CN105283284A - 用于制造具有局部适配的机械性能的纤维复合构件用的纤维预成形坯的方法 - Google Patents

用于制造具有局部适配的机械性能的纤维复合构件用的纤维预成形坯的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于制造纤维复合构件用的纤维预成形坯(1)的方法，其中，在编织过程中在所要生产的纤维预成形坯的整个长度上编织至少一个第一纤维结构(10)并且在缠绕过程中在所要生产的纤维预成形坯的一部分长度上缠绕至少一个第二纤维结构(11)。

Description

用于制造具有局部适配的机械性能的纤维复合构件用的纤维预成形坯的方法
技术领域
本发明涉及一种用于制造纤维复合构件用的纤维预成形坯的方法，特别是制造空心型材，其中，在编织过程中编织第一纤维结构并且在缠绕过程中缠绕第二纤维结构。
背景技术
由现有技术已知用于制造二轴向和三轴向编织物的编织及编绕过程，以采用不同的纤维种类(特别是玻璃纤维、碳素纤维、芳族聚酰胺纤维以及它们的组合)来生产纤维预成形坯。即使对于复杂的构件几何结构，编织过程也特别有利于构成0°取向，也就是说沿着所要制作的构件的纵轴线的取向，因为通过与编织纤维的横向接合减少了纤维的滑脱或者偏移。缠绕纤维用以生产构件原则上由现有技术也是已知的。然而，缠绕过程主要是用于旋转对称的构件，其构件几何结构简单，因为与编织过程相比，通过缠绕可以很好地实现相对于0°取向非常大的角度，亦即特别是沿周向方向。而只是通过缠绕过程几乎不能或仅仅非常有限地能够产生0°纤维取向。编织方法在变化性方面同样受到限制，因为特别是在三轴向结构中只有利用很大的横截面才能实现相对于0°取向的大的角度。此外，在大角度情况下，编织过程中的生产速度明显下降。可使用的纤维材料也由于编织纤维的卷筒大小和纤维的波状起伏而受到限制。不得不使用纤维细度很小的纤维，由此明显提高了成本，特别是在使用碳素纤维的情况下。
发明内容
在此背景下，本发明的目的便是提供一种方法，利用该方法可以制造纤维预成形坯，在整个制造过程中可以调整纤维预成形坯的局部机械性能。
上述目的通过一种如权利要求1所述的用于制造纤维复合构件用的纤维预成形坯的方法得以实现，其中，在编织过程中在所要生产的纤维预成形坯的整个长度上编织至少一个第一纤维结构并且在缠绕过程中在所要生产的纤维预成形坯的一部分长度上缠绕至少一个第二纤维结构。在此，按一种有利的实施方式，同时进行缠绕过程和编织过程。纤维预成形坯构成所要制作的纤维复合构件的基础，其中，例如利用RTM(树脂传递模塑成型)方法实施对纤维预成形坯的继续加工。通过编织的纤维结构决定了沿纵向、亦即沿着0°取向的机械性能，其中，在局部特定的区域上可以通过缠绕的第二纤维结构确定机械横向性能。由此，通过这种方式制造的构件可以满足各种不同的要求。在沿着0°取向的纵向上的力承受和力传递得到了局部在缠绕的纤维结构区域内提高的在横向上的力承受能力的补充，例如用以提高构件在横向上的碰撞稳定性。为了不过度提高构件的重量和成本，根据本发明规定：在编织过程中已经在预定的长度上编织了第一纤维结构之后才开始第二纤维结构的缠绕过程，从而只有所要制作的纤维预成形坯的实际上必要的区域才设置缠绕的纤维结构，并且只是在该区域内实现在横向上局部提高的力承受能力。对纤维材料的这种有效的利用限制了所要制作的纤维预成形坯的由材料决定的成本并降低了重量。
另外有利地规定：往进行中的编织过程插入以及从进行中的编织过程中断(absetzen)缠绕过程。为此，可以将缠绕单元整合/集成在编织机上并设计为：能够将纤维局部地在所要制作的纤维预成形坯上接续或中断。为此加工设备有益地具有专用的压紧辊，利用这些压紧辊将要缠绕的纤维结构压紧到纤维预成形坯上，直至相互间的纤维摩擦足以使它们自行固定。为了中断缠绕的纤维结构，利用切割刀具将纤维切断并通过压紧辊将其固定在纤维预成形坯上。为此，在本发明的一个实施方式中规定：通过热作用和通过一种粘合材料(例如喷胶、胶粘带等)将纤维端部固定在所要制作的构件上。例如，为此可以相应地加热压紧辊并且配备一个喷胶设备。由此，通过使提前置入纤维中的粘合剂活化来实现固定。另外可以采用所谓的Fiber-Placement-方法(纤维铺放法)。
编织过程并不局限于0°的纤维取向，也可以实现±45°的纤维取向编织，其中，附加地整合/集成具有更大角度的缠绕过程。缠绕的纤维的纤维取向处在±30至±80°、优选±45至±80°的范围内。按照一种在生产速度方面有利的实施方式，使用0°取向的编织纤维和纤维取向为±30至±80°的缠绕纤维。分别通过缠绕的旋转方向来调整正的和负的纤维角度。
