CN116209562A - 制备预浸渍连续的纤维带和纤维丝的系统和方法 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种用于制备预浸渍连续的纤维带和纤维丝的系统和方法。该系统包括：搅拌单元101，被配置为从材料源中抽出多根纤维，并以来回运动的方式、垂直于进料方向并沿所述多根纤维的平面摆动所述多根纤维，以形成多根搅拌的纤维；浸渍单元102，被配置为将计量基质材料冲击到移动的搅拌的纤维上，并将所述搅拌的纤维穿过所述浸渍单元102中的多个固定的裂片表面304，以形成浸渍带306；以及固结单元104，包括固结模503，其中加热所述固结模503，以使所述浸渍带306穿过所述固结模503，并将所述浸渍带306转化为一根或多根连续的纤维丝，其中所述固结模503中的多级通道被配置为逐渐减小所述浸渍带306的截面。
Description
相关申请的交叉引用和优先权
本申请要求于2020年8月11日申请的印度专利申请号为202041034421的优先权，其全部内容并入本文中。
技术领域
本申请一般来说涉及到制造连续增强的纤维的领域。更具体地说，本申请涉及一种用于制备预浸渍连续的纤维带和纤维丝的系统和方法。
背景技术
如今，纤维预浸料的制造技术有了巨大的发展。现有的使用浸渍机制的连续纤维增强丝和带生产系统也受到各种限制。现有的系统在初始阶段就使用大量的塑料进行增强或浸渍纤维。在现有的系统中使用了拉挤机制。这导致在模具或系统的内部空间或壁上大量沉积有塑料或熔融材料，熔融材料可能是纤维和塑料的组合。此外，这种饱和的塑料在制备连续纤维增强带或丝的过程中会燃烧，导致模具或系统的损坏。因此，由于最终产品的形状取决于模具，因此持续需要定期清洁或擦拭塑料，并检查系统的磨损情况。其他的限制包括：大规模生产时塑料与纤维的比例无法控制、大量的熔融塑料在模具或系统中的饱和度、对辊的要求、系统的耐久性较差、产品的公差较小、系统价格昂贵等。
因此，长期以来一直需要一种制备预浸渍连续的纤维带和纤维丝的系统和方法，使零件的维修、再利用和回收更加经济、耐用和可行。
发明内容
发明内容是为了介绍与制备预浸渍连续的纤维带和纤维丝的系统和方法有关的概念，说明中对这些概念作了进一步描述。发明内容既无意于确定权利要求申请的基本特征，也无意于用于确定或限制权利要求申请的范围。该系统可以扩展到大批量生产，并且可以满足按需生产，因为它是高度可定制的。
在一实施例中，本申请公开了一种用于制备预浸渍连续的纤维带和纤维丝的系统，所述系统包括:搅拌单元，被配置为从材料源中抽出多根纤维，并以来回运动的方式、垂直于进料方向并沿所述多根纤维的平面摆动所述多根纤维，以形成多根搅拌的纤维；系统还包括浸渍单元，被配置为将计量基质材料冲击到移动的搅拌的纤维上，并将所述搅拌的纤维穿过所述浸渍单元中的多个固定的裂片表面，以形成浸渍带；系统还包括固结单元，包括固结模，其中加热所述固结模，以使所述浸渍带穿过所述固结模，并将所述浸渍带转化为一根或多根连续的纤维丝，其中所述固结模中的多级通道被配置为逐渐减小所述浸渍带的截面，以提高浸渍效率。
在一实施例中，本申请公开了一种用于制备预浸渍连续的纤维带和纤维丝的方法，包括：通过搅拌单元从材料源中抽出多根纤维，并以来回运动的方式、垂直于进料方向并沿所述多根纤维的平面摆动所述多根纤维，以形成多根搅拌的纤维；方法还包括通过浸渍单元将计量基质材料冲击到移动的搅拌的纤维上，并将所述搅拌的纤维穿过所述浸渍单元中的多个固定的裂片表面，以形成浸渍带；方法还包括通过加热固结单元中的固结模，以及将所述浸渍带穿过所述固结模的多级通道，经由所述固结模获得一根或多根连续的纤维丝，所述多级通道被配置为逐渐减小所述浸渍带的截面，以提高浸渍效率。
