CN108025511B

CN108025511B - 铺叠头

Info

Publication number: CN108025511B
Application number: CN201680050907.6A
Authority: CN
Inventors: 詹姆斯·廷格尔
Original assignee: Rolls Royce PLC
Current assignee: Rolls Royce PLC
Priority date: 2015-09-03
Filing date: 2016-08-31
Publication date: 2020-10-23
Anticipated expiration: 2036-08-31
Also published as: GB201515955D0; US11426952B2; JP6704991B2; ES2832492T3; CN108025511A; CA2996472A1; US20180272627A1; EP3344445A1; EP3344445B1; WO2017037446A1; JP2018526251A

Abstract

本发明提供了一种铺叠头(18)，用于将细长纤维增强材料(14)施加到施加表面(12)。铺叠头(18)包括支撑头(20)，具有横向轴线T；分配机构(28)，由支撑头承载，用于分配细长纤维增强材料(14)；以及滚筒(24)，用于将细长纤维复合材料(14)压靠在施加表面(12)上。滚筒(24)相对于支撑头(20)可倾斜，使得滚筒轴线R可相对于支撑头(20)的横向轴线成角度。铺叠头(18)还包括保持机构(40)，保持机构(40)可操作以将滚筒(24)保持在中心位置，在该中心位置，滚筒轴线R平行于支撑头的横向轴线T。

Description

铺叠头

技术领域

本发明涉及用于将细长纤维增强材料施加到施加表面的复合材料铺叠头。特别地，尽管不是唯一的，本发明涉及一种具有可倾斜滚筒的铺叠头，该滚筒可被保持在中心位置。

背景技术

纤维复合物组件经常用于要求轻重量和高强度相结合的应用中，例如运动器材和航空航天组件。大多数纤维复合物制造工艺需要将连续的纤维增强材料层施加到铺叠工艺中的工具、制品或模具上以形成预成型件。通常在组件的铺叠之前将基体材料(matrixmaterial)预先施加到(预浸渍的pre-impregnated或“预浸的pre-preg”)纤维增强材料上。最近的制造业发展已经允许自动执行铺叠工艺。

三种类型的自动复合物制造工艺是自动铺带(Automatic Tape Laying，ATL)、自动铺丝(Automatic Fibre Placement，AFP)和自动细丝缠绕(automatic filamentwinding)。自动铺带涉及将包括纤维增强材料的带子施加于工具。带子通常包括用基体材料(例如环氧树脂)预浸渍的单向纤维。连续的带层通常以彼此不同的取向施加以形成层片结构。

在自动铺丝中，纤维增强材料以“丝束(tow)”的形式施加到工具上，包括多个单根纤维或多根“丝束”。或者，“丝束”可以是从更宽的带子上撕下的具有狭窄宽度的带子。自动铺丝通常更适合具有更高度的曲率或不均匀曲率的复杂部件。纤维通常用基体材料预先浸渍或通过基体材料浴抽出。一个或一系列“丝束”通常通过涂抹滚筒施加到工具上。

自动细丝缠绕与自动铺丝的不同之处在于，工具通常是旋转的心轴，并且铺叠设备通常穿过心轴以用张力将纤维丝束施加在心轴表面上。该丝束铺设在心轴上的角度可以在心轴的连续通道之间调节，使得连续的层彼此处于不同的取向，以形成层片结构并影响组件的性能(例如，所制造的组件的改进的压缩强度或拉伸强度)。

在所有的工艺中，通常铺叠头被用于将纤维增强材料分配并施加到施加表面。铺叠头通常包括将纤维增强材料压向施加表面的滚筒(例如纤维铺放滚筒或涂抹滚筒)。在先前考虑的布置中，滚筒可相对于头部的其余部分倾斜，使得滚筒紧密地跟随施加表面的轮廓。但是，如果滚筒是可倾斜的，这会在材料施加开始时、以及材料被切割时产生质量问题。这是由于滚筒与轧点(nip)之间的相对位置可变。

