相同的MD稀松布相互接触。这里各个纤维方向可以如下分类。在0°层的最简单的情况下，是单轴向的稀松布。如果两个层分别相互成45°设置，例如卷绕或铺放，则形成双轴向的稀松布。如果给双轴向的稀松布附加一个0°或必要时90°的层，则形成三轴向的稀松布。
如果以45°相互重叠设置多个MD稀松布，可以根据所使用的层的数量得到四轴向的稀松布或六轴向的稀松布。四轴向的稀松布这里具有两层MD稀松布，具有总共至少四个层，而相反六轴向的稀松布具有三个MD稀松布，总共具有至少六个层。如果各单个MD稀松布具有一个0°的层，则层数量提高到6或9。
本发明因此涉及一种多层的强化纤维稀松布，所述强化纤维稀松布主要有卷绕的多方向、两层的±45°的MD稀松布组成，所述MD稀松布与类似的+45°至-45°或0°至90°的MD稀松布相组合。例如以这种方式可以设置上面所述的强化纤维稀松布，所述强化纤维稀松布具有以+45°、0/90°和-45°或以+45°、0/90°、-45°和0/90°相互重叠的三个或四个MD稀松布，从而形成符合前面对六轴向稀松布的说明的总共六个或八个层。如果例如使用三层的MD作为产品前体（+45°/0/-45°），则在第一层沿纵向、第二层沿横向、第三层沿纵向、和第四层沿横向的情况下得到角度为+45°/0°/-45°、0°/45°/90°、+45°/0°/45°和0°/45°/90°的总层数。由前面所述内容可以导出其他变型方案。
但这里这些层优选能在一个单独的工序中制造并不必在MD稀松布制造结束后输送给另一个工步。这种强化纤维稀松布的特殊的优点在于，在完成制造之后，与简单的DU（单方向）稀松布或MD稀松布中的情况相比可以明显更好地承受所出现的拉力，这是因为存在面式的、接近各向同性的稳定性。此外，还避免了使用边缘侧的镶边，此时存在这样的可能性，即，如果希望的话，在制造强化纤维稀松布之后对侧面的棱边进行切割。
为了相互固定各个纤维层，使用粘附网、粘接喷剂或粉末粘接剂，它们热粘接地、热熔化地或在进一步处理中在硬化时溶解地使各个纤维相连接。这种连接可能性既存在于MD稀松布的各个纤维层之间，但也存在于各个MD稀松布之间，如果这些MD稀松布单独地卷绕并在以后的一个时刻相互叠置的话。但如果在一个工序中卷绕整个强化纤维稀松布，则可以相应地按前面所述的方式使各个纤维层彼此连接。
所采用的纤维优选由碳组成，但同样可以采用玻璃纤维、芳族聚酰胺纤维、聚酯纤维、碳化硅纤维、玄武岩纤维、聚乙烯纤维或天然纤维，如大麻、剑麻、椰子或亚麻。
为了制造多层的稀松布、特别是强化纤维稀松布，设定一种装置，其中在沿纵向连续或间歇地向前运动的输送装置上，可以以纤维交变的铺设角度将由MD稀松布组成的连续幅料相互铺设成平面结构物。该装置因此包括输送装置，在所述输送装置上可以沿纵向将多轴向稀松布铺设成连续的幅料。输送装置根据铺设和制造进程不是连续地而是间歇地运动，首先从储料卷筒上沿输送方向将第一MD稀松布铺设到输送装置上。在达到确定的输送长度之后，输送装置停止，并从储料卷筒上以优选45°（135°）的角度向传送带输送另一个MD稀松布并铺放在此前沿纵向布设的MD稀松布上。通过拉力保持及切割装置，现在形成一个由MD稀松布组成的、已铺设的、现在处于一定角度的幅料，该幅料具有位于输送方向的0°或90°的纤维角。
接下来输送装置使所铺设的、横向的幅料宽度沿输送方向向前移动，并以前面描述的方法和形式重叠地铺设下一个MD稀松布。由此就已经存在两个MD稀松布幅料。在这种情况下，可以通过另一个储料卷筒添加另一个MD稀松布，如果希望的话。由此形成两次两个、三次两个或四次两个MD稀松布结构，这些MD稀松布结构以±45°、0°/90°、±45°或/0°/90°、±45°、0°/90°和±45°的角度延伸。