附图说明
详细说明将参照附图进行描述。在图中，附图标记最左边的数字表示该附图标记首次出现的图。相同的数字在整个附图中用来指代类似的特征和部件。
图1是根据本申请的实施例的用于制备预浸渍连续的纤维带和纤维丝的系统100。
图2是根据本申请的实施例的说明了搅拌单元101的内视图200。
图3是根据本申请的实施例的说明了浸渍单元102的内视图300。
图4是根据本申请的实施例的说明了一组加热的捏合辊103的内视图400。
图5是根据本申请的实施例的固结单元104的内视图500。
图6是根据本申请的实施例的转轴机构600。
图7是根据本申请的实施例的用于制备预浸渍连续的纤维带和纤维丝的方法700。
图8是浸渍单元102中多根纤维通道801的立体图800。
具体实施方式
本说明书中提到的“各种实施例”、“一些实施例”、“一个实施例”或“一个实施例”是指与该实施例有关的特定特征、结构或特性至少包括在一个实施例中。因此，在整个说明书中出现的“在各种实施例中”、“在一些实施例中”、“在一个实施例中”或“在一个实施例中”等短语不一定都是指同一个实施例。此外，特定的特征、结构或特性可以在一个或多个实施例中以任何合适的方式组合。
图1是根据本申请的实施例的用于制备预浸渍连续的纤维带和纤维丝的系统100。
用于制备预浸渍连续的纤维带和纤维丝的系统100可以包括搅拌单元101、浸渍单元102和固结单元104。在一实施例中，搅拌单元101、浸渍单元102和固结单元104可被配置为以相互同步的方式连续运行。在一实施例中，用于向系统100提供纤维作为原料的材料源可以包括一个或多个被轧制或类似的纤维粗粒。在一实施例中，纤维可以是碳等类似物。连续的纤维带和纤维丝可以通过在纤维中浸渍热塑性或热固性材料来制备。在一个优选的实施例中，热塑性塑料可以浸渍在纤维中。在一实施例中，热塑性塑料或浸渍材料可被称为基质材料。使用热塑性材料制备预浸渍的连续的纤维带和纤维丝需要对系统100中的环境进行较少或没有控制。热塑性材料或基质使3D打印部件的修理、再利用和回收更加经济和可行。虽然提到可以使用热塑性材料，但可能不限于所述塑料。任何类型的塑料都可以通过在系统100的环境中进行特定的修改或调整来使用。一些修改或调整可能是，但可能不限于，较低的热量，基于压力的基质注射，流量计量，固化系统等。
现在参考图2，是根据本申请的一实施例的搅拌单元101的内部视图200。在一实施例中，搅拌单元101可被配置为创造一个来回运动。在一实施例中，搅拌单元101被配置为从材料源中抽出多根纤维，并以来回运动的方式、垂直于进料方向并沿多根纤维的平面摆动多根纤维，以在搅拌单元101的输出端形成多根搅拌的纤维。在一实施例中，搅拌单元101可包括搅拌螺杆201、导辊202和搅拌电机204。导辊202可以连接到搅拌螺杆201和搅拌电机204。搅拌电机可被配置为驱动搅拌螺杆201和导辊202，使其同步运转。搅拌螺杆可被配置为旋转，而导辊202可被配置为以来回运动的方式摆动，以在浸渍单元102上以来回运动的方式摆动多根纤维。来回运动可使多根纤维扩散，并使基质材料在形成的搅拌的纤维的宽度上分布。多根纤维在搅拌单元101中的来回运动可使积聚在浸渍单元102角落的饱和沉积物的体积最小化，以降低饱和沉积物的停留时间和热降解。这种运动还可以引起基质材料的剪切变薄，这可以降低基质材料的局部粘度，改善浸渍单元102中的浸渍情况，即获得基质材料在纤维中的均匀分布，以改善输出的纤维质量。在一实施例中，搅拌单元101的可变频率可以根据纤维的线速度、塑料的粘度等参数来设置。
