專利名稱：用于生產單-或多-層纖維預制品以及固定絲線和襯層的方法
技術領域：
本發明涉及一種利用實質對準的纖維束，通過TFP ("Tailored Fibre Placement")過程生產單-或多-層纖維預制品用的方法，以便它 們沿著力通量定向，鋪設在至少一個襯層上，并且利用至少一個固定絲 線附加，纖維預制品具有實質任何期望的材料厚度。
本發明還涉及執行該方法用的固定絲線以及襯層。
背景技術：
在輕型結構中，尤其在飛機結構中，由纖維強化塑料制造的復合 部件的使用不斷增加，其能夠承受極端的機械負載并且同時提供高的重 量節約潛力。這些部件由隨后浸潤或注入可固化聚合物材料的強化纖維 形成，以形成完成的部件，例如聚酯樹脂、環氧樹脂或相類似物。
該強化纖維在這種類型的部件中的對齊對其剛性和強度具有決定 性影響。為實現最佳機械性能，如果可能，該強化纖維應按照負載的方 向，并且不具有任何波的形成。另外，每個單獨的強化纖維期望接受均 勻負載。
對于諸如例如編織或鋪設纖維織物的傳統半成品，對于聚合材料 的強化，由于強化纖維總是沿特定、固定方位布置在那里，不是能夠實 現所有可以想到的纖維方位。雖然鋪設的纖維織物能夠被"覆蓋"，更 確切地說，以無折皺的平坦方式鋪設，例如以形成圓環部件，該強化纖 維通常無法使它們與按照更復雜的力通量線的通路成直線。
一種符合根據負載纖維對準要求的可能方式是己知的TFP過程。 這涉及沿任何期望的通路曲線鋪設依次由彼此平行延伸的多個分離的強 化纖維形成的纖維束，用于機械強化("粗紗")，并借助于襯層上的
固定絲線附加它們，以形成纖維預制品("預制品")，從而各個纖
維束的對準能夠實際最佳地經調節到作用在完成的復合部件上的力。采用對應于傳統縫紉方法的方式，通過在襯層下彼此聯接的上部固定絲線 和下部固定絲線，執行固定。該纖維束的附加優選地利用之字型縫線優 選地執行。采用這種方式實現的纖維束的機械負載承受能力的最優使用 能夠使其數目最小，并且因此也使重量最小。此外，該部件的橫截面能 夠采用理想的方式調節到各自的局部負載。此外，通過鋪設附加纖維 束，強化能夠具體地形成在接受特殊負載的區域中，諸如例如其中引導 力或相類似物的區域。例如利用玻璃纖維、碳纖維、芳族聚酰胺纖維或 類似物形成分離強化纖維。
在例如也用于紡織工業的通常CNC —控制的自動縫紉和繡花機上
執行利用TFP過程生產纖維預制品。 一旦所有需要的層已利用纖維束
鋪設，通常已具有期望的最終輪廓的完成纖維預制品被放置在可關閉的 模具中，并且注入可固化聚合物材料并接著固化以形成完成的復合部
件。多個TFP纖維預制品與/或強化纖維層可組合在這里。通過一個在 另一個頂部上放置多個(單，單一層)纖維預制品形成多一層纖維預制 品，以便能夠產生由于用于TFP過程的自動縫紉或繡花機中的有限針 長度無法生產的更大材料厚度。多層纖維預制品相應地具有至少兩個襯 層，近似彼此平行地延伸在多層纖維預制品內。
例如在相應地設計的可關閉模具中利用已知RTM過程("Resin Transfer Moulding")，可執行采用可固化聚合物材料的纖維預制品的注 入。
然而，對于固定絲線和襯層，TFP過程將在后面的復合組件中不 再執行任何功能、尤其無襯層功能的兩個元件，引導進入纖維預制品。 然而，在實現層的理想順序中，襯層和固定絲線共同導致問題，并且此 外，占明顯比例的總重量，尤其是如果多個纖維束被一個在另一個頂部 地放置，或利用一個鋪設在另一個頂部上的多個纖維束形成更大材料厚 度的單-層纖維預制品。雖然利用編織強化纖維，例如利用編織玻璃或 碳纖維織物，也可形成襯層本身，即使在這種情況中，至少一些強化纖 維具有未根據負載的對準。此外，通過在TFT過程期間，利用縫紉針