因此，本发明期望提供一种可用于制造高质量预成型件的改进铺叠头。

发明内容

根据一个方面，提供了一种用于将细长纤维增强材料施加到施加表面的铺叠头，该铺叠头包括：支撑头，该支撑头具有横向轴线；分配机构，该分配机构由该支撑头承载，用于分配细长纤维增强材料；滚筒，该滚筒用于将细长纤维复合材料压靠在该施加表面上，其中该滚筒相对于该支撑头可倾斜，使得该滚筒轴线可相对于该支撑头的横向轴线成角度；以及保持机构，该保持机构可操作以将该滚筒保持在中心位置，在该中心位置，该滚筒轴线平行于该支撑头的横向轴线。这种布置允许滚筒保持居中，然后选择性地释放，使得滚筒可以更紧密地跟随施加表面的轮廓。铺叠头可具有尖端区域，该尖端区域具有平行于横向轴线的宽度尺寸。分配(或进给)机构可布置成以大体纵向延伸的分配方向分配或供给细长纤维增强材料。该纵向延伸的分配方向可以垂直于横向轴线。滚筒轴线可以是滚筒的旋转轴线。铺叠头可以包括一个或多个细长纤维增强材料出口。该个出口或每个出口的细长(即宽度)方向可以平行于横向轴线。材料出口可能会有多个。滚筒可以位于尖端区域的前方和/或位于该个材料出口或每个材料出口的前方。滚筒可以可枢转地连接到支撑头。滚筒可能会有多个。铺叠头可以是复合材料铺叠头。

保持机构可操作以施加保持力以将滚筒保持在中心位置。该保持机构可以将滚筒锁定在中心位置。该保持机构可操作以释放滚筒以允许其倾斜。当释放时，该滚筒能相对于横向轴线倾斜至少+/-1°、至少+/-2°、至少+/-3°、至少+/-4°或至少+/-5°。当释放时，该滚筒能相对于横向轴线倾斜不超过+/-45°、不超过+/-30°、不超过+/-15°、不超过+/-10°或不超过+/-5°。

该滚筒可以被偏置到中心位置。该保持机构可以将滚筒偏置到中心位置。该滚筒可以通过诸如弹簧或其他弹性元件的偏置元件被偏置到中心位置。该滚筒的倾斜运动可能会受到抑制。该保持机构可以被布置成抑制滚筒的倾斜运动。

该滚筒可以围绕滚筒枢轴相对于支撑头枢转。该滚筒可以仅围绕单个轴线相对于支撑头枢转。该滚筒枢轴可基本垂直于滚筒轴线。该枢轴可相对于支撑头居中定位。该滚筒可以安装到载架上，该载架可枢转地安装到支撑头上。

该保持机构可包括至少一个作用在支撑头和滚筒之间的线性执行器。该保持机构可包括第一线性执行器和第二线性执行器，第一线性执行器和第二线性执行器被布置成在支撑头与滚筒之间沿大致相反的方向(即朝向或远离彼此)作用。每个线性执行器可具有自由端，该自由端具有支承表面，该支撑表面被布置成作用抵靠于相对应的支承表面。相对应的支承表面可以与支撑头或滚筒相关联。该支承表面可以由凸台或突起提供。第一线性执行器和第二线性执行器可安装到支撑头上。第一线性执行器和第二线性执行器可连接到或联接到滚筒上。每个线性执行器的自由端可布置成作用抵靠于与滚筒相关联的相对应的支承表面上。第一线性执行器和第二线性执行器可布置成沿平行于支撑头的横向轴线的相反的方向作用。

第一线性执行器和第二线性执行器可以是气动线性执行器，例如气动缸。通过控制供应到第一气动线性执行器和第二气动线性执行器的气体的压力，保持机构可以可操作以将滚筒保持在中心位置。通过控制供应到第一气动线性执行器和第二气动线性执行器的气体的压力，保持机构可以可操作以释放滚筒。复合材料铺叠头还可以包括控制器，该控制器用于控制供应到第一气动线性执行器和第二气动线性执行器的气体的压力。

该滚筒可以可倾斜到中心位置的任一侧。

该复合材料铺叠头还可以包括切割机构，该切割机构由支撑头承载，并且该切割机构可操作以切断穿过切割机构的轧点的细长纤维增强材料。轧点可以在基本上平行于支撑头的横向轴线的方向上延伸。

复合材料铺叠头可被布置成同时并排地施加多种长度的细长纤维增强材料(aplurality of lengths of elongate fibre reinforcement material)。

