CN107743439A - 用于铺设具有纤维织物的复合材料产品的装置 - Google Patents

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Abstract

用于铺设复合材料产品的装置，所述复合材料产品具有由玻璃、碳、芳族聚酰胺制成的纤维粗纱以及专门用于生产复合增强材料或支撑元件的其他类似的细丝，诸如个人车辆的后挡板的增强材料，所述装置由单独退绕的线轴(2)组成，所述线轴具有围绕所述复合材料产品(1)可旋转地布置的纤维粗纱(21)。所述退绕线轴(2)安装在所述旋转盘环(3)的组上，所述旋转盘环的组安装在共同的固定环形框架(4)上，并且配备有独立的驱动器(5)，其旋转方向和速度被预编程控制，其中所述复合材料产品(1)在铺设过程期间交替地固定到至少一个程序控制的操纵器(9)的各个载体夹持器(8)上，并且在每个旋转盘环(3)中以及在固定环形框架(4)中，形成至少一个侧向通道(6)，用于在所述退绕线轴(2)之间进入和离开复合材料产品(1)。

Description

用于铺设具有纤维织物的复合材料产品的装置
技术领域
本发明涉及一种用于铺设纤维粗纱的复合材料产品的装置，所述纤维粗纱由玻璃、碳、芳族聚酰胺或其他类似丝线制成，其特别用于生产机动车辆车体的复合增强材料或支撑元件、部件，例如，用于增强个人车辆的尾门，以减少甚至消除在使用过程中作用于其上的应力的作用。
背景技术
复合材料目前是广泛使用的材料，由纤维增强材料和塑料粘合剂(即所谓的基体)组成，与诸如钢等金属材料相比，其基本优点是显著降低重量。例如由碳、玻璃或聚合物制成的增强纤维可以包含在复合材料中，其切割长度为几毫米，分散在基体中，或是连续形式的股线，即所谓的粗纱。具有连续增强纤维的复合材料主要通过将浸渍有合适基体的纤维层叠在合适的模芯上，其形状与所需复合制品的形状相对应，例如通过用单独粗纱连续铺设模芯来制备。
根据该领域的专利，例如，根据捷克专利申请CZ20080607，纤维复合材料产品包含浸渍有聚合物粘合剂的至少一种连续增强纤维的结构单元组成。该结构单元由主纤维束组成，该主纤维束平行于束的纵向轴线，以及围绕主纤维束的周边螺旋地布置的纤维的铺设或卷绕束。
此外，专利文献US 2006/0175454指出了用于铺设结构细丝的装置和方法。该装置包括可开启的座圈，为承载细丝源的载体提供圆形路径。载体与座圈沿圆周方向移动，并且可以形成为无心轮。载体可以形成为有利于打开座圈以插入工件的部分。类似的方法和装置也可以从文献NL2003620或文献WO 2011096805中得知。
然而，这些已知的解决方案主要涉及用于生产简单形状的复合制品的装置，即大部分是直的或只有轻微弯曲的杆或管的形式，因此它们被关闭以产生具有联接件的诸如自行车车架等的框架结构。作用在这些复合材料上的复杂载荷，如果要用作更为复杂的部件，如个人车辆后挡板等的加固件，就未被充分考虑。因此，在这些情况下，特别是大批量生产的车辆，特别是使用金属加强件或金属框架是必要的，这是因为允许生产可承载复杂载荷的3D形封闭复合材料的装置尚不可用。
发明内容
目前的技术状态的这些缺点在很大程度上被用于铺设复合材料产品的装置消除，复合材料产品具有由玻璃、碳、芳族聚酰胺制成的纤维粗纱以及专门用于生产复合增强材料或支撑元件(诸如个人车辆的后挡板的增强材料)的其他类似的细丝，其由单独退绕的线轴组成，线轴具有围绕根据本发明的复合材料产品可旋转地布置的纤维粗纱。退绕的线轴安装在一组旋转圆盘环上，旋转圆盘环安装在公共固定环形框架上，并设有独立的驱动器，对其旋转方向和速度进行预编程控制。复合材料产品在其卷绕期间由至少一个程序控制的主操纵器的单独的载体夹持器交替地保持，从而允许其在铺设过程的过程中通过旋转盘环的内部空间并通过固定环形框架。在每个旋转盘环上并且在固定环形框架中，在用于进入和离开复合材料产品的退绕线轴之间产生至少一个侧向通道。
