用于制造纤维型坯的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种通过将增强纤维束铺放/沉积到一表面上和/或在该表面上所铺放的增强纤维束上来制造纤维型坯的方法。本发明此外涉及一种利用这样制造的纤维型坯来制造纤维复合材料结构件的方法。
【背景技术】
[0002]尤其在航空航天工业领域中，当然还例如在机械制造或汽车工业领域中，由纤维复合材料制成的结构件得到了越来越广泛的应用。与金属相比，纤维复合材料所常具有的优点是重量较轻和/或强度较高。增强纤维的体积百分比和尤其是增强纤维的取向都对结构件的负载能力、尤其是其刚度和强度有巨大影响。但是为了经济优势，还必须要能够低成本地制造这种可承受高负载的材料和结构件。
[0003]为了制造这种复合材料结构件，首先在一个中间步骤中由增强纤维制成所谓的纤维型坯(“预成型件”)。这里纤维型坯是形式为由增强纤维组成的二维或三维构型物的织物半成品，其中该形状已经可以近似于最终的结构件的形状。在这种基本仅由增强纤维组成并且还至少在很大程度上缺少对于制造结构件所需的基体含量的纤维型坯的实施形式中，在接下来的步骤中通过灌注或注射以及在利用真空的条件下向纤维型坯中加入合适的基体材料。接下来在通常升高的温度和压力下进行基体材料的硬化来形成成品结构件。已知的用于灌注或注射基体材料的方法在此有所谓的液体成型(LM)方法或者与之相关的方法例如像树脂传递模塑(RTM)、真空辅助树脂传递模塑(VARTM)、树脂膜熔渗(RFI)、液体树脂灌注(LRI)或柔性模具树脂渗透(RIFT)等方法。为制造纤维型坯所使用的纤维材料也可以已经例如用少量的塑料材料、也就是粘结剂材料预浸渍，以便改善增强纤维在纤维型坯中的固定。这种被预浸渍的纱线例如在WO 2005/095-080中有所描述。
[0004]还已知了由已经具有对于复合材料结构件足够多的基体材料含量的纤维型坯来制造复合材料结构件的方法。在此情况下，可以例如在一模具中在使用升高的压力和/或升高的温度的情况下将纤维型坯直接挤压成结构件。另选地还可以替代模具而使用真空袋，纤维型坯被放入该真空袋中并且在施加真空后以及通常在升高的温度下被挤压成结构件。所述对于结构件足够多的基体材料含量可以例如通过由带有相应基体含量的预浸料坯所制成的增强纤维束来制造纤维型坯而得到。另选地，可以在例如铺放增强纤维束以形成纤维型坯时例如在铺放过程中喷射上附加的基体材料。
[0005]为了由增强纤维束制造纤维型坯，经常使用自动化工艺，其中利用受控的铺放头或者纤维铺放设备向相应的模具上或向相应的模具中铺放纤维束，其中所述铺放还可以通过向模具上或向模具中喷射纤维束来进行。在此通常将增强纤维长丝纱输入铺放头，然后在铺放头中或在纤维铺放设备中利用合适的切割装置将长丝纱定长切割为所需的纤维束长度。这种带有用于定长切割纤维条子的装置的铺放头例如在WO 2011/045171或US-A 3011 257中得到公开。
[0006]纤维型坯例如可以通过如下方式制造，即:将切短了的增强纤维连同粘结剂材料一起喷射或散布到与所需的纤维型坯的形状相匹配的透气的筛网上，并在施加真空的条件下保持在筛网上，直到型坯在粘结剂材料冷却后达到足够的稳定性。这种方法例如在WO98/22644中有所描述。在WO 98/22644的方法中，增强纤维优选作为短切纤维以随机、均质的方式布置和取向。根据WO 98/22644的示例，仅实现了在最高约15%体积百分比范围内的纤维体积分数，并因此由于纤维体积分数较低而仅实现了较小的、与厚度有关的结构件强度。
