CN110770006B - 用于形成纤维预制件的纤维铺放设备和方法 - Google Patents

Abstract

一种用于由碳纤维丝束(10)构造三维预制件的制造设备，其中丝束通过AFP头(2400)沉积到膜(2204)上，该膜被传送到用于隔膜成型的成型单元(114)。主动张力控制设置有与积累器(106)和补偿器(108)组合的退绕器(102)。本发明也提供制造方法。

Description

用于形成纤维预制件的纤维铺放设备和方法

技术领域

本发明涉及在复合材料制造中用于形成纤维预制件的纤维铺放设备和方法。更特别地，本发明涉及使用自动纤维铺放(AFP)产生用于复合部件制造的纤维预制件的设备。

背景技术

纤维增强的复合材料越来越多地用于提供轻质且坚固的金属替代品。这样的材料在航空航天领域很常见，在汽车领域中的使用也在增加。碳复合材料是替代钢的理想候选材料，能够以三分之一的重量获得相同的强度和刚度。制造这种材料的一种方法是树脂传递模塑(RTM)。这也是大批量汽车制造的最合适技术。欧洲领先的TECABS集团(用于碳纤维增强的模块化汽车结构的技术)列举了相比于传统钢制白车身结构的50％的重量节省潜能，其使用RTM或其它注入方法(如湿法压制)以生产碳复合材料密集型车辆。潜在的燃料节省和环境效益是显著的。

在赛车和小众市场中，碳复合材料的使用已经相当普遍，但是纤维增强复合材料在批量生产中的应用进展却很缓慢。通过RTM制造纤维增强复合材料可能是一个昂贵的、劳动密集和漫长的过程。

已知方法通常以碳丝束的卷轴开始。丝束是一束连续细丝，丝束可以加捻或无捻的(通常称为“平铺的”)。丝束用于制造连续的机织或非机织纤维片。通常将构成无纺片材的各个层缝合在一起，以将它们固定在一起。可以将粘合剂施用于片材。这些片材通常具有恒定的宽度且为连续的，使得可以将它们卷成大卷用于向前运输。

将卷起的片材切割成所需形状，我们将这些形状称为二维形状或二维形式，因为它们仅由单层片材组成。在该工艺过程中，由于二维形状通常不会填充片材的整个表面，因此存在显著的浪费。一旦从片材上切下二维形状，它们就会彼此叠放以形成多层的预制件，因此该预制件称为三维预制件。然后将粘合剂活化(例如，通过加热)以将三维预制件保持其三维形状。可以去除三维图案。

然后将三维预制件装载进用于树脂传递模塑(RTM)的模具工具中。用液体聚合物基质材料渗透预制件，然后将其在热量和压力下固化以形成最终零件。

EP1473132公开了制备预制件的方法，其中制备由单向纤维的交替层构成的多轴织物。公开的方法配置为产生材料的连续片材或卷，用于下游的切割和成型方法。其因此表现出以上讨论的问题。

US2009/0120562公开了形成用于复合材料制造的连续多轴织物材料的方法。需要对材料进行切割以使其成型和铺放，从而表现出上述问题。

通常，该已知方法存在几个问题。

第一，制备碳纤维材料片材和切割二维形状的步骤会产生废的碳纤维材料。这是有问题的，因为碳纤维非常昂贵，而且难以回收。这使得该方法特别容易因废料而增加成本。比其例如金属，废碳纤维还较不容易回收。

第二，该方法要依赖于人工将二维预制件铺放到三维图案上。这增加了方法的成本，且可能进一步引起失误。

需要的是可解决上述问题的形成纤维增强复合部件的设备和方法。

已经在多种领域中提出了自动纤维铺放(“AFP”)。

US2016/0001464公开了一种通过将纤维带沉积到平坦表面(在该情况中为传送带)上来构造预制件的方法。在沉积之后，通过机械臂将预制件从传送带上提起，以进行后续的模塑方法。该方法的缺点是，预制件需要在模塑之前具有优越的完整性，否则处理过程将容易使其变形和被破坏，而这是不期望的。因此，需要使用显著量的粘合剂，这可能会对最终制品的机械性能产生不利影响。

细丝缠绕工具是AFP的另一个实例，但是它们适用于具有封闭横截面的零件，且不能制造例如用于汽车行业的复杂面板。

还提出了另一种可替代的方法，其称为定制纤维铺放(TFP)。在这种方法中，将纤维以缝合图案附接到基材。将纤维以三维形状放置，由此直接产生预制件。该方法之所以有问题，是因为每一个丝束层都需要缝合，且与各新层有关的缝合会穿透前一层的丝束，从而导致较差的机械性能。此外，由于基材的原因，该部件必须承受较高的寄生重量，而这与起初使用纤维增强复合材料的原始动机相反。

本发明的目的是提供用于制造纤维增强复合部件的设备和方法，所述设备和方法总地缓解或克服上述问题和/或提供改进。

发明内容

根据本发明，提供了按所附权利要求任一项限定的方法、设备和预制件。

一般性概念

在本发明的第一方面中，提供了制造用于复合材料模塑操作的预制件的方法，其包括以下步骤：

提供第一形状的可变形表面；

将纤维沉积到柔性膜上，以形成第一形状的预制件；

使可变形表面变形以及从而使预制件变形为不同于第一形状的第二形状。

有利地，将纤维直接沉积到可变形表面例如(柔性)膜上消除了在模塑之前将预制件从纤维所沉积于其上的表面分离的需要。这降低了损坏的风险，并且进一步消除了在进一步变形/模塑之前提供结构上自支撑的预制件的需要。

优选地，所述方法包括以下步骤：提供纤维铺放头，和在使纤维从铺放头沉积到可变形表面上时使纤维铺放头和可变形表面中的至少一个相对于彼此移动，以形成第一形状的预制件。优选地，所述头可在至少两个轴线上线性移动。可变形表面可绕与可变形表面相交的轴线相对于彼此旋转移动。所述头的笛卡尔(XY)运动和表面旋转的组合是有利的，因为这允许使用稳健的机架式系统来移动头。

