CN108698338A - 由一个或多个材料层生产层压板的方法和装置 - Google Patents

由一个或多个材料层生产层压板的方法和装置 Download PDF

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瑟奥法尼斯·瑟奥法努斯
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Abstract

本发明涉及用于围绕芯轴(30)和围绕芯轴(30)的纵向轴缠绕一个或多个材料层(18a)的每个材料层的部分的方法和装置(14a)，其中每个材料层(18a)包括纤维并且进行缠绕使得对于每个材料层(18a)的缠绕部分，大多数纤维的每一个相对于芯轴(30)的纵向轴成角度地设置，以及：(1)将带(82)设置在材料层(18a)上，使得带(82)的至少一部分覆盖每个材料层(18a)的缠绕部分的至少一部分，且带(82)的部分的长尺寸基本上平行于芯轴(30)的纵向轴；和/或(2)将缠绕部分的邻近部分点接合在一起。

Description

由一个或多个材料层生产层压板的方法和装置
相关申请的交叉引用
本申请要求2016年3月1日提交的美国临时专利申请序列号62/301,961和2017年1月3日提交的美国临时专利申请序列号62/441,820的优先权。每个上述引用的公开的全部内容通过引用明确地并入本文，而没有放弃声明(disclaimer)。
技术领域
本发明总体上涉及复合材料，且更具体地，但不限制地，涉及用于由一个或多个材料层诸如例如一个或多个单向纤维带(unidirectional fiber tapes)生产层压板(laminate)诸如例如，斜交铺层压板(angle-ply laminate)的方法和系统。
背景技术
在制造部件时，可将层压板放置在部件之上和/或之内，以在某些区域中提供额外的强度和/或刚度，从而有助于部件满足强度、刚度、重量和其他要求。对于一些部件，可能需要相对复杂的层压板，例如包括一个或多个斜交铺薄层(angle-ply laminae)的那些，每个薄层具有相对于薄层的长尺寸(long dimension，长维度)以多个角度中的一个或多个取向的纤维。
在许多情况下，薄层可包括复合带(composite tape)。可能由于制造困难，仅某些类型的复合带可以容易地获得，诸如例如，包括与带的长尺寸对齐的纤维的那些(例如，单向纤维带，0/90带等)。因此，为了使用容易获得的复合带获得相对复杂的层压板，通常需要昂贵的机器来精确地将带的部分(section)放置在所需的取向上以产生各种斜交铺薄层。
公开号US 2010/0075126和WO 2014/125268各自公开了用于通过以下方式生产斜交铺薄层的方法和装置：(a)将一个或多个复合带缠绕在芯轴(mandrel)上以形成管；和(b)切割该管以产生薄层。在这些方法和装置中，通过将带的边缘彼此连续地结合而沿着管彼此相对地定位复合带，这可能是复杂的和/或导致缺陷(imperfections)，例如在生产的薄层中的带的变形。这些方法和装置可能不足以保护复合带或生产的薄层免受在切割管期间或之后可能导致的损坏(例如，磨损(fraying)、纤维位错(fiber dislocation)等)。
发明内容
本公开的一些实施方式可有助于定位沿着芯轴相对于彼此围绕芯轴缠绕的材料层，同时通过包括以下各项和/或被配置为以下各项来减轻材料层的变形：(1)将带设置在材料层上，使得至少一部分带覆盖每个材料层的缠绕部分的至少一部分，并且在一些这样的实施方式中，带的部分的长尺寸基本上平行于芯轴的纵向轴；和/或(2)将缠绕部分的邻近(例如，边缘到边缘和/或重叠)部分或包裹(wrap)点接合(spot-joining)在一起，使得在一些这样的实施方式中，至少两个接合点位于沿着基本上平行于芯轴的纵向轴的线。
本公开的一些实施方式可以通过包括和/或配置成在材料层上设置带，使得带的至少一部分覆盖每个材料层的缠绕部分的至少一部分，保护围绕芯轴缠绕的材料层免受在材料层的缠绕部分切割(slit)期间或之后可能另外发生的损坏以产生层压板(laminate)，并且在一些这样的实施方式中，带的部分的长尺寸基本上平行于芯轴的纵向轴，并且切割带的部分和缠绕部分以产生层压板。
术语“结合的(coupled)”定义为连接的，尽管不一定是直接连接，也不一定是机械连接；“结合的”的两个物品(item)可以彼此成为整体。除非本公开另有明确要求，否则术语“一个(a)”和“一种(an)”被定义为一个或多个。如本领域普通技术人员所理解的，术语“基本上”被定义为很大程度上但不一定完全是指定的(并且包括所指定的内容；例如，基本上90度包括90度并且基本平行包括平行)。在任何公开的实施方式中，术语“基本上”可以用“在指定的事物的[百分比]内”代替，其中百分比包括0.1％、1％、5％和10％。
此外，以某种方式配置的装置或系统至少以这种方式配置，但其也可以除了具体描述的方式之外的其他方式配置。
术语“包括(“comprise)”(和包括的任何形式，例如“包括(comprises)”和“包括了(comprising)”)，“具有(have)”(和具有的任何形式，例如“具有(has)”和“具有了(having)”)和“包括(include)”(和包括的任何形式，例如“包括(includes)”和“包括了(including)”)都是开放式连接动词。因此，“包括(comprises)”，“具有(has)”或“包括(includes)”一个或多个元件的装置具有那些一个或多个元件，但不限于仅具有那些元件。同样地，“包括(comprises)”，“具有(has)”或“包括(includes)”一个或多个步骤的方法具有那些一个或多个步骤，但不限于仅具有那些一个或多个步骤。