图3是根据本申请的实施例的浸渍单元102的内视图300。浸渍单元102可以包括一个纤维入口301、至少两个注射入口302、多个固定的裂片表面304、一个或多个加热器303和一个或多个安装孔305。在一实施例中，来自搅拌单元101的搅拌的纤维可以通过纤维入口301进入浸渍单元102。搅拌的纤维可以通过在纤维入口301处的加热器303熔化，以使搅拌的纤维暴露在热降解中的时间最小。浸渍单元102可被配置为将基质材料浸渍在移动的搅拌的纤维上，其中基质材料可通过至少两个注入口302注入浸渍单元102中。在一实施例中，注射入口302可以水平地彼此分开设置，在两个注射入口302之间设置有纤维入口301。在一实施例中，基质材料在注入到浸渍单元102之前可以被计量。换句话说，计量基质材料是被搅拌的纤维浸入或浸渍所需的基质材料的计算量。因此，计算出的基质材料的数量，可以是热塑性材料，可以通过注射入口302注入浸渍单元102中。在一实施例中，可通过控制挤压速度或进料螺杆速度来获得计量基质材料，以防止计量基质材料或包括纤维束和计量基质材料的混合物的熔融材料的堆积。在一实施例中，饱和的沉积物可以是熔融材料。因此，计量基质材料可以与浸渍单元102中的搅拌的纤维发生浸入或浸渍。浸渍单元102还可被配置为将所述搅拌的纤维穿过多个固定的裂片表面304，以形成一个浸渍带306。安装孔305可用于将浸渍单元102固定在系统中。在一实施例中，系统100利用固定的裂片表面304而不是目前在现有系统中使用的辊。由于浸渍单元102不包括任何移动部件，这提供了方便和更快的制造，并防止了辊的维护费用，更经济。固定的裂片表面304可以被配置为将基质材料驱赶到搅拌的纤维的深处，沿着搅拌的纤维的长度均匀分布基质材料，扩散纤维，并增加搅拌的纤维的张力。在一实施例中，浸渍单元102的内表面可以涂上干燥的润滑材料，如石墨烯，以增加浸渍单元102的寿命，并降低浸渍单元102中的摩擦和纤维剪切。
参照图8，在一实施例中，浸渍单元102可以包括多个纤维通道801。这可以允许使用一个浸渍单元102同时开发多个线轴。这使得浸渍模102的热量要求更低，以使设置更经济。在一实施例中，如果需要更高的生产率，可以在朝向浸渍单元102的末端设置更多的注射入口。
图5是根据本申请的实施例的固结单元104的内视图500。在一实施例中，固结单元104可以包括加热器盒501、纤维带入口502、固结模503、纤维丝出口504和温度传感器槽505。来自浸渍单元102的浸渍带306可以通过胶带入口502进入固结单元104。固结模503可以通过加热器盒501加热，以便将浸渍带306转化为一个或多个连续的纤维丝。固结模503可以包括多级通道，被配置为逐渐降低浸渍带306的横截面以提高浸渍效率。浸渍带306的横截面的逐渐减小是必要的，以防止连续的纤维丝的断裂，如果浸渍带的横截面直接缩小到连续的纤维丝的横截面，连续的纤维丝可能会发生断裂。因此，使用多级通道可以使浸渍带306逐渐成型为形成连续的纤维丝的圆形截面而不损坏纤维。这也有助于提高系统100的产量，因为与单级固结相比，系统100能以相对较快的速度运行。因此，连续的纤维丝可从纤维丝出口504获得。连续的纤维丝可以是圆形的，带有浸渍的计量基质材料，如热塑性塑料。加热器盒501可以开设成槽孔。
图4是根据本申请的实施例的一组加热的捏合辊103的内视图400。在一实施例中，系统100可选择包括一组被加热的捏合辊103，其被配置为从浸渍单元102向浸渍带306提供张力和压实力，以熨平存在于所述浸渍带306内的空隙。一组加热的捏合辊103可以设置在浸渍单元102和固结单元104之间。这组加热的捏合辊103可以包括固定辊403、转动辊404、压实弹簧401、转轴405和张力调节器402。转动辊404和固定辊403的对准可以由张力调节器402和压实弹簧401调整，其中固定辊403是固定的，转动辊404是可移动的。固定辊403和转动辊404可以放在足够近的地方，以确保基质材料不完全凝固。但是，固定辊403和转动辊404不能放置得太近，以至于浸渍带306表面的材料可能粘附在其中一个或两个上。由一组加热的捏合辊103提供给浸渍带306的较高张力可以在固结期间保持浸渍带306中的纤维完好。在一实施例中，这组加热的捏合辊103可以由但不限于热气、红外加热元件等加热。这样的加热器可以确保与纤维带的接触不会导致过度冷却。
