CN113905877A - 纤维铺放头 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种纤维铺放头(14、114)，包括辊子安装件(19)，辊子安装件包括限定辊子轴线(28)的轴(21)；以及限定内部腔室(30)的中空辊子(20)。辊子安装在轴上并被配置成围绕辊子轴线旋转。该纤维铺放头还包括加压流体系统(50)，该加压流体系统被配置成将加压流体输送至辊子的内部腔室以及从辊子的内部腔室排出加压流体，以通过改变腔室中的流体的压力来改变辊子的刚度。还公开了一种具有纤维铺放头的纤维铺放机(40)，以及一种使用纤维铺放头铺叠纤维增强材料的方法。

Description

纤维铺放头

本发明涉及一种纤维铺放头、一种具有该纤维铺放头的纤维铺放机以及一种使用该纤维铺放头铺叠纤维增强材料的方法。

纤维铺放机用于将纤维增强材料的纤维或丝束铺放在铺叠表面上以形成纤维增强材料的预成型件。纤维铺放机通常包括纤维铺放头，该纤维铺放头具有用于在铺叠操作期间压紧和转向纤维的辊子。

根据第一方面，提供了一种纤维铺放头，包括：辊子安装件，辊子安装件包括限定辊子轴线的轴；限定内部腔室的中空辊子，辊子安装于轴上并且被配置成围绕辊子轴线旋转；以及加压流体系统，该加压流体系统被配置成将加压流体输送至该辊子的内部腔室以及从该内部腔室排出加压流体，以便通过改变该腔室中的流体压力来改变该辊子的刚度。

加压流体系统可以被配置成通过辊子安装件的轴将加压流体输送至辊子的内部腔室以及从辊子的内部腔室排出加压流体。

加压流体系统可以包括控制器，该控制器被配置成控制腔室中的流体的排放和可选地输送以控制腔室中的压力。

该加压流体系统可以包括加压流体入口，该加压流体入口被配置成流体地连接到加压流体源上。该加压流体系统可以包括加压流体出口，该加压流体出口被配置成允许从该腔室排放流体。

该加压流体系统可以包括布置在该加压流体出口处的出口阀。出口阀可以选择性地打开，以允许流体从腔室排出，从而控制腔室内的压力。

该加压流体系统可以包括布置在该加压流体出口处的出口阀。出口阀可具有压力释放阈值，使得当腔室中的流体的压力超过压力释放阈值时出口阀被动打开。该控制器可以被配置成控制该出口阀的压力释放阈值。

术语“被动地”意指该出口阀在由该流体的压力而不是由可控制的致动器等引起的机械负载下打开。

该加压流体系统可以包括布置在该加压流体入口处的入口阀。控制器可以被配置为控制入口阀的选择性打开和关闭。选择性地控制该入口阀的打开和关闭可以独立于该压力释放阈值的任何控制。

控制器可被配置为接收压力控制数据，该压力控制数据与沿着纤维铺放头的预编程的头部路径的腔室内的时间变化或空间变化的优化压力相关。控制器可被配置为基于压力控制数据来控制腔室中的压力，使得辊子的刚度沿着纤维铺放头的头部路径改变。

可以改变辊子的刚度以优化刚度。优化辊子的刚度可以包括确定辊子的刚度在转向性能与辊子压碎性能之间的最佳折中。

流体可以是诸如空气的气体。该加压流体系统可以包括连接至该加压流体入口上的加压流体源。该加压流体源可以是气动致动器。

该加压流体系统可以包括布置在腔室内的传感器，以监测该腔室内的流体的压力并且生成代表该腔室中的压力的压力参数。

控制器可以从传感器接收压力参数，并且可以基于压力参数控制加压流体从腔室的排放。

该加压流体系统可以被配置成将加热的加压流体输送至该辊子的内部腔室。

根据第二方面，提供了一种包括根据第一方面的纤维铺放头的纤维铺放机。

根据第三方面，提供一种利用根据第一方面的纤维铺放头将纤维增强材料铺叠在铺叠表面上的方法，该方法包括：控制流体从辊子的腔室的排放以在铺叠期间改变该辊子的腔室中的压力。