根据另一方面，提供了纤维增强铺叠设备，例如复合材料铺叠设备，该纤维增强铺叠设备包括根据本文中任何声明的铺叠头。该设备可以是自动铺带(ATL)设备或自动铺丝(AFP)设备。

除了互相排斥的这些特征的组合之外，本发明可以包括本文中提及的特征和/或限定的任何组合。

附图说明

现在将参考附图以举例的方式描述本发明的实施例，其中：

图1示意性地示出了将多段细长纤维增强材料施加到制品上的复合材料铺叠机器。

图2示意性地示出了图1的机器的复合材料铺叠头的尖端区域的特写视图。

图3示意性地示出了图1的复合材料铺叠头的尖端区域的端视图，其中滚筒被移除；和

图4至图6示意性地示出了图2的复合材料铺叠头的尖端区域的平面图，其中滚筒处于不同的位置。

具体实施方式

图1示出了复合材料铺叠设备10和工具12，纤维复合材料被施加于工具12，以形成用于复合材料组件(例如航空航天组件，诸如风扇叶片)的预成型件。设备10执行铺叠工艺，在该铺叠工艺中，多根纤维复合物丝束14被并排地施加到工具表面12。设备10包括基座或台架以及复合材料铺叠头18。复合材料铺叠头18包括支撑头20，该支撑头20承载分配或进给机构28、切割机构22以及可倾斜的滚筒24(该滚筒24可被称为纤维铺放滚筒或涂抹滚筒)；其中分配或进给机构28用于分配细长纤维复合材料14，切割机构22用于切割多段(lengths of)纤维复合材料14，滚筒24位于支撑头的尖端区域26处，用于将纤维复合材料14压靠在工具施加表面上。分配机构28以大致纵向延伸的分配方向分配纤维复合材料，该分配方向平行于支撑头20的纵向轴线(即前后轴线)。

在使用中，设备10进给或分配多个丝束14，并且铺叠头18相对于工具12的表面移动以将丝束14施加到工具的表面。在这个实施例中，丝束14用诸如环氧树脂的基体材料预先浸渍，但是在其他实施例中，每根丝束可以仅包括纤维增强材料(通常称为“干纤维”)，并且随后可以添加基体材料。丝束14通过工具12和滚筒24之间，滚筒24将它们压靠在工具12上。滚筒24相对于支撑头可倾斜(即滚筒轴线可以倾斜)，从而滚筒24可以紧密地跟随施加表面的轮廓。在铺叠工艺的适当阶段结束时，丝束14被切割机构22切割。当丝束14被切割时以及当丝束14的施加再次开始时，需要确保滚筒24居中(即滚动24的轴线平行于支撑头的横向轴线20)。如将在下文详细描述的，铺叠头18设置有保持机构，该保持机构可操作以将滚筒24保持在中心位置，并且该保持机构还可操作以释放滚筒24，使得该滚筒24可以相对于支撑头20倾斜。

图2和图3示出了复合材料铺叠头18的尖端区域26的特写视图。铺叠头18具有纵向轴线和横向轴线T，该纵向轴线平行于丝束14的分配/施加方向，该横向轴线T垂直于该纵向轴线。铺叠头18具有多个丝束出口30，每个丝束出口30呈窄缝的形式，丝束14通过该丝束出口30分配。丝束出口30沿平行于横向轴线T的直线并排布置，并且每个出口30的宽度方向平行于横向轴线T。应当理解的是，可以存在单个丝束出口30，该丝束出口30呈宽窄缝的形式，该宽窄缝具有平行于横向轴线T的宽度方向。切割机构22具有轧点(未示出)，该轧点与每个丝束出口30相关联，相应的丝束14通过该丝束出口30。轧点由一个或多个可移动的切割元件限定，该切割元件可被移动以切断一段纤维复合材料。

