CN113939395A - 复合材料制造中的改进和与复合材料制造有关的改进 - Google Patents

Abstract

公开了一种用于纤维增强复合带的铺展设备和相关方法。铺展设备包括接收进入的待铺展的带的输入侧和铺展后传送带的输出侧。该设备还包括在使用中对带施加热的带加热器(150，250，650)；和在使用中向加热的带施加接触压力从而铺展带的带铺展器(100，1，200，600)。

Description

复合材料制造中的改进和与复合材料制造有关的改进

技术领域

本公开涉及用于纤维增强复合带的铺展设备和方法，例如，可用于复合材料制造的自动铺带(Automated Tape Placement，ATP)工艺的铺展设备和方法。

背景技术

用于碳纤维/热塑性预浸带的原位固结的自动铺带是一种可生产高质量的复合材料部件的非高压釜制造方法。使用ATP允许控制纤维取向，并使生产可变角度纤维丝束(Variable Angle Tow，VAT)片材成为可能，其中纤维以曲线路径取向，以改善应力分布/与所需的结构路径对齐。因此，以这种方式构造的片材可在不增加重量的情况下提供性能优势，但容易出现缺陷，包括纤维起皱、纤维上拉、间隙和重叠。

符合本公开的示例实施方式解决了上述或相关的缺点。

发明内容

根据本公开，提供了一种如所附权利要求所述的设备和方法。在从属权利要求和随后的描述中，本发明的其他特征将是显而易见的。

在一方面，提供了一种用于纤维增强复合带的铺展设备，所述铺展设备包括接收进入的待铺展的带的输入侧和铺展后传送带的输出侧，并且进一步包括：带加热器，其用于在使用中对带施加热；和带铺展器，其用于在使用中向加热的带施加接触压力从而铺展带。

在一个实施例中，带由带铺展器铺展，使得其平面内厚度在铺展后减小，但其宽度增加。

在一个实施例中，纤维增强复合带包括热塑性树脂。在一个实施例中，纤维增强带包括碳纤维。在一个实施例中，纤维增强复合带包括预浸树脂-碳纤维复合带。

在一个实施例中，带加热器被布置成对进入的带施加热以升高其温度并使其在来自带铺展器的接触压力下更容易变形。

在一个实施例中，其中，带加热器包括热源，该热源被布置为间接地向进入的带供应热量。

在一个实施例中，带加热器包括带加热表面，该带加热表面在使用中由热源加热，并且其中在输入侧接收的带接触带加热表面，以使热量通过传导从带加热表面施加到带。

在一个实施例中，其中，带加热器包括热源，该热源被布置为对带施加辐射热。在一个实施例中，带加热器包括激光器。在一个实施例中，带加热器包括红外辐射器。在一个实施例中，带加热器包括热气源，例如热空气源。

在一个实施例中，热源可控制以当带传到带铺展器时使带加热表面保持在稳定的温度。

在一个实施例中，热源可控制以将带加热表面保持在与带的热塑性组分的熔化温度相对应的稳定温度。

在一个实施例中，热源可控制以将带铺展器处的带的温度保持在与带的热塑性组分的熔化温度相对应的稳定温度。

在一个实施例中，热源配置有温度传感器，并且可操作以使用反馈控制将加热的表面保持在稳定温度，和/或在带铺展器处将带保持在稳定温度。

在一个实施例中，热源包括电加热器管或热气炬。

在一个实施例中，带铺展器包括压板，带压靠在压板上。

在一个实施例中，压板包括平坦表面，带压靠在该平坦表面上。在一个实施例中，压板包括金属表面，带压靠在该金属表面上。在一个实施例中，压板包括H13工具钢表面。在一个实施例中，压板包括抛光表面，带压靠在该抛光表面上。在一个实施例中，压板包括不粘涂层。