穿入也損害了編織強化纖維，這樣典型的材料值可能被損壞。為了避免 提及的困難，例如通過容易熔化的材料可以形成固定絲線，但這導致進入纖維預制品的不確定的材料量，這會損壞通過利用可固化聚合物材料 注入后面的復合材料中形成的矩陣的機械性能。發明內容本發明的目的在于提供一種方法，利用它，能夠產生實質任何期望材料厚度的單-或多-層纖維預制品，沒有TFT過程通常需要的固定絲 線與/或通常所需的襯層的煩擾影響。利用具有專利權利要求1的典型條款的特征的方法實現了根據本 發明的目標。利用根據本發明的方法，在完成TFT過程后，至少一個纖維預 制品被引導入固定設備，以保證纖維束在纖維預制品內的位置，并且固 定絲線或多條絲線與/或襯層或多個襯層至少被部分去除，該事實使得 可以在理想情況中，在后面的復合組合中不再執行任何功能的所有固 定絲線和襯層能夠從纖維預制品去除。結果，由根據本發明的方法產生的纖維預制品具有實質理想的 "準各向同性"化學屬性。特別地，避免了作為利用固定絲線有缺陷縫 紉纖維束的結果，纖維預制品中的瑕疵，由于上部固定絲線與下部固定 絲線之間的節和環的形成，這導致波狀纖維絲線等，和纖維預制品中的 不均勻性。由于它們在后面的復合部件中提供了優選的層離，襯層的去 除具有相應的優選效果。此外，固定絲線和襯層的去除產生了相當的重 量節省。上述優選效果尤其在多層纖維預制品的情況中對前述甚至更 大。該固定設備優選地采用如下方式形成，以便在固定絲線與/或襯層的去除期間，它關于彼此可靠地緊固纖維束的層，并且同時給予纖維 預制品盡可能正確地對應于通過樹脂注入隨后由纖維預制品生產的復合 部件的幾何形狀。根據本發明的方法的優選改進，該固定絲線或多條固定絲線與/或 襯層或多個襯層由能夠被化學與/或物理去除的材料形成，尤其是能夠 溶解的材料。結果，采用簡單的方式，固定絲線和襯層均能夠從纖維預制品被去除或溶解。
根據另一優選的改進，實現了該固定絲線或多條固定絲線與/或 襯層或多個襯層通過溶解和沖洗去除，溶劑流過固定設備，尤其是作為 溶劑的水。
通過利用適合的溶劑，尤其是利用水，溶解固定絲線和襯層材料 和后面沖洗溶解的固定絲線和襯層材料，在單層纖維預制品的情況中的 固定絲線與/或襯層或多層纖維預制品的情況中的襯層的去除實際上允 許完全去除固定絲線與/或襯層或多個襯層。在這里，尤其作為溶劑的 水具有通常不會出現可能導致損害機械屬性的與纖維預制品中的強化纖 維相互作用的優點。特別地，作為溶劑的水不會實質影響通常應用于強 化纖維以改進強化纖維到樹脂矩陣的結合的尺寸屬性。另外，利用施加 的熱量，作為溶劑的水能夠快速從纖維預制品逐出，并且特別地沒有任 何留在后面。此外，作為溶劑的水能夠容易和安全地處理。優選地，利 用水溶性聚合物材料形成固定絲線或多條固定絲線與/或襯層或多個襯
層。例如，日本東京的NITIVY公司的名稱SOLVRON Sewing Thread SX 100T/lx3禾卩SOLVRON SF62dtex的絲線可用作水溶性固 定絲線。另一方面，如果固定絲線與/或襯層由水溶性材料形成，它需 要使用可選的溶劑，代替水。
根據本發明的方法的另一優選改進，在固定絲線或多個固定絲線 去除與/或襯層或多個襯層去除后，該纖維預制品固定設備中通過施加 的熱量干燥。
結果，用于溶解和沖洗固定絲線與/或襯層的溶劑能夠優選地從纖
維預制品完全去除，以便基本上排除纖維預制品的屬性削弱。
根據本發明的方法的另一優選改進，利用可固化聚合物材料在固 定設備中執行纖維預制品的注入以生產完成的復合部件，尤其根據
RTM過程，利用環氧樹脂、聚脂樹脂或相類似物。
