CN104768725B - 用于制造纤维型坯的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种通过向表面(25)上铺放增强纤维束(20)来制造纤维型坯的方法，包括以下步骤：‑输入连续的、细带状的带有粘结剂的增强纤维条子(6)，其中，条子的条子宽度为至少5mm，粘结剂的浓度在2％～45％重量百分比的范围内，‑在展平单元(7)中展平条子并利用第一输送装置(8)沿输送方向输送至纵向分割装置，在此沿横向于输送方向的方向稳固所述条子，‑在纵向分割装置中将条子沿其纵向延伸切割成至少两个分条子，‑利用第二输送装置(16)将分条子输送至定长切割单元，‑利用定长切割单元(18)将分条子切割成增强纤维束和‑将增强纤维束铺放到表面上。
Description
技术领域
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
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。
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。
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。
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。
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。
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10mm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。
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
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。
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：
-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5mm，粘结剂浓度在细带状条子的重量的2％至70％重量百分比的范围内，
-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，
-在此沿横向于输送方向的方向稳定所述至少一条条子，
-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，
-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，
-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
-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。
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。
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。
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。
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。但是根据本发明的方法需要与通常所使用的浸渍剂浓度相比提高了的含量，该含量如所述那样优选在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，并且尤其优选在3％至7％重量百分比的范围内。