短语“和/或”表示和或者或。为了说明，A、B和/或C包括：单独的A、单独的B、单独的C、A和B的组合、A和C的组合、B和C的组合、或A、B和C的组合。换句话说，“和/或”作为包含性的或运用。
任何装置、系统和方法的任何实施方式可以由任何所描述的步骤、元件和/或特征组成或基本上由其组成，而不是包含(comprise)/包括(include)/具有(have)其。因此，在任何权利要求中，术语“由…组成”或“基本上由…组成”可以代替上述任何开放式连接动词，以便改变给定权利要求的范围，否则由其它将使用开放式连接动词。
除非本公开或实施方式的性质明确禁止，否则即使没有描述或示出，一个实施方式的特征或多个特征也可应用于其他实施方式。
下面描述与上述实施方式和其他实施方式相关的一些细节。
附图说明
以下附图通过实例而非限制的方式示出。为了简洁和清楚起见，给定结构的每个特征并不总是标记在出现该结构的每个附图中。相同的参考标号不一定表示相同的结构。相反，相同的参考标号可用于指示类似的特征或具有类似功能的特征，不同的参考标号也可以。
图1是代表本发明方法的一些实施方式的流程图。
图2A和图2B是根据本公开的一些实施方式的由单向纤维带制造斜交铺层压板的卷-卷过程(roll-to-roll process)的示意图。
图3是图2A和图2B中所示的芯轴的横截面端视图。
图4A是根据本公开的一些实施方式的由两个或更多个单向纤维带制造斜交铺层压板的方法的示意图。
图4B是根据本公开的一些实施方式的由两个或更多个单向纤维带制造斜交铺层压板的方法的示意图。
图5A描绘了辊的前视图，其可适用于本公开的一些实施方式。
图5B描绘了芯轴的横截面端视图，其可适用于本公开的一些实施方式。
图6A是单向纤维带的示意图，其可适用于本公开的一些实施方式。
图6B是层压板的示意图，其可使用图2A和图2B的方法由图6A的单向纤维带制成。
图7是芯轴的横截面端视图，其可适用于本公开的一些实施方式。
图8A描绘了围绕芯轴缠绕的材料层，每个材料层被切割以限定层的端部在相对于层的长度的90°处。
图8B描绘了围绕芯轴缠绕的材料层，每个材料层被切割以限定层的端部，当该层围绕芯轴缠绕时，该端部与芯轴的端部齐平。
图9和图10是围绕不同直径的芯轴缠绕的各种材料层的切屑率(scrap rate)相对于缠绕角度的曲线图。
图11是示出当针对各种芯轴直径和缠绕角度将层围绕芯轴缠绕时所希望的材料层的宽度的曲线图。
具体实施方式
如在本公开中所用，“薄层(lamina)”是通过将基质材料(matrix material)引入纤维排列而形成的材料层，且“薄层(laminae)”是薄层(lamina)的复数形式。“层压板”是包括一个或多个薄层的材料层，无论是否固结。如本文所用，“斜交铺(angle-ply)”层压板是包括至少一个薄层的层压板，其中基本上所有纤维相对于层压板的长尺寸成角度地设置。
图2A和图2B示出了本发明方法的一个实施方式10a，如使用本发明系统的一个实施方式14a进行的。在整个本公开中，仅通过说明的方式提供和讨论系统14a，因为包括方法10a的本发明方法可以使用任何合适的系统来进行。本发明方法的一些实施方式包括围绕芯轴(例如，30)缠绕一个或多个材料层(例如，18a、18b、18c等)中的每一层的部分(有时称为缠绕部分)(例如，步骤204，图1)。例如，方法10a包括围绕芯轴30缠绕材料层18a的部分。这样的材料层(例如，18a、18b、18c等)可包括纤维(例如，22a、22b、22c等)，诸如例如碳、玻璃、玄武岩、布等的纤维，其可以分散在基质材料(例如，26)内(例如，材料层可以包括层压板)。对于包括纤维(例如，22a、22b、22c等)的材料层(例如，18a、18b、18c等)，这种纤维可以在材料层内以任何合适的方式相对于彼此定向，诸如例如，相对于彼此对齐或成角度设置，限定分层和/或交织结构等。例如，材料层18a是包括分散在(例如，热塑性)基质材料26内的纤维22a的层压板，其中基本上所有纤维基本上平行于彼此以及材料层的长尺寸(例如，材料层18a包括0度单向纤维带)。材料层(例如，18a、18b、18c等)可以不包括纤维。材料层(例如，18a、18b、18c等)可包括网状、蜂窝状等结构。
通过实例提供，热塑性基质材料(例如，26)可包括聚乙烯亚胺、聚醚酰亚胺或其衍生物，聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚碳酸酯、聚对苯二甲酸丁二醇酯、聚(1,4-环亚己基环己烷-1,4-二羧酸酯)、二醇改性的聚对苯二甲酸环己醇酯、聚苯醚、聚丙烯、聚乙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、热塑性弹性体、对苯二甲酸弹性体、聚(对苯二甲酸环己烷二亚甲基酯)、聚萘二甲酸乙二醇酯、聚酰胺(例如，PA6、PA66、等)、聚砜磺酸盐、聚醚醚酮、聚醚酮酮、丙烯腈丁二烯苯乙烯、聚苯硫醚、聚碳酸酯/聚丁二酸丁二醇酯、其共聚物、或其组合。
