用于纖維復合構件的纖維預成型件的制造方法
【專利摘要】本發明提出一種用于纖維復合構件的纖維預成型件的制造方法，其中，纖維結構布置在承載材料(11)上并且所述承載材料(11)在成型過程中由夾緊裝置(24)保持，該方法包括如下步驟：?提供由纖維材料構成的至少一個坯料(15)，?根據在纖維復合構件中坯料(15)的受載方向借助自動化操作裝置(14)對坯料(15)進行定向，?將坯料(15)固定在承載材料(11)上，?將包括經固定的坯料(15)的承載材料(11)提供用于后續過程。
【專利說明】
用于纖維復合構件的纖維預成型件的制造方法
技術領域
[0001]本發明涉及一種按照權利要求1的前序部分所述的用于纖維復合構件的纖維預成型件的制造方法，其中，纖維結構布置在承載材料上并且所述承載材料在成型過程中由夾緊裝置保持。
【背景技術】
[0002]對于工業化制造纖維復合構件必需的是，將多層的層結構體在成型過程中成型。為了準備該成型過程，必須提供二維的纖維預成型件，其由多個單層組成。為了制造該纖維預成型件，目前使多個纖維材料層組成為一個堆疊部或層結構體并且將其逐點地化學或機械式固定，其然后通過將所有單層一次地剪切成要成型的預成型件而被進一步處理并且最后在利用供熱的成型過程中制造該纖維復合構件。
[0003]為了使預成型件在成型過程中在模具型腔中受控地以規定的纖維取向變化變形而不會導致形成不希望的折疊或扭曲，預成型件必須利用夾緊框架或下壓裝置保持，其能夠實現單層區域彼此間受控的相對運動和蠕變，但阻止單層彼此間不受控的打滑。為此目的，目前大面積剪切纖維復合構件的原材料，借此提供足夠的材料用于將材料固定在夾緊框架中。自然的是，在該操作方式中導致纖維材料的高材料消耗，所述纖維材料僅因此必須被添加以便提供足夠的材料用于在夾緊框架中的夾緊。
[0004]借助DE 10 2010 023 044 Al已知一種用于纖維復合構件的纖維預成型件的制造方法，其中，由碳纖維構成的纖維束借助放置裝置沿預定空間曲線在承載材料上沉積并且在其上通過熱激活熱塑性的膠結材料而固定。
[0005]此外借助DE 10 2004 060 647 B4已知一種用于借助縫合站將纖維結構固定在傳送帶上的裝置。纖維結構可以借助放置裝置布置在纖維基本結構上。
[0006]為了減少用于纖維復合構件的原材料的材料消耗，借助源于
【申請人】的未公開的專利申請DE 10 2013 204 270.9已知:將要成型的纖維結構布置在包封部中，所述包封部由柔性材料組成并且簡化多層纖維結構的操作。包封部在此在尺寸上大于纖維結構并且可以由夾緊框架保持。在此也可能的是，所述包封部至少局部力鎖合和/或材料鎖合地與纖維結構連接，以便能夠實現包封部和纖維結構之間的力傳遞。
【發明內容】
[0007]由此出發本發明的任務是，提供一種方法，其一方面可以減少纖維原材料的材料消耗，可以減少纖維復合構件的制造費用并且能夠制造具有復雜外輪廓和復雜集成結構體的纖維復合構件。
[0008]本發明為了解決該任務而具有在權利要求1中給出的特征。有利設計由此在其他權利要求中說明。
[0009]本發明提供一種用于纖維復合構件的纖維預成型件的制造方法，其中，纖維結構布置在承載材料上并且所述承載材料在成型過程中由夾緊裝置保持，該方法包括如下步驟:
[0010]-提供由纖維材料構成的至少一個坯料，
[0011]-根據在纖維復合構件中坯料的受載方向借助自動化操作裝置對坯料進行定向，
[0012]-將坯料固定在承載材料上，
[0013]-將包括經固定的坯料的承載材料提供用于后續過程。
