用于制造纖維復合材料三維預制結構件的鋪設頭、裝置和方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種用于制造纖維復合材料三維預制結構件的鋪設頭、裝置和方法。
【背景技術】
[0002]WO 2011/128110 Al公開了一種用于制造纖維復合材料三維預制結構件的鋪設頭、裝置和方法。參見該印刷文件第1-3頁的現有技術和技術背景描述。該印刷文件公開了如何將多個干粗紗用于鋪設頭，以及如何將干粗紗鋪設在相應的用于制造三維預制件的三維工件載體上，以制造纖維復合材料結構件的結構預制件。
[0003]基于此，本申請的原材料是粗紗。粗紗是多根由纖維材料制成的細絲組成的紗線，細絲可以稱作實際纖維。優選采用碳纖維、玻璃纖維、芳綸纖維等作為纖維復合材料。這種粗紗可由幾根，例如8或10根細絲，甚至多達約10，000或更多根細絲組成。例如，50k粗紗由50，000根細絲組成。
[0004]本申請中，除明確指代單絲之外，纖維這個詞是指粗紗。
[0005]WO 2011/128110 Al公開了通過粘合劑將粗紗的首尾兩端固定在工件載體的邊緣。
[0006]WO 2009/077581, EP 2 433 784 AUffO 2009/158262 Al 和 US 2011/0083605 Al分別公開了用于將粘合劑附著到粗紗上或把粘合劑加入粗紗中的其余裝置和方法。
【發明內容】
[0007]本發明的目的是提高粗紗固定的可靠性以及粘合劑、粘結劑、浸潰樹脂等類似介質應用的可實施性。
[0008]權利要求1所述的鋪設頭，權利要求14所述的裝置和權利要求15所述的方法實現了上述目的。
[0009]更多的改進見從屬權利要求。
[0010]尤其注意的是，通過噴嘴可以將介質浸入粗紗中，這意味著不僅能將粘合劑、粘結劑或樹脂等介質從外部涂敷到粗紗上，還能用介質滲透到粗紗中。
[0011]這就允許用低切腰工件將纖維集或者粗紗分別固定在工件載體的固定區域內。
[0012]因為相應粗紗端部的所有細絲都被嵌入粘合劑/粘結劑/樹脂中，而通過該方式這些細絲就不會被意外地移動到其他地方，因此增強了工藝穩定性。
[0013]在該優選方案中，粘合劑浸潰部分的粗紗可以在鋪設軌道末端居中分開，以這樣一種方式，能同時獲得當前鋪設軌道粗紗末端固定的粘著部分和下一鋪設軌道開始固定的固定部分。
[0014]通過參照附圖對實施例進行的說明，得出進一步的特征和優點。附圖中:
圖1a)示出具有鋪設頭的機械手、粗紗管和工件載體的示意圖，圖1b)示出將纖維組鋪設到工件載體上的過程中具有鋪設頭的機械手的前端的視圖； 圖2a)示出工件載體的視圖，圖2b)、圖2c)和圖2d)示出鋪設有纖維層的工件載體的視圖；
圖3a)示出根據第一實施例的鋪設頭的一部分的透視圖，圖3b)示出該鋪設頭的一部分的側視圖；
圖4a)示出根據一個實施例的噴嘴的示意透視圖，圖4b)示出圖4a)的噴嘴的后部的示意透視圖，圖4c)示出圖4b)的部分的前視圖；
圖5a)示出圖4a)的噴嘴的前視圖，圖5b)示出圖5a)的噴嘴的俯視圖，圖5c)在上部示出圖5a)的噴嘴的側視圖，在下部示出在上部以短劃線圈出的部分的放大圖；并且
圖6示出切割浸潰粗紗的示意圖，其中圖6a)是切割前的示意圖，圖6b)是切割后的示意圖。
[0015]圖1a和圖1b示意性示出附有鋪設頭20的機械手10。工件載體40保持在工件載體支架15上。示意性示出鋪設頭20適用于將多個粗紗構成的纖維組30同時鋪設到工件載體40上。在圖1a中，示出纖維供應機構50的5個管51，纖維(粗紗)33繞到管上并通過纖維供應機構50供應到鋪設頭20。在圖1b)中，僅示意性示出4個粗紗。纖維組30可以包括多(η)個粗紗,其中η = 2，3....,其中目前優選的是η = 8或η = 16或η = 32。
[0016]該設置用于構建由類似于多軸向織物(MAF)的具有多層多軸向纖維構架(MAFA)的纖維復合材料制成的結構部件三維預制件。