系统14a的芯轴30具有纵向轴34。芯轴30具有垂直于纵向轴34截取的横截面，其限定圆形外周长36(图3)。芯轴30的外周长36沿纵向轴34是恒定的，至少对于意图将材料层(例如，18a)围绕其缠绕的芯轴的部分(例如，芯轴或其部分，是圆柱形的)。芯轴(例如，30)可包括任何合适的形状，诸如例如，具有三角形、正方形、矩形、否则为多边形、圆形、椭圆形、其他圆形等的外周长(例如，36)，且外周长的尺寸和/或形状可以沿芯轴的纵向轴(例如，34)变化(例如，芯轴可以沿着纵向轴逐渐变细和/或扭曲)。芯轴(例如，30)可以具有任何合适的尺寸，例如，最大横向尺寸(例如，32)(例如，直径)大于或等于以下尺寸中的任何一个或在其任何两个之间：100、110、120、130、140、150、160、170、180、190、200、210、220、230、240、250、260、270、280、290、300、310、320、330、340、350、360、370、380、390、400、410、420、430、440、450、460、470、480、490、500、或更多毫米(mm)。
芯轴(例如，30)可配置为便于相对于芯轴保持材料层(例如，18a、18b、18c等)的缠绕部分。例如，芯轴(例如，30)可以包括具有纹理的外表面，限定凹槽和/或脊，包括粘合剂等，使得例如，芯轴物理抵抗(例如，过早的)材料层(例如，18a、18b、18c等)的缠绕部分从芯轴和/或相对于芯轴的分离和/或运动。芯轴(例如，30)可配置为被加热，这可以促进材料层(例如，18a、18b、18c等)的缠绕部分的邻近部分之间的结合等，从而相对于芯轴保持缠绕部分。在这样的实施方式中，芯轴可包括具有相对高的热导率的材料，诸如例如，银、铜、铝等。芯轴(例如，30)可以包括外表面，该外表面限定一个或多个开口，所述开口配置为与真空源流体连通(例如，使得可以通过开口施加真空以促进相对于芯轴保持材料层(例如，18a、18b、18c等)的缠绕部分。
在本方法的一些实施方式中，每个材料层(例如，18a、18b、18c等)设置在一个或多个滑轮(例如，38a、38b、38c等)中的相应一个上，并且缠绕包括相对于芯轴(例如，30)和围绕芯轴的纵向轴(例如，34)旋转每个滑轮(尽管每个滑轮不需要在相同方向上旋转)。例如，在方法10a中，材料层18a的至少一部分可以围绕滑轮38a缠绕-其可以表征为线轴(spool)-并且当滑轮相对于芯轴30并围绕芯轴的纵向轴34旋转时(例如，通常在箭头42a所示的方向上)，当材料层从滑轮上解绕时，材料层可以围绕芯轴缠绕。当材料层18a从滑轮38a上解绕时，滑轮可围绕其纵向轴46旋转(例如，通常在箭头50指示的方向上)。一个或多个滑轮(例如，38a、38b、38c等)相对于芯轴(例如，30)和围绕芯轴的纵向轴(例如，34)的这种旋转可以任何合适的方式实现，包括：(1)芯轴围绕纵向轴可旋转地固定，同时滑轮围绕纵向轴旋转；(2)当芯轴围绕纵向轴旋转时，滑轮围绕纵向轴可旋转地固定(忽略滑轮围绕它们相应的纵向轴46的任何旋转)；或(3)滑轮和芯轴围绕纵向轴旋转。当材料层围绕芯轴(例如，30)缠绕时，至少一个滑轮(例如，38a、38b、38c等)可配置为张紧(tension)至少部分地设置在滑轮上的材料层(例如，18a、18b、18c等)，诸如例如，通过滑轮的(例如，摩擦)阻力以围绕其纵向轴(例如，46)旋转，这可以促进相对于芯轴保持和/或放置材料层的缠绕部分。
系统14a包括辊54，辊54配置为将围绕芯轴30缠绕的材料层(例如，18a、18b、18c等)压靠在芯轴的外表面上。至少以这种方式，辊54可以便于去除可能被截留在材料层(例如，18a、18b、18c等)的缠绕部分和芯轴30之间的空气，以及相对于芯轴保持和/或放置缠绕部分。可以加热辊(例如，54)，这可以提供类似于以上针对加热的芯轴所述的那些的功能和优点。辊54可包括下面关于辊98描述的任何一个或多个特征。
本方法的一些实施方式包括相对于一个或多个滑轮(例如，38a、38b、38c等)平移芯轴(例如，30)。例如，方法10a包括在与芯轴的纵向轴34基本上对齐的方向上(例如，通常在箭头56所示的方向上)相对于滑轮38a平移芯轴30。芯轴(例如，30)相对于一个或多个滑轮(例如，38a、38b、38c等)的这种平移可以任何合适的方式实现，包括：(1)当平移芯轴时，滑轮是平移固定的，忽略滑轮围绕芯轴的纵向轴(例如，34)或围绕它们各自的纵向轴(例如，46)的任何旋转；(2)当平移滑轮时，芯轴被平移固定；或(3)通过滑轮和芯轴二者的平移。
本公开的一些实施方式可配置为以连续的-与间歇方法相反的-方式生产层压板，使得例如，层压板的长度可以不受芯轴(例如，30)长度的限制。例如，芯轴30可特征在于环形芯轴(endless mandrel)，包括两个或更多个芯轴段(例如，30a和30b)，它们可拆卸地或可移动地彼此连接。芯轴(例如，30)的芯轴段(例如，30a和30b)可被可拆卸地彼此连接，使得例如，在芯轴段已移动到围绕芯轴缠绕的材料层(例如，18a、18b、18c等)的下游之后(例如，在切割器110的下游，下面将更详细地描述)，芯轴段可以与芯轴分离并且在缠绕部分的上游重新连接到芯轴上(例如，滑轮38a、38b、38c等的上游)(例如，通常由箭头58示出的过程)。
芯轴段(例如，30a和30b)可被可移动地彼此连接(例如，通过芯轴段的邻近的芯轴段之间的铰接或枢转连接)，使得例如芯轴段可以配合以限定连续(例如，环路)结构。在这样的实施方式中，当芯轴段接近位于围绕芯轴(例如，滑轮38a、38b、38c等的上游)缠绕的材料层(例如，18a、18b、18c等)的上游和附近的位置时，芯轴段可被枢转或引导(例如，通过轨道、引导件、辊等)为适当的对齐以接收其上的材料层(例如，使得芯轴段基本上与围绕其缠绕材料层的另一个芯轴段对齐)。在芯轴段移动到材料层的下游(例如，切割器110的下游)之后，芯轴段可被枢转或引导(例如，通过轨道、引导件、辊等)以最终返回到靠近材料层的上游位置(例如，以连续的方式)。