在一个实施例中，压板与带加热器形成整体。

在一个实施例中，带铺展器的压板包括带加热器的带加热表面。

在一个实施例中，压板和带加热表面包括单件材料。在一个实施例中，压板和带加热表面呈现出不间断表面，带经过该不间断表面。

在一个实施例中，带铺展器包括压实靴，压实靴用于将带的区段压靠在压板上从而铺展带。

在一个实施例中，压实靴包括大体平坦的表面，用于将带的一区段压靠在压板上从而在该区段处铺展该带。

在一个实施例中，压实靴在使用中由致动器驱动以移动以与带接触和脱离接触。

在一个实施例中，压实靴包括金属表面，带压靠在该金属表面上。在一个实施例中，压实靴包括H13工具钢表面。在一个实施例中，压实靴包括抛光表面，带压靠在该抛光表面上。在一个实施例中，压实靴包括不粘涂层。

在一个实施例中，带铺展器包括用于压缩带的辊。

在一个实施例中，辊在使用中由致动器驱动以移动以与带接触和脱离接触。

在一个实施例中，带铺展器包括用于将带压靠在压板上的辊，例如圆柱辊。

在一个实施例中，辊包括金属表面，带压靠在该金属表面上。在一个实施例中，辊包括H13工具钢表面。在一个实施例中，辊包括抛光表面，带压靠在该抛光表面上。在一个实施例中，辊包括不粘涂层。

在一个实施例中，带加热器包括对置的辊。

在一个实施例中，致动器是气动驱动的。

在一个实施例中，铺展设备包括传感器和控制器，该传感器和控制器可操作以为带铺展器的致动器提供压力控制反馈。

在一个实施例中，铺展设备包括多个带铺展器。

在一个实施例中，铺展设备包括以下中的一个或两个：进入导件，该进入导件位于输入侧并被配置以稳定进入的带；和退出导件，该退出导件位于输出侧并被配置以稳定退出的带。

在一个实施例中，进入导件和/或退出导件是自调整致动导件。

在一个实施例中，带铺展设备包括带进给控制器，该带进给控制器被配置为在使用中调节带从输入侧到输出侧的移动。

在另一方面，提供了一种用于纤维增强复合带的原位固结的自动铺带设备，该自动铺带设备包括本文所述的铺展设备。

在另一方面，提供了一种铺展纤维增强复合带的方法，该方法包括：接收进入的待铺展的带；对带施加热；对加热的带施加接触压力，从而铺展带；以及输出铺展的带。

在另一方面，提供了一种使用本文所述的带铺展设备来执行的铺展纤维增强复合带的方法。

在另一方面，提供了一种形成复合部件的方法，该方法包括在自动铺带过程中在固结之前铺展纤维增强复合带，该铺展包括如本文所述的方法。

尽管已经示出和描述了本发明的一些优选实施方式，但是本领域技术人员将理解，在不脱离本发明的范围的情况下，可以进行各种改变和修改，如所附权利要求中限定的。

附图说明

为了更好地理解本发明，并且为了示出如何实现本发明的实施方式，现将仅通过示例的方式参考所附的示意图，其中：

图1示出了根据示例实施方式的用于纤维增强复合带的铺展设备；

图2示出了根据另一个示例实施方式的用于纤维增强复合带的铺展设备；

图3示出了相关的中间有间隙的转向碳纤维丝束；

图4示出了包括双曲面的复合部件的实施例；

图5示出了说明根据示例实施方式的铺展纤维增强复合带的方法的流程图；

图6示出了根据示例实施方式的在使用中作为ATP工艺的一部分的用于纤维增强复合带的铺展设备的示意图；

图7示出了包括用于纤维增强复合带的铺展设备的自动铺带设备。

具体实施方式

图1示出了根据示例实施方式的用于纤维增强复合带的铺展设备1。铺展设备1用于铺展在ATP制造工艺中使用的纤维增强复合带，例如碳纤维增强预浸带。铺展设备1包括接收进入的待铺展带的输入侧和在铺展后传送带的输出侧。该设备还包括：输入侧上的带加热器150，用于在使用中对带施加热；和输出侧上的带铺展器100，用于在使用中向加热的带施加接触压力从而铺展带。带加热器150对进入的带施加热以升高其温度并使其在来自带铺展器100的接触压力下更容易变形。