滚筒24可旋转地安装到滚筒载架32上。滚筒24因此可相对于载架32绕滚筒轴线R旋转。载架32可枢转地安装到固定于支撑头20的支撑架34。支撑架34的上表面包括呈弧形槽形式的弧形导轨(在附图中不可见)。弧形导轨具有恒定的曲率半径。曲线半径的中心位于滚筒24的尖端并且位于横向中点P处。滚筒载架32的后侧设置有突起(未示出)，该突起位于弧形导槽内，并且该突起被布置成在弧形导槽内滑动。这意味着滚筒载架32相对于支撑架34(并因此相对于支撑头20)围绕枢轴P可枢转，使得载架32和滚筒24组件可相对于支撑头20枢转。枢轴P垂直于支撑头的横向轴线T。载架32安装到支撑头20，使得滚筒24位于丝束出口30的前方。由于载架32可枢转地安装，因此滚筒24可相对于支撑头20枢转(或倾斜)。在载架32和滚筒24处于中心位置(如图2所示)的情况下，滚筒轴线R平行于支撑头20的横向轴线T。然而，滚筒24可绕滚筒枢轴P枢转，使得滚筒轴线R可相对于横向轴线T成角度(或偏斜/倾斜)。滚筒24可从中心位置在任一方向(即顺时针或逆时针)上枢转，使得滚筒轴线R相对于横向轴线T成+/-5°的角度。应当理解的是，在其他实施例中，移动范围可以大于或小于+/-5°。

铺叠头18还包括保持机构40，保持机构40可操作以将滚筒24保持在中心位置，在中心位置，滚筒轴线R平行于横向轴线T。保持机构40还可操作以释放滚筒24使得滚筒可以相对于支撑头20枢转(或倾斜)。在该实施例中，保持机构40还将滚筒24偏置到中心位置，并且还在释放时对滚筒24的枢转运动提供阻尼。然而，应该理解的是，在其他实施例中，该功能可能不存在，或者可以通过其他手段来提供。例如，可以设置独立的弹簧以将滚筒24偏置到中心位置。

现在参照图4，保持机构40包括U形支架42，该U形支架42安装到支撑头20上，使得它越过滚筒载架32。支架42具有两个平行的侧臂以及桥接件，两个侧臂的末端连接到载架32的任一侧支架42，桥接件将侧臂连接在一起并横跨支撑头20的宽度。保持机构40还包括两个气动线性执行器44、46。第一气动线性执行器44具有固定在支架42的一个侧臂上的一端，第二气动线性执行器46具有固定在支架42的另一个侧臂上的一端。气动线性执行器44、46被布置成将它们的纵向轴线彼此对齐并与支撑头的横向轴线T平行。换句话说，它们的动作线(即它们产生线性运动的方向)彼此对齐并平行于横向轴线T。气动线性执行器44、46也被布置成使得它们在彼此相反的方向上作用(即一个执行器向右延伸，另一个执行器向左延伸)。每个气动线性执行器44、46具有自由端45、47，该自由端45、47具有凸出的支承表面。例如，支承表面可以是低摩擦材料。

可枢转的滚筒载架32具有凸台48(即突起或螺柱)，该凸台48从载架32的表面突出，该凸台48具有支承面，该支承面可以是低摩擦材料。凸台48在垂直于横向轴线T的方向上与枢轴P间隔开，并且凸台48与线性执行器44、46的轴线(在载架/滚筒处于中心位置的情况下)对齐。随着两个气动线性执行器44、46延伸(如图4所示)，自由端45、47支承(即作用)抵靠凸台48的支承表面，由此将载架32维持在中心位置，并因此将滚筒24维持在中心位置，在该中心位置处，滚筒轴线R平行于支撑头20的横向轴线T。

气动线性执行器44、46连接到压缩气体源，且控制器(未示出)被提供，该控制器允许改变供应到线性执行器44、46的气体压力。在该实施例中，供应到气动线性执行器44、46的气体压力可以在“高”压力和“低”压力之间变化，其中在“高”压力下，滚筒24保持在中心位置，在“低”压力下，滚筒24被释放并允许枢转。高压和低压的实际值取决于许多因素。

如图4所示，在向两个气动线性执行器44、46供应高气压的情况下，相应的活塞延伸，且执行器44、46的自由端45、47支承抵靠凸台48并因此向凸台48施加力。由于供给两个线性执行器44、46的压力相同，所以载架32被保持在中心位置，且滚筒24因此被保持在中心位置，在该中心位置中滚筒轴线R平行于横向轴线T。通过保持机构40所施加的保持力取决于供应到线性执行器44、46的气体压力。供应的气体压力越高，保持力越大，并因此使将载架和滚筒24朝远离中心位置枢转所需的力越大。在该特定实施例中，选择所供应的“高”气压使得：在铺叠头18的所有操作条件下，当供应高气压时，滚筒24将居中。然而，应该理解的是，如果足够的扭矩被施加到载架32上，则滚筒24可以朝远离中心位置枢转。在使用中，在牵引开始(即在施加行程的开始处)和牵引停止(即在施加行程结束时和在丝束切割之前)期间，高气压被供应到气动线性执行器44、46以确保一个高质量和可重复的铺叠工序。