图6是根据本申请的实施例的转轴机构600。转轴机构600可以是本领域已知的现有机构。在一实施例中，线轴机构可以包括导向器601、线轴602、连续的纤维丝603、螺纹杆604、耦合器605和步进电机607。在一实施例中，在固结单元104中的固结过程之后，可能需要线轴机构600，以便将从固结单元104中获得的连续的纤维丝603线轴化。转轴机构600可以将连续的纤维丝603以均匀的模式收集在线轴602上。导轨601可以来回摆动，以包裹进入的连续的纤维丝603，这可确保连续的纤维丝一旦可能被缠绕到线轴602上就不会滑动，也可确保卷绕的连续的纤维丝603的上层不会压坏下层。在一实施例中，转轴机构600可由编码器监控。编码器可被配置为监测连续的纤维丝603的线速度。在一实施例中，步进电机607的速度可以随着线轴602的尺寸增长而改变，以确保均匀的线速度。螺纹杆604可被配置为旋转，以引起导引器的来回运动，以使材料在线轴上均匀分布。耦合器605可被配置为将电机轴与螺纹杆连接。
图7是根据本申请的实施例的用于制备预浸渍连续的纤维带和纤维丝的方法700。
在步骤701，搅拌单元101可被配置为从材料源(如一卷纤维粗纱)抽出多根纤维，并以来回运动的方式、垂直于进料方向并沿多根纤维的平面摆动多根纤维，以形成多根搅拌的纤维。在一实施例中，搅拌单元101可包括搅拌螺杆201、导辊202和搅拌电机204。导辊202可以连接到搅拌螺杆201和搅拌电机204。搅拌电机可被配置为同步驱动搅拌螺杆201和导辊202。搅拌螺杆可被配置为旋转，而导辊202可被配置为来回摆动，以在浸渍单元102上以来回运动的方式摆动多根纤维。来回运动可使多根纤维扩散，并使基质材料在形成的搅拌的纤维的宽度上分布。
在步骤702，浸渍单元102可被配置为通过将计量基质材料浸入在移动的搅拌的纤维上，并将所述搅拌的纤维穿过浸渍单元102中的多个固定的裂片表面304，以形成浸渍带306。在一实施例中，来自搅拌单元101的搅拌的纤维可以通过纤维入口301进入浸渍单元102。搅拌的纤维可以通过在纤维入口301处的加热器303熔化，以使搅拌的纤维暴露在热降解中的时间最小。在一实施例中，注射入口302可以水平地彼此分开设置，在两个注射入口302之间设置有纤维入口301。在一实施例中，基质材料在被注入浸渍单元102之前可以被计量。换句话说，计量基质材料是被搅拌的纤维浸入或浸渍所需的基质材料的计算量。因此，计算出的基质材料的数量，可以是热塑性材料，可以通过注射入口302注入浸渍单元102中。因此，计量基质材料可以与浸渍单元102中的搅拌的纤维发生浸入或浸渍。固定的裂片表面304可被配置为驱动基质材料进入搅拌的纤维的深处，沿着搅拌的纤维的长度均匀地分布基质材料，扩散纤维，并增加搅拌的纤维的张力。
在步骤703，可选择地，该组加热的捏合辊103可被配置为向浸渍带306提供张力和压实力，以熨平存在于浸渍带306内的空隙。这组加热的捏合辊103可以被设置在浸渍单元102和固结单元104之间。这组加热的捏合辊103可以包括固定辊403、转动辊404、压实弹簧401和张力调节器402。固定辊403和固定辊403的对准可由张力调节器402和压实弹簧401调整，其中固定辊403是固定的，而转动辊404是可移动的。