[0007]为了实现预成型件中或者由预成型件制成的结构件中较高的纤维体积分数，根据WO 2012/072405的实施方案有利的是，短切纤维以增强纤维束的形式来铺放，其中该纤维束的长度优选在1mm至50mm范围内。此外考虑到尽可能高的纤维体积分数和进而可实现的机械特性，有利的是，所述纤维束具有尽可能小的数目的增强纤维长丝，其中特别优选的是1000至3000的长丝数目。以这种方式形成了在其延伸方向上具有几乎均质的机械特性的几乎均质的材料。同时，由于相对较小的纤维束尺寸，该材料没有或仅有少数区域会树脂含量增加并因此增强纤维含量减小，这可能会在结构件中造成薄弱点。显而易见，使用这种纤度小的、也就是长丝数目少的增强纤维束会导致成本增加，并且尤其还由于使用价格较高的原始材料也导致成本增加。但另一方面，使用纤度较粗的纤维束、也就是增强纤维长丝数目大的纤维束虽然成本更低，但是却如所述那样因此不能或很难实现高纤维体积分数。
[0008]因此需要自动化的用于制造纤维型坯的方法，利用该方法能够以低成本制造纤维型坯，同时获得在纤维型坯中或由纤维型坯制成的复合材料结构件中的高的纤维体积分数。
【发明内容】
[0009]因此本发明的目的是，提供一种这种类型的用于制造纤维型坯的方法。
[0010]根据本发明的目的由一种通过在一表面上和/或铺放在表面上的增强纤维束上铺放增强纤维束来制造纤维型坯的方法得以实现，其中该方法包括以下步骤:
[0011]-将带有粘结剂的增强纤维的至少一条连续的、细带状的条子从喂料装置输送到铺放头上，其中，所述至少一条条子的条子宽度为至少5_，粘结剂浓度在细带状条子的重量的20A至70%重量百分比的范围内，
[0012]-在设置在铺放头上的展平单元中将所述至少一条连续的、细带状的条子展平，并利用设置在铺放头上的第一输送装置沿输送方向将该至少一条条子输送至设置在铺放头上的纵向分割装置，
[0013]-在此沿横向于输送方向的方向稳定所述至少一条条子，
[0014]-在纵向分割装置中利用至少一个分割元件将所述至少一条条子沿其纵向延伸切割成两条或更多条分条子，
[0015]-利用设置在铺放头上的第二输送装置将各分条子沿输送方向输送至设置在铺放头上的定长切割单元，
[0016]-利用定长切割单元将分条子切割成特定长度的增强纤维束，和
[0017]-在一表面上和/或铺放在表面上的增强纤维束上铺放增强纤维束，并在该表面上和/或铺放在表面上的增强纤维束上固定增强纤维束，以形成纤维型坯，其中调整在铺放头与表面之间的相对运动以便以适合负载的方式在表面上铺放增强纤维束。
[0018]利用根据本发明的方法能以低成本的方式由增强纤维束、也就是由具有少量增强纤维长丝的增强纤维组成的纤维束来制造纤维型坯，同时可以实现在纤维型坯中或由其制成的纤维复合材料结构件中的高纤维体积分数。在此例如可以将低成本的、粗纤度的增强纤维纱线形式的、连续的细带状条子用作原始材料。这种粗纤度的增强纤维纱线可以首先由纵向分割装置沿着构成纱线的增强纱线长丝的延伸分割为多条分条子，其中各分条子然后具有相对于初始纱线减少了的长丝数目。
[0019]在根据本发明的方法中所使用的、形成至少一条细带状条子的增强纤维优选使用碳纤维、玻璃纤维、芳香尼龙纤维或这些纤维相互之间的或与热塑性纤维的混合物。特别优选的是碳纤维。
[0020]在一种优选的实施形式中，带有粘结剂的增强纤维的所述至少一条连续的、细带状的条子是长丝纱，该长丝纱具有数目为至少12000根的长丝，该长丝纱被展平为细带状的形状。特别优选的是这种类型的长丝纱具有在24000至50000根范围内的长丝数目。如果所述带有粘结剂的增强纤维的细带状条子是长丝纱，那么在一种优选的实施方案中，粘结剂的浓度位于带有粘结剂的长丝纱的总重量的2%至14%重量百分比的范围内，而在一种特别优选的实施方案中位于3%至7%重量百分比的范围内。
[0021]所述粘结剂可以是通常涂覆到长丝纱的长丝上的纤维浸渍剂，以便得到改善的可加工性和良好的纤维连接、也就是说长丝之间的至少部分的连接。这种浸渍剂通常基于环氧树脂。但是根据本