本公开的实施方式可以包括或被配置用于以任何合适的方式围绕芯轴(例如，30)缠绕任何合适数量的材料层(例如，18a、18b、18c等)，诸如例如，以形成具有边缘-边缘(edge-to-edge)和/或重叠(例如，其每个可以表征为邻近的)部分的缠绕部分。至少通过改变这些参数，本方法和系统可被配置为生产具有不同机械性能的层压板。
例如，方法10a包括围绕芯轴30缠绕单个材料层18a，使得对于材料层的缠绕部分，大多数纤维22a中的每一个相对芯轴的纵向轴34成角度地设置(例如，以基本上相同的角度62a)。在方法10a中，材料层18a包括第一侧边缘66a和第二侧边缘66b，第二侧边缘66b与第一侧边缘相对，并且进行缠绕使得对于材料层的缠绕部分，第一侧边缘位于第二侧边缘旁边或与第二侧边缘处于边缘-边缘(edge-to-edge relationship)关系(例如，在0.0至0.5mm之内)(例如，第一侧边缘与第二侧边缘邻近)。因此，方法10a和/或系统14a可被配置为产生斜交铺层压板，其取决于材料层18a的缠绕部分如何被切开以产生层压板(下面更详细地描述)，可以使纤维22a相对于层压板的长尺寸以角度62a取向。
此外参考图4A，示出了使用本系统的一个实施方式14b进行的本方法的一个实施方式10b，其每一个可以分别与方法10a和系统14a基本类似，具有下面描述的主要例外。方法10b包括围绕芯轴30缠绕两个材料层18b和18c(例如，步骤204，图1)。在方法10b和系统14b中，材料层18b可以至少部分地设置在滑轮38b上，当滑轮相对于芯轴和围绕芯轴的纵向轴34旋转时，滑轮38b可以围绕芯轴30缠绕材料层(例如，通常在箭头42b所示的方向上)。如所示，材料层18c可以至少部分地设置在滑轮38c上，当滑轮相对于芯轴和围绕芯轴的纵向轴34旋转时，滑轮38c可以围绕芯轴30缠绕材料层(例如，通常在箭头42c所示的方向上)。
类似于方法10a，在方法10b中，材料层18b和/或18c可各自围绕芯轴30缠绕，使得材料层的第一侧边缘66a位于材料层的第二侧边缘66b旁边。在方法10b中，可以进行缠绕，使得材料层18c的缠绕部分覆盖材料层18b的缠绕部分的至少一部分(例如，使得材料层18b和18c的缠绕部分重叠)。如所示，可以进行缠绕，使得对于材料层18b的缠绕部分，大多数纤维22b中的每一个相对于芯轴30的纵向轴34成角度地设置在基本上第一角度62b处，并且对于材料层18c的缠绕部分，大多数纤维22c中的每一个相对于芯轴的纵向轴成角度地设置在基本上第二角度62c处。第一角度62b可以与第二角度62c相差诸如例如，10至80度、20至70度、30至60度、40至50度等。因此，方法10b和系统14b可被配置为产生斜交铺层压板，其取决于材料层18b和18c的缠绕部分如何被切开以产生层压板，可以相对于层压板的长尺寸使纤维22b以角度62b取向且纤维22c以角度62c取向。
此外参考图4B，示出了使用本系统的一个实施方式14c进行的本方法的一个实施方式10c，其每一个可以分别与方法10b和系统14b基本类似，具有下面描述的主要例外。在方法10c和系统14c中，滑轮38b和38c可以各自相对于芯轴30并且围绕芯轴的纵向轴34在相同方向上旋转(例如，通常在箭头42c所示的方向上)以分别围绕芯轴缠绕材料层18b和18c。如所示，可以进行缠绕，使得：(1)材料层18b的侧边缘(例如，66b)位于材料层18c的侧边缘(例如，66a)旁边；(2)对于每个材料层，大多数纤维22b和22c中的每一个分别相对于芯轴30的纵向轴34成角度地设置(例如，以基本上相同的角度62d)。因此，方法10c和系统14c可被配置为产生斜交铺层压板，其取决于材料层18b和18c的缠绕部分如何被切开以产生层压板，可以相对于层压板的长尺寸使纤维22b和纤维22c以角度62d取向。
本方法的一些实施方式包括将围绕芯轴(例如，30)缠绕的材料层(例如，18a、18b、18c等)的邻近部分点接合(spot-joining)在一起(例如，步骤208，图1)。这种点接合可以包括加热(例如，使用加热辊)、焊接(例如，红外焊接、激光焊接、超声波焊接、摩擦焊接等)、粘合剂粘合、化学粘合等。例如，在方法10a中，可将材料层18a的缠绕部分的边缘-边缘部分在接合点70处点接合在一起。在方法10b中，可将材料层18b的缠绕部分的边缘-边缘部分，材料层18c的缠绕部分的边缘-边缘部分，和/或材料层18b和18c的缠绕部分的重叠部分在接合点70处点接合在一起。在方法10c中，可将材料层18b和18c的缠绕部分的边缘-边缘部分在接合点70处点接合在一起。可以进行这样的点接合，使得至少两个接合点(例如，70)位于沿着基本上平行于芯轴(例如，30)的纵向轴(例如，34)的线(例如，74)(图2A)。以这些方式和其他方式，本公开的一些实施方式可以有助于沿着芯轴(例如，30)相对于彼此定位材料层(例如，18a、18b、18c等)，同时减少在生产的层压板中的缺陷，例如材料层的变形。在一些实施方式中，围绕芯轴(例如，30)缠绕的材料层(例如，18a、18b、18c等)的邻近部分可通过连续焊接(例如，沿着材料层的侧边缘，沿芯轴的纵向轴34等)接合。