[0014]亦即不同于已知方法，在按照本發明的方法中，首先提供由纖維材料構成的至少一個坯料并且所述至少一個坯料根據在纖維復合構件中坯料的受載方向借助自動化操作裝置布置在承載材料上。定向過程可以是指通過自動化操作裝置對所述至少一個坯料進行定位和旋轉，所述自動化操作裝置例如借助傳感器裝置可以識別在坯料中校準的纖維走向并且然后可以將坯料符合負載路徑地定位在承載材料上。
[0015]對于三維纖維復合構件，可以以這種方式將不同的原始纖維材料的不同成型的坯料借助自動化操作裝置布置在承載材料上，亦即例如沿纖維預成型件的縱向和橫向以各個坯料的不同層厚度和不同層取向來優化完成的纖維復合構件的強度和剛度。
[0016]根據在纖維復合構件中在后續使用中主導的多維應力分布，由不同的纖維基本材料和纖維基本取向構成的坯料可以借助自動化操作裝置層式地施加在基底材料上以及至少一個已經布置在其上的坯料上，其中，與在已知方法的情況中相比(在已知方法中，提供原始纖維材料的具有多個同樣大小的彼此堆疊的層的堆疊部，然后貫穿所有層一次地進行剪切過程)，纖維原材料的面積使用可以顯著減少并且可以與坯料在完成的纖維復合構件中的所需尺寸適配并且因此需要顯著較少的纖維基本材料的原材料。
[0017]然后在按照本發明的方法的下一個步驟中這樣制造的纖維結構至少局部地固定在承載材料上，其中，在這里例如可以使用縫合過程，利用所述縫合過程，纖維結構的各個區域可以固定在承載材料上亦或加強結構集成到纖維結構中，所述加強結構正面影響在后續過程中的后續成型過程。
[0018]然后這樣制造的纖維結構連同承載材料提供在用于后續過程的下一個步驟中、亦即例如直接輸送給熱成型過程或存儲在處于成型站上游的堆疊區域中。承載材料可以是低成本的玻璃纖維墊或類似物并且使纖維預成型件在夾緊鉗、夾緊框架、下壓裝置和類似物中的處理變得容易，并且可以為了后續成型過程而保留在纖維預成型件中并且可以在纖維預成型件再處理成纖維復合構件時輔助后續過程并且在構件中改善強度和剛度和防腐蝕保護。
[0019]按照本發明的一種擴展方案設定，坯料的提供包括如下步驟:裁切由纖維材料構成的坯料和緊接于此將坯料布置在承載材料上，以及在將坯料布置在承載材料上之前將經裁切的坯料臨時存放在預置區域中。
[0020]按照本發明的方法，承載材料可以例如以帶的形式提供在滾子上，然后由切割龍門從該帶上成型出承載材料的坯料，該坯料然后輸送給處于切割龍門下游的轉移龍門。也可能的是，已經預制的承載材料坯料在轉移龍門的預置區域中準備好并且然后由自動化操作裝置堆放在轉移龍門上。以與此類似的方式，可以由切割龍門從配置給該切割龍門的半成品存儲裝置形成纖維材料的至少一個坯料，其方式為:半成品由存儲裝置輸送給切割龍門，切割龍門根據例如借助嵌套程序或有限元計算確定的成型規定而由源于半成品存儲裝置的材料帶制造坯料并且將其然后在沒有臨時存放步驟的情況下直接布置在承載材料上。也可以將多個用于存儲纖維材料半成品的裝置置于切割龍門的單次或多次切割儀器的上游，半成品從中取出并且輸送給用于制造坯料的切割龍門。這些坯料可以然后立即由機器人或類似物形式的自動化操作裝置施加在承載材料坯料上和/或已經布置在其上的坯料上或在布置之前通過自動化操作裝置臨時存放。
[0021]由纖維材料構成的一個坯料或多個坯料的纖維走向的在其通過切割龍門制造之后的角度取向在此無關緊要，因為坯料的符合負載路徑的定向在施加在承載材料和/或已經施加在其上的坯料上之前根據例如有限元計算、亦即完全一般地以預先確定的方式通過自動化操作裝置實施。以這種方式，包括呈例如針織物、刺繡、紗布、織物或機織物形式的具有不同材料特性的纖維材料的處于切割龍門上游的不同半成品存儲裝置的坯料也可以結合到用于制造纖維預成型件的自動化方法中。
