CN110494603A - 用于制造用于纤维复合构件的多层纤维复合预制件的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于制造用于纤维复合构件的具有多层纤维粗纱(1)的纤维复合预制件(2)的方法。该方法具有以下步骤：在编织装置上提供用于设置纤维粗纱(1)的支撑芯(3)，其中，该支撑芯(2)具有支撑芯纵轴线(4)；借助编织装置沿平行于支撑芯(3)支撑芯纵轴线(4)的第一编织方向(F1)在支撑芯(3)上由纤维粗纱(1)生产第一织物层(5)；并且借助编织装置在第一织物层(5)上由纤维粗纱(1)生产第二织物层(6)。根据本发明，沿平行于支撑芯纵轴线(4)的第二编织方向(F2)生产第二织物层(6)，其中，第二编织方向(F2)和第一编织方向(F1)相反。

Description

用于制造用于纤维复合构件的多层纤维复合预制件的方法

技术领域

本发明涉及一种用于制造用于纤维复合构件的具有多层纤维粗纱的纤维复合预制件的方法，纤维复合构件特别是用于机动车。

背景技术

减少机动车总重量对于制造机动车而言越来越重要。其中一个原因在于，减少总重量与改善行驶动力学、减少燃油消耗以及减少排放直接相关联。这种关联特别是基于惯性物理定律，根据该定律，为了以给定的加速度加速质量而需要与质量成比例的力。车辆质量的减少(例如通过由更轻的构件替换构件来减少车辆质量)因此意味着需要更小的驱动力来实现给定的加速度。

一种已知的用于减少车辆重量的处理方法是使用更轻的材料，所述材料构成为用于生产构件重量更小且承载能力相似的构件。在该范围内，纤维复合构件、如纤维塑料复合构件(FVK构件)代替例如钢板构件、如管、支架、车身金属板或类似物。纤维复合构件相对于金属板构件在特别高刚度的情况下具有特别小的比重。纤维复合构件具有纤维组成部分，该纤维组成部分由基质材料、如树脂浸透或浸渍。纤维复合构件的制造例如可以借助树脂注射法(也称为压铸或“树脂传递模塑(RTM)”)或借助湿压方法进行。在压铸时将型坯或由纤维材料制成的纤维复合预制件引入到压铸工具中，并且在封闭的压铸工具中用基质材料浸渍或浸透。在湿压时将型坯或纤维复合预制件首先用基质材料例如在浸渗池中浸渍或浸透，并且接下来在湿压模具中压缩。在这两种方法中，纤维复合预制件例如可以通过缠绕过程制造，在该缠绕过程中将纤维材料围绕缠绕芯缠绕。

在纤维复合预制件自动化生产时，编织特别适合。将由支撑芯材料、例如塑料或泡沫材料制成的支撑芯用作编织过程的基础，该支撑芯在编织过程中不弯曲或仅在限定的范围内弯曲。在编织过程中，支撑芯借助一个或多个机器人引导，或抽出装置通过编织装置引导。借助编织装置因此可以以例如由用芳纶纤维、玻璃纤维或碳纤维制成的纤维粗纱围绕编织支撑芯。在织物中区分编织纱(编织纱倾斜于支撑芯的支撑芯纵轴线编织)和经纱(经纱设置为平行于支撑芯纵轴线)。由编织制造的软管轮廓适配地靠置于支撑芯上。接下来借助切割装置将纤维粗纱的多余纤维从织物上切下。以这种方式产生已经相应于待制造的纤维复合构件的端部轮廓的纤维复合预制件。

纤维复合预制件的机械性能可以通过选择用于编织纱和经纱的材料对以及通过编织纱相对于支撑芯纵轴线的角度而针对性地受影响。芳纶纤维、玻璃纤维和碳纤维已被证明适合作为纤维粗纱材料。借助此类纤维粗纱材料能够制造能承受高负荷的纤维复合构件，所述纤维复合构件作为已知金属构件具有基本上很小的总重量。