来自带铺展器100的接触压力减小带的平面内厚度，将带铺展开以使得当其从铺展设备1的输出侧传送时，与在输入侧接收的带的宽度相比，具有更大的宽度。通过控制铺展设备而将带铺展到不同的宽度，，可减少(例如通过ATP工艺)由带制造的复合部件中的间隙、重叠和褶皱的发生率。当带用于制造包括至少一个弯曲表面的复合部件时，这是特别有利的，如稍后更详细描述的。

带加热器150包括压板160，压板160用三个加热器管171、172、173加热。在图1的带铺展器1中，加热器管171、172、173是电加热元件，其可被控制以将压板160的温度保持在足够高的温度，使得在输入侧接收的带在移动通过压板160时被加热，从而达到熔点或根据复合带的基质材料的性质的其他合适的预定温度，直到带铺展器100对带施加接触压力的时刻。例如，带可以包括包含PEEK的热塑性树脂基质，并且在这种情况下，带加热器150被布置成使得加热器管171、172、173将压板160保持在343℃，这对应于PEEK的熔化温度。

带铺展器100包括压实靴110，当带在带铺展设备1的输入侧和输出侧之间通过压板160时，压实靴110可移动以与带的区段接触和不接触。压实靴110具有固定几何形状，在图1的示例实施方式中包括圆柱形形式，其被布置成大致垂直于带通过铺展设备1的移动方向。压板160通常是平面的，提供光滑的、不间断的表面，带在该表面上经过、被加热并且被压实靴110压靠在该表面上。压实靴110平行于压板160的表面对准，以使得能够在带的整个宽度上施加均匀的压力。通过将不同的重物施加到压实靴110的顶部来控制由带铺展器100施加到带上的压力。图1示出了重物112的一部分。

为了减少在带铺展时损坏带中纤维的可能性，与带接触的带铺展器100的表面包括抛光的H13工具钢。对其施加的具有不粘涂层的层用于进一步减少与带粘在带铺展器100的表面上相关的问题。应当理解，压板160和带加热表面可以包括单件材料。

通过材料体积守恒，由带的顶侧和底侧上的来自压实靴110和压板160的压力所引起的带的厚度减小导致带的平面内厚度减小，因此随着带的铺展，带的宽度增加。如可理解的，当带在带铺展设备1的输入侧和输出侧之间通过时，通过控制温度、压力量和施加压力的时间，可以控制产生的铺展量，包括使得在带铺展设备的输入侧接收的宽度和厚度恒定的带可以从输出侧沿其长度以不同的宽度和厚度传送。

图2示出了根据另一个示例实施方式的用于纤维增强复合带的铺展设备2。铺展设备2包括：输入侧上的带加热器250，用于在使用中对带施加热；和输出侧上的带铺展器200，用于在使用中向加热的带施加接触压力从而铺展带，这些部件通常对应于图1所示的等效部件。带加热器250包括与压板260结合的热源，该压板提供加热表面，当带经过该加热表面时，该加热表面使进入的带的温度升高。然而，带铺展器200包括两个铺展层级。致动器单元220使得接触压力的量和施加压力的方式在带通过铺展设备2时能够更容易地被控制。带铺展设备2包括致动器夹具装置222，其用于稳定致动器单元220的致动器。

此外，铺展设备2包括进入导件230和退出导件232，该进入导件230和退出导件232在使用中随着带在铺展设备2的输入侧被接收和从铺展设备2的输出侧传送而分别引导带。进入导件230位于铺展设备2的输入侧并稳定进入的带，而退出导件232位于铺展设备2的输出侧并被配置成稳定退出的带。进入导件230和退出导件232是通常已知的用于带处理操作的类型的自调整致动导件。

第一带铺展层级包括圆柱辊，该圆柱辊与压板260的表面平行地对准，但其轴线垂直于带通过带铺展设备2的移动方向。由第一铺展层级施加在带上的压力由第一致动器220控制。第一致动器是气动的。气动致动器相对于其他控制手段(例如重物)的优势在于，气动致动器可以持续且简单的方式改变施加到带上的压力。