借助于具有双辊或能实现热作用的拾取带（Schluckband）的砑光机，在各个层之间例如引入粘附线网、粘接喷剂、粘附无纺织物、不规则纤维粘附无纺织物或粉末粘接剂之后，可以实现单个MD稀松布相互间的固定。砑光机或拾取带的双辊这里可以设计成，使得它们使得能实现抽出MD稀松布，以便对进一步的输送提供辅助。
对于采用砑光机可选地或附加地，还有这样的可能性，借助针梁将由各个层组成的结构缝合，其中，根据使用目的可以预先确定缝合的类型，例如也可以利用3维工作的缝合头。作为最终产品实现了一种多层的MD稀松布，即前面所述强化纤维稀松布，所述MD稀松布能够以简单的形式再加工并且在外侧和内侧都具有单纤维的非常平滑且无间隙的布置结构，可以用于工业的所有应用领域。这种制造方案的特别的优点在于，最终产品，就是说强化纤维稀松布能以>400m/h的较高速度制造，并明显有助于降低成本。这里另外还要指出，所给出的角度数值±45°是可变的。当然也可以使用其他卷绕角，这里只是举例地指出±45°的角度。
为了避免这样制造的多层MD稀松布的边缘出现分解成纤维的情况，可以在边缘侧设置沿纵向延伸的边缘强化部。此外可以利用相应的装置再边缘侧实现附加的条状的粘接部或焊接部，如果对于进一步的处理这是必要的。在本发明的一个特殊的实施形式中设定，输送装置具有为单个MD稀松布的两倍的宽度并且实现了具有两倍的宽度和沿纵向的重叠的MD稀松布的多重设置。通过输送装置的两倍的宽度这里提供了这样的可能性，与MD稀松布的常见的标准尺寸不同并且它们按多重设置并排地使用MD稀松布，从而对于根据本发明的强化纤维稀松布也形成了较大的平面构形物。输送装置在这种情况下在宽度上与MD稀松布的宽度相适配，使得例如两个稀松布分别并排设置。当然也存在这样的可能性，即，如果存在宽度较小的MD稀松布，铺设多于两个稀松布。
附图说明
下面根据附图来详细说明本发明。
图中：
图1示出一单个MD稀松布的透视图，
图2示出由例如三个MD稀松布组成的强化纤维稀松布的透视图，以及
图3示出由图2已知的强化纤维稀松布的布置结构的侧视图。
具体实施方式
图1示出一个单个的MD稀松布1的透视图，所述MD稀松布由两个单个的纤维层2、3组成。所述单个的纤维层2、3相互成接近45°的角度地设置，从而形成菱形的图案。所述单个的纤维层2、3这里通过粘附剂相互连接，并在生产时被例如引导通过砑光机，从而通过对各单个纤维充分的固化实现对纤维层2、3的压制。在可选的实施例中，这种MD稀松布1一方面可以附加地以0°的角度添加一个纤维层，从而各个MD稀松布不是仅由两个纤维层2、3组成，而是必要时由三个纤维层组成。
图2示出用于制造强化纤维稀松布20的各个MD稀松布的布置结构的透视图。为了清楚起见仅以卷绕的卷筒13、14、15和退绕的MD稀松布段16、17、18的形式示出了单个的MD稀松布10、11、12，以及示出了砑光单元19。单个MD稀松布10、11、12的供应这里以一定的卷绕角进行，从而MD稀松布10、11、12的各个纤维层交叉。在所示的实施例中，一个MD稀松布11的层直接沿输送方向输入，此外第二MD稀松布10以接近45°的角度以及第三MD稀松布12以接近-45°的角度输入。三个合并在一起的MD稀松布10、11、12才引导形成强化纤维稀松布20。接着将强化纤维织物20供应给砑光单元19，所述砑光单元由砑光辊或拾取带组成。借助于砑光辊或拾取带在利用热作用或没有热作用的情况下通过设置在各个MD稀松布之间的粘接剂形成各个MD稀松布10、11、12之间的连接。
图3示出由图2已知的布置结构的侧视图。三个MD稀松布10、11、12这里以相对于输送方向A的卷绕角供应，最后经由砑光单元19压制成强化纤维铺设织物20。
可选地有这样的可能性，强化纤维稀松布20通过以±45°的卷绕角供应两个MD稀松布或以0°和±45°供应三个MD稀松布来制造。作为另一个可选的方案存在这样的可能性，最下面的MD稀松布以0°的输送角、第二MD稀松布以+45°、另一个MD稀松布以0°或90°，并且最后的MD稀松布以-45°设置。在这种布置结构中，上面和下面的层分别具有不同的卷绕角，从而接着可以将多个这样强化纤维稀松布20重叠铺设，而具有相同的优选方向的MD稀松布不相互接触。