可以使用任何合适的结构来进行这种点接合，并且仅通过实例的方式提供系统14a的以下描述。系统14a包括焊机78(例如，红外焊机、激光焊机、超声波焊机、摩擦焊机等)，其被配置为点焊围绕芯轴30缠绕的材料层(例如，18a、18b、18c等)的邻近部分。焊机78围绕芯轴30的纵向轴34可旋转地固定；在其他实施方式中，焊机(例如，78)可被配置为相对于芯轴(例如，30)的纵向轴(例如，34)旋转，诸如例如，与一个或多个滑轮(例如，38a、38b、38c等)中的至少一个一起，与芯轴一起等。焊机78被配置为相对于芯轴30平移(例如，在与芯轴的纵向轴34基本上对齐的方向上)。焊机(例如，78)相对于芯轴(例如，30)的这种平移可以任何合适的方式实现，包括：(1)当平移芯轴时，焊机被平移固定，忽略焊机围绕芯轴的纵向轴(例如，34)的任何旋转；(2)当平移焊机时，芯轴被平移地固定(例如，通过可以连接焊机的滑架(carriage)的移动等)；或(3)通过焊机和芯轴二者的平移。
焊机(例如，78)可被配置为基于例如(例如，基于传感器)检测一个或多个材料层(例如，18a、18b、18c等)中的至少一个的侧边缘(例如，66a或66b)，一个或多个滑轮(例如，38a、38b、38c等)中的至少一个相对于芯轴(例如，30)的旋转位置和/或速度，材料层中的至少一个的宽度，材料层中的至少一个的长尺寸与芯轴的纵向轴(例如，34)之间的角度(例如，材料层的缠绕角度)等周期性地产生点焊。焊机(例如，78)可包括多个焊接尖端或头，使得例如，焊机可以同时或基本上同时的方式产生两个或更多个点焊。
本方法的一些实施方式包括将带(例如，82)设置在围绕芯轴(例如，30)缠绕的材料层(例如，18a、18b、18c等)上，使得带的至少一部分(例如，86)覆盖每个材料层的缠绕部分的至少一部分(但不一定接触每个材料层的缠绕部分)(例如，步骤212，图1)。这样的带(例如，82)可包括任何合适的材料，例如，热塑性材料，其可被选择以匹配带将被设置在其上的材料层(例如，18a、18b、18c等)的基质材料(例如，26)，并且可以包括或可以不包括纤维。在方法10a中，带82设置在材料层18a上，使得带的至少一部分86覆盖材料层的缠绕部分，更具体地，其至少两个边缘-边缘部分。带82的部分86包括长尺寸，其可以基本上平行于芯轴30的纵向轴34和宽度90(例如，宽度的一半在图2A中示出)，其可以小于芯轴的外周长36(例如，小于芯轴的外周长的一半)。
本方法的一些实施方式包括将带(例如，82)的一部分(例如，86)结合到围绕芯轴(例如，30)缠绕的材料层(例如，18a、18b、18c等)上。这种结合可以包括加热(例如，使用加热辊)、焊接(例如，红外焊接、激光焊接、超声波焊接、摩擦焊接等)、粘合剂结合、化学结合等。以这些方式和其他方式，本公开的一些实施方式可以有助于沿着芯轴(例如，30)相对于彼此定位材料层(例如，18a、18b、18c等)，同时减少在生产的层压板中的缺陷，例如材料层的变形。
这种将带(例如，82)或其一部分(例如，86)设置和/或结合至材料层(例如，18a、18b、18c等)的缠绕部分和/或其上可以使用任何合适的结构来进行，并且仅通过实例的方式提供系统14a的以下描述。系统14a包括带分配器94，其可以包括卷轴(spool)，带(例如，82)可以围绕卷轴缠绕，并且从该卷轴可以将带的至少一部分(例如，86)提供给围绕芯轴30缠绕的材料层(例如，18a、18b、18c等)。类似于如上针对焊机(例如，78)所述，这种带分配器(例如，94)可以配置或可以不配置成相对于芯轴(例如，30)的纵向轴(例如，34)旋转，并且可以配置或可以不配置成相对于芯轴平移。
系统14a包括辊98，辊98被配置为将带(例如，82)或其一部分(例如，86)压靠在材料层(例如，18a、18b、18c等)的缠绕部分上。这样的辊(例如，98)可以促进带(例如，82)或其一部分(例如，86)与围绕芯轴(例如，30)缠绕的材料层(例如，18a、18b、18c等)的结合和/或去除可能被捕获在带或其一部分与材料层之间的任何空气。
通过实例提供，图5A描绘了可适用于本公开的一些实施方式(例如，14a，作为辊98)的辊98a。辊98a可具有与芯轴30的形状对应的形状。例如，辊98a的一部分和彼此接触的芯轴30的一部分可各自具有表面，其中表面具有基本上相似的曲率，辊的该部分的横截面和芯轴的该部分的横截面可以具有基本上相同的形状(例如，两者都是圆形的并且具有基本上相同的半径，如图5A所示)等。对于其他实例，辊98可以限定凹槽120，凹槽120被配置为接收芯轴30的一部分。在至少这些方式中，可以增加辊98a和芯轴30之间的接触面积。
辊(例如，98)可以包括弹性材料，使得例如辊和芯轴(例如，30)之间的接触区域随着辊施加到芯轴上的力而增加。这种弹性材料可包括例如橡胶、弹性体、聚氨酯、弹性热塑性材料等。可以加热辊(例如，98)，这可以提供类似于以上针对加热的芯轴所述的那些的功能和优点。
此外参考图5B，示出了芯轴30a，其可适用于本公开的一些实施方式(例如，14a，作为芯轴30)。芯轴30a可被配置为促进带(例如，82)与围绕芯轴缠绕的材料层(例如，18a、18b、18c等)的结合和/或去除可能被捕获在带与材料层之间的任何空气。例如，芯轴30a可包括平面部分122，其可沿芯轴的纵向轴34延伸。平面部分122可以具有宽度126，该宽度126基本上等于带(例如，82)和/或辊98的宽度，其大于或等于以下任何一个或位于以下任何两个之间：芯轴的最大横向尺寸(例如，32)的5％、10％、15％、20％、25％、30％、35％或更多％等。芯轴(例如，30a)的这种平面部分(例如，122)可以增加辊(例如，98)和芯轴之间的接触面积，便于带(例如，82)相对于芯轴的放置，和/或在组件相对于芯轴运动期间引导组件(例如，辊54、焊机78、带分配器94、辊98、激光器102、切割器110、辊118等)(例如，通过提供平坦表面，组件可以沿着该平坦表面相对于芯轴移动)。