[0022]按照本發明的方法按照一種擴展方案也設定，將至少另一個坯料布置在已布置在承載材料上的坯料上，同時導致所述另一個坯料至少局部地重疊在已布置的坯料上，并且所述另一個坯料在根據在纖維復合構件中坯料的受載方向布置之前借助自動化操作裝置定向地、亦即符合負載路徑地定位并且旋轉地布置。
[0023]以這種方式，具有單向纖維走向和/或多向纖維走向的至少一個坯料可以布置在已經安裝在承載材料上的坯料上，亦即也以自動化方式提供具有不同尺寸坯料的多層纖維預成型件，從而不同于已知方法以自動化方式提供纖維預成型件，其只在符合負載地相關的區域中多層、亦即加強地構成，從而產生的纖維預成型件的總質量并且借此纖維復合構件的總質量也可以減少并且在后來的構件中可以取得纖維半成品的明顯的材料節省和輕型結構潛力的益處。
[0024]本發明按照一種擴展方案也設定，呈補丁、嵌件或TFP結構或類似物形式的襯里和/或呈例如樹脂膜片或熱塑性塑料膜片或類似物形式的成型結構或其坯料集成到纖維預成型件中。亦即除了纖維基本材料之外也可以將特殊材料集成到層結構體中，其由自動化操作裝置以預定方式定位并且旋轉地嵌入到層結構體中。以這種方式也可以將坯料帶有重疊區域地彼此布置并且一同提供有意的空腔或具有傾斜的坯料重疊區域的區域，其中，各層局部地重疊和/或導致承受負載的纖維結構的符合負載路徑的角度變化。
[0025]按照本發明的一種擴展方案也設定，由承載材料和至少一個坯料構成的結構體的預定區域在例如處于自動化操作裝置下游的并且處于位于成型站上游的用于預成型件的臨時存放區域上游的固定站中彼此局部固定，其方式為:例如借助纖維縫合所述區域，由此也可以在縫合過程中將針對性的加強結構集成到層結構體中，其針對性地輔助后來的熱成型過程并且避免折疊或扭曲的形成。通過縫合，也可以局部地機械加強后續的完成構件，其結構在成型過程中固定并且直接堆放的結構為了注射過程被針對性地固定并且實現沿厚度方向和平面方向的較好的滲入。
[0026]按照本發明的一種擴展方案也設定，借助在由承載材料和/或至少一個坯料構成的結構體上直接堆放碳纖維粗紗將二維的加強結構布置在層結構體中。所述加強結構可以符合負載路徑地沿纖維復合構件的主負載方向的方向或以纖維走向的不同于0°取向的角度施加，其提前作為相對于主負載軸的角度確定。
[0027]最后本發明也設定，承載材料在制造纖維預成型件之后的后續過程、亦即例如整個處理直到熱成型期間并且在熱成型過程期間保留在預成型件上，穩定該成型的拉力經由所述承載材料引入纖維預成型件中。
[0028]按照本發明的方法允許:可以將不同面積基重集成到預成型件的層結構體中。織物半成品為了形成預成型件不是必須關于其纖維走向而存在以便集成在正確層取向的預成型件中，因為坯料的符合負載路徑的定向通過自動化操作裝置按照堆疊部的功能預先規定進行。以這種方式，在層結構體中的纖維材料半成品的坯料的混勻也是可能的，因為自動化操作裝置接納分離的單層坯料并且將其按照功能預先規定符合負載路徑地施加到承載材料和/或已經處于其上的單層坯料上并且在此也還可以將特殊材料集成到層結構體中。在此可以導致單層坯料之間的規定的重疊區域，在層結構體中形成空腔也是可能的，同樣可以導致在纖維走向中的預定的層嵌接和角度變化。呈樹脂膜片、熱塑性塑料膜片或類似物形式的成型結構也可以集成到層結構體中。
[0029]這樣制造的預成型件可以直接輸送給連接于下游的熱成型過程或例如在成型過程之前臨時存放，以便等待例如對于熱流程所需的停留時間。
【附圖說明】
[0030]接著借助附圖進一步解釋本發明。示出；
[0031]圖1具有預置區域的制造裝置的示意圖，所述預置區域包括多個不同的用于制造纖維預成型件的纖維材料半成品；