该方法还可以包括控制流体到辊子的腔室中的输送，以在铺叠期间改变辊子的腔室中的压力。

控制器可接收与预定的可变刚度相关的压力控制数据，并且其中，控制器基于压力控制数据来控制铺叠期间来自腔室的流体的输送。控制器可接收与预定可变刚度相关的压力控制数据，并且其中控制器基于压力控制数据在铺叠期间控制流体从腔室的排放。

该方法可包括确定用于在铺叠期间控制流体从辊子的腔室排出的压力控制数据，其中所述确定是基于确定所述辊子沿着所述头部路径的可变刚度，所述头部路径基于所述铺叠表面沿着所述头部路径的轮廓。

铺叠表面的轮廓可包括在沿着辊子接合铺叠表面的头部路径的多个铺叠位置中的每个位置处的铺叠表面的至少2D轮廓。这可以允许模拟辊子设备或者基于规则确定用于轮廓的合适的辊子刚度或压力。

技术人员将理解，除了在互相排斥的情况下，关于以上方面中的任一个描述的特征可以加以必要的变更应用于任何其他方面。此外，除了互相排斥之外，本文该的任何特征可应用于任何方面和/或与本文该的任何其他特征组合。

现在将参考附图仅以示例的方式描述实施例，其中：

图1是第一示例的纤维铺放机在工具上施加纤维增强材料的示意性透视图；

图2是第一示例的纤维铺放头上的辊子将纤维增强材料施加在工具上接收的基板上的示意性截面图；

图3是第二示例纤维铺放头的示意性截面图；

图4是示出使用第一示例纤维铺放头或第二示例纤维铺放头来铺叠丝束的工艺的步骤的流程图。

图1示出了限定铺叠表面12的工具10以及布置在工具10上的纤维铺放机40。纤维铺放机40包括纤维铺放头14，纤维铺放头14布置在工具10上并且可相对于工具10移动，以将纤维增强材料的多个丝束16施加至铺叠表面12上。纤维铺放头14包括头主体18，头主体18沿着大致纵向方向延伸并且将辊子20支撑在辊子安装件19的远端处的辊子安装件19上，辊子安装件19被配置成沿着预编程的头部路径横过铺叠表面12，以在铺叠操作期间将纤维增强材料施加到铺叠表面12。

纤维铺放头14和工具10可在包括三个平移度和三个旋转度的六个自由度中相对于彼此移动。在这个具体实施例中，工具10被配置为保持静止，并且纤维铺放头14被安装至支撑件(未示出)，该支撑件被配置为以高达六个自由度操纵纤维铺放头14。在其他实施例中，自由度可以分布在工具10和纤维铺放头14之间，使得工具10和纤维铺放头14部均可以被配置为移动(相对于不同的自由度)。例如，工具10可被配置为围绕两个旋转自由度(例如，俯仰和滚动)和一个平移自由度(例如，垂直或“z”方向)旋转，而纤维铺放头14可安装至支撑件(未示出)并且被配置为相对于剩余的旋转自由度(例如，“偏航”)和平移自由度(侧向或“x”和“y”方向)移动。在另外的示例中，纤维铺放头可以保持静止并且工具可以被配置为相对于纤维铺放头移动，但是在其他示例中，自由度可以以任何组合分布在工具和头之间。