纤维复合构件用的纤维预成形坯也属于本发明的保护范围，其具有在纤维预成形坯的整个长度上延伸的并在编织过程中编织的第一纤维结构和在纤维预成形坯的一部分长度上延伸的、在缠绕过程中缠绕的第二纤维结构。在一种有利的实施方式中，第一纤维结构是三轴向编织的并且构成0°取向。缠绕的纤维结构设置于局部限定范围并且相对0°取向具有±30至±80°的角度。
附图说明
本发明的其他一些有益发展设计在从属权利要求中表明或者在下文结合对本发明优选实施方式的说明借助附图进一步详细地描述。附图中：
图1为按照现有技术的三轴向编织结构的俯视图；
图2为具有编织的和缠绕的纤维结构的纤维预成形坯的第一实施方式的剖视图；
图3为具有编织的和缠绕的纤维结构的纤维预成形坯的第二实施方式的剖视图；
图4为具有编织的和缠绕的纤维结构的纤维预成形坯的第三实施方式的剖视图；
图5为具有编织的和缠绕的纤维结构的纤维预成形坯的第四实施方式的剖视图；
图6为本发明的纤维预成形坯的俯视图；
图7为用于实施本方法和制造纤维预成形坯的设备；和
图8为图7所示出的设备的侧视图。
具体实施方式
各附图是示例性简图。在所有视图中相同的附图标记表示相同的构件。
图1示出了由现有技术已知的、具有稠密的碳素纤维4和稀疏的编织纤维5三轴向编织的纤维结构10，其中，编织纤维5是以预定的角度围绕碳素纤维4编织的。编织纤维5用于固定碳素纤维4。
在图2中示出了在一个区域内纤维预成形坯1的剖视图，其中围绕图1所示的第一纤维结构10设置有由缠绕的纤维3、3′构成的第二纤维结构11。在所示出的实施方式中，缠绕的纤维3具有-45°的取向，缠绕的纤维3′具有+45°的取向。图2示出了一种夹层结构形式，具有作为核心的三轴向的纤维结构10和环绕该纤维结构缠绕的纤维3、3′。
图3至5示出了其他可能的实施方式，其中，在图3中纤维预成形坯1设置为在编织的纤维结构10的一侧上具有两个缠绕的纤维结构3、3′。这一点可以通过如下方式实现：首先利用编织的纤维结构10和缠绕的纤维3′制造所要制作的纤维预成形坯1，接着通过缠绕的纤维3补充一个附加的纤维层。编织的纤维结构10构成0°取向，缠绕的纤维结构11具有-80°和+80°的纤维3′、3。
图4和5示出了另外的可选实施例，用于在两层和四层构造设计中设置编织的纤维结构10和缠绕的纤维结构11。针对图2和3说明的特征可以相应地适用于此。
在图6中示出了一个加工完成的纤维预成形坯1的俯视图，其中，编织的纤维结构10在整个长度上延伸，而缠绕的第二纤维结构11在局部限定范围设置于区域12内，以提高在这个区域12中纤维预成形坯1的或者说要由此制作的纤维复合构件的横向力承受能力。
图7和8示出了一种加工设备，利用该加工设备可以制造具有编织的纤维结构10和局部限定范围的、缠绕的纤维结构11(这些纤维结构同时产生)的纤维预成形坯1。所要制作的纤维预成形坯1具有预定的抽出速度(Abzugsgeschwindigkeit)，该抽出速度影响编织的纤维和缠绕的纤维的取向。在所示出的设备中，为了产生各一个具有正的和负的取向的、缠绕的纤维结构，而设置有两个缠绕系统30和31。包括碳素纤维4和编织纤维5的、编织的纤维结构在纤维预成形坯1的整个长度上延伸。在图7中示出了工艺方法的部分，其中，将缠绕的第二纤维结构附加地敷设在纤维预成形坯1上。在置入时，通过压紧辊40将来自第一和第二缠绕系统30、31的纤维压紧到纤维预成形坯1上，直至纤维充分地自行附着在构件上。为了保证附加地固定在纤维预成形坯1上，通过压紧辊40或者其他未示出的系统往待缠绕的纤维上施加热作用。这一点既在置入时也在以后中断或者说剪切缠绕的纤维结构时适用。与第一纤维结构10(其包括碳素纤维4和编织纤维5)的编织过程同时/并行，由缠绕系统30、31将纤维33、34缠绕到所要制作的纤维预成形坯1上，其中，通过优选构造成卷筒的缠绕系统30、31的旋转速度决定了缠绕的纤维的纤维取向。纤维取向的角度应该越大的话，缠绕系统30、31就必须围绕纤维预成形坯绕行得越快。
本发明在其实施方面并不局限于上文列出的优选实施例。确切地说，可以考虑一些变型，这些变型除图示的方案也可针对原则上不同类型的构造设计/实施方式加以使用。例如，可以对不同的纤维种类(如碳素纤维、芳族聚酰胺纤维或玻璃纤维)进行组合。另外，纤维可以预先已经配备有粘合剂或者经过浸渍。对于经过粘合的丝束作为材料的编织也包括在内。

