CN112423955A - 用于生产具有可变曲率和横截面的中空型材的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于生产中空型材(110)的方法，该中空型材(110)具有可变曲率和横截面。在这种情况下，使得具有至少一个曲率变化部或横截面变化部的芯(141)相对于系统(100)以平移方式移动，该系统至少具有第一纤维馈送部和第二纤维馈送部(131、132、133)，这些纤维馈送部导致形成轴向纤维增强部和至少第一缠绕层。

Description

用于生产具有可变曲率和横截面的中空型材的方法
技术领域
本发明涉及一种用于生产缠绕纤维增强的中空型材的方法，该中空型材具有可变的弯曲部、横截面以及材料厚度，并且还具有附加的轴向纤维增强部。
背景技术
通常，通过编织方法生产用于工业目的的纤维增强的中空型材。例如，在这些过程中，如DE199 25 941 B4中所描述的那样，线材的线圈绕编织芯的轴线以圆形方式延伸，并且在该编织芯上形成由线材构成的均匀编织物，从而生成线材交叉点。替代地，可以通过缠绕方法来生产中空型材，其中，可选地浸渍有粘合剂的纤维材料缠绕在缠绕芯周围并且沉积在该缠绕芯上。
连续方法包括拉挤成型方法，其中，将浸渍有树脂的纤维抽拉穿过成形开口，这些成形开口允许中空型材得以成形。WO 2016/066510描述了以类似于拉挤成型方法的方法来连续地生产填充有硬质发泡芯的纤维增强型材。与典型的拉挤成型方法不同，仅在缠绕发泡芯之后才进行树脂浸渍。然后，当树脂在多个加热的成型模具中固化时，进行最终成型过程。
编织方法通常仅允许相对较慢的方法速度来生产中空型材，因为编织装置的不同机器元件必须连续经受加速以便生成纤维交叉点。
相比之下，缠绕方法要快得多，但是具有的缺点在于，所生产的中空型材在其纵向方向上具有较低的刚性和强度。
发明内容
因此，本发明的目的是克服上述缺点，并且提供一种用于生产中空型材的快速方法，该方法允许所生产的中空型材具有高度可变性。
根据本发明，该目的通过一种具有权利要求1所述特征的方法来实现。
该方法包括以下方法步骤：
a)使得具有纵向芯轴线的芯以平移方式沿着该纵向芯轴线相对于如下系统移动：该系统至少具有第一纤维馈送部和第二纤维馈送部，其中，该纵向芯轴线包括至少一个方向变化，且/或其中，该芯包括沿着该纵向芯轴线的至少一个横截面变化部；
b)使得来自第一纤维馈送部的单向线材沿着纵向芯轴线沉积，以便形成轴向纤维增强部；以及
c)使得来自第二纤维馈送部的缠绕线材缠绕在芯上，该第二纤维馈送部相对于该芯绕该芯旋转，以便形成第一缠绕层。
根据本发明的方法是快速且生产率高的，并且允许所生产的中空型材在成形、强度和材料方面具有高度可变性。除了轴向纤维增强部之外，该型材特别地可以包括沿其纵向轴线的横截面变化部和/或弯曲部。根据本方法，该中空轮廓主要复制该芯从一开始就具有的弯曲部和/或横截面变化部。相比之下，由于通过固定模具抽拉出所生产的型材的工艺流程，典型的拉挤成型方法仅适用于直管中空型材。对方法的上述变型(其中，该中空型材在缠绕芯之后再成形)对于所生产的中空型材在弯曲部、横截面和材料厚度方面也包括较大的限制。
附图说明
下文中将参照附图更详细地解释本发明的实施例和方面，附图中：
图1是用于执行根据本发明的方法的实施例的示意图；
图2是弯曲中空型材的一个示例的示意图，该弯曲中空型材可以根据本发明的方法形成；
图3a到图3c每个均是中空型材中的横截面变化部的各个示意图；以及
图4是具有材料厚度D的中空型材的示意图。
具体实施方式