如图1所示，在该实施例中，头主体18沿着大致纵向轴线从离工具10最远的近端延伸到辊子20所在的远端，以压靠工具10。

纤维铺放头14通过弹性安装件42安装至支撑件，使得其响应于接合工具10或者接收在工具10上的基底，而相对于弹性安装件沿着压紧轴线22可平移。弹性安装件42设置有偏压机构44，以相对于弹性安装件朝向工具10沿着压紧轴线22推动纤维铺放头14。在这个具体实施例中，纤维铺放机40的偏置机构44包括压缩气体设备，该压缩气体设备包括压缩气体储存器、压力保持阀以及用于沿着压紧轴线22驱动纤维铺放头14的气动致动器(未示出)。设置压缩气体储存器使得沿着压紧轴线22作用在纤维铺放头14上的压紧压力或压紧力(例如，大约500N至1000N)保持基本恒定，而不管纤维铺放头14在其行程内的位置如何。

应当理解，如果纤维铺放头14不能沿着压紧轴线22弹性地移动，则辊子的移动的任何不准确性将导致如果辊子过高(即，在铺叠表面12之上)辊子不接触铺叠表面12，或者如果辊子保持过低(即，在铺叠表面12之下)辊子被驱动到铺叠表面12中(即，碰撞)。在后一种情况下，通过可变形辊子的变形可以容纳小的公差。

图2示意性地示出了纤维铺放头14和工具10的截面图。辊子20定位在工具10上方，以在铺叠操作期间将多个丝束16压靠在工具10的铺叠表面12上。辊子安装件19包括限定辊子轴线28的轴21，辊子20能围绕该辊子轴线旋转以在铺叠表面12上移动，以将纤维增强材料的丝束16施加于铺叠表面12上。在该示例中，辊子轴线28与压紧轴线22正交，但是在其他示例中，辊子轴线可以是可枢转的以相对于压紧轴线22变得倾斜。

辊子20是中空的并且限定了内部腔室30，该内部腔室30通过辊子20轴向端处的不透流体密封件来抵靠轴21密封。轴21是中空的并且限定了内部通道25。轴21包括位于辊子20的轴向端部处(即，在安装辊子20的轴21的一部分中)的密封件之间的多个穿孔32。因此，轴21的通道25与辊子20的腔室30流体连通。

纤维铺放头14还包括加压流体系统50，该加压流体系统被配置为将加压空气输送给辊子20的内部腔室30并且将加压空气从辊子20的内部腔室30排出。在其他实施例中，该加压流体系统可以被配置成将任何流体(如氮气)输送至该腔室和从该腔室排出。

加压流体系统50包括到辊子安装件19的加压流体入口52，该辊子安装件被配置成流体地连接到加压流体源54上。加压流体入口52流体地连接至轴21的通道25。因此，加压流体系统被配置为通过轴21将加压空气输送给腔室30并且将加压空气从腔室30排出。

在这个实施例中，加压流体系统50包括加压流体源54。这个实施例中的加压流体源54是泵。在一些实施例中，加压流体源54可以是包括压缩气体储存器和气动致动器的偏置机构的压缩气体设备。在其他实施例中，它可以是单独的流体源。将加压流体入口52配置成可连接至压缩气体的储存器确保纤维铺放头14可容易地改装至已经具有压缩气体储存器的现有纤维铺放机40，或者确保现有的纤维铺放头14可容易地修改以制造如上该的纤维铺放头14。

在一些实施例中，加压流体源可以包括压缩机、泵或任何其他加压流体源。在其他实施例中，该加压流体系统可以不包括加压流体源，并且可以仅被配置成连接至一个加压流体源。

加压流体系统50还包括来自辊子安装件19的加压流体出口56，该加压流体出口被配置成允许将流体从腔室30排放到大气中。在其他实施例中，该加压流体出口可以被配置成用于允许将流体排放至闭合回路中以被反馈至加压流体源中，并且因此返回至该腔室中。

通过设置在加压流体出口56处的出口阀58，保持腔室30中压力。出口阀58在关闭时防止腔室30中的加压空气排放到大气中，并且在打开时允许加压空气从腔室30排放。在这个实施例中，出口阀58是压力保持阀，该压力保持阀被机械地配置，使得当腔室30中的压力超过压力释放阈值时，出口阀58被动地打开以允许空气的排出(即，出口阀58在不需要额外的外部刺激的情况下打开)。

