CN105745061A - 铺设装置及用于铺设纤维带的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于将纤维带(2)自动铺设在表面(6)上的铺设装置(1)，其中，线轴架(10)布置在独立的定位装置(22)上，该独立的定位装置可以在三维空间中单独地平移，并且线轴架追踪铺设头(8)的运动；本发明还公开了一种铺设方法。

Description

铺设装置及用于铺设纤维带的方法
技术领域
本发明涉及根据权利要求1的前序部分的用于将纤维带自动铺设在表面上的铺设装置，以及用于将纤维带自动铺设在表面上的方法。
背景技术
在轻型结构中，特别是在飞行器结构和太空旅行中的轻型结构中，纤维增强复合部件以不断增长的程度被应用于非常广泛的结构部件；由于纤维增强复合部件的强度高同时具有低质量，因此纤维增强复合部件具有高的重量节省的潜力。
此处，增强纤维在复合部件中的对准对机械性能(诸如例如刚度和承载能力)具有决定性的影响。增强纤维在理想的情况下应当沿循部件的最终加载方向，不应当具有波度，并且应当尽可能均匀地承受机械载荷。
通过所谓的纤维安置方法(FP方法)提供了用于实现以上概述要求的一种可能。此处，纤维带——该纤维带预浸渍有热塑性塑料材料或热固性塑料材料，通过增强纤维来增强，并且具有介于几毫米(例如约3mm)与几厘米(例如20cm)之间的宽度——借助于机器人导引的铺设头沿着规定的轨迹铺设在成形基部上。铺设过程以自动的方式重复直到连续建立的FP-坯件或预成型件已经实现了期望的几何形状和材料厚度为止。自动铺设过程允许大量制造的、同时具有低的制造成本的纤维复合部件的几何尺寸的可靠再现性。已经由制造商预浸渍的纤维带(所谓的预浸渍带)的铺设优选地沿着确保增强纤维在成品部件中的延伸与力流动路径对准的轨迹而发生。
部件的进一步处理在铺设过程的结束之后根据在基体的成型中布置的塑料材料来进行。如果纤维带例如由可固化的热固性塑料材料——诸如例如环氧树脂——形成，则坯件的固化通常随着压力和/或温度的施加而发生以便完成复合部件。浸渍有热塑性塑料材料的纤维带在铺设过程期间已经要求例如高达450℃的高温，以保持纤维带的足够的柔性。在热塑性纤维带的情况下，在纤维安置铺设过程完成之后没有另外的处理步骤要进行；坯件主动冷却或被动冷却至室温就足够了。然而，在热塑性纤维带的情况下，随后在高压釜中进行固结在一些情况下也可能是必要的。
代替铺设预浸渍的或浸渍的纤维带，也可以使用FP方法来铺设干纤维带；在这样的情况下，由此所产生的预成型件(pre-form)可以在铺设过程之后使用注射或输注方法以树脂填充，并且被固化。这样的FP方法已知为干纤维安置方法，或者笔直丝束安置(directtowplacement)方法。
纤维带通常缠绕到线轴上，所述线轴彼此相邻地存储在所谓的线轴架中。在已知技术的铺设装置中，线轴架附接至铺设头。这样的铺设头特征在于高的重量和复杂的构造，由此复杂的构造致使线轴的更换更困难。
在替代性铺设装置中，线轴架与铺设头一起布置在可移动的基部平台上。此处，线轴架以距铺设头一定的距离而布置；这需要导引纤维带经过多个张力辊和偏转辊。导引经过张力辊和偏转辊以不受保护的方式发生使得纤维带暴露于污染。此外，纤维带的翘曲或扭曲可能随之而来，这对纤维带在铺设头中的对准会有有害的影响。
在已知技术的另一铺设装置中，其中，线轴架在装置的侧向区域中与铺设头分开地定位，纤维带被导引通过鲍登缆绳型通道。虽然通道基本上保护纤维带免受环境影响，但是通道本身可能被污染，并且这些污染物可能沉积到纤维带上。此外，通道导引系统在技术上是复杂的。
发明内容
本发明的目的是创建一种用于将纤维带自动铺设在表面上的铺设装置，铺设装置——其独立于任何特定的铺设头位置——使得能够在铺设头与线轴架之间维持短的距离并且还实现了线轴架的简单的更换。此外，本发明的目的是创建一种用于将纤维带自动铺设在表面上的方法。