結果，為利用RTM過程生產完成的聚合物部件，固定設備能夠 同時采用優選的方式作為可關閉模具。這特別地優選，因為用于RTM 過程的可關閉模具通常也具有加熱設備，后面能夠同時用于干燥纖維預 制品。此外，用于RTM過程的模具另外具有真空設備，利用它，能夠加速干燥過程。根據本發明的方法的另一優選改進規定至少兩個纖維預制品被布 置在固定設備中，用于形成多層纖維預制品。作為布置多個(單，單-厚度，單-層)纖維預制品的結果，所謂的 多層纖維預制品能夠形成有更大材料厚度。這些多層纖維預制品相應地 具有多個襯層和多條固定絲線。利用專利權利要求7的固定絲線實現了根據本發明的目標。該固定絲線由尤其通過水溶性材料，能夠化學與/或物理去除的材 料形成的事實意味著它能夠釆用簡單的方式優選地完全從纖維預制品 去除。優選地，利用容易水溶的聚合物材料形成固定絲線。例如，日本東京的NITIVY公司的名稱SOLVRON Sewing Thread SX 100T/lx3 和SOLVRON SF62dtex的絲線可用作水溶性固定絲線。此外，利用根據專利權利要求8的襯層實現了根據本發明的目標。該襯層由尤其通過水溶性材料，能夠化學與/或物理去除的材料形成的事實意味著它能夠采用簡單的方式完全從纖維預制品去除。在特 別優選的變形中，利用容易水溶性聚合物材料形成襯層或多個襯層。來自曰本東京的NITIVY公司的絲線SOLVRON Sewing Thread SX 100T/lx3禾Cl SOLVRON SF62dtex能夠類似地用于形成襯層。
圖1顯示了穿過單層纖維預制品的示意橫截面表示；和 圖2顯示了穿過多層纖維預制品的示意橫截面表示，其中利用 根據本發明的方法，固定絲線和襯層已被完全沖洗。
具體實施方式
基于圖1和圖2，下面將更詳細地說明根據本發明的方法。 圖1顯示了單層纖維預制品1的基本結構的示意橫截面表示。 該纖維預制品，1具有多個纖維束2,其僅一個配置標號，作為其它的 表示。該纖維束接著由多個強化纖維形成，其類似地不再具體指示，并且大致與附圖的平面垂直地延伸。例如作為強化纖維，考慮玻璃纖維、 碳纖維或芳族聚酰胺纖維。
在第 一 方法步驟中，利用已知TFP過程 ("Tailored Fibre Placement")首先優選地在襯層3上鋪設纖維束，以便它們沿力的 通量定向，并且利用作為固定絲線6的上部固定絲線4和下部固定絲 線5附加。該上部固定絲線4在襯層3下形成環路，為了附圖的更 清楚，其僅一個配置標號，如環路7。該下部固定絲線5延伸經過所 有環，包括環路7，以便所有纖維束被附于襯層上，用于緊固抑制移 位。通過已知CNC自動縫紉或繡花機執行纖維束的鋪設和附加，執 行纖維束的鋪設和附加，利用它，纖維束在襯層3上實際能夠形成任 何期望的鋪設曲線。利用未顯示的、沿至少兩個空間維度受計算機控制 并能夠通過自動縫紉或繡花機器定位的縫紉頭執行將鋪設纖維束的引導 和在鋪設層3上的附加。
可選地，該纖維預制品1也可利用所謂的"栽絨法"鋪設和縫合 在一起。在這種情況中，僅上部固定絲線4被使用，并且通過夾在其 中，直接固定在適合選擇的襯層3中。下部固定絲線5，用于通過利 用上部固定絲線4的連接或環狀構成而將上部固定絲線4固定在襯層 3下面，和下部固定絲線引導因而是多余的。柔韌和彈性橡膠片、泡沬 塑料或類似物例如用作襯層3，其中上部固定絲線4由針至少表面 地引導。在針縮回后，在橡膠板中形成的上部固定絲線環被緊固地保持 在橡膠片內，并隨后固定。
這個過程尤其具有優點由于在溶解并沖洗固定絲線6前，它能 夠從固定設備中的纖維預制品1脫離，不會對強化纖維任何可感知的 損壞，利用根據本發明的方法不必溶解襯層3。
根據圖1中的表示，通過將多個纖維預制品1 一個放置在另一 個上，如果需要，所謂的多層纖維預制品也可形成用于生產由于有限的 針長度，利用TFP過程不能生產的具有更大材料厚度的復合部件。
至少利用可溶解固定纖維6利用TFP過程在襯層3上建立具有 多層的纖維預制品1，更確切地說，尤其利用可溶解固定纖維4和可 溶解下部固定纖維5。另外，為形成襯層3，也可以使用能夠通過溶解去除的這種材料。關于這一點尤其考慮的是水溶性材料，這使得溶解的 纖維6和/或襯層3的材料容易地可以利用水沖洗，并且此外，通過供 應的熱量快速干燥，絲毫不會留下。此外，作為溶劑的水具有通常不會 發生損害纖維束中的強化纖維的性能的優點。特別地，通常應用于強化 纖維以改進強化纖維到后面的完成復合部件的周圍樹脂矩陣的機械結合 的尺寸不會被侵蝕。