在这个实施例中，出口阀58的压力释放阈值是可变的，以便能够控制腔室30中的压力。

辊子20被配置成变形以至少部分地符合铺叠表面12。腔室30中的流体压力对应于辊子20的径向刚度，其决定当抵靠表面压缩时与围绕不平行于辊子轴线28的任何轴线(诸如图2中所示的铺叠表面12)弯曲的表面的压缩或顺应性。较低的径向刚度使得辊子更加顺应弯曲的铺叠表面12(即，对于相同的压紧力，其将变形得更多)，并且较高的径向刚度使得辊子不太顺应弯曲的铺叠表面12(即，对于相同的压紧力，其将变形得更少)。

如果辊子20的径向刚度过高，则辊子20可能不能符合具有高曲率的铺叠表面12。因此，可能发生诸如桥接的不一致性，其中一些丝束16不抵靠凹陷部或凹部中的铺叠表面压紧。如果辊子20的径向刚度太低，则在铺叠操作期间可能对丝束16施加压力不足以粘合纤维增强材料。此外，如果辊子的径向刚度太低，那么可影响丝束16的转向(即，由于来自辊子在丝束16上的压力太低而不能使丝束16改变方向，所以丝束16可在铺叠期间偏离预期路线)。

因此，径向刚度在其低到足以避免这种不一致性与其高到足以确保丝束被适当地压紧和转向之间存在折衷。因此，可存在取决于铺叠表面12的轮廓和曲率以及丝束的预期路线(即，纤维铺放头14的预期头部路径)的最佳刚度。

加压流体系统50包括控制器60以控制流体从腔室30的排放，由此控制腔室30中的压力和辊子20的径向刚度。

在这个实施例中，控制器60控制出口阀58的可变压力释放阈值。提供这种控制的一种方式是出口阀58通过作用在座中的提动头上的偏压力而保持在关闭位置。该偏置力可以来自例如弹簧，或者来自压缩空气腔室30的气动压力。如果增大或减小偏置力，则压力释放阈值相应地增大或减小。因此，通过改变弹簧的刚度或出口阀的压缩空气腔室30中的空气的压力，可以改变阀的压力释放阈值，并且因此可以改变腔室30中的压力。在其他实施例中，压力释放阈值可以任何适合的方式改变。

控制器60被配置成接收用于沿着纤维铺放头14的预编程的头部路径改变腔室30内的压力的压力控制数据。在这个实施例中的控制器60用压力控制数据来预编程。在其他实施例中，控制器可在铺叠操作期间实时接收压力控制数据。压力控制数据可以随时间变化(即，与铺叠操作中的时间相关的可变的预定压力相关的数据)或它可以在空间中变化(即，与纤维中铺放头在空间中的位置相关的可变的预定压力相关的数据)。控制器60被配置成基于压力控制数据通过动态地改变出口阀58的压力释放阈值来控制腔室30中的压力，以便在铺叠操作期间在沿纤维铺放头14的头部路径的所有点处改变辊子20的径向刚度以对应于可变的预定压力，该预定压力可以是如上文设定而确定的最佳压力。

在其他实施例中，控制器可以被配置为主动地控制出口阀的打开和关闭，从而控制腔室中的压力。这可以通过以给定频率或占空比打开和关闭出口阀，或将阀维持在具有可变孔口尺寸的打开构型中来完成。

在这个实施例中，加压流体系统50还包括加热器64，该加热器64被配置成对在加压流体入口52处进入的加压空气进行加热。因此，加压流体系统被配置为在使用中将加热的空气输送到腔室30。将加热空气输送到腔室30使得能够在铺叠操作期间将热传递到辊子20和丝束16。加热丝束16帮助它们粘附至铺叠表面12或铺叠表面12上的基底，特别是如果丝束16包括预浸渍有树脂的纤维增强材料。