第二带铺展层级包括压实靴，该压实靴具有大致平坦的压实表面，用于接触带并将带压靠在压板上。由第二铺展层级施加在带上的压力由第二致动器220控制。第二致动器是气动的。压实靴的压实表面被布置为大致平行于压板。压实靴包括位于平坦表面旁边的弯曲部分，所述弯曲部分远离压板弯曲。弯曲部分是大致平滑弯曲的，以在带被压缩时和/或在向其施加压力之后压实靴与带分离时减少平坦表面的边缘对带表面的影响。

如针对图1的带铺展设备1所述，通过控制加热量、施加到带的压力的量和方式来调节在铺展设备2中产生的铺展量。

示例实施方式可以采用传感器和反馈控制机制，以确保实现期望的铺展量。微控制器形式的控制器/处理器能够在带通过铺展设备时为使用中的铺展设备提供用于所需铺展量的不同设置。此外，还可以根据期望的操作特性容易地设置反馈控制变量，例如根据操作速度或从铺展设备输出的铺展带的尺寸的可接受公差设置。与反馈控制结合或与反馈控制相独立的，可以使用经验技术来确定不同加热和压力条件对不同类型的带的铺展效果。

考虑到压力的应用，对带铺展器的部件的压力测量和位置测量，例如，压实靴相对于压板的位置，提供了一种调节铺展设备对带的影响的方法。

现在将解释对本文描述的铺展设备的一些可能的修改。尽管图中所示的示例实施方式中的带铺展器具有一个压实靴以将带的区段压靠在压板上，但可以提供不止一个压实靴。根据待在不同的铺展操作中执行的铺展量，压实靴可以具有彼此不同的几何形状。单辊铺展层级被设想为在本公开内，还可设想包括多个辊的带铺展器，多个辊为串联铺展布置以将带压靠在压板上，或者为对置的辊以在带从其间经过时铺展带。辊选项具有因粘附和拉起纤维而损坏带的风险，用压实靴进行压缩不会这样。

尽管通过与压板接触来加热带使在铺展带的时刻能够实现良好的稳定性/温度调节，但单独或组合使用的其他带加热器/加热方法也是可能的。例如，可以使用激光器和/或红外加热器，或其他辐射加热元件，和/或热气/热空气。可以使用多个热源。在一个实施例中，热源可以配置有温度传感器，并且热源可以使用反馈控制将受热表面保持在稳定的温度。

带加热器可以包括热源，该热源被布置成间接地向进入的带供应热量，例如被布置成加热向带施加热的表面或热质量部件。带加热器可以位于输入侧和输出侧之间的中间，以在使用中对带施加热。对带施加热和对带施加接触压力可以同时地和/或顺序地发生。

除了控制(反馈控制或其他方式)热和压力的施加来调节通过本文所述的铺展设备进行的带铺展之外，所有实施方式可以包括带进给控制器，以调节带从铺展设备的输入侧移动到其输出侧的移动。在某些实施方式中，带进给控制器可以被配置成根据带的位置或移动以不发生变形的方式移动带。在其他实施方式中，带进给控制器可以调节带上的张力，使得发生额外的伸长。这引入了调节铺展量以及提高带铺展操作的再现性的其他控制变量，和/或引入了作为带铺展过程的一部分被引入带的改变纤维取向的可能性。

随着带被铺展且厚度减小，带内的纤维相对于彼此滑动并相应地重新排列。在由纤维增强带制造部件的过程中，铺展设备具有改变带的宽度的能力。因此，可以通过定制厚度分布以满足特定性能要求(包括彼此独立地调整厚度和纤维取向)来实现更轻或更坚固/更坚硬的结构的性能优势。此外，通过将局部纤维切割(层片掉落)引起的应力和应变集中降至最低，从而提高强度和损伤容限性质，实现了更轻或更坚固/更坚硬的结构的性能优势。铺展还允许带在双曲面(非零高斯曲率)上更广泛地铺展，而不会出现与在双曲面上铺设等宽带相关的间隙和重叠。示例应用包括(但不限于)机舱、天线罩、扭曲的风扇叶片、飞机机翼表面和风力涡轮机叶片表面。图3和图4示出了这些事项。图3示出了相关的中间有间隙的转向碳纤维丝束。图4示出了一个复合部件的实施例，该复合部件的宽度从底部到尖端在双曲面上变化，使用相关的铺带方法难以生产出高质量的复合部件。