在编织过程中通常需要启动区域，该启动区域构成为在支撑芯前面或者上面。在启动区域中由纤维粗纱制成的织物由于摩擦作用的影响还未完全形成。启动区域特别是通过如下方式产生，即，生产的织物在每个芯被围绕编织后切下，并且因此在编织机器中剩余的已编织的纤维端部悬挂在空中。启动区域的缺点在于，在启动区域中的织物比在其余区域中的织物具有更小的编织密度。不同的编织密度有如下效果：纤维复合预制件沿其纵向方向、亦即沿支撑芯纵轴线方向具有渗透性差异。为了产生尽可能小的边角料，启动区域的尺寸通常尽可能短，以尽可能小的相对于支撑芯的突出长度开始编织，以节约纤维粗纱材料。这些措施经常有消极作用，即在支撑芯上的织物还不具有其预先给定的编织密度。换言之，这意味着启动区域延伸到待制造的纤维复合预制件中。

在纤维复合预制件渗透和固化时、例如在RTM过程中，由于纤维复合预制件各区域的渗透性差异而导致不同构造的构件壁、特别是导致不同的构件壁厚度。这种差异会消极妨碍制成的纤维复合构件的几何和机械性能以及光学外观，甚至会导致废品。特别是在多层纤维复合预制件中(在其中重叠设置纤维粗纱织物的多个层)，这种效果在纤维复合预制件的端部区域上随着每个另外的层而加强。

发明内容

因此，本发明的任务在于，消除或至少部分消除用于制造用于纤维复合构件的多层纤维复合预制件的方法的前述缺点。特别是本发明的任务在于，提供一种用于制造用于纤维复合构件的多层纤维复合预制件的方法，该方法以简单和低成本的方式避免或至少显著减少纤维复合预制件各区域之间的这种渗透性差异。

上述任务通过权利要求得以解决。因此，该任务通过具有权利要求1特征的一种用于制造用于纤维复合构件的多层纤维复合预制件的方法得以解决。本发明的其它特征和细节由从属权利要求、说明书和附图获得。

根据本发明，该任务通过一种用于制造用于纤维复合构件的具有多层纤维粗纱的纤维复合预制件的方法得以解决。该方法具有以下步骤：

在编织装置上提供用于设置纤维粗纱的支撑芯，其中，该支撑芯具有支撑芯纵轴线，

借助编织装置沿平行于支撑芯的支撑芯纵轴线的第一编织方向在支撑芯上由纤维粗纱生产第一织物层，并且

借助编织装置在第一织物层上由纤维粗纱生产第二织物层。

在此，沿平行于支撑芯纵轴线的第二编织方向生产第二织物层，其中，第二编织方向和第一编织方向相反。

本方法构成为用于制造具有多层纤维粗纱的纤维复合预制件。纤维粗纱的层在本发明的范围内可理解为由互相编织的纤维粗纱制成的织物层。多层意味着，至少两个织物层重叠设置。待制造的纤维复合预制件也可以具有三个、四个或更多重叠设置的织物层，所述织物层优选地相应于前两个织物层地生产以及设置在前两个织物层上。

纤维粗纱是由平行设置的单丝或连续纤维制成的束、股或复丝，该纤维粗纱能用于生产用于制造纤维复合构件的纤维复合预制件。单根单丝例如构成为玻璃纤维、芳纶纤维或碳纤维。

在提供支撑芯时，将支撑芯设置在编织装置上的起始位置中。在起始位置中可以开始第一织物层的编织过程、即生产过程。支撑芯用作在编织过程中用于纤维粗纱的支座，以便为织物层赋予限定的形状。在编织过程中使所生产的织物层适配于支撑芯的形状，从而该织物层尽可能均匀地贴合在支撑芯上。在编织过程中可以规定，使支撑芯沿编织装置运动或穿过编织装置运动。备选地，可以保持支撑芯位置固定，而使编织装置运动以用于编织。同样地，在本发明的范围内可以规定，在编织过程中既运动编织装置又运动支撑芯。

在沿着支撑芯纵向轴线的第一编织方向上由纤维粗纱生产第一织物层。这意味着，在生产第一织物层时，使得编织装置和支撑芯沿第一编织方向相对运动。如此限定第一编织方向，使得编织装置相对于支撑芯的运动由第一支撑芯端部朝向第二支撑芯端部进行。在相对运动期间，由编织装置将粗纱纤维编织成第一织物层。该编织进行为，使得在支撑芯上的第一织物层的织物密度沿支撑芯轴线构成为不恒定或不均匀。例如可以如此生产第一织物层，使得第一织物层的在支撑芯上作为启动区域的那部分的织物密度构成为比第一织物层的其余织物密度更小。