在一些实施例中，加压流体可能已经在加压流体源54中被加热，这样使得不需要单独的或附加的加热器来加热空气。在另外的示例中，空气可以不被加热，使得可以没有加热器。

图3示出了第二示例纤维铺放头114，该纤维铺放头114包括与图2的第一示例纤维铺放头14相同的所有特征，除了这个示例中的加压流体源54是偏置机构的压缩气体装置，包括压缩气体储存器和气动致动器。在这个实施例的变体中，该加压流体源54可以是泵或任何其他种类的流体源。纤维铺放头114的加压流体系统50进一步包括布置在纤维铺放头114的加压流体入口52处的入口阀170。

控制器60还被配置成控制入口阀170的打开和关闭，以便进一步选择性地允许和阻止加压空气进入腔室30中。关闭入口阀允许腔室中的压力减小到加压流体源54的压力以下。打开入口阀允许腔室中的压力升高。

加压流体系统50包括传感器62，该传感器62被布置在腔室30中以监测腔室30中的压力。该传感器被配置成向控制器60输出与该腔室中的压力相关的压力参数，并且控制器60被配置成操作反馈回路中的出口阀58和或入口阀170以基于该压力参数和该压力控制数据来调节腔室30中的压力。

在一些实施例中，该传感器62可以仅输出用于显示或其他监测目的(例如，用于校准该控制器60和出口阀和入口阀)的压力参数。传感器62也可以存在于第一示例纤维铺放头14中，或者可以在第二示例纤维铺放头的变型中被省略。

图4是示出了使用如上参考图2和图3所描述的示例纤维铺放头14、114将纤维增强材料铺叠在铺叠表面12上的工艺200的步骤的流程图。

在框202中，该工艺包括确定铺叠表面12的轮廓。在框204中，该工艺包括确定纤维铺放头14的头部路径(即，辊子20的铺叠表面上的预定路径)。

在框206中，铺叠表面12的轮廓和纤维铺放头14、114的头部路径用于在铺叠操作期间确定辊子20的可变径向刚度，该可变径向刚度可以是如上确定的最佳刚度。

在框208中，该工艺包括在铺叠操作期间基于可变径向刚度来控制流体从辊子20中的腔室30的排放。该工艺亦可包括控制流体传送至辊子20中的腔室30。

在一些示例中，纤维铺放头的头部路径可能不是预定的，并且在铺叠工艺期间实时监测辊子正下方的铺叠表面12的轮廓。因此，在铺叠操作期间，基于对轮廓的实时监测确定可变刚度。然后，在铺叠操作期间，基于轮廓的实时监控来控制流体的输送和排出。

应当理解的是，本发明不限于上述实施方式，并且在不背离在本文中所描述的概念的情况下可以做出各种修改和改进。除非互相排斥，否则任何特征可以单独地或与任何其他特征组合地采用，并且本公开扩展至并且包括本文描述的一个或多个特征的所有组合和子组合。

Claims (22)

1.一种纤维铺放头，包括：

辊子安装件，所述辊子安装件包括限定辊子轴线的轴；

限定内部腔室的中空辊子，所述辊子安装在所述轴上并且被配置成围绕所述辊子轴线旋转；以及

加压流体系统，所述加压流体系统被配置成将加压流体输送至所述辊子的所述内部腔室以及从所述内部腔室排出加压流体，以便通过改变所述腔室中的流体压力来改变所述辊子的刚度。

2.根据权利要求1所述的纤维铺放头，其特征在于，所述加压流体系统被配置为通过所述辊子安装件的所述轴将加压流体输送至所述辊子的所述内部腔室以及从所述辊子的所述内部腔室排放加压流体。

3.根据权利要求1或2所述的纤维铺放头，其特征在于，所述加压流体系统包括控制器，所述控制器被配置成控制所述腔室中所述流体的排放和可选地输送，以控制所述腔室的所述压力。