[0017]纖維供應機構50優選包括纖維引導機構，該纖維引導機構優選以WO2011/128110 Al的圖12和圖13所示及對這些圖所述的方式實現。
[0018]根據這些實施例，如圖2a)所示，工件載體40包括工件形成區41和邊緣固定區42。工件形成區41對應于預制件的期望三維形狀。邊緣固定區42用于將粗紗33固定在工件載體40的邊緣區內。
[0019]圖2b)中，工件載體示出有第一纖維層31a，該第一纖維層以第一取向(軸向方向)鋪設在工件載體上。如圖2b)所示，纖維層31a由沿該軸向方向已鋪設的粗紗33組成。圖2c)中，不出相同的工件載體40,已在該第一纖維層31a上方鋪設第二纖維層31b。第二纖維層31b的纖維取向相對于第一纖維層31a的取向呈-45度。圖2d)示出如何在第二纖維層31b上鋪設第三纖維層31c，其中只在工件載體40的一部分上鋪設了第三纖維層。第三纖維層31c的取向相對于第一層呈+45度，因此相對于第二層31b呈90度。這三個層31a-31c形成多層多軸向纖維構架(MAFA) 31。
[0020]再次參照圖la)，可以看出鋪設頭20包括入口 20e，干粗紗33通過該入口供應到鋪設頭。鋪設頭20還包括出口 20a，粗紗33從出口輸出從而鋪設到工件載體40上，在出口20a設有壓輥20r，輸出的粗紗33最終可以通過該壓輥被壓在工件載體40上。圖1a)中，指示了對于粗紗33對應地輸送或運送方向的纖維供應方向V。在鋪設頭20的入口 20e的纖維供應方向V下游設有纖維輸送裝置20f。該纖維輸送裝置可以通過如US 2009/0229760Al所述的輸送單元實現。原則上，根據艾特爾萬原理的這種纖維供應是已知的。此外，關于纖維輸送裝置，參見所述US 2009/0229760 Al和WO 2011/128110 Al。
[0021]圖1a)中，在纖維輸送裝置20f的纖維供應方向V下游示意性示出纖維處理單元20b。以下參照圖3a)和圖3b)更詳細地說明纖維處理單元20b。圖3a)中，在纖維輸送裝置20f下游直至壓輥20r的纖維供應方向V，分別示出用于引導和處理粗紗33，Ri，Rj的鋪設頭部分20b的透視圖。圖3b)中，以側視圖示意性示出鋪設頭20內部的相同部分20b。在鋪設頭的所示實施例中，通過入口 20e供應到鋪設頭20中的粗紗33被分成兩組粗紗Ri(i = I, 3，5…)和Rj (j = 2，4，6...)。Ri組包括偶數粗紗，Rj組包括奇數粗紗33。在所示實施例中，η = 16,使得Ri組(I = I,…15)存在8根粗紗,Rj組(j = 2，…16)存在8根粗紗。在兩個分開路徑Pl和P2上引導和處理Ri組和Rj組。
[0022]不是必須分成兩組和分開的路徑Pl和P2。也可以設置不劃分/分開的單個路徑。另一方面，也可以實現兩個以上的多個組和路徑。
[0023]以下描述路徑Pl的處理單元20b。該描述同樣適用于路徑P2。路徑Pl表示為標號i，而路徑P2以j代替i來作為標號。
[0024]粗紗33，Ri由纖維輸送裝置沿著纖維供應方向V輸送，并到達噴嘴22，22i的下游，該噴嘴用于將介質M涂敷和滲透到粗紗中，這將在下文更詳細地說明。噴嘴適用于以介質雙側涂敷到粗紗上和滲透(浸潰)到粗紗中的方式涂敷介質(粘合劑、粘結劑、樹脂等)。該雙側涂敷和滲透可以連續或各部分記時地進行。
[0025]以下給出這種情況的描述，其中介質是所謂的熱熔粘合劑。這種熱熔粘合劑在預定溫度(以下稱為粘合溫度)以上具有粘附性/粘性，在預定溫度以下不具有粘附性/粘性，但在很大溫度范圍內仍具有彈性。
[0026]使用這種熱熔粘合劑時，優選在噴嘴22的供應方向V下游設置冷卻裝置23，23i，用于將涂敷和滲透有粘合劑的粗紗冷卻到粘合溫度以下。
[0027]圖3所示實施例的處理單元20b中，在冷卻裝置23的下游存在冷卻裝置23的情況下，優選在噴嘴22的供應方向V下游設置中間輸送裝置24，24i。中間輸送裝置用于安全輸送噴嘴22下游的粗紗。在噴嘴22的供應方向下游設置纖維切割裝置21，21i，并且當存在冷卻裝置23和/或中