系统14a包括激光器102，激光器102被配置为通过例如将一个或多个激光束引导到靠近辊98并在辊98下游的带的一部分，将带(例如，82)或其一部分(例如，86)焊接到围绕芯轴(例如，30)缠绕的材料层(例如，18a、18b、18c等)。在一些实施方式中，带(例如，82)与围绕芯轴(例如，30)缠绕的材料层(例如，18a、18b、18c等)的结合可使用红外焊机、超声波焊机、摩擦焊机、一个或多个加热的辊(例如，98)等(例如，使用或不使用激光器102)进行。
此外参考图6A和图6B，本方法的一些实施方式包括将围绕芯轴(例如，30)缠绕的材料层(例如，18a、18b、18c等)的至少一部分切割以产生层压板(例如，步骤216，图1)。在方法10a中，材料层18a的缠绕部分可以被切割并从芯轴30移除以产生层压板106。如所示，切割沿着基本上平行于芯轴30的纵向轴34的线进行。在其中带(例如，82)或其一部分(例如，86)设置在材料层(例如，18a、18b、18c等)的缠绕部分上的实施方式中，切割可以包括切割带或其一部分。在方法10a中，进行切割，使得带82的部分86基本上被平分(bisected)。如图6B所示，在切割之后，带82的部分86设置在层压板106的相对侧边缘上。以这些方式和其他方式，本公开的一些实施方式可以保护围绕芯轴(例如，30)缠绕的材料层(例如，18a、18b、18c等)免受可能以其他方式在切割材料层的缠绕部分期间或之后发生的损坏以产生层压板。
围绕芯轴(例如，30)缠绕的材料层(例如，18a、18b、18c等)的这种切割可以使用任何合适的结构来进行，并且仅通过实例提供系统14a的以下描述。系统14a包括切割器110，切割器110可包括刀片或边缘，其被配置为切割材料层(例如，18a、18b、18c等)的缠绕部分以产生层压板(例如，106)。类似于如上针对焊机(例如，78)所述，这种切割器(例如，110)可以配置或可以不配置成相对于芯轴(例如，30)的纵向轴(例如，34)旋转，并且可以配置或可以不配置成相对于芯轴平移。在一些实施方式中，切割器(例如，110)可包括激光器。系统14a包括线轴114，一旦材料层(例如，18a、18b、18c等)的缠绕部分被切割产生层压板，可以围绕该线轴114缠绕层压板(例如，106)，这可以通过一个或多个辊118促进。
此外参考图7，示出了芯轴30b，其可适用于本公开的一些实施方式(例如，14a，作为芯轴30)。芯轴30b可包括凹槽134，凹槽134被配置为接收切割器110的刀片或边缘，以在切割围绕芯轴缠绕的材料层(例如，18a、18b、18c等)期间沿着芯轴引导刀片或边缘。凹槽134可基本上与芯轴30b的纵向轴34对齐。凹槽134可以促进切割器110的刀片或边缘的精确和/或直线切割，减轻芯轴30b的表面与刀片或边缘的刨削(gouging)等。
本系统(例如，14a)的组件(例如，辊54、焊机78、带分配器94、辊98、激光器102、切割器110、辊118等)可以设置在可以相对于芯轴(例如，30)移动的一个或多个滑架(例如，130，图2A)上。这样的滑架(例如，130)可以促进一个或多个组件相对于芯轴(例如，30)一致地(in unison)移动，两个或更多个组件相对于彼此的放置等。
用于制造层压板的本发明方法的一些实施方式包括：围绕芯轴和围绕芯轴的纵向轴缠绕一个或多个材料层中的每一层的部分，其中每个材料层包括纤维并且进行缠绕使得对于每个材料层的缠绕部分，大多数纤维中的每一个相对于芯轴的纵向轴成角度地设置。在一些实施方式中，至少一个材料层的纤维包含碳纤维。在一些实施方式中，至少一个材料层的纤维包含玻璃纤维。在一些实施方式中，至少一个材料层的纤维包含玄武岩纤维。在一些实施方式中，至少一个材料层包括基质材料。在一些实施方式中，基质材料包含热塑性材料。在一些实施方式中，至少一个材料层包括单向纤维带。
在一些实施方式中，一个或多个材料层包括两层或更多个材料层。在一些实施方式中，进行缠绕使得至少一个材料层的缠绕部分覆盖至少一个另外的材料层的缠绕部分。在一些实施方式中，进行缠绕使得至少一个材料层的侧边缘位于至少一个另外的材料层的侧边缘旁边。
在一些实施方式中，进行缠绕使得对于第一个材料层的缠绕部分，大多数纤维中的每一个相对于芯轴的纵向轴成角度地设置在基本上第一角度处，并且对于第二个材料层的缠绕部分，大多数纤维中的每一个相对于芯轴的纵向轴成角度地设置在基本上第二角度处，其中第一角度与第二角度不同。在一些实施方式中，第一角度与第二角度相差10至80度。在一些实施方式中，第一角度与第二角度相差20至70度。在一些实施方式中，第一角度与第二角度相差30至60度。在一些实施方式中，第一角度与第二角度相差40至50度。
在一些实施方式中，每个材料层设置在一个或多个滑轮中的相应一个上，并且缠绕包括相对于芯轴和围绕芯轴的纵向轴旋转每个滑轮。一些实施方式包括使芯轴相对于滑轮在基本上与芯轴的纵向轴对齐的方向上平移。在一些实施方式中，芯轴包括具有两个或多个芯轴段的环形芯轴，所述芯轴段可拆卸地或可移动地彼此连接。
一些实施方式包括将缠绕部分的邻近部分点接合在一起。在一些实施方式中，一个或多个材料层包括第一材料层和第二材料层，进行缠绕使得第二材料层的缠绕部分覆盖第一材料层的缠绕部分，并且进行点接合，使得第一层材料与第二层材料点接合。在一些实施方式中，一个或多个材料层包括第一材料层和第二材料层，进行缠绕使得第一材料层的侧边缘位于第二材料层的侧边缘旁边，并且进行点接合使得第一层材料点接合至第二层材料。
在一些实施方式中，进行点接合使得至少两个接合点位于沿着基本平行于芯轴的纵向轴的线。在一些实施方式中，点接合包括将热量施加到缠绕部分的邻近部分。在一些实施方式中，点接合包括点焊。在一些实施方式中，点焊包括由红外焊接、激光焊接、超声波焊接和摩擦焊接组成的组中的至少一种。