在沿着支撑芯轴线的第二编织方向上由纤维粗纱生产第二织物层。这意味着，在生产第二织物层时，使得编织装置和支撑芯沿第二编织方向相对运动。如此限定第二编织层，使得编织装置相对于支撑芯的运动由第二支撑芯端部朝向第一支撑芯端部进行。第二编织方向与第一编织方向相反。在相对运动期间，由编织装置将粗纱纤维编织成第二织物层。该编织进行为，使得在支撑芯上的第二织物层的织物密度沿支撑芯纵轴线构成为不恒定或不均匀。例如可以如此生产第二织物层，使得第二织物层的在支撑芯上作为启动区域的那部分的织物密度构成为比第二织物层的其余织物密度更小。在此，在支撑芯上如此设置第二织物层，使得第一织物层和第二织物层的启动区域设置在支撑芯上的不同端部上。

根据本发明的用于制造具有多层纤维粗纱的纤维复合预制件的方法与常规方法相比具有的优点为，能够以简单的措施以及以低成本的方式制造具有均匀构造的渗透性的纤维复合预制件。这对利用基质材料对纤维复合预制件接下来进行浸渍过程来制造纤维复合构件尤其有利，因为均匀构成的渗透性有利于利用基质材料更均匀地浸渍。以这种方式，具有预定的几何和机械性能以及预定的视觉外观的纤维复合构件的制造得到显著改善。

根据本发明的一种优选的扩展方案，可以在方法中规定，借助机器人装置提供支撑芯。该机器人装置例如具有机器人臂，利用该机器人臂，支撑芯可以运动到起始位置中。优选地，机器人装置具有夹持装置，该夹持装置设置在机器人臂上以及构成为用于夹持和/或卡紧支撑芯。机器人装置的优点在于，能够非常精确地实现支撑芯相对于编织装置的相对定向。这尤其在生产第一织物层与生产第二织物层之间可以是有利的，其方式为，可以相对于编织装置相应地设置支撑芯，使得第一织物层可沿第一编织方向生产并且第二织物层可沿第二编织方向生产。

根据本发明优选的是，在生产第一织物层后和/或在生产第二织物层后，借助切割装置切下已编织的纤维粗纱的突出纤维。切割装置优选地具有用于切断纤维的旋转刀具。在编织过程后，亦即生产织物层后，在支撑芯的端部上设有织物层的突出纤维或单丝，突出纤维或长丝为了制造纤维复合预制件而应作为废弃物与织物分离。在生产第一织物层后且在生产第二织物层前分离这些纤维的优点在于，这些纤维不再会阻碍生产第二织物层。因此保证按计划生产第二织物层。

更优选的是，在生产第一织物层后且在生产第二织物层前将支撑芯旋转180°。支撑芯的旋转优选地借助机器人装置进行、特别是具有用于运动支撑芯的机器人臂以及用于夹持或卡紧支撑芯的夹持或卡紧装置的机器人装置。优选地，旋转围绕竖直轴线进行，其中，支撑芯纵轴线在此设置为水平。通过支撑芯的180°旋转确保编织装置用于生产各单层的过程控制可以保持相同，其中，通过旋转而利用简单的措施以及低成本地确保第二编织方向与第一编织方向相反。在本发明的范围内备选地可以规定，通过编织装置过程控制的相应转换而保证相反的编织方向。在这种情况中不需要旋转支撑芯。

在本方法一种特别优选的设计方案中，以第一织物层密度分布生产第一织物层并且以第二织物层密度分布生产第二织物层，其中，所述第一织物层密度分布和所述第二织物层密度分布构成为，使得由第一织物层和第二织物层形成的总层密度在支撑芯的支撑芯长度上恒定。这意味着，第一织物层密度和第二织物层密度的相应总和对于支撑芯的每个纵向轴线部段都相同。这具有的优点为，纤维复合预制件的渗透性在其长度上恒定或者至少基本上恒定。