该目的通过具有权利要求1的特征的铺设装置以及通过具有权利要求9的特征的方法来实现。
用于将纤维带自动铺设在表面上的本发明的铺设装置具有铺设头安装件和线轴架安装件，其中，铺设头安装件布置在定位装置上并且用于容置铺设头，线轴架安装件用于容置线轴架。根据本发明，线轴架安装件布置在能够被独立地控制且能够平移的(traversable)定位装置上，可以通过定位装置来对铺设头的运动进行追踪。
借助于铺设头和线轴架的独立布置，并结合对铺设头安装件以及因此对铺设头的运动轨迹的追踪，可以在线轴架与铺设头之间一直设定恒定的并且特别地最小的距离。鉴于线轴架与铺设头之间的相对位置由于线轴架相对于铺设头的单独安装和轨迹控制而不改变，因此可以在技术上简化纤维带的导引，也就是说，可以省略单独的张力辊、偏转辊和类似物。纤维带由于环境效应而引起的污染被降低至最小，或者被完全消除，甚至在没有复杂的通道导引件的情况下也是如此。同时，可以追踪线轴架以使得消除纤维带的不期望的扭曲，从而使得纤维带以最佳对准的方式被供给至铺设头。此外，由于线轴架安装件与铺设头分离，即，与铺设头分开，因此简化了线轴架的任意更换，并且因此，提供了良好的可触及性。
铺设装置可以具有多个线轴架安装件。通过这种方式，铺设装置例如可以同时配备有具有不同纤维带宽度的线轴架，使得在铺设过程中可以在几乎没有任何中断的情况下在各个纤维带宽度之间进行更换。替代性地和/或附加地，铺设装置可以配备有具有相同纤维带宽度的多个线轴架，使得在一个线轴架用完之后可以在几乎没有任何中断的情况下触及满线轴架。
在实施方式的一个示例中，多个线轴架安装件布置在能够被独立地控制的定位装置上。通过这种方式，可以进一步增加铺设装置的灵活性。因而，例如，在铺设过程的进程中，空线轴架——该空线轴架布置在其自身定位装置上——可以在铺设过程没有任何中断的情况下更换上满线轴架。此外，在铺设过程期间，铺设装置可以准备好用于随后的铺设过程并且铺设装置配备有合适的线轴架。
在提供了至少一个更换装置的情况下，线轴架的更换可以是自动进行的，借助于该更换装置，至少一个线轴架被从其安装件中移除并且安装件可以配备有新的或者替换的线轴架。
如果所述及的定位装置可以平移到合适的更换位置中，则可以进一步改进更换过程。
在实施方式的一个示例中，至少一个线轴架安装件的至少一个定位装置是关节臂机器人。这样的机器人特征在于在其运动方面的最大自由度，使得甚至在高度复杂的球面的情况下，线轴架仍可以以非常近的距离跟随铺设头。
在实施方式的替代性示例中，至少一个线轴架安装件的至少一个定位装置是门式机器人。这样的机器人与关节臂机器人相比需要不太复杂的控制和调节电子装置。
与线轴架相关联的定位装置比与铺设头相关联的定位装置优选地多至少一个自由度。通过这种方式，与线轴架相关联的定位装置可以几乎独立于与铺设头相关联的定位装置而竖立在周围部段上，这是因为由于增多了至少一个自由度，所以可以针对不同的竖立地点进行补偿。
在用于将纤维带自动铺设在表面上的本发明的方法中，特别是出于控制本发明的铺设装置的目的，铺设头和线轴架布置在能够被独立地控制的定位装置上，并且线轴架的定位装置被控制成、即在空间中运动成使得线轴架追踪铺设头的运动。
除了简单的线轴架更换之外，本发明的方法使得能够在铺设头与线轴架之间维持小的距离。如从表面看到，线轴架布置在铺设头的正后方，由于此，纤维带仅被导引经过线轴架与铺设头之间的小的敞开距离。
本发明的实施方式的其他有利的示例是另外的从属权利要求的主题。
附图说明
接下来将借助于高度简化的示意图来更详细地阐明本发明的实施方式的优选示例。单个附图1示出了本发明的铺设装置的实施方式的示例的基本功能结构。
具体实施方式
图1示出了本发明的铺设装置1的示意图，该铺设装置1用于将纤维带2自动铺设在表面4上以便构建复合部件。此处，表面4通过模制工具形成，该模制工具例如描绘了飞行器结构的机身外壳。因此，在此处，所生产的示例性复合部件是机身外壳。