图2示出了具有可变曲率的中空型材110的一个示例，该中空型材110可以通过根据本发明的方法形成。弯曲芯或中空型材应被理解为意指这样一种具有纵向轴线的芯或中空型材，该芯或中空型材具有至少一个弯曲部，即执行至少一个方向变化。所生产的芯和中空型材包括纵向轴线，其在下文中指代纵向芯轴线或纵向型材轴线。
在本发明的上下文内，该纵向芯轴线指代这样的轴线，该轴线在特定的纵向方向上延伸通过芯的横截面区域的质心。这特别地意味着，该纵向芯轴线将芯的纵向方向作为优选方向但不必是直线，即该纵向芯轴线可以执行方向变化，并且该芯由此可以沿着该纵向轴线具有一个或多个弯曲部。
纵向型材轴线112在纵向方向上延伸穿过中空型材的中心，并且因此行进穿过由中空型材围绕的区域的质心。由于该中空型材通常绕芯均匀地形成，因此纵向型材轴线112通常对应于纵向芯轴线。因此，该纵向型材轴线不必是直线，而是可以包括方向变化。
举例而言，在图2中描述纵向型材轴线112中的方向变化。该纵向型材轴线112包括第一弯曲部，该第一弯曲部大致旋转50°，这可以由曲率角α来描述。在这种情况下，曲率角α可以被定义为通过纵向型材轴线112的两个正交部f和g形成的最大角度，其中，正交部f位于第一弯曲部之前，并且正交部g在纵向轴线上位于第一弯曲部之后。曲率角α越小，则纵向轴线的第一弯曲部越小，其中，在本发明的范围内，平直中空型材并不包括曲率角。根据本发明的方法也能够生产平直中空型材或者具有小于10°的较小曲率角的中空型材。然而，根据本发明的方法的特征特别地在于，该方法也可能生产极为弯曲的中空型材，该中空型材包括超过10°的一个或多个曲率角。通过根据本发明的方法，曲率角α也可以超过30°。如图2中所示，根据本发明的方法也可以适用于超过45°的曲率角，其中，根据本发明的方法也允许中空型材具有超过90°的曲率角。特别地，根据本发明的方法还允许生产甚至更大程度弯曲的中空型材(例如，U形管)，其中，该曲率角对应于180°。从理论上讲，螺旋形中空型材也是可能的，该中空型材的曲率角大于360°。
如果横截面在纵向型材轴线或纵向芯轴线上的两个位置中不同，则在本发明的范围内存在横截面变化部。在这种情况下，横截面变化部既包括横截面形状的变化部(例如图3c中所示，从正方形到矩形或圆形横截面)，又包括直径或表面积的变化部。图3a示出了在本发明的范围内的由于中空型材110的直径变化(从d2到d1)导致横截面变化部的示例，其中，d2＞d1。在图3b中，通过中空型材的横截面区域的表面积变化示出了横截面变化部，该表面积变化由于中空型材的壁厚D1增大到壁厚D2而引起。因此，该中空型材不仅反映了芯的横截面变化，而且还包括例如由于局部较厚部分引起的附加横截面变化。
在图1中示出了用于执行生产中空型材的方法的系统100的基本结构，除了轴向纤维增强部以外，该中空型材还可以包括可变弯曲部和横截面。该图像示出了第一纤维馈送部131和第二纤维馈送部132，该第一纤维馈送部131包括沉积在芯141上的单向线材121，并且该第二纤维馈送部132包括缠绕在芯141周围的缠绕线材122。在本方法中，芯141并非随后成形，而是在沉积单向线材和缠绕线材之前，就已包括弯曲部和/或横截面变化部，这些弯曲部和/或横截面变化部从所产生的中空型材110复制。在有利的实施例中，第一纤维馈送部131包括引导眼孔151，这些引导眼孔151用于将单向线材121精确地定位在芯141上。例如，引导眼孔151优选地在沉积单向线材121之前直接地施加于芯，并且可以是较小的引导眼孔。还可以将附加的引导眼孔151施加于芯，以在沉积缠绕线材之前精确地定位这些缠绕线材。例如，集成有引导眼孔的环部适合于这一定位。在有利的实施例中，系统100还包括第三纤维馈送部133，该第三纤维馈送部133包括缠绕线材，并且由此可以形成三轴纤维结构。第一纤维馈送部、第二纤维馈送部以及第三纤维馈送部优选地包括纤维张紧单元，这些纤维张紧单元用于调节纤维张力并且各自包括至少一个纤维线圈。