优选地，所述方法包括将两个或更多个纤维层沉积到可变形表面上的步骤。可以按这种方式构造多层预制件。表面的旋转允许使用具有不同取向的多个层的组合。在沉积各个层的步骤之间，使膜旋转，使得在第一纤维层中的纤维与相邻的第二纤维层中的纤维成非零角度。

优选地，所述方法包括以下步骤：提供配置为粘合相邻的纤维材料层的材料，和将材料施用于纤维。在将纤维沉积到表面上之前或之后，可以施用材料。例如，在沉积之前，可以将材料以例如粉末粘合剂形式连续施用于纤维。如果在沉积之后施用，材料可采取粉末形式，或优选采取片材形式-例如稀松布，其也粘合预制件，在后续的树脂传递过程中有助于渗透。可以在各纤维层之前或之后施用材料。

材料可以是热响应的，在这种情况中，所述方法包括以下步骤：在使纤维变形以形成第二形状的预制件的步骤之前或过程中提高材料的温度，从而粘合邻近的纤维。

优选地，所述方法包括提供膜组件的步骤，该膜组件包括限定表面的由框架支撑的膜。框架优选地限定围绕由膜跨越的孔的无端回路。优选地，膜是预张紧的。这避免/减少在转移过程中的下垂。

优选地，所述方法包括以下步骤：在沉积纤维的步骤过程中，提供具有不可变形表面的膜床，和将膜支撑在床的表面上。术语“不可变形的”表示比膜硬得多，且足够硬以向纤维沉积操作提供反应表面。

优选地，床的表面贴合框架内部，使得膜组件可以下降至床上，以使膜和床的表面之间存在接触。这会张紧膜，以提供用于纤维沉积的光滑的连续表面。

优选地，所述方法包括以下步骤：提供另一可变形表面，和在沉积纤维的步骤之后，将沉积的纤维封闭在可变形表面和另一可变形表面之间以形成纤维腔，然后通过使可变形表面和另一可变形表面变形而使纤维变形以形成三维预制件。纤维预制件由此“被夹心”在表面之间，所述表面优选被限定在协作的膜之上。

优选地，在使纤维变形的步骤之前，降低纤维腔中的压力。优选地，将该压力降低至两个表面都在其整个表面积上接触纤维预制件的压力。

优选地，所述方法包括以下步骤：

提供纤维沉积单元，在该纤维沉积单元进行使纤维沉积的步骤；

提供单独的成型单元，在该单独的成型单元进行变形的步骤；和

将可变形表面在纤维沉积单元和成型单元之间传送。

根据本发明的第二方面，提供了制造用于复合材料模塑操作的纤维预制件的设备，所述设备包括：

纤维铺放头；

可变形形状；

三维模具形状；

其中纤维铺放头和可变形表面中的至少一个可相对于彼此移动，以将纤维沉积到可变形表面上，以形成第一形状的预制件；和

其中可变形表面和三维模具形状中的至少一个可相对于另一个移动，使得在可变形表面上的第一形状的预制件变形为不同于第一形状的第二形状。

第二方面表现出与第一方面相同的优点。

优选地，纤维铺放头可在至少两个轴线上线性移动。优选地，可变形表面通常是平面的，并且可在其自身的平面中旋转移动。

优选地，提供了施用子组件，其用于施用配置为将邻近的纤维层粘合于沉积的纤维的材料。粘合剂材料可以在沉积之前或之后施用于纤维。在后一种情况中，粘合剂材料可以从例如一卷粘合剂稀松布提供。

粘合剂材料可以为膜或片材或层的形式。粘合剂材料可以包括树脂。粘合剂材料可以在室温为粘性的。

或者，材料可以为粉末形式。

优选地，提供了能量源，所述能量源配置为在使纤维变形之前或过程中提高配置为粘合相邻纤维层的材料的温度。换言之，该材料为热响应材料例如热塑性粘合剂。

优选地，膜限定可变形表面，膜由框架支撑。优选地，膜在框架中被预张紧。

优选地，设备包括具有不可变形表面的床，该不可变形表面用于在纤维沉积过程中支撑可变形表面。优选地，床的不可变形表面贴合框架的内部，使得膜组件可以下降至床上，以使膜和床的表面之间存在接触，从而张紧膜。

优选地，提供并排布另一可变形表面，从而在预制件的变形过程中将沉积的纤维封闭在另一可变形表面和可变形表面之间。优选地，减压系统(例如真空泵)配置为在使纤维变形之前降低可变形表面和另一可变形表面之间的压力。

优选地，所述设备包括：

包括纤维铺放头的纤维沉积单元；

包括三维模具形状的单独的成型单元；和

用于将可变形表面在纤维沉积单元和成型单元之间传送的传送带。

纤维张力控制

根据本发明的第三方面，提供了在复合材料制造操作中保持纤维张力的方法，所述方法包括以下步骤：

提供纤维供应件；

提供纤维铺放头；

将纤维铺放头相对于纤维供应件移动；

通过基于纤维铺放头的移动主动改变纤维供应件和纤维铺放头之间的纤维缓冲件的长度来保持纤维供应件和所述纤维铺放头之间的纤维的张力。

有利地，这允许保持纤维供应件中从静止供应件到可移动头的纤维的张力。

优选地，所述方法包括以下步骤：提供限定纤维缓冲件的一部分的可移动纤维导引件，和移动可移动纤维导引件以改变纤维缓冲件的长度。

优选地，所述方法包括以下步骤：如下保持纤维的张力，当纤维张力降低时增加在纤维上的补偿力，和当纤维张力增加时降低在纤维上的补偿力。优选地，将弹性补偿力施加于纤维，优选经弹性偏置的纤维导引件施加于纤维。