为了在将复合材料产品进入铺设设备之前和之后的复合材料产品的替代抓取，可以使用两个或更多个这样的主操纵器来代替一个主操纵器。复合材料产品在载体夹具中的交替夹紧将确保其在所有点处铺设，而其安装在至少五个不同的紧固点，特别是在放置时受到最大压力的地方，似乎相当充分。
为了使整个过程自动化，并且需要设置纤维粗纱替代的速度，旋转盘环安装到共同的固定环形框架上，有益于可移除，因此使它们能够在清空退绕线轴之后自动移除，并且随后用带有重新填充的退卷线轴的旋转盘环或用其它纤维粗纱卷绕的退卷线轴进行更换。
为了能够开始每个新的铺设循环，每个旋转盘环优选地装备有中心可打开环，用于将复合材料产品和纤维粗纱从退绕线轴引入到其内部空间中。该组旋转盘环包括例如横向安装在固定环形框架上的三个旋转盘环。该组旋转盘环允许在待铺设的产品上同时卷绕三层纤维粗纱。第一旋转盘环配备有第一独立驱动器，第二旋转盘环配备有第二独立驱动器，并且第三旋转盘环配备有第三独立驱动器，有益之处在于每个驱动器具有可编程的控制速度并且其受控的旋转方向用于将纤维粗纱以可变间距卷绕到其中心轴线的复合材料产品。旋转盘环都可以从环形框架的一侧或两侧安装，而其中一个可以例如在零转速下卷绕或将纵向纤维粗纱平行于其轴线放置到复合材料产品上，另一个可以以一定的旋转速度将纤维粗纱以一定的间距螺旋形地卷绕到复合材料产品上，而以另一个一定的速度和与第二旋转盘环的旋转方向相反的旋转方向的第三旋转盘环也螺旋地但是具有相反的角度和节距将纤维粗纱卷绕到复合材料上。
更多数量的旋转盘环增加了复合材料产品的纤维粗纱的同时卷绕层的数量，从而提高了整个过程的生产率。
辅助装置设置在固定环形框架上的旋转圆环系统的一侧，用于自动开始和结束铺设，另一方面是具有挤压分离心轴的装载操纵器，用于将纤维粗纱通过中心开口环朝向辅助装置加载。用于自动开始和结束铺设的辅助装置可以由例如辅助操纵器以及用于切断的分离机构组成，辅助操纵器具有带状机构，用于在铺设之前和之后将纤维粗纱粘贴到复合材料产品上。
程序控制的主操纵器还可以设置有工具更换器，用于将旋转盘环的组装夹持器的封闭复合材料产品的载体夹具更换到硬质环形框架，在这种情况下，线轴耗尽长丝材料并需要重新填充。否则将需要使用另一个独立的程序控制的机械手来从固定环形框架安装或拆卸盘环，这将与使用更多的主操纵器的情况相比大大增加整个装置的购买成本。
根据本发明的装置允许(与迄今已知的装置不同的是)生产复合增强件或复杂和封闭3D形状的支撑元件。同时，该装置允许将复合材料产品卷绕到纤维粗纱的各种取向层中，而特别是程序控制的主操纵器与旋转盘环的单独驱动器一起被预编程控制其旋转的方向和速度使得能够控制各个卷绕层的内部结构，在密度和/或卷绕角度和/或纤维粗纱的类型方面。然后在具有由例如聚氨酯形成的聚合物基体浸渍卷绕层之后的优点，特别是在所得到的复合材料增强件的每个点上实现期望的机械性能的可能性主要是由于上述可变密度的铺设，而复合材料产品的芯的横截面也可以根据最终部件的结构自由地变化。这是基于暴露于扭转的复合层的内部结构应主要由螺旋卷绕的纤维粗纱组成，特别是纵向纤维粗纱的拉伸应力和/或弯曲，由于技术原因至少由一些螺旋纤维粗纱固定。复合层的任何部分的螺旋和纵向纤维粗纱可以通过改变它们的铺设角度在彼此之间无缝切换。为了强度的原因，螺旋卷绕和纵向粗纱通常由碳纤维粗纱组成，同时固定纤维粗纱，为了节省制造成本，可以仅通过玻璃丝粗纱形成，即使间距的角度比螺旋卷绕的碳纤维粗纱高得多，因为固定纤维粗纱被设计成确保纵向卷绕的碳纤维粗纱在加强筋的周边上的位置。螺旋卷绕的碳纤维粗纱的编程节距角通常在±10°至45°的角度范围内，并且固定纤维粗纱在±45°至80°的角度范围内。使用纵向卷绕的纤维粗纱，其基本上为0°的铺设角度。经受弯曲的复合增强部件中的纵向卷绕的纤维束的密度也可以集中在面向作用弯曲应力的区域中。因此，该装置允许在单个工作循环中，当装置在全自动循环中操作时，将更多数量的各种定向和结构化的纤维粗纱层应用于复合材料产品。