图5示出了根据示例实施方式的铺展纤维增强复合带的方法的流程图。

如图所示，在步骤S502，该方法包括接收进入的待铺展的带。在步骤S504，该方法包括对带施加热的步骤。在步骤S506，该方法包括向加热的带施加接触压力，从而铺展带。如S508所示，该方法进一步包括输出铺展带的步骤。

应当理解，通过这种方法，纤维增强带的平面内厚度减小，但其宽度增加。对进入的带加热以提高其温度使得带在接触压力下更容易变形。合适地，根据制造带的材料，可以通过传导、辐射或两者的组合来施加热，从而达到预定的温度。

还应当理解，向带施加热的步骤和向加热的带施加接触压力从而铺展带的步骤可以同时地和/或顺序地发生。此外，向加热的带施加接触压力从而铺展带的步骤可以发生不止一次，即可以设想多个压缩操作以实现期望的铺展效果。本文描述的任何实施方式的铺展设备可用于执行上述铺展方法。

所描述的方法和设备特别适用于铺展纤维增强复合带，其中该带包括热塑性树脂材料的基质。带也可以包括碳纤维，例如预浸树脂-碳纤维复合带。相关纤维增强材料的例子为包括碳纤维、玻璃纤维和芳纶纤维的那些。相关的热塑性树脂材料包括热塑性聚合物，例如PEEK、PEKK、PPS、PP和PA(尼龙)。还设想其中带包括热固性组分(例如热固性聚合物基质)的纤维增强带的合适的加热和加压提供了带铺展益处。

图6示出了根据示例实施方式的作为ATP工艺的一部分的用于纤维增强复合带的铺展设备的示意图。该设备包括接收进入的待铺展的带的输入侧和铺展后传送带的输出侧。该设备包括：在使用中对带施加热的带加热器650；和在使用中向加热的带施加接触压力从而铺展带的带铺展器600。可以所示的方式将本文所述的铺展设备附接到ATP设备。因此，用于原位固结纤维增强复合带的ATP设备可以包括任何前述实施方式的铺展设备。本领域技术人员将理解，任何前述实施方式的铺展设备可以用于先进纤维铺放(AdvancedFibre Placement，AFP)和ATP工艺中的任一个。ATP工艺的一个例子是激光辅助铺带(Laser-Assisted Tape Placement，LATP)。本文件中一般提及的ATP工艺还适当地包括称为自动带放置(Automated Tape Laying)、自动纤维铺放(Automated Fibre Placement)、辅助铺带(Assisted Tape Placement)或自动丝束铺放(Automated Tow Placement)的工艺。

图7示出了根据示例实施方式的包括用于纤维增强复合带的铺展设备的自动铺带设备。用于纤维增强复合带的原位固结的ATP设备包括带卷轴单元720、控制器单元和头部单元722。任何前述实施方式的铺展设备可附接到ATP设备的头部单元722。因此，具有如本文所述的铺展设备的ATP设备可操作以形成复合部件。形成复合部件的方法包括在ATP工艺中在固结之前使用具有如本文所述的铺展设备的ATP工艺设备铺展纤维增强复合带。

尽管已经参考本文所讨论的部件、模块和单元描述了示例性实施方式，但是可以将这种功能元件组合成更少的元件或分离成额外的元件。本文已经描述了可选特征的各种组合，并且应当理解，所描述的特征可以按任何合适的组合进行组合。特别地，任何一个示例实施方式的特征可以视情况与任何其他实施方式的特征组合，除非这种组合是相互排斥的。在整个说明书中，术语“包含”或“包括”意指包括所指定的部件但不排除其他的存在。