根据本发明的方法的各个方法步骤基本上同时进行。在芯141沿着纵向芯轴线持续向前移动通过系统100期间，来自第一纤维馈送部131的单向线材121和来自第二纤维馈送部132的缠绕线材122均沉积在芯141上。该系统100包括系统轴线101，单向线材121沿着该系统轴线101沉积并且第二纤维馈送部132绕该系统轴线101旋转，其中，该芯被引导通过该系统，以使得该纵向芯轴线在第二纤维馈送部132的位置处基本上与系统轴线101重合。通过沿着系统轴线101沉积固定的第一纤维馈送部131的单向线材121，在这种情况下实现轴向纤维增强部，而缠绕线材122同时通过绕系统轴线101旋转的第二纤维馈送部132缠绕在芯周围，并且由此将第一缠绕层施加于芯。因此，一次就可以将轴向纤维增强部和第一缠绕层施加于整个芯。因此，所生产的中空型材110包括轴向纤维增强部和至少一个第一缠绕层，有利的是，第一缠绕层被布置在轴向纤维增强部的顶部上以固定该轴向纤维增强部。
在一个有利的设计中，第三纤维馈送部133可以用于形成第二缠绕层。为此，该第三纤维馈送部133类似于第二纤维馈送部132相对于该芯绕系统轴线101以及绕芯141旋转，并且将附加的缠绕线材绕芯141缠绕。在有利的实施例中，第二纤维馈送部和第三纤维馈送部在相反方向上绕芯141旋转，且由此例如允许形成补偿的复合角，其中，第一缠绕层和第二缠绕层的缠绕角度仅仅符号不同，例如是±30°。在这种情况下，该缠绕角度描述了在缠绕线材和纵向型材轴线112或纵向芯轴线之间形成的角度，并且通过芯沿着纵向芯轴线相对于该系统的平移移动来确定，这将在下文再次讨论。在另一有利的实施例中，第二纤维馈送部132和第三纤维馈送部133在相同方向或相反方向上(优选地是在相反方向上)以不同的旋转速度旋转，且由此能够形成缠绕复合物，其中，除了符号以外，第一缠绕层和第二缠绕层的缠绕角度在缠绕角度的大小方面也是不同的。
在所述芯保持固定时，理论上可以绕芯141来引导根据本发明的方法中的系统100。然而，根据有利的实施例，芯141沿着履带引导通过系统100，其中，该履带的形状对应于该纵向芯轴线的形状。在这种情况下，履带自由地位于空间中，且由此并没有被联接于组装线、轨道等等。因此，还可以沿纵向芯轴线实施任何方向变化以实现芯的平移移动，该芯可以根据需要向上、向下、向左以及向右移动，同时单向线材121沉积在该芯上，并且第二纤维馈送部和/或第三纤维馈送部将缠绕线材缠绕在该芯周围。在这种情况下，芯141引导通过该系统，以使得该纵向芯轴线在第二纤维馈送部和/或第三纤维馈送部的位置处、基本上与系统轴线101重合。因此，弯曲芯还可以由纤维材料均匀地覆盖并缠绕在周围。
在这种情况下，第二纤维馈送部和第三纤维馈送部优选地绕该系统轴线执行纯旋转运动。这些机器元件的纯旋转运动实现快速的型材生产过程，其中并不生成线材交叉点。
根据有利的实施例，通过至少一个臂，优选地至少一个工业机器人(根据VDI指南2860)来执行芯141的平移移动，其中，该至少一个臂将该芯拉过和/或推过该系统。根据一个实施例，该芯由第一臂保持在后端处，并且通过该第一臂的前端引导(特别地推动)通过系统。只要第一纤维馈送部131的单向线材121以及第二纤维馈送部132和可选的第三纤维馈送部133的缠绕线材122覆盖芯141的前端的至少一部分，则第二臂就可以在该部分处抓持该芯141(该芯已被部分地缠绕)，并且进一步将该芯引导，特别是拉动通过系统100，其中，第一臂可以在后端处重新释放该芯141。优选地在连续过渡中进行从第一臂到第二臂的切换。该第二臂现在仍可以将芯141的整个后端引导通过系统，以使得该芯在该端部中完全由轴向纤维增强部围绕，该轴向纤维增强部由单向线材121以及第二缠绕层和可选的第三缠绕层构成。