在步骤704，固结单元104中的固结模503可被配置为通过加热固结模503和将浸渍带306穿过固结模503中的多级通道来获得一根或多根连续的纤维丝，多级通道被配置为逐渐减小所述浸渍带306的截面，以提高浸渍效率。逐渐减小浸渍带306的横截面是必要的，以防止连续的纤维丝的断裂，如果将浸渍带的横截面直接缩小到连续的纤维丝的横截面，连续的纤维丝可能会发生断裂。因此，使用多级通道可以使浸渍带306逐渐成型为形成连续的纤维丝的圆形截面而不损坏纤维。
在步骤705，在固结单元104中的固结过程之后，可能需要转轴机构600，以卷绕从固结单元104中获得的连续的纤维丝603。转轴机构600可以将连续的纤维丝603以均匀的模式收集在转轴602上。
本发明的一些实施例可包括编码器、处理器或控制器，以便执行配置和控制系统100内部所需温度和其他环境条件的指令。
因此，用于制备预浸渍连续的纤维带和纤维丝的系统100和方法700具有成本效益，并降低了浸渍连续的纤维带和纤维丝大规模生产的复杂性。这是可能的，因为基质材料如热塑性塑料的计量注射，这不仅提供了与纤维的浸渍的基质材料的所需的计算量，而且还降低了浸渍单元102中大量熔融材料的饱和度，改善了塑料与纤维的比例。清除熔融材料的清洁和擦拭过程也降低了，提高了系统100和系统100的各种部件的耐用性而不被损坏。此外，由于系统100通过防止熔融材料的沉积而保持清洁，浸渍带和丝的形状不会发生变形。系统100中的所有单元可以连续有效地工作，以提供高耐受性的浸渍连续的纤维带和纤维丝。
前面各段或说明和附图中的实施例、实例和备选方案，包括它们的任何一个方面或各自的个别特征，可以独立地或以任何方式组合起来。与一实施例有关的描述的特征适用于所有的实施例，除非这些特征是不相容的。
尽管用于制备预浸渍连续的纤维带和纤维丝的系统100和方法700的实施例已经用具体的语言描述了结构特征和/或方法，但应理解所附权利要求不一定限于所描述的具体特征或方法。相反，具体的特征和方法是作为用于制备预浸渍连续的纤维带和纤维丝的系统100和方法700的实施例公开的。
Claims (17)
1.一种用于制备预浸渍连续的纤维带和纤维丝的系统100，其特征在于，所述系统包括:
搅拌单元101，被配置为从材料源中抽出多根纤维，并以来回运动的方式、垂直于进料方向并沿所述多根纤维的平面摆动所述多根纤维，以形成多根搅拌的纤维；
浸渍单元102，被配置为将计量基质材料冲击到移动的搅拌的纤维上，并将所述搅拌的纤维穿过所述浸渍单元102中的多个固定的裂片表面304，以形成浸渍带306；以及
固结单元104，包括固结模503，其中加热所述固结模503，以使所述浸渍带306穿过所述固结模503，并将所述浸渍带306转化为一根或多根连续的纤维丝，其中所述固结模503中的多级通道被配置为逐渐减小所述浸渍带306的截面，以提高浸渍效率。
2.根据权利要求1所述的系统100，其特征在于，所述系统还包括一组加热的捏合辊103，所述捏合辊103被配置为向所述浸渍带306提供张力和压实力，以熨平存在于所述浸渍带306内的空隙，其中该组加热的捏合辊103被设置在所述浸渍单元102和所述固结单元104之间。
3.根据权利要求1所述的系统100，其特征在于，所述计量基质材料是热塑性材料或热固性材料。
4.根据权利要求1所述的系统100，其特征在于，所述搅拌单元101包括导辊202，所述导辊202被配置为以来回运动的方式摆动所述多根纤维，其中所述导辊202与搅拌螺杆201和搅拌电机204连接在一起。