注意与本说明书同时提交或在本说明书之前的与本申请相关的且与本说明书一起公开供公众查阅的所有文献和文件，所有这些文献和文件的内容通过引用并入本文。

本说明书(包括任何所附的权利要求书、说明书摘要和说明书附图)公开的所有特征，和/或公开的任意方法或过程的所有步骤，除了其中至少一些特征和/或步骤互相排斥的组合之外，可以任意组合的方式组合。

除非另有明确说明，否则本说明书(包括任何随附的权利要求书、摘要和附图)中公开的每个特征可以由用于相同、等同或类似目的的替代性特征替换。因此，除非另有明确说明，否则所公开的每个特征仅是通用的一系列等同或类似特征的一个示例。

本发明不限于前述实施方式的细节。本发明延伸到本说明书(包括任何随附的权利要求书、摘要和附图)中所公开的特征的任何新的一个或任何新的组合，或所公开的任何方法或过程的步骤的任何新的一个或任何新的组合。

Claims (18)

1.一种用于纤维增强复合带的铺展设备，所述铺展设备包括接收进入的待铺展的带的输入侧和铺展后传送带的输出侧，并且进一步包括：

带加热器，其用于在使用中对带施加热；和

带铺展器，其用于在使用中向加热的带施加接触压力从而铺展所述带。

2.根据权利要求1所述的铺展设备，其中，所述带加热器包括热源，所述热源被布置为间接地向进入的带供应热量。

3.根据权利要求1或2所述的铺展设备，其中，所述带加热器包括带加热表面，所述带加热表面在使用中由热源加热，并且其中在所述输入侧接收的带接触所述带加热表面，以使热量通过传导从所述带加热表面施加到所述带。

4.根据权利要求3所述的铺展设备，其中，所述热源可控制以当所述带传到所述带铺展器时将所述带加热表面保持在稳定的温度。

5.根据前述权利要求中任一项所述的铺展设备，其中，所述带铺展器包括压板，所述带压靠在所述压板上。

6.根据权利要求5所述的铺展设备，其中，所述压板与所述带加热器形成整体。

7.根据权利要求5或6所述的铺展设备，其中，所述带铺展器的所述压板包括所述带加热器的所述带加热表面。

8.根据权利要求5至7中任一项所述的铺展设备，其中，所述带铺展器包括压实靴，所述压实靴用于将所述带的区段压靠在所述压板上从而铺展所述带。

9.根据权利要求8所述的铺展设备，其中，所述压实靴由致动器驱动以在使用中移动以与所述带接触和脱离接触。

10.根据前述权利要求中任一项所述的铺展设备，其中，所述带铺展器包括辊，所述辊用于压缩所述带。

11.根据权利要求10所述的铺展设备，其中，所述辊由致动器驱动以在使用中移动以与所述带接触和脱离接触。

12.根据前述权利要求中任一项所述的铺展设备，其中，所述带铺展器包括辊，所述辊用于将所述带压靠在压板上。

13.根据前述权利要求中任一项所述的铺展设备，包括以下中的一个或两个：进入导件，所述进入导件位于所述输入侧并被配置以稳定进入的带；和退出导件，所述退出导件位于所述输出侧并被配置以稳定退出的带。

14.根据前述权利要求中任一项所述的铺展设备，包括带进给控制器，所述带进给控制器被配置为在使用中调节所述带从所述输入侧到所述输出侧的移动。

15.一种用于纤维增强复合带的原位固结的自动铺带设备，包括根据前述权利要求中任一项所述的铺展设备。

16.一种铺展纤维增强复合带的方法，所述方法包括：

接收进入的待铺展的带；

对所述带施加热；

对加热的带施加接触压力，从而铺展所述带；以及

输出铺展的带。

17.根据权利要求16所述的方法，所述方法使用根据权利要求1至15中任一项所述的设备来执行。

18.一种形成复合部件的方法，所述方法包括在自动铺带过程中在固结之前铺展纤维增强复合带，所述方法包括根据权利要求16或17所述的方法。

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