优选地，在纤维缓冲件的下游施加补偿力，和在静止位置(即，“离头(off head)”)施加补偿力。这会减小纤维铺放头的质量，这有利于操作的速度和精度。

优选地，被动施加补偿力。因此，所述系统包括：主动积累器子系统，由于头的移动，其负责纤维张力的大的低频变化；和被动补偿器子系统元件，其负责张力的高频变化。两个系统一起工作以保持纤维的恒定的受控的张力。本申请使用的“主动”表示通过控制器受控，本申请使用的“被动”表示不主动受控-例如通过弹簧或其它弹性构件或载荷质量受控。

优选地：

提供纤维供应件的步骤包括提供多个纤维进料的步骤；

改变纤维缓冲件的长度的步骤包括改变同时供应的多个纤维进料的纤维缓冲件的长度；和

改变在纤维上的补偿力的步骤包括将独立的补偿力分别施加于多个纤维进料的每一个的步骤。

由于头将会同时沉积多个纤维，可以通过使低频主动受控子系统同时作用于所有纤维丝束上，使系统较为高效。在每种纤维进料或丝束中，可以分别发生张力的较小的高频变化，因此具有单独的纤维进料补偿是有利的。应注意，相比于主动积累器子系统，被动补偿器子系统较不复杂且较便宜，因此较容易和便宜地重现。

根据本发明的第四方面，提供了用于复合材料制造操作的纤维张紧设备，其包括：

纤维输入端；

配置为将纤维进料到纤维铺放头的纤维输出端；

在纤维输入端和纤维输出端之间的纤维缓冲件；

其中纤维缓冲件配置为根据从输出端进料的纤维铺放头的移动主动改变以保持纤维的预定张力。

优选地，可移动纤维导引件限定纤维缓冲件的一部分。更优选地，可移动纤维导引件定位在两个静止纤维导引件之间以产生“U”形纤维缓冲件。“U”的高度可以通过位于“U”的底部的可移动导引件的移动来改变(使用高度是为了清楚起见，与其空间取向无关)。

优选地，提供了补偿器，其配置为施加补偿力以保持纤维的预定张力。优选地，补偿器包括弹性偏置的纤维导引件以施加补偿力。

优选地，补偿器在纤维缓冲件的下游。优选地，补偿器是静止的(即，离头)。

优选地，补偿器是被动的，即，在使用过程中没有主动输入。

优选地，设备具有控制器，其配置为响应于纤维铺放头的移动主动改变纤维缓冲件的长度。优选地，控制器控制纤维铺放头的移动，由此可以预期这样的移动并在控制头的同时控制积累器，以保持纤维张力。

切割和张力控制

根据第五方面，提供了在复合材料制造操作中保持纤维张力的方法，其包括以下步骤：

提供纤维的供应件；

提供用于纤维的沉积的表面；

在张力下沿第一方向将纤维沉积到表面上；

切割纤维；

在切割步骤之后通过夹持切割物上游的纤维来保持纤维的张力。

有利地，本发明允许在切割纤维的同时保持张力。这可避免纤维的松弛/聚束。

优选地，在切割步骤之后通过夹持切割物上游的纤维来保持纤维的张力的步骤包括允许纤维在被夹持的时候沿与第一方向相反的第二方向被进料的步骤。允许纤维被反向进料可保持其远离纤维铺放头中切割和/或沉积纤维的区域。这在将头移动至新位置时是有利的。

优选地，将纤维夹持在一对滚动元件之间，包括且提供控制该一对滚动元件中的至少一个的旋转的步骤。

优选地，一旦头准备好恢复沉积，提供了沿第一方向进料纤维的步骤。优选地，提供了使用滚动元件将纤维朝表面进料的步骤。

根据本发明的第六方面，提供了用于复合材料制造操作的纤维张紧设备，其包括：

纤维输入端；

纤维输出端；

在输入端和输出端之间的纤维切割器；

在输入端和纤维切割器之间的纤维夹持装置；

其中设备配置为在张力下从输出端沿第一方向进料纤维，以使纤维沉积到表面上；

其中纤维切割器配置为切割纤维；和

纤维夹持装置配置为在切割之后通过夹持纤维保持纤维的张力。

优选地，纤维夹持装置配置为在切割后沿与第一方向相反的第二方向进料纤维。

优选地，纤维夹持装置包括一对滚动元件，其中该一对滚动元件中的至少一个的旋转是受控的。优选地，该一对滚动元件中的至少一个由发动机驱动。优选地，发动机配置为沿第一方向进料纤维以恢复纤维的沉积。

优选地，发动机包括输出轴，且该一对滚动元件中的至少一个通过离合器连接于发动机轴，所述离合器配置为：

当纤维沿第一方向移动时，允许该一对滚动元件中的至少一个相对于输出轴旋转；和

当纤维沿第二方向移动时，抑制该一对滚动元件中的至少一个相对于输出轴旋转。

有利地，这使得纤维可以自由沉积，而无需“拉动”电动机轴。离合器可以是“楔块”式离合器。可以通过将发动机速度精确同步于头的沉积速率来代替离合器。

加热的纤维

根据本发明的第七方面，提供了用于复合材料制造操作的纤维预制件的制造方法，其包括以下步骤：

提供纤维供应件；

提供其上具有热响应材料的表面；

提高纤维的温度；和

使温度提高的纤维沉积到热响应材料上以形成纤维预制件。

有利地，这允许使用干燥的纤维丝束，其可以直接沉积到例如稀松布上。这可减小寄生重量(相比于传统粉末化丝束)并产生结构完好的预制件。

优选地，提高纤维的温度的步骤包括提供加热器的步骤和用加热器加热纤维的步骤。加热器可以是电阻式加热器且与经过的纤维接触。或者，可以提供例如红外线进行加热。重要的是在沉积之前将某种形式的能量传递给纤维以提高其温度。