优选地，相应以恒定的梯度成梯度地生产第一织物层密度分布和第二织物层密度分布。具有恒定梯度的成梯度织物层密度分布意味着，织物层的织物层密度从织物层第一端部到织物层第二端部沿支撑芯纵轴线持续改变以及以恒定的密度变化改变。第一织物层密度在第一端部上例如具有最大值并且在第二端部上具有最小值。第二织物层密度因此在第一端部上具有最小值并且在第二端部上具有最大值。对于第一织物层和第二织物层而言梯度数值相同，但具有相反的符号。

根据本发明可以规定，在被环绕编织的支撑芯上类似于第一织物层和第二织物层地生产其它织物层。其它织物层优选如此生产，使得织物层的织物层密度差由接下来的编织层补偿或至少部分地补偿。

进一步优选地提供一种支撑芯，该支撑芯构成为围绕垂直于支撑芯纵轴线设置的对称平面镜像对称。进一步优选地是，支撑芯构成为围绕支撑芯纵轴线旋转对称或扇段对称。在扇段对称构造中，支撑芯具有多个围绕支撑芯纵轴线分布的支撑芯扇段，所述支撑芯扇段构成为相同或至少基本上相同。此类支撑芯特别适用于借助编织装置的自动化编织过程。此外，镜面对称具有的优点为，能更容易实现在端部区域中通过相邻的织物层对织物层密度进行补偿。

优选地，使用由碳纤维制成的纤维粗纱来生产织物层。碳纤维尤其是由于其有利的机械性能而特别适于制造用于机动车的纤维复合构件。

根据本发明优选的是，径向编织机器用作编织装置。借助径向编织机器能够以简单的措施并且可靠地对支撑芯编织织物层。

附图说明

根据本发明的用于制造用于纤维复合构件的具有多层纤维粗纱的纤维复合预制件的方法接下来借助附图进一步阐述。分别示意性地示出：

图1示出以第一织物层包覆的支撑芯的局部的侧视图，

图2示出图1中的支撑芯在以第二织物层包覆后的局部的侧视图，并且

图3示出根据本发明的方法的一种优选实施方式的流程图。

具体实施方式

具有相同功能和作用方式的元件在图1至3中相应地设有同一附图标记。

图1以侧视图示意性示出以第一织物层5包覆的支撑芯3的局部。支撑芯3构成为围绕支撑芯纵轴线4旋转对称并且具有环绕的支撑芯壁3a，该支撑芯壁径向包围支撑芯空腔3b。在支撑芯3的背向支撑芯纵轴线4的外侧或者说支撑芯壁3a上设有由纤维粗纱5制成的第一织物层5。借助根据本发明的方法，由第一支撑芯端部3c沿第一编织方向F1朝向第二支撑芯端部3d生产所述第一织物层5。

第一织物层5在第一支撑芯端部3c上具有低的织物密度区域8并且在余下部段上具有高的织物密度区域7。低的织物密度区域8比高的织物密度区域7具有更小的织物密度。其原因在于，在第一支撑芯端部3c上作为初始区域生产第一织物层5，在该初始区域中由于技术限制还未达到理论织物密度。

图2以侧视图示意性示出图1中支撑芯3的局部，现在在第一织物层5上设有由粗纱纤维5制成的第二织物层6。所述第一织物层5和所述第二织物层6共同形成纤维复合预制件2。借助根据本发明的方法，由第二支撑芯端部3d沿与第一编织方向F1相反的第二编织方向F2朝向第一支撑芯端部3c生产所述第二织物层6。

第二织物层6在第二支撑芯端部3d上具有低的织物密度区域8并且在余下部段上具有高的织物密度区域7。其原因在于，在第二支撑芯端部3d上作为初始区域生产第二织物层6，在该初始区域中由于技术限制还未达到理论织物密度。通过如此生产第一织物层5和第二织物层6，通过相应沿径向方向相邻的高织物密度区域7能够至少部分地补偿低织物密度区域8的不利影响。

图3示意性示出根据本发明的方法的一种优选实施方式的流程图。在第一方法步骤100中，借助机器人装置提供围绕支撑芯纵轴线4旋转对称构成的支撑芯3，并且将其设置在编织装置的起始位置中。