粘结剂在此包括热塑性聚合物或未固化的热固性聚合物或部分固化的热固性聚合物或者还有这些聚合物的聚合化合物/聚合合成物。合适的热塑性聚合物例如是聚乙烯亚胺、聚醚酮、聚醚醚酮、聚苯硫醚、聚砜、聚醚砜、聚醚醚砜、芳族聚羟基醚、热塑性聚氨酯树脂或这些聚合物的混合物。作为未固化或部分固化的热固性聚合物，可以使用的例如有环氧化物、异氰酸酯、酚醛树脂或不饱和聚酯。在此有利的是，所述连续的细带状的带有粘结剂的增强纤维条子是下述长丝纱，该长丝纱在铺放头区域中的加工温度下、也就是通常在室温下是不发粘的并且例如能够从卷筒退绕。但是在温度升高时，所述粘结剂或带有粘结剂的增强纤维应是发粘的，并且会使得由此制成的纤维束具有很好的粘着性。这种增强纤维纱线或增强纤维条子例如在WO 2005/095080中有所描述，这里明确援引其相关的公开内容。这种长丝纱被由多种不同的环氧树脂所组成的粘结剂浸润，其中这些环氧树脂在其特性如环氧值和分子量等方面以及在其浓度方面以特定方式相互区别。
在根据本发明的方法的一种优选的实施形式中，所述至少一条条子是被预浸渍的长丝纱，而所述粘结剂包括第一树脂组分和第二树脂组分，其中，所述长丝纱的长丝被第一树脂组分浸渍并通过第一树脂组分至少部分地连接，其中，所述第一树脂组分含有至少两种双酚A环氧氯丙烷树脂H1和H2，其重量比H1：H2为1.1至1.4，其中H1的环氧值为1850～2400mmol/kg，平均分子量MN为800～1000g/Mol，在室温下是固态的，H2的环氧值为5000～5600mmol/kg，平均分子量MN为小于700g/Mol，在室温下是液态的，并且此外还含有芳族聚羟基醚P1，其酸值为40～55mg KOH/g，平均分子量MN为4000～5000g/mol。所述预浸渍的长丝纱在外侧上具有粘着到长丝上的颗粒或液滴形式的第二树脂组分，其中该第二树脂组分在室温下是固态的，具有80～150℃范围内的熔化温度并且以预浸渍长丝纱的总重量的0.5％至10％重量百分比的浓度存在于纱线外侧上，并且其中纱线外侧的表面积的至少50％不具有第二树脂组分，并且纱线内部不具有第二树脂组分。这种用粘结剂预浸渍的长丝纱在专利申请WO 2013/017434中已有描述，在此明确援引其相关的公开内容。
在另一种优选的实施形式中，所述至少一条条子可以是一个由单方向地沿预浸料坯的延伸方向并进而沿预浸料坯的输送方向布置的增强纤维所组成的预浸料坯。在本发明的范围内预浸料坯应理解为用聚合物基体***浸渍的增强纤维半成品。在此可以是纱线预浸料坯(“tow prepreg”)，也就是说，是用基体***浸渍的单个纱线。但是也可以是由相互并排平行布置的、单方向取向的增强纤维组成的幅状的半成品，该增强纤维用基体***进行浸渍。在使用预浸料坯的情况下，所述基体***是粘结剂。
在此情况下作为基体***或粘结剂使用的同样是热塑性聚合物或未固化的热固性聚合物或部分固化的热固性聚合物或聚合物合成物，在此可以采用之前所述的聚合物。在带有粘结剂的增强纤维的所述至少一条条子是预浸料坯的情况下，优选的是，所述粘结剂、也就是所述基体***的浓度在预浸料坯的重量的15％至70％重量百分比的范围内，而在所述增强纤维是碳纤维的情况下，特别优选在20％至60％重量百分比的范围内。
带有粘结剂的增强纤维的所述至少一条细带状的条子从卷筒退绕或者在使用预浸料坯的情况下从作为喂料装置的滚筒退绕，并被输送给铺放头。优选的是，所述喂料装置、也就是卷筒或滚筒与铺放头固定相连，从而在铺放头运动时带动喂料装置。由此可以实现所述至少一条条子的稳定行进。