Claims (10)

1.用于制造纤维复合构件用的纤维预成形坯(1)的方法，其中，在编织过程中在所要生产的纤维预成形坯(1)的整个长度上编织至少一个第一纤维结构(10)并且在缠绕过程中在所要生产的纤维预成形坯(1)的一部分长度上缠绕至少一个第二纤维结构(11)。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：缠绕过程和编织过程同时进行，其中，在编织过程中已经在预定的长度上编织了第一纤维结构(10)之后开始缠绕过程。
3.如前述权利要求之至少一项所述的方法，其特征在于：往进行中的编织过程插入以及从进行中的编织过程中断缠绕过程。
4.如前述权利要求之至少一项所述的方法，其特征在于：至少有时通过压紧辊(40)将缠绕的第二纤维结构(11)压到纤维预成形坯(1)上。
5.如前述权利要求之至少一项所述的方法，其特征在于：编织过程产生0°的纤维取向或者产生±45°的纤维取向。
6.如前述权利要求之至少一项所述的方法，其特征在于：缠绕过程产生±30至±80°的纤维取向。
7.如前述权利要求之至少一项所述的方法，其特征在于：第一纤维结构(10)的纤维(4，5)是预浸渍的或粘合的。
8.纤维复合构件用的纤维预成形坯，其具有：在纤维预成形坯(1)的整个长度上延伸的、在编织过程中编织的第一纤维结构(10)；和在纤维预成形坯(1)的一部分长度上延伸的、在缠绕过程中缠绕的第二纤维结构(11)。
9.如权利要求8所述的纤维预成形坯，其特征在于：所述第一纤维结构(10)是三轴向编织的。
10.纤维复合构件，其包括如权利要求8所述的纤维预成形坯，其特征在于：缠绕的第二纤维结构(11)设置于局部限定范围，并且所述纤维复合构件在具有该缠绕的纤维结构(11)的区域(12)内具备提高的横向力承受能力。
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