优选地，提高纤维的温度的步骤和使温度提高的纤维沉积的步骤都在可移动纤维铺放头上进行。

优选地，提供其上具有热响应材料的表面的步骤包括至少部分覆盖热响应材料的片材、或颗粒状热响应材料中的表面的步骤。本申请使用的“热响应”表示当施加热量时软化和/或熔融的材料，例如热塑性材料。

“表面”可以是纤维层，即，纤维可以在每一层之间以热塑性材料分层沉积，以将预制件固定在一起。

根据本发明的第八方面，提供了用于复合材料制造操作的纤维预制件的沉积设备，其包括：

纤维铺放头，其配置为使纤维沉积到表面上；和

纤维加热设备，其配置为在从纤维铺放头沉积之前提高纤维的温度。

优选地，纤维加热设备包括邻近纤维通道的加热的构件。优选地，加热的构件排布为与纤维接触。

优选地，纤维加热设备位于纤维铺放头上，并且其中纤维铺放头是可移动的。

本发明也提供纤维铺放系统，其包括：

根据第八方面的设备；和

用于纤维的沉积的表面，所述表面之上具有热响应材料。

附图说明

以下将参照附图来描述根据本发明的示例性设备和方法，其中：

图1是根据本发明的设备的示意性平面图；

图2和图3是图1的设备的积累器的示意性侧视图；

图4是图1的设备的补偿器的示意性侧视图；

图5和图6是图1的设备的自动纤维铺放单元的示意性侧视图；

图7是图5和6的自动纤维铺放单元的示意性平面图；

图8是图1的AFP头的几个操作阶段的示意图；

图9是图1的设备的隔膜成型单元的示意性侧视图；

图10至图12是图9的单元的操作步骤的示意性侧视图；

图13是图9的隔膜成型单元在不同的操作状态下的示意性侧视图；

图14是图1的设备的控制系统的示意图；和

图15是使用图1的设备的根据本发明的制造方法的流程图。

具体实施方式

参照图1，显示了制造设备100。设备100配置为接收纤维丝束的线轴并使丝束成型为适用于树脂传递模塑(RTM)的三维预制件。按方法流程顺序(如下所述)，设备包括方法中的以下子组件和工位(stations)：

·纤维退绕器102；

·导承框架104；

·积累器106；

·补偿器108；

·具有自动纤维铺放(AFP)头2400的自动纤维铺放单元110；

·传送带112；

·隔膜成型单元114；和

·控制器116。

应理解，尽管每个子组件与其它组件协同工作以达到期望的结果，但是它们可以根据需要作为独立的模块进行操作。下面将详细描述每个子组件。

纤维退绕器102

应理解，纤维退绕器系统通常是本领域已知的。结合于设备100中的纤维退绕器102包括框架，其中多个(在该实施方式中，8个)独立的轴安装在该框架上用于围绕由单独的发动机1024驱动的平行轴线旋转。线轴安装在各轴上。各线轴包括一段长度的缠绕碳纤维丝束10。丝束包括由平行纤维形成的碳纤维的扁平条带。在该实施方式中，各线轴1028包括约12kg缠绕碳纤维丝束。用于本实施方式的丝束是“干燥的”-也就是说，其设置为无热响应涂层例如粉末粘合剂。

各轴的旋转受发动机(其具有制动轴的能力)影响，从而影响纤维丝束的张力。退绕器的发动机由控制器116控制。

在框架的一侧，提供了出口进料，其在丝束被退绕时导引丝束从线轴朝向导承框架104移动。

导承框架104

导承框架104定位在退绕器的下游并接收来自退绕器的丝束。其也在积累器106的上游(如下所述)。在进料到积累器之前，期望单独的丝束对齐、共平面且隔开预定距离。导承框架的主要目的是接受来自退绕器的丝束(其将在不同位置被进料到导承框架104)并使其准备好用于积累器。

导承框架104因此包括几组辊和导缆器以将丝束导引到积累器。

积累器106

参照图2和图3，积累器106包括具有大体上竖直的构件1062的框架1060。框架1060由脚部1061支撑在地板上。即使构件1062以竖直位置显示在图中，该构件1062也可以是水平的或者在其间的任何其它位置。

具有水平轴线S1的进入轴1064在第一竖直位置安装于框架1060。进入轴1064竖直固定。安装多个滑轮1066用于经低摩擦辊轴承(不可见)在进入轴1064上自由旋转。在该实施方式中，存在8个滑轮1066，其各自具有轴部分和相对的端部凸缘，以将相应的丝束条带10保持在轴部分上。

具有水平轴线S2的第一固定轴1068在第二竖直位置安装于框架1060。第一固定轴1068竖直固定。安装多个滑轮1070用于经低摩擦辊轴承(不可见)在第一固定轴1068上自由旋转。在该实施方式中，存在8个滑轮1070，其各自具有轴部分和相对的端部凸缘，以将相应的丝束条带保持在轴部分上。

具有水平轴线S3的可移位轴1072安装于框架1060用于竖直移动。可移位轴1072支撑在滑架1074上，该滑架可经线性致动器1076竖直移位。安装多个滑轮1078用于经低摩擦辊轴承(不可见)在可移位轴1072上自由旋转。在该实施方式中，存在8个滑轮1078，其各自具有轴部分和相对的端部凸缘，以将相应的丝束条带保持在轴部分上。

具有水平轴线S4的第二固定轴1080在与第一固定轴1068相同的竖直位置安装于框架1060。第二固定轴1080竖直固定。安装多个滑轮1082用于经低摩擦辊轴承(不可见)在第二固定轴1080上自由旋转。在该实施方式中，存在8个滑轮1082，其各自具有轴部分和相对的端部凸缘，以将相应的丝束条带保持在轴部分上。