特别地，通过执行芯141的平移移动的平移速度来确定缠绕角度，缠绕线材以该缠绕角度施加于芯141。还通过纤维馈送部132和133的不同旋转速度来确定缠绕角度。在两种情况下，缠绕角度可以在0°和90°之间，其中，该缠绕角度实际上例如可以在9°和90°之间。该缠绕角度优选地位于10°和89°之间，特别优选地在15°和85°之间，更特别优选地在20°和80°之间。通常，执行平移移动越快，缠绕角度越小。较慢的平移速度导致缠绕角度接近90°。上述缠绕角度在符号±上可以是不同的。
平移速度减小、特别是直至芯141停止还可以用于将缠绕线材122多次缠绕在芯的一部分周围，且由此实现局部地增大材料厚度D，即例如如图3b中所示，将壁厚D1增加为壁厚D2。
当该芯以不同的平移速度引导通过系统100时，在特定的缠绕线材和纵向芯轴线之间的缠绕角度也可以局部不同。在本发明的一个实施例中，芯141在方法步骤a到c期间的平移移动首先以第一平移速度进行且随后以不同于第一平移速度的第二平移速度进行，其中，以第一平移速度将缠绕线材从第二纤维馈送部132缠绕在芯141周围导致形成具有第一缠绕角度和/或第一层厚度的第一缠绕层，并且以第二平移速度缠绕导致形成具有第二缠绕角度和/或第二层厚度的第一缠绕层，其中，该第二缠绕角度和第二层厚度分别不同于该第一缠绕角度和第一层厚度。如果提供第三纤维馈送部133，则以第一平移速度还形成具有第三缠绕角度和/或第三层厚度的第二缠绕层，并且以第二平移速度形成具有第四缠绕角度和/或第四层厚度的第二缠绕层，其中，该第四缠绕角度和第四层厚度不同于第三缠绕角度和第三层厚度。在有利的实施例中，第三缠绕角度和第四缠绕角度分别与具有相反符号的第一缠绕角度和第二缠绕角度相对应。
在有利的实施例中，形成第一纤维馈送部、第二纤维馈送部以及第三纤维馈送部，以使得第一缠绕层和第二缠绕层被布置在轴向纤维增强部的顶部上。用于形成附加的缠绕层的附加纤维馈送部也是可能的。
来自第一纤维馈送部的单向线材和缠绕线材可以由相同材料制成。在另一有利实施例中，来自第一纤维馈送部的单向线材可以包括与缠绕线材不同的材料。除了纤维优选的连续纤维以外，粗纱、纱条、浸渍纤维以及条带(其可以由热塑性或热固性材料浸渍)可以同时用作第二纤维馈送部和第三纤维馈送部的单向线材和缠绕线材。单向线材和缠绕线材优选地选自由碳纤维、陶瓷纤维、玻璃纤维、芳族聚酰胺纤维、玄武岩纤维、聚合物纤维以及两种或更多种上述材料的混合物构成的组。
根据本发明的方法的芯可以是发泡芯、熔芯、膨胀或扩展芯、由塑料制成的吹塑芯、残留芯或冲洗芯。
通过各种可能的变型，特别是对于缠绕层(尤其是材料、层厚度、缠绕角度、层数)，可以使所生产的中空型材110适应多种不同的应力和要求。因此，例如，该方法允许生产用于客车横梁、用于汽车的车顶梁以及其它车辆结构中的纵梁和横梁。还可以通过根据本发明的方法来生产用于飞机和行李架的底板支承件、车顶护栏和栏杆。

Claims (11)

1.一种用于生产具有纵向型材轴线(112)的中空型材(110)的方法，其中，所述中空型材(110)包括至少一个横截面变化部和至少一个弯曲部中的至少一个，所述方法包括以下方法步骤：
a)使得具有纵向芯轴线的芯(141)以平移方式沿着所述纵向芯轴线相对于系统(100)移动，所述系统至少包括第一纤维馈送部(131)和第二纤维馈送部(132)，其中，所述纵向芯轴线包括至少一个方向变化，且/或其中，所述芯包括沿着所述纵向芯轴线的至少一个横截面变化部；