为了改善所述至少一条细带状条子的可靠定位、增加其宽度并且实现纵向切割装置的良好切割效果，将所述至少一条条子引导到布置在铺放头上的展平单元上，该展平单元在越过铺放设备的所述至少一条连续的细带状的条子的输送方向上看布置在所述第一输送装置上游。作为展平单元，适合使用单个位置固定的和/或可转动地被支承的杆件，或者由多个位置固定的和/或可转动地被支承的杆件构成的***，通过其能够提高条子中的线张力。所述杆件的表面应该以有利的方式这样构造，使得在杆件上所输送的纱线条子的磨损保持很小。为此可以采用已知的表面和材料。杆件优选这样布置，使得所述至少一条连续的细带状的条子以在大于20°范围内的包绕角围绕杆件被引导。
优选的是，所述至少一条由带有粘结剂的增强纤维组成的条子具有至少6mm的条子宽度。同样优选的是，所述至少一条条子的宽度与厚度的比例为至少20。
所述至少一条条子接着在展开单元之后经过所述第一输送装置，借助该第一输送装置调整所述至少一条条子的特定的输送速度，并且通过该第一输送装置将所述至少一条条子输送至纵向分割装置。
所述至少一条条子通过合适的用于侧向引导所述至少一条增强纤维条子的装置在与输送方向横向的方向上进行稳定，从而使得条子直接并且无侧向偏移地通过各输送装置和分割装置。由此可以在纵向分割装置中得到具有工整的切割边的工整的切割，因为可以至少基本平行于所述至少一条条子的长丝地进行切割。优选的是，为此所述杆件、辊子、滚轮/滚筒或其他引导装置以及在必要时还有所述输送装置都以与所述至少一条细带状的条子的输送方向成直角以及相互平行的方式取向。此外，在一种优选的实施形式中，所述杆件、辊子、滚轮或其他用于对所述至少一条细带状条子进行引导的引导元件都在与条子的相应的接触部位上设计成有凸度的。引导元件的轮廓优选在有凸度的区域中具有50mm至600mm范围内的半径。
对于纵向和横向切割工艺过程(定长切割工艺过程)而言有利的是，所述至少一条增强纤维条子在张力下被输送通过所述铺放设备，并且尤其是在第一输送装置和第二输送装置之间在所述至少一条增强纤维条子中建立张力。由此可以可靠地将所述至少一条增强纤维条子保持扁平和很好地铺开，以及使所述至少一条增强纤维条子稳定地行进，这尤其有利于在纵向分割装置中产生好的切割结果。这一点可以例如通过下述方式实现，即这样调整所述第一输送装置和第二输送装置的速度，使得该第二输送装置的速度大于该第一输送装置的速度。优选的是，所述至少一条条子在40～300cN/mm范围内的线拉力下被输送至所述纵向分割装置。
在一种有利的实施形式中，由所述至少一条条子通过的第一输送装置和/或第二输送装置包括一个或多个用于输送所述至少一条条子的、被驱动的辊子或滚轮。在此，所述辊子或滚轮可以这样相对布置，使得在使用中，所述至少一条增强纤维条子缠绕所述辊子或滚轮。在另一种优选的实施形式中，所述第一输送装置和/或第二输送装置具有被驱动的、速度可控的辊对，其带有在辊对的辊子之间的可调节的辊隙，所述至少一条增强纤维条子由于辊对所施加的压力而被输送通过所述辊隙。
此外在一种同样优选的实施形式中，所述第一输送装置和/或第二输送装置可以具有吹风装置，借助该吹风装置能够输送所述至少一条连续的细带状的增强纤维条子。所述吹风装置在此与可调式空气输入装置耦合。
利用纵向分割装置将所述至少一条条子沿其纵向延伸切割成分条子。如此获得的分条子具有优选在0.5～5mm范围内并且特别优选在0.5～3mm范围内的宽度。利用由这样的分条子所制成的纤维束可以实现在纤维型坯或由其制成的纤维复合材料结构件中的高的纤维体积分数。