[0032]圖2用于實施按照本發明的方法的制造路線的示意構造；
[0033]圖3類似于圖2的視圖，用于解釋通過直接堆放纖維來集成加強結構；
[0034]圖4呈由A立柱和車頂框架的上部區域構成的預成型件形式的、布置在承載材料的一個區段上的纖維預成型件的俯視圖；
[0035]圖5類似于圖4的俯視圖，其示出施加UD纖維作為加強結構；
[0036]圖6類似于圖4的俯視圖，其示出施加具有45°纖維的坯料作為加強結構；以及
[0037]圖7類似于圖6的俯視圖，其示出施加具有0°纖維的坯料作為加強結構。
【具體實施方式】
[0038]附圖的圖1示出用于按照本發明的方法制造纖維預成型件的制造裝置或成型設備的示意概覽圖。
[0039]在示出的示例中，在預置區域I中布置有具有例如不同面積基重的三個不同纖維材料半成品2、3、4。盡管在示出的示例中僅示出三個半成品，但半成品的數量能夠按照應用需求擴大。
[0040]半成品2、3和4輸送給共同的切割龍門5，由其提前例如借助嵌套程序和有限元計算產生確定的坯料形狀，其針對對應的使用情況而優化。
[0041]織物半成品的角度在此無關緊要，因為在連接于下游的轉移龍門6中每個纖維角度可以符合負載路徑地形成，其方式為:相應的坯料由在轉移龍門中布置的自動化操作裝置對應地定位和旋轉。
[0042]轉移龍門6也能夠將呈例如補丁或嵌件形式的特殊材料從存儲裝置7、8中取出并且輸送給層結構體。以這種方式產生纖維結構的進一步借助其他圖顯示的層結構體，該層結構體然后在連接于轉移龍門6下游的固定段9中固定在承載材料11上并且在修剪之后輸送給連接于下游的堆疊區域10。
[0043]代替將纖維預成型件輸送給堆疊區域10(其處于未進一步示出的熱成型站上游)，也可能的是，將這樣制造的纖維預成型件立即輸送給用于熱成型的成型站，這例如取決于成型站的處理能力或纖維預成型件在熱成型之前必需的停留時間。
[0044]在附圖的圖2和圖3中以示意圖示出用于實施按照本發明的方法的制造路線。
[0045]在第一區段中，提供呈存在于滾子12上的玻璃纖維基底材料形式的承載材料11，其借助傳送帶13朝呈機器人14形式的自動化操作裝置的方向輸送。機器人14在示出的實施形式中從具有已制成的纖維材料坯料的未進一步示出的預置區域中取出坯料15并且將其定位在承載材料11上并且更確切地說是這樣定位，使得坯料15的纖維走向符合負載路徑以便接收對要制造的纖維復合構件施加負載的力。
[0046]在層結構體的第一層中這可以是以0°角度取向的坯料，也可以在第一層中即已處理織物半成品的具有不同面積基重的多個坯料15。
[0047]盡管在附圖的圖2中只示出一個坯料15，但可以由機器人14將各個坯料15彼此間具有不同纖維走向角度的多個坯料15布置在承載材料11上，從而在多個至少局部相疊地布置的坯料中產生多個纖維預成型件區域，其符合負載路徑地具有不同的材料厚度，從而纖維材料只在負載相關位置上以不同的材料厚度存在，但不是例如在之后完成的纖維復合構件的處于主負載方向之外的區域中，從而可以避免在纖維材料上的不必要的材料集聚并且因此一方面節省材料并且另一方面也可以使完成的纖維復合構件的重量減少。
[0048]在通過機器人14構建進一步借助圖4至圖7顯示的具有多個坯料15的層結構體16之后，包括承載材料11的層結構體16借助傳送帶13輸送給制造路線的下一個區段，在其中CNC龍門縫紉機17借助縫合頭18產生二維固定縫并且將層結構體16或坯料15固定在承載材料11上。