然而，当铺叠头18在施加表面上移动以将纤维复合材料施加到表面的施加行程或运动期间，需要滚筒24相对于支撑头20枢转/倾斜，使得它可以更紧密地跟随施加表面的轮廓。为了释放滚筒24以使其能够枢转/倾斜，低气压被供应到气动线性执行器44、46中。所供应的气体的压力被选择为使得其足够低以允许滚筒24在操作条件下有足够的枢转运动。参考图5和图6，在低气压被供应给气动线性执行器44、46的情况下，它们施加到凸台48的力显著减小，使得枢转载架32所需的扭矩显著减小。这意味着，当铺叠头18在铺叠表面上移动时，滚筒24可以围绕滚筒枢轴P枢转，使得它可以相对于支撑头20在任一方向上倾斜。具体地，在该实施例中，滚筒24可以顺时针枢转(图5)，使得滚筒轴线R相对于横向轴线T成多达5°的角度，且可以逆时针枢转(图6)，使得滚筒轴线R相对于横向轴线T成多达5°的角度。当然，也可以根据具体应用选择其他角度。

当滚筒24和滚筒载架32绕着滚筒枢轴P沿顺时针方向(图5)枢转时，凸台48作用抵靠于第二气动线性执行器46的自由端47并压缩气缸内的气体。因此，第二线性执行器46起到抑制滚筒24的枢转运动的作用。当从滚筒32移除扭矩时(例如，如果铺叠头18从施加表面抬起)，第二气动线性执行器46再次延伸，使滚筒24居中。同样地，当滚筒24沿逆时针方向(图6)枢转时，凸台48作用抵靠于第一气动线性执行器44的自由端45并压缩气缸内的气体。第一线性执行器44因此起到抑制滚筒24的枢转运动的作用。当从滚筒32移除扭矩时，第一气动线性执行器44再次延伸，使滚筒24居中。因此，保持机构40的气动线性执行器44、46也提供阻尼机构，来抑制滚筒24的枢转运动，并将滚筒24偏置到中心位置。

应该理解的是，与向气动线性执行器供应相同的“高”压力或“低”压力相反，供应到气动执行器的气体压力可以是不同的，并且可以是任何合适的值。例如，在某些情况下，可能需要向气动线性执行器供应非常高的压力以便将滚筒保持在中心。在其他情况下，可能需要向气动线性执行器供应不同的压力以允许所期望的运动。

与使用两个气动线性执行器相反，保持机构可以使用其他类型的线性执行器，例如线性电动机、线性压电机或液压线性执行器。例如，如果使用液压线性执行器，则为了释放滚筒24，可能需要缩回活塞，使得载架32可以枢转。在一些实施例中，线性执行器的末端可以被固定到滚筒24或载架32上以便保持和释放它。在另一种布置中，线性执行器可以被固定到载架32，并作用抵靠于支撑头20。

尽管已经描述了保持机构40包括两个气动线性执行器44、46，但应该理解的是，保持机构40可以以任何合适的方式构造，只要滚筒24能够被锁定(或保持)以及被释放。例如，保持机构可以简单地说是闩锁(latch)或掣子(catch)，其可以接合以保持滚筒24，且可以分离以释放滚筒24并允许滚筒24枢转或倾斜。在另一种布置中，保持机构可以包括一个或多个电磁体，该电磁体可以被操作以保持滚筒并被释放以允许运动。

在上述实施例中，滚筒24可相对于支撑头20围绕枢轴P枢转。然而，在其他布置中，滚筒24可相对于支撑头20倾斜。例如，滚筒24可具有一些销，这些销位于与支撑头20相连接的一些平行槽中，这些销可在这些槽中滑动以允许倾斜运动。接着，保持机构40可以迫使滚筒抵靠槽的末端以防止倾斜并将其保持在中心位置，然后保持机构可以被释放以允许滚筒倾斜。当然，也可以使用其他合适的布置。