成排滑轮1066，1070，1078，1082在轴向上对齐。来自导承框架104的丝束条带10各自以方向-X进入。将丝束条带在滑轮1066上进料到进入轴1064上，以90度穿过到向下的方向-Z。然后各丝束在第一固定轴1068的滑轮下进料，以180度转到方向Z，然后在可移位轴1072的滑轮上以180度穿过到方向-Z到达第二固定轴1080的滑轮。丝束以另一180度穿过朝补偿器108返回到+Z。

因此，丝束在第一固定轴1068、可移位轴1072和第二固定轴1080之间穿过的XZ平面中形成倒“U”形。

积累器的作用是当AFP头2400移动时保持丝束中的张力基本恒定(以下将详述)。针对本申请的目的，应理解在丝束10中应该总是保持非负(>0牛顿)张力。由于AFP头移动(虽然丝束从所述头沉积)，否则张力将会显著变化。例如，如果AFP头朝丝束所进料自的方向移动，张力将快速降低，可能低于0(即，引起松弛丝束)。类似地，如果AFP头移动远离丝束进料自的方向，张力将快速增大，可能会过量。

可移位轴1072在竖直Z方向上的移动改变丝束在第一和第二固定轴1068，1080之间的长度。

以这种方式，线性致动器1076的控制可以用于负责AFP头2400的移动。如果AFP头从丝束的进料的方向移开距离A，线性致动器可以朝固定轴1068，1080移动A/2以吸收进料中的另外丝束。该移动通过比较图2和图3证明。

换言之，积累器积累或吸收系统中的松弛部分。类似地，如果AFP头朝丝束的进料的方向移动距离B，线性致动器可以朝固定轴1068，1080移动B/2以提供进料中的另外丝束。线性致动器1076由控制器116控制，如下文描述。

补偿器108

参照图4，显示了补偿器108。

补偿器108在积累器106的下游且在AFP单元110的上游。而积累器配置为负责：

·丝束张力/位移的大变化；

·同时在所有丝束上，

补偿器配置为吸收：

·张力/位移的较小变化；

·对于各单独丝束。

补偿器108包括框架1080。框架1080具有第一(上)末端1082和第二(下)末端1084。多个八个气动弹簧1086附接于框架的上末端，各弹簧1086包括气缸1088和在其中可在Z轴线上线性移动的活塞1090。应注意在图4中，在末端可见弹簧，但提供了八个弹簧。各活塞1090配置为具有空档位置N。沿Z轴在任一方向上从静止位置的移动提供在活塞上的弹力，将其推向空档位置。辊1092安装于每个活塞的下端。类似于构件1062，补偿器108也可以在水平位置、或者在竖直位置和水平位置之间的任何位置。

多个八个滑轮1094安装在单个轴上，用于在框架1080的第二末端1084附近处旋转。同样，仅末端滑轮1094可见。

当使用时，丝束10从积累器向上(在+Z方向上)传递，并经过辊1092之上。从该处，丝束10被传递到滑轮1094，在滑轮1094中，丝束10旋转约90度以沿-X方向朝着AFP单元110行进。

8个弹簧1086是独立的-因此各活塞1090可以彼此独立移动。结果是，任何单独丝束10中的任何增加的张力将起到将活塞1090从气缸1088拉出的作用。因此，发生在丝束之间的这些小的张力变化被吸收以提供接近恒定的正张力(注意所有丝束共有的大的变化由积累器处理)。类似地，丝束之间出现的任何张力下降都将被向上行进的活塞吸收以保持接近恒定的正张力。

自动纤维铺放(AFP)单元110

AFP单元110的侧视图显示于图5至图7中。

AFP单元包括：

·机架2000；

·床2100；

·膜组件2200；

·门2300；

·AFP头2400；和

·稀松布进料器2500

机架2000包括机架框架2002。在该实施方式中，机架的平面约为2.0mx2.0m。机架2000配置为使用一对发动机2016，2018将AFP头2400分别在X方向、Y方向上移动。该平面显示在水平位置，但是其可以在任何所需的平面(竖直，水平，或任何其它角度)中实施。

床2100附接于机架2000，并且配置为绕平行于Z的轴线B旋转。

膜组件2200包括框架2202和膜2204。膜由一片可变形的弹性材料(在该实施方式中为硅氧烷)构成。框架2202在张力下固定膜2204。AFP单元包括多个致动器(不可见)，该致动器将膜组件2200下降到床2100上。当膜下降时，床2100贴合框架2202内部以接触膜2204(图6)。因此，当膜组件由床2100支撑在机架中时，膜2204搁置在床2100上以提供用于通过AFP头2400沉积纤维的平面反应表面。床2100也可以通过电动发动机(未显示)将膜组件2200绕轴线B旋转。门接收来自补偿器108的丝束10并将其直接进料到AFP头2400。为简单起见，图7仅显示三个丝束条带。

形式为稀松布进料器2500的粘合剂进料器如图5所示设置。稀松布进料器2500包括在机架2000之外但与机架2000相邻的轴2504。轴2504平行于机架2000的侧面并托住片状热塑性网状稀松布材料2508的卷2506。可将形式为稀松布材料2508的粘合剂材料从卷中拉出(手动或自动)，跨过膜2204的上表面以覆盖它。AFP头2400然后直接沉积在稀松布2508上。以下进一步讨论使用稀松布材料2508。

AFP头2400接收来自门2300的8个丝束条带10并配置为将它们沉积到膜2204上(特别是沉积到覆盖之前的纤维层的一个稀松布层2508上)。丝束在-X方向上从门2300进料并进入头2400。丝束10平行于入口的方向(即，-X)在膜2204处离开AFP头2400。

图8以示意性的形式显示在AFP头2400内操作的阶段。AFP头包括一对相对的轧辊2402a，2402b，切割器2404，加热器通道2405和沉积辊2406。轧辊2402a由发动机2408驱动，所述发动机2408通过楔块式离合器连接于辊2402a。加热器通道2405包括加热器2405a，2405b，所述加热器排布为通过传导方式加热穿过其中的丝束10。在该实施方式中，加热器2405a，2405b是电阻式的。