在第二方法步骤200中，借助编织装置，通过在支撑芯3上编织而由纤维粗纱1生产第一织物层5。在此，使支撑芯3和编织装置沿第一编织方向F1相对彼此地移动。因此由第一支撑芯端部3c朝向支撑芯的第二支撑芯端部3d生产第一织物层5，并且该第一织物层在第一支撑芯端部3c上比在第二支撑芯端部3d上具有更小的织物层密度。

在第三方法步骤300中，相对于编织装置将支撑芯3旋转180°，从而第一支撑芯端部3c和第二支撑芯端部3d相对于编织装置的定向彼此互换。备选地，在编织过程中也可以通过相应改变编织装置的过程控制而达到相同的效果。

在第四方法步骤400中，借助编织装置，通过在第一织物层5上编织而生产第二织物层6。在此，使支撑芯3和编织装置沿与第一编织方向F1相反的第二编织方向F2相对彼此地移动。因此由第二支撑芯端部3d朝向支撑芯的第一支撑芯端部3c生产第二织物层6，并且该第二织物层在第一支撑芯端部3c上比在第二支撑芯端部3d上具有更高的织物层密度。

在第五方法步骤500中，借助切割装置切下第一织物层5和/或第二织物层6的多余纤维。在第六方法步骤600中，将根据本发明制成的纤维复合预制件2从支撑芯3移出、例如通过将支撑芯热学、化学和/或机械破坏。

附图标记列表

1 纤维粗纱

2 纤维复合预制件

3 支撑芯

3a 支撑芯壁

3b 支撑芯空腔

3c 第一支撑芯端部

3d 第二支撑芯端部

4 支撑芯纵轴线

5 第一织物层

6 第二织物层

7 高织物密度区域

8 低织物密度区域

100 第一方法步骤

200 第二方法步骤

300 第三方法步骤

400 第四方法步骤

500 第五方法步骤

600 第六方法步骤

F1 第一编织方向

F2 第二编织方向

Claims (10)

1.用于制造用于纤维复合构件的具有多层纤维粗纱(1)的纤维复合预制件(2)的方法，具有以下步骤：

在编织装置上提供用于设置纤维粗纱(1)的支撑芯(3)，其中，该支撑芯(2)具有支撑芯纵轴线(4)，

借助编织装置沿平行于支撑芯(3)支撑芯纵轴线(4)的第一编织方向(F1)在支撑芯(3)上由纤维粗纱(1)生产第一织物层(5)，并且

借助编织装置在第一织物层(5)上由纤维粗纱(1)生产第二织物层(6)，

其特征在于，沿平行于支撑芯纵轴线(4)的第二编织方向(F2)生产第二织物层(6)，其中，第二编织方向(F2)和第一编织方向(F1)相反。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，借助机器人装置提供支撑芯(3)。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在生产第一织物层(5)后和/或在生产第二织物层(6)后，借助切割装置切下已编织的纤维粗纱(1)的突出纤维。

4.根据前述权利要求中至少一项所述的方法，其特征在于，在生产第一织物层(5)后且在生产第二织物层(6)前，将支撑芯(3)旋转180°。

5.根据前述权利要求中至少一项所述的方法，其特征在于，以第一织物层密度分布生产第一织物层(5)，并且以第二织物层密度分布生产第二织物层(6)，其中，所述第一织物层密度分布和所述第二织物层密度分布构成为，使得由第一织物层(5)和第二织物层(6)形成的总层密度在支撑芯(3)的支撑芯长度上恒定。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，分别以恒定的梯度成梯度地生产第一织物层密度分布和第二织物层密度分布。

7.根据前述权利要求中至少一项所述的方法，其特征在于，在被环绕编织的支撑芯(3)上类似于第一织物层(5)和第二织物层(6)地生产其它织物层。

8.根据前述权利要求中至少一项所述的方法，其特征在于，提供一种支撑芯(3)，该支撑芯构成为围绕垂直于支撑芯纵轴线(4)设置的对称平面镜像对称。

9.根据前述权利要求中至少一项所述的方法，其特征在于，将由碳纤维制成的纤维粗纱(1)用于生产各织物层(5、6)。

10.根据前述权利要求中至少一项所述的方法，其特征在于，将径向编织机用作编织装置。