附图说明
本发明通过用于铺设根据本发明的复合材料产品的装置的示例性最佳执行的图纸进一步阐明，其中指出以下内容：
图1以三维视图示出了具有复合材料产品和程序控制的主操纵器的铺设装置的组装。
图2以展开状态和三维视图示出了具有固定环形框架的旋转盘环的细节。
图3示出了旋转盘环的横截面示意图。
图4以三维视图示出了具有旋转盘环的固定环形框架组。
图5是从利用辅助装置开始和结束卷绕的辅助装置的方向的装置的总体视图。
图6示出了从装载操纵器的方向观察装置的视图。
图7示出了用于更换旋转盘环的安装夹具的细节。
具体实施方式
如图1至图3所示，在优选实施例中用于铺设具有纤维粗纱的复合材料产品的装置(旨在用于生产用于个人车辆的后挡板的三维闭合框架复合材料增强)由单独的退绕线轴2组成，退绕线轴围绕复合材料产品1可旋转地布置，复合材料产品固定在三个可旋转盘环3的组件上，这三个可旋转盘环同轴地安装在固定环形框架4上。固定环形框架4布置在基架20上。
如图2所示，一组旋转盘环3由两个旋转盘环3.1、3.2和一个旋转盘环3.3组成，这两个旋转盘环被布置在固定环形框架4的一侧上，并且后一个旋转盘环设置在固定环形框架4的另一侧。从图2和图3可以特别看出，每个旋转盘环3配备有中心可打开环10，用于在开始铺设过程之前将复合材料产品1和纤维粗纱21从退绕线轴2引入其内部空间7中。从图3可以看出，在每个旋转盘上，旋转盘环3位于单独的退绕线轴2和位于纤维粗纱21的一些引导孔眼17的中心可打开环10之间。由于通过在复合材料产品1在纤维粗纱之间运动的过程期间拉动纤维粗纱21而引起退绕线轴2转动，单独的退绕线轴2装备有(未示出)可变旋转制动器，其集成到枢转轴承中并且允许控制复合材料产品1上的所有纤维粗纱21的铺设刚度。
在每个旋转盘环3上，这意味着，在第一旋转盘环3.1上，在第二旋转盘环3.2上，并且在第三旋转盘环3.3上，在本实施例中布置15个退绕线轴2。然而，在本发明的其它具体实施例中，可以根据需要使用不同数量的退绕线轴2，即使在每个旋转盘环3上，并且在每个旋转盘环3上，可以使用具有不同类型的纤维粗纱21的退绕线轴2。
如图1进一步所示，复合材料产品1在其铺设期间交替地固定到程序控制的操纵器9的载体夹持器8上，其配备有更换器18，用于将固定环形框架4上的旋转盘环3的组装夹具19的复合材料产品1的载体夹具8更换。这些组装夹具19在图7中示出为在使用之前存储在一些未标记的基座上。如图1至图3所示，在每个旋转盘环3以及固定环形框架4中，形成一个横向通道6，用于在退绕线轴2之间进入和离开复合材料产品1。
从图4可以看出，第一旋转盘环3.1配备有第一独立驱动器5.1，用于将纤维粗纱21的下层螺旋卷绕到复合材料产品1上，第二旋转盘环3.2配备有用于将纤维粗纱21的纵向层周向卷绕到复合材料产品1上的第二独立驱动器5.2，并且-这里未示出-第三旋转盘环3.3配备有第三独立驱动器5.3，用于在与下层的绕组相反的方向上将覆盖纤维粗纱21进行双面卷绕在复合材料产品1上。
旋转盘环3的实际驱动通过独立驱动器5的齿轮机构来确保安装在旋转盘环3上的环形齿轮22。
从图5可以看出，在安装在固定环形框架4上的旋转盘环3的组装的一侧还设置有用于自动启动和终止铺设过程的辅助装置11。该辅助装置11由具有线性进给的行进托架形式的辅助操纵器12形成，其装备有用于在铺设过程之前和之后将纤维粗纱21贴合或捆扎到复合材料产品1上的捆扎机构13以及用于剪切带或带条的分割机构14。
如图6所示，沿安装在固定环形框架4上的一组旋转盘环3的另一侧，具有通过中心可打开环10的纤维粗纱21的挤出分离心轴16的装载操纵器15被布置成朝向辅助装置11。挤出分离心轴16通过中心可打开环10的轴线并且同时打开中心可打开的环10朝辅助装置11移动，因此一方面允许将旋转盘环3从7个中心可打开环10的轴向内部空间中的退绕线圈2分别按照上述方式装载到复合材料产品1和纤维粗纱21，并且还在铺设过程开始之前将纤维粗纱21挤压到辅助装置11的条带机构13。