所述纵向分割装置具有用于将所述至少一条增强纤维条子沿其纵向延伸进行分割的至少一个分割元件。纵向分割装置的所述至少一个分割元件可以是至少一个激光束结构、空气喷射结构或水射流结构，或者是一个机械式分割元件，该机械式分割元件例如是至少一个位置固定的元件的形式，例如是位置固定的刀具，该机械式分割元件或者也可以是至少一个转动的分割盘的形式，该分割盘优选被驱动。在此所述驱动装置可以这样调节和设计，使得所述至少一个分割盘的周向速度与经过纵向分割装置的所述至少一条增强纤维条子的输送速度之间的速度差是可调节的。所述至少一个转动的分割盘的转动方向可以沿所述至少一条细带状条子的输送方向，或者也可以与之反向。在根据本发明的方法中证实有利的是，所述至少一个分割盘的周向速度可以被设置得比经过纵向分割装置的所述至少一条条子的输送速度高2％至15％。特别有利的是，所述至少一个分割盘的周向速度比所述至少一条条子的输送速度高4％至10％。
在一种优选的实施形式中，如果所述至少一个分割元件是机械式分割元件，那么利用控力的压紧装置以特定的力使所述至少一条条子和所述至少一个分割元件压向彼此。在此所述转动的分割盘可例如与控力的压紧装置相连，利用该压紧装置以特定的力将转动的分割盘压抵在要沿其纵向延伸进行分割的所述至少一条增强纤维条子上。优选使所述至少一条条子通过该压紧装置压抵在所述至少一个机械式分割元件上。借助这种压紧装置可以在使用中在所述至少一条增强纤维条子具有扭转——例如在所述条子是纱线的情况下即为纱线扭转——的情况下，避免在扭转区域中横向于纤维方向分割条子。条子横向于纤维方向的局部分割会导致条子断裂，其结果是导致切割过程并进而导致铺放过程的中断。
在本方法的一种有利的设计方案中，所述至少一条带有粘结剂的增强纤维条子在纵向分割装置中被切割成多于两条的分条子。以这种方式可以这样减少在单个分条子中的长丝数目，使得所述纤维束获得足够小的宽度。这种宽度较小的纤维束的使用又可以实现在由此制成的纤维型坯中或所得到的复合材料结构件中的较高的纤维体积分数。纵向分割装置的分割元件的数目则与所要获得的分条子的数目有关。
一种同样优选的实施形式是，将所述至少一条条子切割成不同宽度的分条子。所述至少一个分割元件因此可以相对于所述用于对至少一条连续的细带状的增强纤维条子进行侧向引导的装置这样布置，使得所述至少一条条子被居中地或偏心地分成分条子。同样可以在要将一条单个的增强纤维条子分割为三条或更多条分条子的情况下，将所述多个分割元件相互之间或相对于所述用于侧向引导的装置这样布置，使得得到不同宽度的分条子。
在根据本发明的方法的一种优选的实施形式中，带有粘结剂的增强纤维的多条连续的细带状的条子被喂进并输送给铺放头或布置其上的装置如尤其是纵向分割装置和定长切割单元。条子在此可以是相同或不同的。例如可以所有多条条子都是碳纤维条子。但是，也可以例如将碳纤维条子与玻璃纤维条子相组合。
如果是将多条带有粘结剂的增强纤维条子输入铺放头，那么存在多个例如筒子架形式的喂料装置，和相应数目的用于侧向引导各条子的装置。在此可以这样引导所述多条条子，使其并排布置，其中各条子可以彼此间隔开或者彼此相接触地布置。纵向分割装置则具有多个分割元件，其数目取决于由并排布置的多条增强纤维条子所要产生的分条子的数目。例如如果要将两条并排布置的细带状纱线条子分别切割为三条分条子，那么该纵向分割装置就具有四个分割元件。
在另一种实施形式中，在喂进带有粘结剂的增强纤维的多条连续的细带状的条子、即多条增强纤维条子时，可以将其这样借助于合适的引导装置经由第一输送装置输送给纵向分割装置，使得多条条子相互重叠布置，也就是上下叠放。在这种情况下，所述细带状的条子可以一起由相同的分割元件沿纵向切割。例如，对于要将两个细带状纱线条子切割成各三条分条子的情况，所述纵向分割装置于是具有两个分割元件。