[0049]此后，承載材料11連同在其上固定的坯料15離開制造路線的具有龍門縫紉機17的區段并且通過傳送帶13輸送給呈例如借助激光工作的切割裝置形式的橫向分離系統，其將由附圖示出的、由帶狀存在的玻璃纖維基底材料11構成的區段20切斷并且制造出這樣得出的纖維預成型件連同承載材料11以便堆疊在示意性示出的存儲裝置21上。
[0050]附圖的圖3示出制造路線的示意圖，其原則上對應于在附圖的圖2中示出的制造路線并且其中集成有附加功能。該附加功能在布置有用于自動定位和旋轉坯料15的機器人14的區域中示出。
[0051 ]除了將坯料15在承載材料11上自動地符合負載路徑地定位和旋轉之外，機器人14還實施借助將纖維直接堆放在坯料15上形成加強結構的附加功能。為此目的，借助粗紗輸送部23將呈纖維線纜形式的纖維材料輸送給機器人14的多重放置頭22，其由多重放置頭22施加在層構造上以便形成加強結構。
[0052]在圖3中示出的制造路線的其他工作步驟則再次對應于按照圖2的工作步驟。
[0053]附圖的圖4示出布置在承載材料11的一個區段上的、呈由未進一步示出的車輛的A立柱和車頂框架的上部區域的預成型件的形式的纖維預成型件的俯視圖。
[0054]該附圖也同時用于解釋，按照本發明的方法也可能的是，提前提供由例如玻璃纖維材料構成的基底材料I的區段，然后可以借助自動化操作裝置14在其上安裝由纖維材料構成的坯料15并且更確切地說是這樣安裝，使得坯料15符合負載路徑地定位并且旋轉地布置在預成型件的相應區段中。附圖也示出，承載材料11側向地由呈夾緊鉗24形式的夾緊機構保持并且可以在應力下保持。代替夾緊鉗24也可能的是，借助未進一步示出的夾緊框架將承載材料11至少固定在承載材料11的短端側上。
[0055]與纖維復合構件的希望形狀對應的集成預成型件可以以上描繪的方式借助在承載材料11上施加多個由纖維材料構成的坯料15提供。
[0056]此外也可以借助施加沿力流方向延伸的UD纖維將加強結構施加在集成預成型件上，其借助機器人14的呈絞合線25的形式的對應放置頭施加在至少一個已經放置的坯料15上。
[0057]附圖的圖6此外也示出借助按照本發明的方法使集成預成型件的抗扭性提高的可能性，其方式為:借助自動化操作裝置14施加由45°纖維材料構成的補丁28，所述補丁可以存在于具有直切邊或斜切邊的不同坯料15之間的重疊區域26中。
[0058]最后附圖的圖7也示出在集成預成型件上借助按照本發明的方法在局部的重疊區域27上形成加強結構，其通過施加0°纖維材料的坯料I而5施加在已經為了形成纖維結構而放置的坯料上。
[0059]然后這樣制造的纖維預成型件可以直接轉移給用于熱處理的成型站亦或布置在臨時存放區域中，如以上已經解釋的那樣。
[0060]按照本發明的方法允許將碳纖維加強結構關于纖維復合構件的構件幾何結構接近最終輪廓地自動地施加到基底材料上。昂貴的碳纖維材料的邊角料減少。
[0061]承載材料參與跟隨制造纖維預成型件的過程步驟并且使纖維預成型件的處理和存放變得容易。
[0062]通過承載材料，成型過程所需的支承力可以繼續傳遞到縫合部和加強結構上。這允許在成型過程中避免折疊和扭曲的形成并且提高預成型件的質量。
[0063]除了通過施加坯料和/或補丁將加強結構引入纖維預成型件中，也可能的是，將碳纖維粗紗展開成纖維帶并且直接放置在要加強的結構上。由此相比于形成其中加強結構整面地構成的堆疊部，取得顯著的材料節省并且減少邊角料。
[0064]加強結構可以符合負載路徑地集成到纖維結構中，再次產生材料節省，完成的纖維復合構件可以在重量減小的同時接收較高的負載。
[0065]在坯料彼此并且在承載材料上固定的過程中，加強結構也可以集成到纖維結構中，其避免在成型過程期間形成折疊，由此可以取得較好的成型結果。