应用领域
根据本发明的装置不仅可以在汽车工业中广泛地用于生产车辆的结构部件，而且可以广泛地用于其它工业领域中的其它结构元件。
附图标记列表
1.复合材料产品
2.退绕线圈
3.旋转盘环
3.1第一旋转盘环
3.2第二旋转盘环
3.3第三旋转盘环
4.固定环形框架
5.整装驱动器
5.1第一整装驱动器
5.2第二整装驱动器
5.3第三整装驱动器
6.横向通道
7.内部空间
8.载体夹具
9.程序控制操纵器
10.中央可开的环
11.辅助装置
12.辅助操纵器
13.绑扎机构
14.分离机构
15.装载操纵器
16.挤出分离心轴
17.引导孔眼
18.工具更换器
19.装配夹具
20.基架
21.纤维粗纱
22.环形齿轮

Claims (7)

1.用于铺设具有纤维织物的复合材料产品的装置，所述复合材料产品具有由玻璃、碳、芳族聚酰胺制成的纤维粗纱以及专门用于生产复合增强材料或支撑元件的其他类似的细丝，诸如个人车辆的后挡板的增强材料，所述装置由单独退绕的线轴(2)组成，所述线轴具有围绕所述复合材料产品(1)可旋转地布置的纤维粗纱(21)，其特征在于，所述退绕线轴(2)安装在所述旋转盘环(3)的组上，所述旋转盘环的组安装在共同的固定环形框架(4)上，并且配备有独立的驱动器(5)，其旋转方向和速度被预编程控制，其中所述复合材料产品(1)在铺设过程期间交替地固定到至少一个程序控制的操纵器(9)的各个载体夹持器(8)上，并且在每个旋转盘环(3)中以及在固定环形框架(4)中，形成至少一个侧向通道(6)，用于在所述退绕线轴(2)之间进入和离开复合材料产品(1)。
2.根据权利要求1所述的用于铺设具有纤维织物的复合材料产品的装置，其特征在于，所述旋转盘环(3)安装在可拆卸以允许其自动更换的共同的固定环形框架(4)上。
3.根据权利要求1和2所述的用于铺设具有纤维织物的复合材料产品的装置，其特征在于，每个旋转盘环(3)设置有用于将所述复合材料产品(1)和所述纤维粗纱(21)从退绕线轴(2)引入其内部空间(7)的中心可打开环(10)。
4.根据前述权利要求中至少一项所述的用于铺设具有纤维织物的复合材料产品的装置，其特征在于，所述旋转盘环(3)的组包括横向设置在所述固定环形框架(4)上的三个旋转盘环(3.1、3.2、3.3)，所述第一旋转盘环(3.1)配备有第一独立的驱动器(5.1)，所述第二旋转盘环(3.2)配备有第二独立的驱动器(5.2)，并且所述第三旋转盘环(3.3)配备有可编程控制速度和旋转方向的第三独立的驱动器(5.3)，用于将纤维粗纱(21)以相对于其中心轴线可变的角度铺设在所述复合材料产品(1)上。
5.根据前述权利要求中至少一项所述的用于铺设具有纤维织物的复合材料产品的装置，其特征在于，沿着安装到所述固定盘架(4)的旋转盘环(3)的系统的一侧，所述辅助装置(11)用于自动启动和结束绕组，并且在另一侧，有一个装载操纵器(15)，其具有用于经由所述中心可打开环(10)朝着所述辅助装置(11)引入纤维粗纱(21)的挤压分离心轴(16)。
6.根据权利要求5所述的用于铺设具有纤维织物的复合材料产品的装置，其特征在于，所述辅助装置(11)由辅助操纵器(12)形成，所述辅助操纵器具有用于在卷绕之前和之后将所述纤维粗纱(21)贴合或捆扎到所述复合材料产品(1)上的捆扎机构(13)以及用于其切断的分离机构(14)。
7.根据前述权利要求中至少一项所述的用于铺设具有纤维织物的复合材料产品的装置，其特征在于，所述程序控制的操纵器(9)设置有用于更换所述组装夹具(19)的所述复合材料产品(1)的载体夹具(8)的工具更换器(18)，用于将所述旋转盘环(3)安装到所述环形框架(4)上。
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