在将所述至少一条增强纤维条子切割成分条子之后，利用第二输送装置将这些分条子输送给定长切割单元。然后利用该定长切割单元将这些在纵向分割装置中所获得的分条子横向于其延伸方向切割成特定长度的、也就是事先设定好的长度的纤维束，其中所得到的纤维束的长度依赖于以之来根据输送速度横向于分条子的延伸方向进行切割的频率，也就是依赖于横向切割的频率。在一种优选的实施形式中，所述定长切割单元与输送装置这样耦合，使得在输送速度改变时，横向切割的频率这样变化，即：使得所得到的增强纤维束的长度保持不变。在另一种优选的实施形式中，可以与输送速度无关地调节横向切割的频率，从而在输送速度保持不变时，能够制成不同长度的增强纤维束。当然本发明也包括所述各调节方案的组合，其中一方面所述输送速度用作横向切割频率的调整参数，但是在输送速度被调整时也能够改变横向切割的频率。由此纤维束的长度可以在根据本发明的方法执行期间发生改变并且例如适配于要制造的纤维型坯的轮廓特征。因此在一种优选的实施形式中，随着时间改变横向切割的频率以改变纤维束的长度。优选的是，分条子由定长切割单元这样切割，使得所得到的纤维束具有10mm至100mm范围内的长度。特别优选的是，纤维束的长度在10mm至75mm的范围内。
在定长切割单元方面，可以使用已知的用于对纤维束横向于其延伸方向进行切割的装置和方法。这种装置例如包括用于水射流切割或空气喷射切割纤维的装置、用于借助于激光束切割纤维的装置、横向于输送方向地带有例如可气动驱动的闸刀的装置、带有切割辊和对应辊的旋转横切机、或者还有旋转切割刀，其转轴沿分条子的输送方向延伸或者与分条子的输送方向成最大60°、优选最大20°的角。最后的旋转切割刀例如在DE 20 2010017 556 U1或EP-A-2 351 880中得到公开。在一种优选的实施形式中利用所述旋转横切机将分条子定长切割成纤维束，其中刀具在没有向条子的另一侧施加大的反压力的条件下压抵在待切割的至少一条增强纤维条子上。这种做法会在脆性的增强纤维例如在碳纤维或玻璃纤维中导致在受力部位上的脆性断口并进而导致增强纤维条子被工整地定长切割。这种类型的装置例如在EP-A-1 144 738、EP-A-1 394 295、EP-A-1 723 272或WO 02/055770中已有描述，对此明确援引其相关的公开内容。
在一种优选的实施形式中，利用用于输出纤维束的装置将所获得的纤维束从定长切割装置输出。这一点例如可以借助于短输送带来进行。特别优选的是，通过被加载以压缩空气的喷嘴头的喷嘴通道将纤维束从定长切割单元输出。优选在喷嘴头的喷嘴通道中设有用于向喷嘴通道中引入压缩空气的文丘里喷嘴。由此可以以提高的速度将用于制造纤维型坯的纤维束铺放到、也就是喷射到表面上和/或在表面上所铺放的纤维束上。
所述用于输出纤维束的喷嘴头可以具有用于向喷嘴通道中引入基体材料的装置。在本方法的一种有利的实施形式中，可以借此将颗粒状的基体材料送入到喷嘴通道中，该基体材料与被定长切割的纤维束一起通过喷嘴头排出并且排出或喷射到表面上和/或在表面上所铺放的纤维束上。所述用于引入基体材料的装置例如可以是文丘里喷嘴，该文丘里喷嘴伸入到喷嘴通道内并且通过该文丘里喷嘴将基体材料送入到喷嘴通道中。但是也可以是设置在喷嘴通道中的喷射喷嘴，借助该喷射喷嘴可以喷入液态的基体材料。这样输入基体材料的优点是，在向表面铺放借助于铺放设备所制造的纤维束时，通过基体材料得到纤维束彼此之间和在表面上的更好的相互粘着性并因此得到更好的固定性。同时可以例如在制造纤维型坯时便已输入对于制造复合材料结构件所需的量的基体材料。
在实施根据本发明的方法时，在改善纤维束相互间和在表面上的相互粘着性并进而固定性方面有利的是，在定长切割单元之后，并且在铺放到表面上和/或在表面上所铺放的纤维束上之前或过程中，对纤维束和在必要时输入的颗粒状或滴状基体材料进行加热。由此例如可以通过将纤维束加热到高于粘结剂熔点的温度，使纤维束所带有的粘结剂和/或基体材料活化，也就是说转变到发黏状态。该加热例如可以通过吹送热空气或者通过加热的环境空气、通过激光束或者通过红外线辐射来实现。在纤维束到达待制造的纤维型坯的表面上之后并且在冷却后，通过然后又重新固化的粘结剂固定所述纤维束。