[0066]呈縫合形式的固定也提高層壓板沿厚度方向的負載能力，由此尤其是在膠粘位置上可以接收局部較高的負載。
[0067]按照本發明的方法也允許層結構體關于單層的數量不受限制，因為不是如在按照已知方法形成堆疊部的情況中那樣對所有整面的單層一次地進行剪切。
[0068]按照本發明的方法也允許輸送呈嵌件或類似物形式的特殊材料，坯料的角度取向不取決于原材料、亦即半成品的角度取向，因為分別單獨地構建各個坯料。
[0069]此外關于本發明的上述未單獨進一步解釋的特征明確參閱權利要求和附圖。
[0070]附圖標記列表
[0071]I 預置區域
[0072]2 纖維材料半成品
[0073]3纖維材料半成品
[0074]4纖維材料半成品
[0075]5切割龍門
[0076]6轉移龍門
[0077]7存儲器
[0078]8存儲器
[0079]9固定段
[0080]10堆疊區域[0081 ]11承載材料
[0082]12滾子
[0083]13傳送帶
[0084]14機器人
[0085]15坯料
[0086]16層結構體
[0087]17龍門縫紉機
[0088]18縫合頭
[0089]19切割裝置
[0090]20區段
[0091]21存儲裝置
[0092]22放置頭
[0093]23粗紗輸送部
[0094]24夾緊裝置
[0095]25絞合線
[0096]26重疊區域
[0097]27重疊區域
[0098]28補丁
【主權項】
1.一種用于纖維復合構件的纖維預成型件的制造方法，其中，纖維結構布置在承載材料(11)上并且所述承載材料(11)在成型過程中由夾緊裝置(24)保持，包括如下步驟: -提供由纖維材料構成的至少一個坯料(15)， -根據在纖維復合構件中坯料(15)的受載方向借助自動化操作裝置(14)對坯料(15)進行定向， -將坯料(15)固定在承載材料(11)上， -將包括經固定的坯料(15)的承載材料(11)提供用于后續過程。2.按照權利要求1所述的方法，其特征在于，提供坯料(15)包括如下步驟:裁切由纖維材料構成的坯料(15)和緊接于此將該坯料(15)布置在承載材料(11)上，以及在將該坯料(15)布置在承載材料(11)上之前將經裁切的坯料(15)臨時存放在預置區域(I)中。3.按照權利要求1或2所述的方法，其特征在于，將至少另一個坯料(15)布置在已布置在承載材料(11)上的坯料(15)上，同時導致所述另一個坯料(15)至少局部重疊在該已布置的坯料(15)上，并且在布置之前根據在纖維復合構件中坯料(15)的受載方向對所述另一個還料(15)進行定向。4.按照上述權利要求之一所述的方法，其特征在于，至少一個還料(15)以單向纖維走向和/或多向纖維走向布置在已安裝在承載材料(11)上的坯料上。5.按照上述權利要求之一所述的方法，其特征在于，將襯里和/或成型結構集成到所述纖維預成型件中。6.按照上述權利要求之一所述的方法，其特征在于，縫合由承載材料(11)和至少一個坯料(15)構成的結構體的預定區域。7.按照上述權利要求之一所述的方法，其特征在于，借助直接堆放碳纖維粗紗將二維的加強結構布置在由承載材料(11)和至少一個坯料(15)構成的結構體上。8.按照權利要求7所述的方法，其特征在于，所述加強結構沿纖維復合構件的主負載方向的方向布置在所述結構體上。9.按照上述權利要求之一所述的方法，其特征在于，在制造所述纖維預成型件之后的成型過程中，承載材料(11)保留在所述纖維預成型件上。
【文檔編號】B29B11/06GK105848842SQ201580003327
【公開日】2016年8月10日
【申請日】2015年3月5日
【發明人】E·霍尼克爾, H·馬伊, M·馬夸特, M·沙德
【申請人】寶馬股份公司