附图标记列表
1       MD稀松布
2       纤维层
9       砑光单元
10      MD稀松布
11      MD稀松布
12      MD稀松布
13      卷筒
14      卷筒
15      卷筒
16      MD稀松布段
17      MD稀松布段
18      MD稀松布段
19      砑光单元
20      强化纤维稀松布
A       输送方向

Claims (14)

1.一种强化纤维稀松布（20），由多层的MD稀松布（多轴向稀松布；10、11、12）组成，所述MD稀松布分别由在一个层中单个并排设置的纤维组成，至少两个层在层平面中彼此间具有一角度并利用固着剂相连，其特征在于，至少两个预制的MD稀松布（10、11、12）在层平面内以相互间一定的角度设置并相互连接。
2.根据权利要求1所述的强化纤维稀松布（20），其特征在于，两个、三个或四个MD稀松布（10、11、12）相互叠置地彼此连接。
3.根据权利要求1或2所述的强化纤维稀松布（20），其特征在于，各个MD稀松布（10、11、12）分别以45°的角度彼此叠置。
4.根据权利要求1、2或3所述的强化纤维稀松布（20），其特征在于，MD稀松布（10、11、12）的各个纤维层具有相对于MD稀松布（10、11、12）的纵向延伸为±45°和/或0°/90°的角度。
5.根据权利要求1至4之一所述的强化纤维稀松布（20），其特征在于，MD稀松布（10、11、12）的纤维层由平行的无间隙设置的单纤维组成，这些单纤维由粘附线网、粘接喷剂、粉末粘接剂热粘接或热熔化地连接或者相互缝合。
6.根据权利要求1至5之一所述的强化纤维稀松布（20），其特征在于，MD稀松布（10、11、12）通过粘附线网、粘接喷剂、粘附无纺织物、不规则纤维粘附无纺织物或粉末粘接剂热粘接或热熔化地连接或者相互缝合
7.根据权利要求1至6之一所述的强化纤维稀松布（20），其特征在于，所述纤维由碳、玻璃、芳族聚酰胺、聚酯、碳化硅、玄武岩、聚乙烯组成或者由天然纤维组成，如大麻、剑麻、椰子或亚麻。
8.一种利用上述权利要求1至7中一项或多项所述的方法的由多个MD稀松布（10、11、12）制造强化纤维稀松布（20）的装置，其特征在于，在沿纵向连续或间歇地向前运动的输送装置上由MD稀松布（10、11、12）组成的连续幅料以纤维交变的纵向定向能叠置铺设成平面构形物。
9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，MD稀松布（10、11、12）的供应能够以相对于输送方向（A）一定的角度可变地调节。
10.根据权利要求8或9所述的装置，其特征在于，MD稀松布（10、11、12）的供应以±45°和/或0/90°的角度进行，各个MD稀松布（10、11、12）本身由单个的纤维层组成，这些纤维层相互间具有±45°或者0°和±45°的角度。
11.根据权利要求8、9或10所述的装置，其特征在于，MD稀松布（10、11、12）的供应相对于输送方向（A）和一个由MD稀松布（10、11、12）构成的中间层以±45°的角度进行。
12.根据权利要求8至11之一所述的装置，其特征在于，输送装置具有为各个MD稀松布（10、11、12）两倍的宽度，MD稀松布（10、11、12）的多重设置以两倍的宽度和沿纵向的重叠进行。
13.根据权利要求8至12之一所述的装置，其特征在于，输送装置构成为能与MD稀松布（10、11、12）相适配。
14.根据权利要求8至13之一所述的装置，其特征在于，该装置在端侧装备有砑光单元（19）和/或缝合装置。
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