根据本方法的另一种优选的实施形式，颗粒状或滴状的基体材料也可以以与纤维束分开但是却与纤维束同时的方式喷射到表面上和/或在表面上所铺放的纤维束上。这一点例如可以通过由加热源例如火焰或微波场或红外线场朝向表面喷射这种颗粒或液滴来进行。在此优选的是热喷射法，例如像在WO 98/22644或US 2009/0014119 A1中所述那样。
根据所述至少一条增强纤维条子所带有的粘结剂、在必要时所输入的基体材料和在纤维束铺放时的温度，在铺放纤维束后跟着的冷却步骤是有利的，以便使纤维型坯稳固。
根据本发明的方法，将增强纤维束铺放到表面上和/或在表面上所铺放的增强纤维束上，并且固定在表面上和/或在表面上所铺放的增强纤维束上以便形成纤维型坯。优选的是，该表面、也就是铺放面已经具有与所要制作的纤维型坯或由其制造的纤维复合材料结构件的轮廓相匹配的轮廓。
所述表面或铺放面可以是有孔的筛网，在该筛网上、必要时在同时加入基体材料的情况下铺放纤维束，或者向该筛网上喷射纤维束。在使用这种筛网的情况下，可以通过下述方式至少辅助于纤维束的固定，即：在筛网的与用于铺放纤维束的侧相背的侧上施加真空。通过这种方式将空气抽吸通过筛网，由此可以实现纤维束的固定。该表面也可以带有事先施加的、在铺放期间发粘的粘结剂材料或基体材料，从而由此确保纤维束的粘着性。该粘着性还可以在同时一起加入基体材料连同纤维束时通过该基体材料实现。
对于制造具有高纤维体积分数的纤维复合材料结构件而言有利的是，在根据本发明的方法中在增强纤维束的铺放步骤之后跟着的是压实/压紧步骤，其中将所铺放的增强纤维束压缩以得到较高的纤维体积分数。该压实步骤可以这样进行，即，将在铺放纤维束后所获得的型坯在模具中优选在升高的温度下暴露在升高的压力下、例如在压机中。同样也可以将在纤维束铺放后所获得的型坯封装入真空袋中，然后在施加真空的条件下和在升高的温度下进行压实。
在所述用于制造纤维型坯的方法的一种优选的实施形式中，使所述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表面运动。在一种设计方案中，所述铺放头可以通过位于机座上的曲臂机械手来连接并且可以借助于该曲臂和由该曲臂所保持的机械手关节在至少两个轴中相对于表面定位。在另一种设计方案中，所述铺放头可以通过关节头固定在龙门架中，并且可以绕至少两个轴相对于表面定位。优选的是，该铺放头可以在至少6个轴中和尤其优选绕至少9个轴定位。
在另一种实施形式中，用于供纤维束铺放在其上的表面是固定不动的，铺放头和表面之间的相对运动通过铺放头的运动或定位来实现。或者也可以是例如通过曲臂机械手使纤维束所铺放的表面运动，而铺放头固定不动。当然本发明方法也包括混合方案，其中例如使所述表面通过曲臂机械手绕例如6个轴运动并且所述铺放头同样也可例如绕3个轴定位。
由利用根据本发明的方法所制造的纤维型坯可以制造复合材料结构件，该复合材料结构件的突出之处是高纤维体积分数并进而高的特定机械性能、例如高强度。本发明因此还涉及一种在使用按照用于制造纤维型坯的本发明方法所制造的纤维型坯的条件下制造纤维复合材料结构件的方法，其包括以下步骤：
-向成型装置中装入按照本发明方法所制造的纤维型坯，
-给纤维型坯施加压力和/或真空和/或提高的温度来形成纤维复合材料结构件，
-冷却纤维复合材料结构件，
-从成型装置中取出纤维复合材料结构件。
根据在所使用的纤维型坯中存在的基体材料含量以及基体材料的种类，得出用于制造复合材料结构件的方法的不同实施形式。因此如果所使用的纤维型坯是按照本发明的方法在使用预浸料坯作为至少一条带有粘结剂的增强纤维条子的条件下制成的，并且所述预浸料坯具有约25％重量百分比以上的基体或粘结剂含量，那么可以经由之前所述的方法步骤通过直接压实来制造复合材料结构件，而无需输入另外的基体材料。同样例如，如果在制造纤维型坯时虽然以带有粘结剂的增强纤维的细带状的条子为原始材料，其中粘结剂的浓度比较小并且不足以制造具有连续基体相的结构件，但是在铺放纤维束之前或者在铺放纤维束过程中将加入额外的基体材料，那么复合材料结构件的制造也可以通过直接压实来实现。