在实施方式的该示例中，模制工具6以固定的方式被安装并且模制工具6主要沿着图1中示出的坐标系的x方向和z方向延伸。不用说，模制工具6也可以安装成使得其可以在平面内或者在三维空间中平移。
铺设装置1使得能够执行所谓的纤维安置方法(FP方法)，其中，纤维带2沿下述轨迹铺设到表面4上：所述轨迹与同待生产的复合部件有关的力流动路径对准。为了清楚的目的，一个纤维带2被分配一个标号来作为所有纤维带的代表。
纤维带2例如是所谓的预浸渍带材料。然而，替代性地，纤维带2也可以是干纤维带。因此，铺设装置1并不限于或者仅预浸渍纤维带的铺设或者仅干纤维带的铺设。铺设装置1与纤维带的浸渍的程度无关，并且因此铺设装置1允许预浸渍纤维带和干纤维带这两者的操作。预浸渍纤维带和干纤维带优选地通过被嵌入到热塑性塑料材料或者热固性塑料材料的塑料基体中的碳纤维来增强。替代性地，也可以布置任何有机增强纤维和/或无机增强纤维，只要规定的机械负载能力由使用FP方法生产的复合部件提供即可。为了在FP方法期间确保纤维带的柔性和可操作性，在热塑性树脂基体的情况下，可能有必要——取决于热塑性塑料的特定材料性质——例如借助于激光束将纤维带2加热至高达约450℃的温度。
铺设装置1具有铺设头8和至少一个线轴架10。铺设头8允许铺设在其材料方面以及在其厚度和宽度方面都不同的纤维带2。
铺设头8具有加压辊单元12、导引件、切割装置和加热装置，其中，加压辊单元12用于将纤维带2按压到表面4上，导引件用于将纤维带2从线轴架引入铺设头8中，切割装置用于将纤维带2切割成合适的尺寸，加热装置用于将纤维带2可选地加热至操作温度。加压辊单元12、导引件、切割装置和加热装置是常规类型的，其中，为了清楚起见未将它们表示。
线轴架10具有多个线轴14，每个线轴14可以容置纤维带2。线轴14在未示出的平行线轴轴线上安装在线轴架10中。此处，线轴14布置成使得纤维带2以平行于彼此且优选地在一个平面中的方式被引出线轴架10。
为了更换线轴架10，例如，为了将空线轴架换成满线轴架，铺设装置1具有未示出的更换装置。
铺设头8和线轴架10在每种情况下分别借助于铺设装置1的铺设头安装件16和线轴架安装件18布置在能够被独立地、即单独地控制的且能够平移的定位装置20、22上。定位装置20、22允许铺设头8和线轴架10在三维空间中自由地定位，并且因此相对于模制工具6的表面4而定位。在实施方式的该示例中，定位装置20、22实施为手臂机器人。特别地，与线轴架相关联的定位装置22在此处实施为关节臂机器人，并且如在下文中看到的，该定位装置22相比于与铺设头相关联的定位装置20多至少一个自由度。然而，定位装置20、22也可以是门式机器人。铺设头8和线轴架10在具有多个自由度的能够被独立地控制的定位装置20、22上的单独布置使得能够通过线轴架10追踪铺设头8的运动，并且因此能够实现铺设头8与线轴架10之间的独立于铺设头8的当前位置的不改变的相对位置。通过这种方法，特别地，在距铺设头8的小且恒定的距离处来导引线轴架10成为可能，纤维带2相对于铺设头8的最佳对准以及线轴架的简单更换也一样成为可能。线轴架10与铺设头8之间的距离对应于纤维带2的介于线轴架10与铺设头8之间的敞开长度，即没有任何导引件的部分的长度。
在此处示出的实施方式的示例中，与线轴架相关联的定位装置22连接至位于与铺设头相关联的定位装置20上方的环绕部段。
此处，铺设头8的定位装置20具有基部24、铰接在基部24上的枢转臂26、以及安装在枢转臂26的自由端上的旋转头28。旋转头28通过旋转板30容置铺设头安装件16并且因此容置铺设头8。为了按照预定的轨迹将纤维带2铺设在表面4上，基部24可以沿根据坐标系的x方向至少线性地平移，并且因此平行于模制工具6平移。附加地，基部24例如也可以安装在十字工作台上，并且因此可以类似地沿y方向线性地平移，并且因此沿模制工具6的方向线性地平移。枢转臂26可以绕沿x方向延伸的枢转轴线32枢转。旋转头28可以至少绕平行于枢转轴线延伸的旋转轴线34旋转。旋转板30可以绕与旋转头28的旋转轴线正交的平移轴线36旋转。