4.根据前述权利要求中任一项所述的纤维铺放头，其特征在于，所述加压流体系统包括：

加压流体入口，所述加压流体入口被配置成流体地连接到加压流体源上；以及，

加压流体出口，所述加压流体出口被配置成允许从所述腔室排放流体。

5.根据权利要求4所述的纤维铺放头，其特征在于，所述加压流体系统包括设置在所述加压流体出口处的出口阀，并且所述出口阀可选择性地打开以允许所述流体从所述腔室排出，从而控制所述腔室内的所述压力。

6.根据权利要求4所述的纤维铺放头，其特征在于，所述加压流体系统包括设置在所述加压流体出口处的出口阀，并且其中，所述出口阀具有压力释放阈值，使得当所述腔室中的流体的压力超过所述压力释放阈值时，所述出口阀被动地打开。

7.根据权利要求3和6所述的纤维铺放头，其特征在于，所述控制器被配置成控制所述出口阀的所述压力释放阈值。

8.根据权利要求4至7中任一项所述的纤维铺放头，其特征在于，所述加压流体系统包括设置在所述加压流体入口处的入口阀。

9.根据权利要求3和8所述的纤维铺放头，其特征在于，所述控制器被配置成控制所述入口阀的选择性打开和关闭。

10.根据权利要求3至9中任一项所述的纤维铺放头，其特征在于，所述控制器被配置为接收压力控制数据，所述压力控制数据与沿着所述纤维铺放头的预编程头部路径的所述腔室内的时间变化或空间变化的优化压力相关，

并且其中，所述控制器被配置为基于所述压力控制数据来控制所述腔室中的压力，使得所述辊子的所述刚度沿着所述纤维铺放头的头部路径改变。

11.根据前述权利要求中任一项所述的纤维铺放头，其特征在于，所述流体是诸如空气的气体。

12.根据权利要求4至11中任一项所述的纤维铺放头，其特征在于，所述加压流体系统包括连接至所述加压流体入口的加压流体源。

13.根据权利要求12所述的纤维铺放头，其特征在于，所述加压流体源是气动致动器。

14.根据前述权利要求中任一项所述的纤维铺放头，其特征在于，所述加压流体系统包括设置在所述腔室内的传感器，以监测所述腔室内的流体的压力并产生表示所述腔室中的压力的压力参数。

15.根据权利要求3和14所述的纤维铺放头，其特征在于，所述控制器接收来自所述传感器的所述压力参数，并且基于所述压力参数控制所述加压流体从所述腔室的排放。

16.根据前述权利要求中任一项所述的纤维铺放头，其特征在于，所述加压流体系统包括加热器，使得所述加压流体系统被配置为将加热的加压流体输送至所述辊子的所述内部腔室。

17.一种纤维铺放机，包括根据前述权利要求中任一项所述的纤维铺放头。

18.一种使用根据权利要求1至16中任一项所述的纤维铺放头将纤维增强材料铺叠在铺叠表面上的方法，所述方法包括：

在铺叠期间，控制流体从所述辊子的所述腔室的排出，以改变所述辊子的所述腔室中的压力。

19.根据权利要求18所述的方法，进一步包括控制流体到所述辊子的所述腔室中的输送，以在铺叠期间改变所述辊子的所述腔室中的压力。

20.根据权利要求19所述的方法，其特征在于，控制器接收与预定的可变刚度相关的压力控制数据，并且其中，所述控制器基于所述压力控制数据在铺叠期间控制从所述腔室的流体的输送。

21.根据权利要求18至20中任一项所述的方法，其特征在于，控制器接收与预定的可变刚度相关的压力控制数据，并且其中，所述控制器基于所述压力控制数据在铺叠期间控制从所述腔室的流体的排放。

22.根据权利要求20或21所述的方法，包括确定用于在铺叠期间控制流体从所述辊子的所述腔室排出的压力控制数据，

其中所述确定是基于确定所述辊子沿着所述头部路径的可变刚度，所述头部路径基于所述铺叠表面沿着所述头部路径的轮廓。

Images