在压力和/或真空以及升高的温度下用于压实的时间尤其与基体材料的种类有关。如果基体材料是热塑性聚合物或者热塑性聚合物的混合物，那么用于压实的时间可以保持得相对较短。在粘结剂和/或基体材料基于未固化的或者部分固化的热固性聚合物时，压实所需的时间取决于基体固化所需的时间。
如果在用于制造复合材料结构件的方法中使用的是如下纤维型坯，其中纤维束仅具有相对较小的粘结剂含量、例如在相对于带有粘结剂的增强纱线的2％至14％重量百分比的范围内并且所述粘结剂例如基于未固化的或者部分固化的热塑性聚合物或树脂，那么当在压力和/或真空下以及在升高的温度下进行压实以形成结构件之前，可以根据开头所述的用于灌注或注射基体材料的方法向所述成型装置中加入对于制造复合材料结构件还需要的基体材料。
附图说明
为执行根据本发明的方法，最适合使用下面要借助图1中的示意图进行阐述的铺放设备：
下面借助于附图中的示意图对根据本发明的铺放设备进行说明。附图示出：
图1示出带有铺放头的铺放设备的局部的侧视图。
图2示出图1的铺放设备的局部的等距视图。
图3示出带有曲臂机械手的铺放设备。
具体实施方式
图1示出了铺放设备的局部的示意图，其中铺放头1通过关节/铰接件2与可控的定位单元3连接。在此，与铺放头1连接有两个用于卷筒5的喂料装置4作为用于提供带有粘结剂的增强纤维的细带状的条子6的装置，所述喂料装置优选利用控制电机驱动。铺放头1与喂料装置之间的连接可以通过合适的支架进行(在此未示出)。
带有粘结剂的增强纤维的细带状的条子6从位于喂料装置上的卷筒5上退绕，并被输送绕过展平辊7，该展平辊优选实施为有凸度的。借助该展平辊7将条子6展平并且在必要时铺开。通过该展平辊7的有凸度的设计方案，同时可以实现对条子6的侧向引导。
条子6从展平辊7输入第一输送装置8，该第一输送装置在图1的铺放设备中由被驱动的辊对组成。在此，下辊9利用张紧装置10压抵在被涂胶的上辊11上，从而能够无滑移地进行条子6的输送。
在经过第一输送装置8之后，所述条子6被输入纵向分割装置12，在该纵向分割装置中将条子6沿其延伸方向切割成分条子13。对此起作用的是多个转动的分割盘14的布置结构，待分割的条子6利用两个对力进行控制的夹紧辊15以特定的力压抵在所述分割盘布置结构上。在纵向分割装置12中获得的分条子13被输入同样实施成被驱动的辊对的第二输送装置16。通过调节第二输送装置16与第一输送装置8之间的速度差，即：将第二输送装置16的输送速度调节得比第一输送装置8的输送速度略高，可以向条子6和分条子13上施加特定的张力，由此获得在纵向分割装置12中的改善的切割结果。
第二输送装置16的下辊17同时用作定长切割单元18的对应辊，该定长切割单元在本示例中实施为旋转式横切机，该定长切割单元包括切割辊19和对应辊17。在定长切割单元18中将分条子13切割成特定长度的增强纤维束或纤维束20。所述被定长切割的纤维束20被喷嘴头21从定长切割单元接收并且经由该喷嘴头21的被压缩空气加载的喷嘴通道以提高的速度被喷射到用于制造纤维型坯的表面上。
图2以透视图示出了图1所示的铺放设备的局部，用于表明尤其是铺放头的各元件的空间布置结构，其中在附图中相同的附图标记表示设备的相同的元件。
图3示出了在根据本发明的方法中可使用的设备的一种实施形式，该设备具有位于机座22上的曲臂机械手23，在曲臂机械手的端部处经由关节/铰接件24安装有铺放头1，并且铺放头通过该曲臂机械手能够在多个轴中相对于用于制造纤维型坯的模具体部的表面25运动。由此可以根据要制成的纤维型坯或由纤维型坯制成的复合材料结构件的结构要求将在铺放头1上借助纵向分割装置12和定长切割单元18获得且经由喷嘴头21排出的纤维束20以特定的轨迹喷射到表面25上。