圖2顯示了穿過多層纖維預制品8的示意橫截面表示，其中 在第二方法步驟中，在適合的固定設備中，固定絲線和襯層均已被完全 去除。利用適合的溶劑并且接著利用溶劑優選地完全沖洗溶解的固定絲 線和襯層材料，通過溶解固定絲線和襯層材料層，執行固定絲線和襯層 的去除。
為了附圖的更全面、清晰，放大了圖2中的纖維束之間的距離。
該固定絲線沿窄的垂直和水平中間空間延伸，同時襯層已以寬的水平中 間空間被布置。實際上，在通過溶解和沖洗去除固定絲線和/或襯層
后，纖維束直接彼此靠著，大致無任何間隙，以便在后面的復合部件 中取得纖維體積50%和更高的極高比例。從多個纖維束，為了更好地
概觀附圖，僅一個纖維束9已被指出并配置標號，作為剩余纖維束的表示。
該纖維預制品8采用多層形式建立，也就是說由根據纖維束1
分別建立并一個在另一個上面布置的總共三個纖維預制品，其中在每種 情況中，具有強化纖維的兩層纖維束，所有固定絲線和襯層己通過用溶 劑沖洗被消除。
結果，纖維預制品8具有實質最佳的機械、準各向同性的屬性。 特別地，沒有利用固定絲線通過將其附于襯層上通常產生的纖維束的波 形形成。此外，由于上部固定絲線和下部固定絲線之間形成的節和環以 及襯層被簡單地溶解，通過沖洗完全消除了纖維束8的纖維布置中的 瑕疵。
為了使得固定絲線與/或襯層可以溶解并完全沖洗，它們優選地利 用能夠容易地化學與/或物理去除的材料制造，尤其是利用能夠利用適 合的溶劑容易并快速溶解并沖洗的聚合物材料或類似物。優選地使用允許使用水作為溶劑的水溶性聚合物材料，用于形成固定絲線與/或襯層。例如，日本東京的NITIVY Co. LTD公司的名稱SOLVRON Sewing Thread SX 100T/lx3禾tl SOLVRON SF62dtex的絲線可用作水 溶性固定絲線。可選地，根據用于固定絲線與/或襯層的材料，也可以使用諸如例如有機溶劑、氯代烴類和相類似物的其它溶劑。固定絲線與/或襯層的溶解和接著的沖洗在未更特別表示的固定設備中執行。 一方面，在沖洗過程期間，固定設備用于實質保持纖維預制 品8的形式的目的，并且結果避免纖維束的移位。另一方面，該固定 設備具有確保溶劑流盡可能均勻并滲透纖維預制品的所有區域的任務。為實現纖維束與/或襯層的溶解和沖洗，固定設備例如具有至少一 個流入口和至少一個流出口，用于優選地用作溶劑的水。該溶劑也可在 封閉的回路中引導，其通常需要過濾出固定絲線與/或襯層的溶解材料 粒子。為避免異物進入纖維預制品8，尤其采用溶解礦石或類似物的形 式，可能需要使用蒸餾水作為溶劑。在第三方法步驟中，為了纖維束8的后續干燥，它采用特別優選 地方式保留在固定設備中，其然后通過用于干燥纖維預制品8的加熱 設備加熱。利用加熱設備，例如用作溶劑的水能夠從纖維預制品8完 全驅使出來。為進一步加速干燥過程，負壓可另外應用于固定設備。在第四方法步驟中，例如利用已知RTM過程("Resin Moulding Transfer")，采用這種方式干燥的纖維預制品8浸潤或注入可固化聚 合物材料，例如環氧樹脂、聚脂樹脂、BMI樹脂或相類似物。采用特 別優選的方式，這種方法步驟也在固定設備中執行，其然后用于或同時 形成在RTM過程內作為可關閉模具，以便，和其它事物，能夠削弱 完成復合部件的維度穩定性的纖維預制品8的不確定變形得到大大避 免。這種過程另外具有特別的優點效果在第三方法步驟中，用于執 行RTM過程的可關閉模具具有加熱設備，同時能夠用于沖洗后，干 燥纖維預制品8。采用相應的方法，當執行RTM過程時通常提供的 真空設備還能夠用于進一步加速干燥纖維預制品8的過程。利用根據本發明的方法形成的纖維預制品生產的復合部件具有強 化纖維的實質最優的對準，更確切地說，尤其是實質沿力的通量的定 向，沒有節和環和波層形式的瑕疵，并且結果被認為關于其物理屬性的 "準各向同性"。