图8中的步骤I显示进料条件。发动机2408在方向M上被驱动以将丝束10拉进头2400中并将其朝沉积辊2406导引。当发动机在方向M上被驱动以将辊2402a在相同方向上驱动时，楔块式离合器接合。

移至步骤II，丝束被沉积辊“抓住”(即，在沉积辊和膜2204之间)，而沉积辊有效地变成丝束进料的主驱动器。沉积辊不是直接驱动的-而是在下述情况下在摩擦下旋转：当头在膜上移动时，其中沉积辊2406与丝束接触，由此丝束又与膜、稀松布或上一丝束层接触。当现在拉动丝束时，轧辊2402a可以相对于发动机2408沿方向M空转。发动机2408以比沉积辊2406慢的速度驱动，以确保楔块式离合器可以空转。在丝束接触膜2204之前，且在沉积辊2406的上游，随着丝束穿过加热器通道2405，丝束被加热。选择递送至加热器2405a，2405b的粉末，使得丝束当其沉积时的温度足以使稀松布2508稍微熔融(即，增粘)。当AFP头移动跨过膜2204时，增粘的稀松布“抓住”丝束。丝束在沉积时处于张力T下。应注意，该方法非常适合于将“干燥”丝束施用于稀松布。

移动至步骤III，在一个丝束带10已经沉积之后，切割器2404被激活以切割丝束10。下游丝束10继续通过辊2406沉积，由于这样，在进行切割时，切割器必须按与丝束相同的速率移动。在进行切割并且切割器返回其起始位置之后，不希望连续地进料丝束10，因为丝束会在切割器2404后面成束。当上游丝束10在张力T下(之前通过退绕器、积累器、补偿器等反应)通过轧辊2402a，2402b被拉回时，楔块式离合器接合。这样，丝束10通过轧辊2402a，2402b返回的行进可以由电动机2408控制。发动机2408沿-M方向供电，从而可控制地将切割的丝束进料10驱动离开切割器2404。以这种方式可以保持张力(发动机2408有效地充当张紧的丝束上的制动器)。

一旦丝束10’已经沉积、且切割器2404脱开，则发动机2408可以用于将丝束10进料回到沉积辊2406。这显示于步骤IV。然后针对新条带可以重复该循环。

AFP头2400的操作将在以下内容中作为组件100的操作的一部分进行描述。

传送带112

参照图1和图7，传送带112包括两个平行导轨1120，1122，所述导轨沿Y方向延伸且在X方向上隔开。导轨1120，1122支撑在膜组件框架2202的下侧上的滚动元件并使该滚动元件可沿方向-Y从AFP单元110移动到隔膜成型单元114。

隔膜成型单元114

隔膜成型单元114与AFP单元110分开且在AFP单元110的下游。在图9中从侧面显示的隔膜成型单元114包括具有与AFP单元110(其也接收膜组件2200)大致相同的形状和尺寸的框架1140。

隔膜成型单元114包括另一膜组件2600。另一膜组件2600在形式上类似于膜组件2200。其包括框架2602和膜2604。框架2602限定经由端口2605与膜2604的下侧连通的流体通道2603(图10)。通道2603连接于真空泵(未显示)。

隔膜成型单元114包括位于膜2204之下的阳模具型腔1148。

隔膜成型单元114包括加热器2700，所述加热器配置为将辐射热从上方直接引导到膜2204，2604上。

当使用时，膜组件2200和另一膜组件2600都可以在±Z方向上移动。图10至图12显示单元114可如何夹持沉积的纤维以进行成型。

在图10中显示了沉积的纤维10，其上直接搁置膜2204与膜2604。另一膜组件2600降低，直到在相应框架2202，2602之间产生密封(图11)。在该点，产生包含沉积的纤维10的闭合腔2604。

在图12中，通过通道2603抽真空以排空空气的腔2604(或至少显著降低其中的压力)。腔的尺寸减小，直到膜2204，2604夹紧沉积的纤维10。

参照图13，然后将框架2202，2602抬高至加热器2700以加热并由此软化稀松布。升高温度用于使稀松布2508增粘并使丝束层10一起固定在膜2204，2604之间。

框架2202，2602然后下降到阳模具型腔1148上以使膜2204，2604以及固定在其间的纤维和增粘的稀松布变形为所需三维形状。

控制器116

控制器116示意性地显示于图14。其包括输入/输出模块(I/O)1160，处理器1162、存储器1164和人机界面(HMI)1166。控制器配置为使用处理器1162处理存储在存储器1164上的程序。其可以在HMI 1166上接收指令和显示信息，并通过I/O模块1160接收数据并将其发送到设备100中的各个子组件。

特别地，I/O模块具有与以下的双向数据链接：

·退绕器发动机1024；

·积累器的线性致动器1076；

·控制AFP头的位置的X-Y发动机2016，2018；

·AFP头2400本身；

·控制床2100的旋转的发动机；

·控制膜组件2200在AFP单元内的Z位置的致动器；

·传送带112的致动器；和

·隔膜成型单元-具体为：

ο加热器2700；

ο控制膜组件2200和另一膜组件2600的移动的致动器；和

ο真空泵。

方法描述

关于成型方法，设备如下起作用，可参照图15。

在步骤3000，启动所述方法，其中二维形状由所需的三维预制件产生。此处将不再详述该方法，但是可以理解，这样的技术是本领域已知的。

在步骤3002，将二维形状分成“条带”，表示制备形状所需的丝束线。通常，根据最终部件的要求，多个层也用在不同方向的条带产生(例如，可以存在4个层-0度/90度/0度/90度)。

在步骤3004，启动设备100。在这种状态下，将膜2204下降到床2100上。

在步骤3006，使用机架发动机2016，2018将AFP头2400移动至用于第一丝束层10的起始位置。当这样做时，穿过门2300的所得进料由积累器吸收。控制器116配置为产生头2400的XY移动所需的积累水平，调整积累器致动器1076以提供该积累。例如，如果头2400朝向门2300移动，则致动器1076将轴1072向上移动。如果头2400远离门2300移动，致动器1076将轴1072向下移动。应注意，轴1072的位置完全取决于头2400的XY位置，使得关于退绕器，头2400是不移动的。