5.根据权利要求1所述的系统100，其特征在于，所述浸渍单元102包括一个或多个加热器303和至少两个注射入口302，所述注射入口302被配置为将所述计量基质材料注射到所述浸渍单元102中，其中所述注射入口302水平地彼此分开设置，在两个所述注射入口302中间有一个纤维入口301，被配置为将从所述搅拌单元101传来的所述搅拌的纤维输送到所述浸渍单元102，其中，所述计量基质材料是通过控制挤压速度或进料螺杆速度获得的，以防止所述计量基质材料或包括纤维束和所述计量基质材料的混合物的熔融材料的堆积。
6.根据权利要求2所述的系统100，其特征在于，该组加热的捏合辊103包括固定辊403、转动辊404、压实弹簧401和张力调节器402，其中，所述转动辊404和所述固定辊403的对准由所述张力调节器402和所述压实弹簧401调整，其中，所述固定辊403是静止的，所述转动辊404是可移动的。
7.根据权利要求1所述的系统100，其特征在于，所述固结单元104包括开设有槽孔的加热器盒501。
8.根据权利要求1所述的系统100，其特征在于，所述搅拌的纤维在所述浸渍单元102的纤维入口301处熔化，以使所述搅拌的纤维暴露在热降解中的时间最小。
9.根据权利要求1所述的系统101，其特征在于，所述连续的纤维丝是圆形的。
10.根据权利要求1所述的系统101，其特征在于，所述浸渍单元102包括多根纤维通道801，其允许使用一个浸渍单元102同时开发多个线轴，以使所述浸渍单元102的热量要求降低以及设置更经济。
11.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述浸渍单元102的内表面涂有干燥的润滑材料，如石墨烯，以增加所述浸渍单元102的寿命，降低所述浸渍单元102中的摩擦和纤维剪切。
12.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述搅拌单元101的可变频率是根据所述纤维的线速度、塑料的粘度等参数来设置的。
13.一种用于制备预浸渍连续的纤维带和纤维丝的方法700，包括：
通过搅拌单元101从材料源中抽出多根纤维，并以来回运动的方式、垂直于进料方向并沿所述多根纤维的平面摆动所述多根纤维，以形成多根搅拌的纤维；
通过浸渍单元102将计量基质材料冲击到移动的搅拌的纤维上，并将所述搅拌的纤维穿过所述浸渍单元102中的多个固定的裂片表面304，以形成浸渍带306；
通过加热固结单元104中的固结模503，以及将所述浸渍带306穿过所述固结模503的多级通道，经由所述固结模503获得一根或多根连续的纤维丝，所述多级通道被配置为逐渐减小所述浸渍带306的截面，以提高浸渍效率。
14.根据权利要求13的方法700，其特征在于，张力和压实力是由系统100中的一组加热的捏合辊103提供的，以熨平存在于所述浸渍带306内的空隙，并且其中该组加热的捏合辊103被设置在所述浸渍单元102和所述固结单元104之间。
15.根据权利要求13的方法700，其特征在于，所述浸渍单元102包括一个或多个加热器303和至少两个注射入口302，所述注射入口302被配置为将所述计量基质材料注射到所述浸渍单元102中，其中所述注射入口302水平地彼此分开设置，在两个所述注射入口302中间有一个纤维入口301，被配置为将从所述搅拌单元101传来的所述搅拌的纤维输送到所述浸渍单元102，其中，所述计量基质材料是通过控制挤压速度或进料螺杆速度获得的，以防止所述计量基质材料或包括纤维束和所述计量基质材料的混合物的熔融材料的堆积。
16.根据权利要求13所述的方法700，其特征在于，所述搅拌的纤维在所述浸渍单元102的纤维入口301处熔化，以使所述搅拌的纤维暴露于热降解的时间最小。
17.根据权利要求13所述的方法700，其特征在于，所述连续的纤维丝是圆形的。
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