b)使得来自所述第一纤维馈送部(131)的单向线材(121)沿着所述纵向芯轴线沉积，以便形成轴向纤维增强部；以及
c)使得来自所述第二纤维馈送部(132)的缠绕线材(122)缠绕在所述芯上，所述第二纤维馈送部(132)绕所述芯相对于所述芯旋转，以便形成第一缠绕层。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述芯(141)在方法步骤a到c期间的平移移动首先以第一平移速度进行且随后以与所述第一平移速度不同的第二平移速度进行，其中，以所述第一平移速度使得来自所述第二纤维馈送部(132)的所述缠绕线材(122)缠绕在所述芯(141)上导致形成具有第一缠绕角度和/或第一层厚度的第一缠绕层，并且以所述第二平移速度使得来自所述第二纤维馈送部(132)的所述缠绕线材(122)缠绕在所述芯(141)上导致形成具有第二缠绕角度和/或第二层厚度的第一缠绕层，其中，所述第二缠绕角度和所述第二层厚度分别不同于所述第一缠绕角度和所述第一层厚度。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述系统(100)包括第三纤维馈送部(133)，其中，所述第三纤维馈送部(133)绕所述芯(141)相对于所述芯旋转，其中，所述第二纤维馈送部(132)和所述第三纤维馈送部(133)在相反方向上旋转，并且其中，所述第三纤维馈送部(133)形成第二缠绕层。
4.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中，所述芯(141)被缠绕成使得所述第一缠绕层和/或所述第二缠绕层被形成为沿着所述纵向型材轴线(112)具有不同的材料厚度D。
5.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中，通过至少一个臂，优选地至少一个工业机器人来实施所述芯(141)的平移移动，其中，所述至少一个臂将所述芯(141)拉过和/或推过所述系统。
6.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中，所述系统包括系统轴线(101)，并且其中，所述第二纤维馈送部和所述第三纤维馈送部绕所述系统轴线(101)执行纯旋转运动。
7.根据权利要求3到6中的任一项所述的方法，其中，所述第一缠绕层和所述第二缠绕层被布置在所述轴向纤维增强部的顶部上。
8.根据权利要求2到7中的任一项所述的方法，其中，所述第一缠绕角度和/或所述第二缠绕角度大于9°且小于90°。
9.根据权利要求3到6中的任一项所述的方法，其中，所述单向线材(121)包括与来自所述第二纤维馈送部和/或所述第三纤维馈送部的所述缠绕线材(122)相同的材料或者不同的材料。
10.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中，所述单向线材(121)和所述缠绕线材(122)各自均由纤维优选地连续纤维、无捻粗纱、纱条、浸渍纤维和/或浸渍条带构成，且/或包括碳纤维、玻璃纤维、芳族聚酰胺纤维、玄武岩纤维和/或热塑性纤维。
11.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中，所述芯(141)是发泡芯、熔芯、膨胀或扩展芯、由塑料制成的吹塑芯、残留芯或冲洗芯。
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