在步骤3008，接合AFP头，且将丝束10以条带形式沉积到由床2100支撑的膜2204上。退绕器102允许从线轴1028缠绕丝束10，但是当发生这种情况时，控制器使用发动机1024以保持丝束10中的张力。控制器116因此同时控制退绕器112和积累器106以保持丝束10中的张力。

在步骤3010，切割丝束10(条带完成)。

在步骤3012，将头2400移动至用于下一条带的起始位置，且重复步骤3008。

一旦第一层中的所有条带都已经沉积，在步骤3014，将一个稀松布层2508在第一丝束层上拉过。

在步骤3016，床2100通过控制器116旋转90度以用于下一丝束层的沉积。应注意，头2400仅可在一个方向上沉积丝束，因此床2100的旋转对于具有不同取向的层是必要的。

在步骤3018，使用机架发动机2016，2018将AFP头2400移动至用于第二丝束层10的起始位置。当这样做时，穿过门2300的所得进料由积累器吸收。

在步骤3020，接合AFP头，且将丝束10以条带形式沉积到由床2100支撑的稀松布2018上。退绕器102允许从线轴1028缠绕丝束10，但是当发生这种情况时，控制器使用发动机1024以保持丝束10中的张力。控制器116因此同时控制退绕器112和积累器106以保持丝束10中的张力。

在步骤3022，切割丝束10(条带完成)。

在步骤3024，将头2400移动至用于下一条带的起始位置，且重复步骤3020。

一旦第一层中的所有条带均已沉积，在步骤3026，将另一稀松布层2508在第一丝束层上拉过，以此类推，直到所有层均已沉积。

结果是由单向纤维的交替层构成的二维多轴织物预制件。

应注意在整个该方法中，补偿器108正在“消除”单个丝束张力中的高频变化。

在步骤3028，将膜组件2200从床2100上抬起并通过传送带112移动至成型单元114。

一旦在成型单元中，在步骤3030，将另一膜组件2600下降至膜组件2200上并产生真空以将膜2204，2604一起拖曳，从而将沉积的丝束和稀松布夹在这两个膜之间。

将膜在步骤3032中抬高和加热(如上所述)、并在步骤3034中沿-Z方向降低，以使膜变形，从而使沉积的丝束10变形。

在步骤3036，释放真空以暴露出预制件，由于稀松布将保留其形状，以进行进一步的树脂传递模塑操作。稀松布还有助于提高预制件的渗透性，以进行树脂浸渍。

变型

对以上实施方式的下述变型落入所附权利要求的范围内。

积累器和/或补偿器的功能可由退绕器子组件实现。如果提供适当大小的发动机(该发动机具有显著的扭矩和快速的响应时间)，则可消除对单独的积累器和/或补偿器的需求，但是这将需要对控制器进行修改。

初始沉积时无需对膜进行二维处理。虽然在二维维度上较容易控制AFP头，但是以下也在本发明的范围内：在AFP单元中使纤维以第一三维形状沉积到膜上，和在隔膜成型单元中使其变形为第二三维形状。

粉末沉积装置可以设置在导承框架140内从而为纤维丝束提供例如粘合剂粉末，其可以补充、或代替稀松布的功能。粉末沉积装置可以与AFP头组装在一起，以在丝束沉积之后立即进行粉末沉积。

或者，在丝束沉积和模塑之间可能存在中间粉末沉积阶段。在该实施方式中，一个粉末丝束层可以沉积在顶部丝束层上。或者，各层可以在沉积之后粉末化。

树脂传递方法可以在成型单元中进行。

因此，本发明提供了用于制造预制件的方法和设备，所述预制件包括通过前述方法和设备制造的任何预制件。

Claims (44)

