用于受控地铺放增强纤维束的铺放设备的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种用于受控地将增强纤维铺放/沉积到表面上的纤维铺放设备。
【背景技术】
[0002]尤其在航空航天工业领域中，当然还在例如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。增强纤维的体积分数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尚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”)。在此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塑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。为制造纤维型坯所用的纤维材料也可以已经例如用少量的、例如可硬化的塑料材料、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 2005/095080中有所描述。
[0004]为了由增强纤维束制造纤维型坯，经常使用自动化工艺，在该工艺中利用受控的铺放头或者纤维铺放设备将纤维束铺放到相应的模具上或模具中，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，然后在铺放头中或纤维铺放设备中借助于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-A3 011 257中得到公开。
[0005]这种纤维型坯例如可以通过如下方式制成，即:将切短了的增强纤维连同粘结剂材料一起喷射和分散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该筛网上，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TO 98/22644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。
[0006]为了实现在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。以这种方式形成了具有在其延伸方向上的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具有增加了的树脂含量并因此减小的了增强纤维含量，这可能会在结构件中造成薄弱点。显而易见，使用这种小纤度的、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。
[0007]因此需要自动化的用于将增强纤维束铺放成纤维型坯的铺放设备，以之能够成本有利地制造纤维型坯，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】
[0008]因此本发明的目的是，提供一种这种类型的用于受控地铺放增强纤维束的设备。
[0009]所述本发明目的由一种用于将增强纤维束受控地铺放到一表面上的铺放设备得以实现，其中，
[0010]-该铺放设备具有铺放头和可控的定位单元，铺放头与定位单元连接并且能够借助于该定位单元相对于表面进行运动，
[0011]-其中，所述铺放设备还具有
[0012]-用于提供至少一个连续的、细带状的、带有粘结剂的增强纤维条子的装置，和
[0013]-布置在铺放头上的第一输送装置，该第一输送装置用于向铺放头输送所述至少一个连续的、细带状的、带有粘结剂的增强纤维条子，
_4] 其中所述铺放设备的特征在于，
[0015]-在铺放头上从输送方向上看，用于展平所述至少一个连续的、细带状的条子的装置布置在第一输送装置上游，
[0016]-所述铺放头具有从输送方向上看布置在第一输送装置下游的第二输送装置、
[0017]-布置在第一输送装置与第二输送装置之间的、带有至少一个分割元件的纵向分割装置，用于将所述至少一个增强纤维条子沿其纵向延伸分割成两个或更多个分条子，和
[0018]-在输送方向上布置在第二输送装置下游的、用于将所述两个或更多个分条子定长切割成纤维束的定长切割单元。
[0019]利用根据本发明的设备，可以制造由具有少量增强纤维长丝的增强纤维束制成的纤维型坯，并因此实现了在纤维型坯中或者由纤维型坯制成的纤维复合材料结构件中的高的纤维体积分数。由此可以将例如成本低、粗纤度的增强纤维纱线形式的连续的、细带状的条子用作原始材料。这种粗纤度的增强纤维纱线可以首先借助纵向分割装置沿构成纱线的增强纱线长丝的延伸分割成多个分条子，其中各分条子然后具有相对于原始纱线减少了的长丝数目。
[0020]在一种优选的实施形式中，所述纵向分割装置具有多个分割元件，借助这些分割元件能够将输入所述铺放设备的至少一个增强纤维条子切割为多于两个的分条子。由此可以进一步减少在各个分条子中的长丝数目，从而得到宽度更小的纤维束。使用这种宽度更小的纤维束又对由此制成的纤维型坯中或所得到的复合材料结构件中的纤维体积分数具有积极影响。
[0021]根据本发明的设备尤其适用于制造和铺放由增强纤维例如碳纤维、玻璃纤维或芳香尼龙纤维或这些纤维相互之间的混合物或与热塑性纤维的混合物组成的纤维束。
[0022]在所述铺放设备中，铺放头与可控的定位单元连接，利用该定位单元能够使该铺放头相对于所述表面进行运动。在一种设计方案中，所述可控的定位单元具有位于机座上的曲臂机械手和由曲臂保持的机械手关节，铺放头由此能够相对于表面沿至少两个轴定位。在另一种设计方案中，所述可控的定位单元具有龙门架，铺放头通过关节头固定在该龙门架中并且铺放头由此能够围绕至少两个轴相对于表面定位。优选的是，该铺放头能够在至少6个轴中、特别优选围绕至少9个轴定位。
[0023]如所述那样，根据本发明的铺放设备具有基座、位于基座上的臂和由该臂保持的、能够沿/围绕多个空间方向轴运动的机械手关节以及与机械手关节相连接的铺放头，该铺放头借助于机械手关节能够绕多个轴相对于表面运动。带有这些元件的设备已由现有技术已知并且经常用于向表面上铺放增强纤维制品。带有之前所述元件的铺放设备例如在US-A-5 022 952中公开，用于铺放例如用于制造缠绕体的增强纤维纱线条子。借助这种基于机械手的设备例如可以使铺放头沿六个轴运动。
[0024]如所述那样，根据本发明的铺放设备包括用于提供至少一个连续的、细带状的、带有粘结剂的增强纤维条子的装置。所述装置可以是用于一个或多个卷筒的接纳装置或接纳装置的布置结构，一个或多个增强纤维条子能够由此以控制张力的方式被退绕/开卷或者以控制速度的方式被送出。用于提供至少一个连续的增强纤维条子的装置可以安装在铺放设备的机座上或臂上。优选的是，所述用于提供至少一个增强纤维条子的装置位于铺放头上并且与该铺放头连接。由此在使用中可以以特别均匀并且稳定的方式将至少一个增强纤维条子输送到用于展平至少一个连续的细带状的条子的装置并输送到第一输送装置。
[0025]为了可靠定位所述至少一个细带状的条子，增加其宽度并且得到纵向切割装置的良好结果，从所述至少一个连续的细带状的条子穿过铺放设备的输送方向上看，在所述第一输送装置上游设有用于展平或铺开所述至少一个连续的细带状的条子的装置。为此适合使用单个位置固定的和