一些实施方式包括在材料层上设置带，使得带的至少一部分覆盖每个材料层的缠绕部分的至少一部分。在一些实施方式中，进行设置使得带的该部分的长尺寸基本上平行于芯轴的纵向轴。在一些实施方式中，带的该部分的宽度小于芯轴的外周长，外周长在垂直于芯轴的纵向轴的平面中截取。在一些实施方式中，带的该部分的宽度小于芯轴的外周长的一半。
一些实施方式包括将带结合至至少一个材料层的缠绕部分。在一些实施方式中，结合包括向带施加热量。在一些实施方式中，结合包括焊接。在一些实施方式中，焊接包括由红外焊接、激光焊接、超声波焊接和摩擦焊接组成的组中的至少一种。在一些实施方式中，至少部分地通过使辊相对于芯轴在基本上与芯轴的纵向轴对齐的方向上移动来进行结合，该带设置在辊和芯轴之间。在一些实施方式中，在结合期间，芯轴的一部分设置在辊的凹槽内。在一些实施方式中，芯轴限定了沿芯轴的纵向轴延伸的平面部分，并且在结合期间，带设置在辊和芯轴的平面部分之间。
一些实施方式包括切割每个缠绕部分的至少一部分以产生层压板。在一些实施方式中，沿着基本上平行于芯轴的纵向轴的线进行切割。一些实施方式包括切割带的部分以产生层压板。在一些实施方式中，进行切割使得带的部分设置在层压板的相对侧边缘上。在一些实施方式中，进行切割使得带的部分基本上被平分。在一些实施方式中，芯轴限定了沿芯轴的纵向轴延伸的凹槽，并且至少部分地通过使切割器的刀片或边缘相对于芯轴在凹槽内和沿凹槽移动来进行切割。
用于生产层压板的本系统的一些实施方式包括：具有纵向轴的芯轴，一个或多个滑轮，每一个被配置为接收一个或多个材料层中的相应一个并且相对于芯轴和围绕芯轴的纵向轴旋转以围绕芯轴缠绕相应材料层的部分。
一些实施方式包括带分配器，该带分配器被配置为将带设置在材料层上，使得带的至少一部分覆盖每个材料层的缠绕部分的至少一部分，且带的部分的长尺寸基本上平行于芯轴的纵向轴。
一些实施方式包括焊机，该焊机被配置为将缠绕部分的邻近部分点焊在一起。在一些实施方式中，焊机被配置为形成沿着基本上平行于芯轴的纵向轴的线放置的点焊。
一些实施方式包括切割器，该切割器被配置为沿着基本上平行于芯轴的纵向轴的线切割每个材料层的缠绕部分的至少一部分。
实施例
将通过具体实施例更详细地描述本发明。提供以下实施例仅用于说明目的，并不旨在以任何方式限制本发明。本领域技术人员将容易地认识到可以改变或修改各种非关键参数以产生基本上相同的结果。
实施例1
由单向纤维带生产斜交铺层压板
为了生产表1中列出的每种斜交铺层压板(样品1-6)，将一个或多个单向纤维带连续地围绕圆柱形芯轴缠绕，使得对于每个带，带的邻近包裹物(wrap)处于边缘-边缘关系且带形成层压板的叠层(ply)。在缠绕每个带期间，带以带的每mm宽度约1牛顿(N)张紧。为了将带相对于芯轴固定，将每个带的邻近包裹物在芯轴的每个末端处点焊在一起。一旦围绕芯轴缠绕，沿芯轴的长度切割带，并从芯轴上取下层压板。每种所得层压板都具有令人满意的性能。
表1：由单向纤维带生产的斜交铺层压板
实施例2
切屑估算
考虑两种切割材料层以形成层的端部的方法，制备切屑估算：(1)相对于层的长度以90°切割每个层(图8A；“90°切割”层)；和(2)切割每个层，使得当层围绕芯轴缠绕时，层的端部与芯轴的端部齐平(图8B；“角度切割”层)。图9和图10描绘了使用分别具有284mm直径和406mm直径的芯轴以及具有各种宽度的材料层并以各种缠绕角度围绕芯轴缠绕的这种切屑估算。如所示，通常可以通过减小给定材料层围绕芯轴缠绕的缠绕角度和/或通过使用角度切割层，具有较小宽度的层和/或具有较大直径的芯轴来降低切屑率(scrap rate)。
实施例3
生产速度估算
准备使用本公开的实施方案生产层压板的生产速度估算。考虑的步骤包括，对于每个材料层：(1)通过在芯轴的第一端(“焊接”)将邻近的层包裹物点焊在一起，将层的一端固定在芯轴的第一端；(2)将层缠绕在芯轴周围(“缠绕”)；(3)通过在芯轴的第二端将邻近的层包裹物点焊在一起并将层切割形成层的一端(“焊接/切割”)，将层固定在芯轴的第二端；和(4)返回芯轴的第一端(“返回”)，并且在对每层进行步骤(1)-(4)之后，(5)将层的邻近部分沿芯轴(例如，通过点焊，在材料层上设置带等)相对于彼此固定并切割材料层以从芯轴上移除层压板(“最终焊接/切割”)。
使用直径为284mm和长度为1000mm的芯轴生产12叠层层压板的这种生产速度估算值示于表2中。
表2：使用直径为284mm和长度为1000mm的芯轴生产12叠层层压板的生产速度估算值
如所示，通过提高材料层围绕芯轴缠绕的速度，材料层的焊接速度以及通过使用双向缠绕(从芯轴的第一端开始围绕芯轴缠绕材料层，和从芯轴的第二端开始围绕芯轴缠绕材料层，从而消除返回步骤)的方式，可以实现生产速度的显著提高。
使用直径为284mm，长度为1000mm的芯轴和双向缠绕生产12、3、2和1叠层层压板的生产速度估算值示于表3中。
表3：使用直径为284mm，长度为1000mm的芯轴和双向缠绕生产12、3、2和1叠层层压板的生产速度估算
使用直径为406mm，长度为1000mm和6000mm的芯轴和双向缠绕生产1和3叠层层压板的生产速度估算值示于表4中。
表4：使用直径为406mm，长度为1000mm和6000mm的芯轴和双向缠绕生产1和3叠层层压板的生产速度估算值
实施例4
层宽度、芯轴直径和缠绕角度之间的关系
图11是示出当将层围绕芯轴缠绕时期望的材料层的宽度(例如，以避免层变形)，使得对于各种芯轴直径和缠绕角度，材料层的邻近包裹处于边缘-边缘关系(edge-to-edgerelationship)的曲线图。如所示，当以较小的缠绕角度围绕芯轴缠绕层时和/或当芯轴具有较大的直径时，通常需要较宽的层。