此外，復合部件可以實質任何期望的材料厚度生產， 沒有任何麻煩的襯層。本發明涉及一種用于利用實質對準的纖維束2, 9，通過TFP過程生產單-或多層纖維預制品1,8的方法，以便它們利用力通量定向，鋪設在至少一個襯層3上，并且利用至少一個固定絲線6附加，纖維 預制品1， 8具有實質任何期望的材料厚度，其中在完成TFT過程 后，至少一個纖維預制品1， 8被引導入固定設備，以確保纖維束2， 9 在纖維預制品1, 8內的位置，并且固定絲線6與/或多個固定絲線6 與/或襯層3或多個襯層3至少被部分去除。該固定絲線6或多個固定絲線6與/或襯層3或多個襯層3由 能夠被化學與/或物理去除的材料形成，尤其是能夠溶解的材料。該固定絲線6或多個固定絲線6與/或襯層3或多個襯層3通 過溶解和沖洗去除，固定設備由溶劑流過，尤其是作為溶劑的水。在固定絲線6或多條固定絲線6的去除與/或襯層3或多個襯 層3去除后，該纖維預制品1,8優選地在固定設備中被干燥。利用可固化聚合物材料，在固定設備中執行纖維預制品1， 8的注 入，尤其利用環氧樹脂、聚脂樹脂或相類似物，根據RTM過程，以 生產最后的復合部件。至少兩個纖維預制品1， 8被布置在固定設備中，用于形成多層纖 維預制品。該固定絲線優選地由能夠化學與/或物理去除的材料形成，尤其是 利用水溶性聚合物材料。該襯層尤其由能夠化學與/或物理去除的材料形成，尤其是利用水 溶性聚合物材料。標號列表1 纖維預制品2 纖維束3 襯層4 上部固定絲線5 下部固定絲線6 固定絲線7 環8 纖維預制品9 纖維束
權利要求
1.用于利用實質對準的纖維束(2，9)，通過TFP過程生產單-或多層纖維預制品(1，8)的方法，以便它們沿著力的通量定向，包括步驟a)纖維束(2，9)被鋪設在襯層(3)上并由固定絲線(6)附加，以形成纖維預制品(1，8)，固定絲線與/或襯層由水溶性材料形成，并且纖維預制品(1，8)具有實質任何期望的材料厚度，b)在完成TFT過程后，至少一個纖維預制品(1，8)被引導入固定設備，以確保纖維束(2，9)在纖維預制品(1，8)中的位置，c)作為溶劑的水流經固定設備，以通過溶解和沖洗，去除至少一個固定絲線(6)與/或至少一個襯層(3)，通過流入和流出，水在封閉環路中被引導經過固定設備并經過濾，d)在去除至少一個固定絲線(6)與/或去除至少一個襯層(3)后，至少一個纖維預制品(1，8)在固定設備中通過應用的熱量干燥；和e)利用環氧樹脂，根據RTM過程，在固定設備中執行至少一個纖維預制品(1，8)的注入以生產最后的復合部件。
2. 根據權利要求1所述的方法，其特征在于至少一個固定絲線 (6) 與/或至少一個襯層 (3) 由絲線SOLVRON Sewing ThreadSX100T/lx3或SOLVRON SF62dtex形成。
3. 根據權利要求1或2所述的方法，其特征在于至少兩個纖維預制品(1,8)被布置在固定設備中，用于形成多層纖維預制品。
全文摘要
本發明涉及一種用于利用實質對準的纖維束2，9，通過TFP過程生產單-或多層纖維預制品1，8的方法，以便它們沿著力通量定向，鋪設在至少一個襯層3上，并且利用至少一個固定絲線6附加。根據本發明，在完成TFT過程后，至少一個纖維預制品1，8被引導入固定設備，以確保纖維束2，9的位置，并且固定絲線6與/或襯層3至少被部分去除。作為固定絲線6與/或襯層3從纖維預制品1，8優選地完全去除的結果，后者具有實質理想的機械、準各向同性的屬性。在優選的變形中，利用水溶性材料形成固定絲線6與/或襯層3，以便它們能夠由作為溶劑的水完全溶解并沖洗。本發明還涉及由能夠化學與/或物理去除的材料形成的固定絲線6，以及由這種材料形成的襯層3。
文檔編號D04H3/04GK101253037SQ200680032195
公開日2008年8月27日 申請日期2006年7月24日 優先權日2005年7月22日
發明者烏爾里奇·埃貝茨, 保羅·約恩 申請人:空中客車德國有限公司