Claims

1.一种铺叠头，用于将细长纤维增强材料施加到施加表面，所述铺叠头包括：

支撑头，所述支撑头具有横向轴线；

分配机构，所述分配机构由所述支撑头承载，用于分配细长纤维增强材料；

滚筒，所述滚筒用于将细长纤维增强材料压靠在所述施加表面上，其中所述滚筒相对于所述支撑头可倾斜，使得滚筒轴线可相对于所述支撑头的所述横向轴线成角度；以及

保持机构，所述保持机构可操作以将所述滚筒保持在中心位置，在所述中心位置，所述滚筒轴线平行于所述支撑头的所述横向轴线，并且其中，所述保持机构可操作以释放所述滚筒以允许所述滚筒倾斜。

2.根据权利要求1所述的铺叠头，其中，所述保持机构可操作以施加保持力以将所述滚筒保持在所述中心位置。

3.根据权利要求2所述的铺叠头，其中，所述滚筒被偏置到所述中心位置。

4.根据权利要求3所述的铺叠头，其中，所述保持机构将所述滚筒偏置到所述中心位置。

5.根据权利要求3所述的铺叠头，其中，所述滚筒的倾斜运动被抑制。

6.根据权利要求5所述的铺叠头，其中，所述保持机构被布置成抑制所述滚筒的倾斜运动。

7.根据权利要求1所述的铺叠头，其中，所述滚筒能够围绕滚筒枢轴相对于所述支撑头枢转。

8.根据权利要求7所述的铺叠头，其中，所述滚筒枢轴垂直于所述滚筒轴线。

9.根据权利要求7或8所述的铺叠头，其中，所述滚筒被安装到载架上，所述载架可枢转地安装到所述支撑头上。

10.根据权利要求1所述的铺叠头，其中，所述保持机构包括至少一个作用在所述支撑头与所述滚筒之间的线性执行器。

11.根据权利要求1所述的铺叠头，其中，所述保持机构包括第一线性执行器和第二线性执行器，所述第一线性执行器和所述第二线性执行器被布置成在所述支撑头与所述滚筒之间沿大致相反的方向作用。

12.根据权利要求11所述的铺叠头，其中，每个线性执行器具有自由端，所述自由端具有支承表面，所述支承表面被布置成作用抵靠于相对应的支承表面。

13.根据权利要求12所述的铺叠头，其中，所述第一线性执行器和所述第二线性执行器安装到所述支撑头上，并且其中每个线性执行器的自由端被布置成作用抵靠于与所述滚筒相关联的相对应的支承表面。

14.根据权利要求12或13所述的铺叠头，其中，所述第一线性执行器和所述第二线性执行器布置成沿平行于所述支撑头的所述横向轴线的相反的方向作用。

15.根据权利要求11所述的铺叠头，其中，所述第一线性执行器和所述第二线性执行器分别是第一气动线性执行器和第二气动线性执行器。

16.根据权利要求15所述的铺叠头，其中，通过控制供应到所述第一气动线性执行器和所述第二气动线性执行器的气体的压力，所述保持机构可操作以将所述滚筒保持在中心位置。

17.根据权利要求15所述的铺叠头，其中，所述保持机构可操作以施加保持力以将所述滚筒保持在所述中心位置；并且

其中，通过控制供应到所述第一气动线性执行器和所述第二气动线性执行器的气体的压力，所述保持机构可操作以释放所述滚筒。

18.根据权利要求16或17所述的铺叠头，还包括控制器，所述控制器用于控制供应到所述第一气动线性执行器和所述第二气动线性执行器的气体的压力。

19.根据权利要求1所述的铺叠头，其中，所述滚筒能够倾斜到所述中心位置的任一侧。

20.根据权利要求1所述的铺叠头，还包括切割机构，所述切割机构由所述支撑头承载，并且所述切割机构可操作以切断穿过所述切割机构的轧点的细长纤维增强材料。

21.根据权利要求20所述的铺叠头，其中，所述轧点在平行于所述支撑头的所述横向轴线的方向上延伸。

22.根据权利要求20或21所述的铺叠头，其中，所述铺叠头被布置成同时并排地施加多种长度的细长纤维增强材料。