以上说明书和实施例提供了说明性实施方式的结构和使用的完整描述。尽管上面已经以某种程度的特殊性或者参考一个或多个单独的实施方式描述了某些实施方式，但本领域技术人员可以在不脱离本发明的范围的情况下对所公开的实施方式进行多种改变。因此，方法和系统的各种说明性实施方式不旨在限于所公开的特定形式。相反，它们包括落入权利要求范围内的所有修改和替换，并且除了所示实施方式之外的实施方式可以包括所描绘实施方式的一些或全部特征。例如，可以省略元素或将元素组合为单一结构，和/或可以替换连接件。此外，在适当的情况下，上述任何实施例的方面可以与所描述的任何其他实施例的方面组合，以形成具有可比较或不同的性质和/或功能并解决相同或不同的问题的其他实施例。类似地，应该理解，上述优势和优点可以涉及一个实施方式，或者可以涉及多个实施方式。
除非在使用短语“用于…装置”或“用于…步骤”的给定权利要求中分别为明确地陈述这种限制，否则权利要求不旨在包括且不应被解释为包括装置加上或步骤加上功能限制(means-plus-or step-plus-function limitations)。

Claims (20)

1.一种生产层压板的方法，所述方法包括：
围绕芯轴和围绕所述芯轴的纵向轴缠绕一个或多个材料层的每个材料层的部分，其中：
每个材料层包括纤维；以及
进行缠绕，使得对于每个材料层的缠绕部分，大多数纤维的每一个相对于所述芯轴的纵向轴成角度地设置；以及
将所述缠绕部分的邻近部分点接合在一起。
2.根据权利要求1所述的方法，包括在所述材料层上设置带，使得所述带的至少一部分覆盖每个材料层的缠绕部分的至少一部分。
3.根据权利要求2所述的方法，其中进行设置使得所述带的部分的长尺寸基本上平行于所述芯轴的纵向轴。
4.一种生产层压板的方法，所述方法包括：
围绕芯轴和围绕所述芯轴的纵向轴缠绕一个或多个材料层的每个材料层的部分，其中：
每个材料层包括纤维；以及
进行缠绕，使得对于每个材料层的缠绕部分，大多数纤维的每一个相对于所述芯轴的纵向轴成角度地设置；以及
将带设置在所述材料层上，使得：
所述带的至少一部分覆盖每个材料层的缠绕部分的至少一部分；以及
所述带的部分的长尺寸基本上平行于所述芯轴的纵向轴。
5.根据权利要求4所述的方法，包括将所述缠绕部分的邻近部分点接合在一起。
6.根据权利要求1-3或5中任一项所述的方法，其中：
所述一个或多个材料层包括第一材料层和第二材料层；
进行缠绕，使得所述第二材料层的缠绕部分覆盖所述第一材料层的缠绕部分；以及
进行点接合，使得所述第一材料层点接合至所述第二材料层。
7.根据权利要求1-3或5中任一项所述的方法，其中：
所述一个或多个材料层包括第一材料层和第二材料层；
进行缠绕，使得所述第一材料层的侧边缘位于所述第二材料层的侧边缘旁边；以及
进行点接合，使得所述第一材料层点接合至所述第二材料层。
8.根据权利要求1-3或5中任一项所述的方法，其中进行点接合使得至少两个接合点位于沿着基本上平行于所述芯轴的纵向轴的线。
9.根据权利要求2-5中任一项所述的方法，其中：
所述带的部分的宽度小于所述芯轴的外周长，所述外周长在垂直于所述芯轴的纵向轴的平面中取得；以及
其中，可选地，所述带的部分的宽度小于所述芯轴的外周长的一半。
10.根据权利要求2-5中任一项所述的方法，包括切割所述带的部分以产生所述层压板。
11.根据权利要求10所述的方法，其中沿着基本上平行于所述芯轴的纵向轴的线进行切割。
12.根据权利要求10所述的方法，其中：
所述芯轴限定沿着所述芯轴的纵向轴延伸的凹槽；以及
至少部分地通过使切割器的刀片或边缘相对于所述芯轴在所述凹槽内和沿着所述凹槽移动进行切割。
13.根据权利要求2-5中任一项所述的方法，包括将所述带结合至至少一个材料层的缠绕部分。
14.根据权利要求13所述的方法，其中：
至少部分地通过使辊相对于芯轴在与所述芯轴的纵向轴基本上对齐的方向上移动进行结合，所述带设置在所述辊和所述芯轴之间；
可选地，在结合期间，所述芯轴的一部分设置在所述辊的凹槽内；以及
可选地：
所述芯轴限定沿着所述芯轴的纵向轴延伸的平面部分；以及
在结合期间，所述带设置在所述辊和所述芯轴的平面部分之间。
15.根据权利要求1-5中任一项所述的方法，其中：
所述一个或多个材料层包括两个或更多个材料层；以及
进行缠绕使得至少一个材料层的缠绕部分覆盖至少另一个材料层的缠绕部分。
16.根据权利要求1-5中任一项所述的方法，其中：
所述一个或多个材料层包括两个或更多个材料层；以及
进行缠绕使得至少一个材料层的侧边缘位于至少另一个材料层的侧边缘旁边。
17.一种生产层压板的系统，所述系统包括：
具有纵向轴的芯轴；
一个或多个滑轮，每个滑轮配置成：
接收一个或多个材料层的相应的材料层；以及
相对于所述芯轴和围绕所述芯轴的纵向轴旋转，以围绕所述芯轴缠绕相应的材料层的部分；以及
带分配器，配置成将带设置在所述材料层上，使得：
所述带的至少一部分覆盖每个材料层的缠绕部分的至少一部分；以及
所述带的部分的长尺寸基本上平行于所述芯轴的纵向轴。
18.根据权利要求17所述的系统，包括焊机，所述焊机配置成将所述缠绕部分的邻近部分点焊在一起。
19.根据权利要求18所述的系统，其中所述焊机配置成形成沿着基本上平行于所述芯轴的纵向轴的线放置的点焊。
20.根据权利要求17-19中任一项所述的系统，包括切割器，所述切割器配置成沿着基本上平行于所述芯轴的纵向轴的线切割每个材料层的缠绕部分的至少一部分。
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