1.一种制造用于复合材料模塑操作的预制件的方法，其包括以下步骤：

提供第一形状的可变形表面；

提供纤维铺放头；

将纤维沉积到为柔性膜的所述可变形表面上，以形成第一形状的预制件，其中所述可变形表面可绕与所述可变形表面相交的轴线相对于所述头旋转移动；

使所述纤维铺放头和所述可变形表面中的至少一个相对于彼此移动，同时使纤维从所述头沉积到所述可变形表面上，以形成第一形状的预制件；

使所述可变形表面变形以及从而使所述预制件变形为不同于所述第一形状的第二形状；

使两个或更多个纤维层沉积到所述可变形表面上，其中在沉积各层的步骤之间，使所述膜相对于所述头旋转，使得在第一纤维层中的纤维与相邻的第二纤维层中的纤维成非零角度。

2.根据权利要求1所述的方法，其中所述头可在至少两个轴线上线性移动。

3.根据权利要求1所述的方法，其包括以下步骤：

提供配置为粘合相邻的纤维材料层的粘合剂材料；

将所述材料施用于所述纤维。

4.根据权利要求3所述的方法，其中所述粘合剂材料是树脂。

5.根据权利要求4所述的方法，其中所述粘合剂材料的形式为树脂膜或树脂层，且所述纤维通过树脂粘性粘合。

6.根据权利要求3至5任一项所述的方法，其中在使所述纤维沉积到所述柔性表面上之前，将所述材料施用于所述纤维。

7.根据权利要求6所述的方法，其中当将所述纤维朝所述柔性表面进料时，将所述材料连续地施用于所述纤维。

8.根据权利要求3至5任一项所述的方法，其中所述材料的形式为粉末粘合剂。

9.根据权利要求3至5任一项所述的方法，其中在使所述纤维沉积到所述柔性表面上之后，将所述粘合剂材料施用于所述纤维。

10.根据权利要求3至5任一项所述的方法，其包括以下步骤：

将所述材料施用于两个或更多个纤维层中的至少两个之间。

11.根据权利要求3至5任一项所述的方法，其中所述粘合剂材料的形式为片材。

12.根据权利要求3至5任一项所述的方法，其包括以下步骤：

通过调节所述粘合剂材料的温度控制所述粘合剂材料的粘性。

13.根据权利要求3至5任一项所述的方法，其包括以下步骤：

在使所述纤维变形以形成第二形状的预制件的步骤之前或过程中提高所述材料的温度，从而粘合邻近的纤维。

14.根据权利要求3至5任一项所述的方法，其中所述可变形表面是柔性膜。

15.根据权利要求14所述的方法，其包括以下步骤：

提供膜组件，所述膜组件包括由框架支撑的膜。

16.根据权利要求15所述的方法，其包括在所述框架中预张紧所述膜的步骤。

17.根据权利要求15所述的方法，其包括以下步骤：

提供具有表面的膜床；

在沉积所述纤维的步骤过程中将所述膜支撑在所述床的表面上。

18.根据权利要求17所述的方法，其中所述床的表面贴合所述框架内部，使得所述膜组件下降至所述床上，以使所述膜和所述床的表面之间存在接触。

19.根据权利要求1至5任一项所述的方法，其包括以下步骤：

提供另一可变形表面；

在沉积所述纤维的步骤之后，将沉积的纤维封闭在所述可变形表面和另一可变形表面之间以形成纤维腔；

通过使所述可变形表面和另一可变形表面变形来使所述纤维变形以形成三维预制件。

20.根据权利要求19所述的方法，其包括以下步骤：

在使所述纤维变形的步骤之前降低所述纤维腔中的压力。

21.根据权利要求20所述的方法，其中通过使可变形表面和另一可变形表面收缩将压力降低到向所述沉积的纤维施加压缩力的水平。

22.根据权利要求1至5任一项所述的方法，其包括以下步骤：

提供纤维沉积单元，在所述纤维沉积单元中进行使所述纤维沉积的步骤；

提供单独的成型单元，在所述单独的成型单元中进行变形的步骤；

使所述可变形表面在所述纤维沉积单元和所述成型单元之间传送。

23.一种用于制造用于复合材料模塑操作的纤维预制件的设备，所述设备包括：

纤维铺放头；

可变形表面；

三维模具形状；

其中所述纤维铺放头和所述可变形表面中的至少一个可移动以使纤维沉积到所述可变形表面上从而形成第一形状的预制件；以及

其中所述可变形表面和三维模具形状中的至少一个可相对于另一个移动，使得所述可变形表面上的第一形状的预制件变形为不同于所述第一形状的第二形状，

其中所述可变形表面是平面的，并且在其自身的平面中可旋转移动。

24.根据权利要求23所述的设备，其中所述纤维铺放头包括用于加热和/或冷却所述纤维的装置。

25.根据权利要求23所述的设备，其中所述纤维铺放头可在至少两个轴线上线性移动。

26.根据权利要求23至25任一项所述的设备，其包括：

施用子组件，其用于施用配置为将邻近的纤维层粘合于所述沉积的纤维的材料。

27.根据权利要求26所述的设备，其中所述施用子组件配置为在将所述纤维沉积到所述可变形表面上之前将所述材料施用于所述纤维。

28.根据权利要求26所述的设备，其中所述施用子组件配置为当将所述材料朝所述可变形表面进料时将所述材料连续施用于所述纤维。

29.根据权利要求23至25任一项所述的设备，其中所述材料的形式为粉末。

30.根据权利要求23至25任一项所述的设备，其中所述材料的形式为片材。

31.根据权利要求23至25任一项所述的设备，其中所述材料的形式为在室温具有粘性的树脂。

32.根据权利要求26所述的设备，其中所述施用子组件包括来自一卷粘合剂材料的进料。

33.根据权利要求23至25任一项所述的设备，其包括能量源，所述能量源配置为在使所述纤维变形之前或过程中降低或提高配置为粘合相邻纤维层的材料的温度。

34.根据权利要求33所述的设备，其中所述能量源为用于增加热量的加热器或用于减少热量的冷却器。

35.根据权利要求23至25任一项所述的设备，其包括膜组件，所述膜组件包括限定所述可变形表面的膜，所述膜由框架支撑。

36.根据权利要求35所述的设备，其中所述膜在所述框架中被预张紧。

37.根据权利要求23至25任一项所述的设备，其包括床，所述床具有用于在纤维沉积期间支撑所述可变形表面的不可变形表面。

38.根据权利要求35所述的设备，其包括床，所述床具有用于在纤维沉积期间支撑所述可变形表面的不可变形表面。

39.根据权利要求36所述的设备，其包括床，所述床具有用于在纤维沉积期间支撑所述可变形表面的不可变形表面。

40.根据权利要求38所述的设备，其中所述床的不可变形表面贴合所述框架内部，使得所述膜组件下降至所述床上，以使所述膜和所述床的表面之间存在接触，从而张紧所述膜。

41.根据权利要求39所述的设备，其中所述床的不可变形表面贴合所述框架内部，使得所述膜组件下降至所述床上，以使所述膜和所述床的表面之间存在接触，从而张紧所述膜。

42.根据权利要求23至25任一项所述的设备，其包括另一可变形表面，所述另一可变形表面经布置，以在所述预制件的变形期间将所述沉积的纤维封闭在所述另一可变形表面和所述可变形表面之间。

43.根据权利要求42所述的设备，其包括减压系统，其配置为在使所述纤维变形之前降低所述可变形表面和所述另一可变形表面之间的压力。

44.根据权利要求23至25任一项所述的设备，其包括：

包括所述纤维铺放头的纤维沉积单元；

包括所述三维模具形状的单独的成型单元；和

用于将所述可变形表面在所述纤维沉积单元和所述成型单元之间传送的传送带。

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