此处的定位装置22具有两个枢转臂38、40，枢转臂38、40布置在基部42与具有旋转板46的旋转头44之间并且以接合的方式彼此连接。借助于枢转臂38、40，可以在沿y方向的在线轴架10与模制工具6(即铺设头8)之间的距离中做出改变。基部42可以沿根据坐标系的x方向线性地平移，并且因此平行于模制工具6平移。另外，基部42可以绕沿z方向延伸的竖向轴线48而枢转。另外，基部42例如也可以安装在十字工作台上，并且因此可以类似地沿y方向线性地平移，并且因此沿模制工具6的方向线性地平移。由于使基部42绕竖向轴线48旋转的选项，因此与基部相关联的枢转臂38可以在x-y平面内绕枢转轴线50枢转。与旋转头相关联的枢转臂40可以通过平行于枢转轴线50延伸的接合轴线52而相对于与基部相关联的枢转臂38枢转。旋转头44可以至少绕平行于枢转轴线50和接合轴线52延伸的旋转轴线54而旋转。旋转板46可以绕与旋转头44的旋转轴线54正交的平移轴线56旋转。
在本发明的将纤维带2自动铺设在表面4上的过程中，容置线轴架10的定位装置22控制成使得其以恒定的或者接近恒定的距离追踪用于铺设纤维带2的铺设头的运动。从表面4看去，线轴架10布置在铺设头8的正后方，由此，距离a并且因此纤维带2的在线轴架10与铺设头8之间的敞开长度被最小化。线轴架10相对于铺设头8的位置理想地不改变，使得纤维带2不仅以恒定的距离a供给，而且以与铺设头8最佳对准的方式供给。
本发明公开了一种用于将纤维带自动铺设在表面上的铺设装置，其中，线轴架布置在独立的定位装置上，该独立的定位装置可以在三维空间中单独地平移，并且线轴架可以追踪铺设头的运动；本发明还公开了一种铺设方法。
附图标记列表
1铺设装置
2纤维带
4表面
6模制工具
8铺设头
10线轴架
12加压辊单元
14线轴
16铺设头安装件
18线轴架安装件
20定位装置

Claims (9)

1.一种铺设装置(1)，所述铺设装置(1)用于将纤维带(2)自动铺设在表面(6)上，所述铺设装置(1)具有布置在定位装置(20)上并且用于容置铺设头(8)的铺设头安装件(16)以及用于容置线轴架(10)的线轴架安装件(18)，
其特征在于，
所述线轴架安装件(18)布置在能够被独立地控制且能够平移的定位装置(22)上，能够借助于所述定位装置(22)来追踪所述铺设头安装件(16)的运动。
2.根据权利要求1所述的铺设装置，其中，
所述定位装置(22)具有多个线轴架安装件(18)。
3.根据权利要求1或2所述的铺设装置，其中，
在能够被独立地控制的定位装置(22)上布置有多个线轴架安装件(18)。
4.根据权利要求1、2或3所述的铺设装置，其中，
布置用于自动更换至少一个线轴架(18)的更换装置。
5.根据前述权利要求中的一项所述的铺设装置，其中，
至少一个所述线轴架安装件(18)能够平移到更换位置中。
6.根据前述权利要求中的一项所述的铺设装置，其中，
至少一个所述线轴架安装件(18)的至少一个所述定位装置(22)为关节臂机器人。
7.根据权利要求1至5中的一项所述的铺设装置，其中，
至少一个所述线轴架安装件(18)的至少一个所述定位装置(22)为门式机器人。
8.根据前述权利要求中的一项所述的铺设装置，其中，
至少一个所述线轴架安装件(18)的所述定位装置比至少一个所述铺设头安装件(16)的所述定位装置(20)多至少一个自由度。
9.一种用于将纤维带自动铺设在表面上的方法，所述方法特别地用于控制根据前述权利要求中的一项所述的铺设装置(1)，其中，
铺设头(8)和线轴架(10)布置在能够被独立地控制的定位装置(22)上，并且所述线轴架(1)追踪铺设头(8)的运动。
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