Claims (19)
1.一种通过向表面上和/或向在表面上所铺放的增强纤维束上铺放增强纤维束来制造纤维型坯的方法，包括以下步骤：
-将带有粘结剂的增强纤维的连续的、细带状的至少一个条子从喂料装置输入铺放头，其中，所述至少一个条子的条子宽度为至少5mm，粘结剂的浓度在关于细带状条子的重量的2％至70％重量百分比的范围内，
-在设置在铺放头上的展平单元中将连续的、细带状的所述至少一个条子展平，并利用设置在铺放头上的第一输送装置沿输送方向将所述至少一个条子输送至设置在铺放头上的纵向分割装置，
-在此时沿横向于输送方向的方向稳定所述至少一个条子，
-在纵向分割装置中利用至少一个分割元件将所述至少一个条子沿条子的纵向延伸切割成两个或更多个分条子，
-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，
-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
-将增强纤维束铺放到表面上和/或在表面上所铺放的增强纤维束上，并将增强纤维束固定在表面上和/或在表面上所铺放的增强纤维束上以形成纤维型坯，其中，调整在铺放头与表面之间的相对运动以便以负载合适的方式在表面上铺放增强纤维束。
2.根据权利要求1所述的用于制造纤维型坯的方法，其特征在于，所述至少一个条子是长丝纱，该长丝纱具有长丝数目为至少12000条的长丝。
3.根据权利要求1所述的用于制造纤维型坯的方法，其特征在于，所述至少一个条子是预浸渍的长丝纱，而所述粘结剂包括第一树脂组分和第二树脂组分，其中，所述长丝纱的长丝被第一树脂组分浸渍并通过第一树脂组分至少部分连接，其中，所述第一树脂组分含有至少两种双酚A环氧氯丙烷树脂H1和H2，其重量比H1：H2为1.1至1.4，其中，H1的环氧值为1850～2400mmol/kg、平均分子量MN为800～1000g/mol并且在室温下是固态的，H2的环氧值为5000～5600mmol/kg、平均分子量MN为小于700g/mol并且在室温下是液态的，此外还含有芳族聚羟基醚P1，其酸值为40～55mg KOH/g、平均分子量MN为4000～5000g/mol，其中，所述预浸渍的长丝纱在其外侧上具有形式为粘着在长丝上的颗粒或液滴的第二树脂组分，其中，该第二树脂组分在室温下是固态的，具有80～150℃范围内的熔化温度并且在纱线外侧上的浓度为关于预浸渍的长丝纱总重量的0.5％至10％重量百分比，其中，纱线外侧表面积的至少50％没有第二树脂组分，并且纱线内部没有第二树脂组分。
4.根据权利要求2所述的用于制造纤维型坯的方法，其特征在于，所述至少一个条子是预浸渍的长丝纱，而所述粘结剂包括第一树脂组分和第二树脂组分，其中，所述长丝纱的长丝被第一树脂组分浸渍并通过第一树脂组分至少部分连接，其中，所述第一树脂组分含有至少两种双酚A环氧氯丙烷树脂H1和H2，其重量比H1：H2为1.1至1.4，其中，H1的环氧值为1850～2400mmol/kg、平均分子量MN为800～1000g/mol并且在室温下是固态的，H2的环氧值为5000～5600mmol/kg、平均分子量MN为小于700g/mol并且在室温下是液态的，此外还含有芳族聚羟基醚P1，其酸值为40～55mg KOH/g、平均分子量MN为4000～5000g/mol，其中，所述预浸渍的长丝纱在其外侧上具有形式为粘着在长丝上的颗粒或液滴的第二树脂组分，其中，该第二树脂组分在室温下是固态的，具有80～150℃范围内的熔化温度并且在纱线外侧上的浓度为关于预浸渍的长丝纱总重量的0.5％至10％重量百分比，其中，纱线外侧表面积的至少50％没有第二树脂组分，并且纱线内部没有第二树脂组分。
5.根据权利要求2至4中任一项所述的用于制造纤维型坯的方法，其特征在于，粘结剂的浓度相对于带有粘结剂的长丝纱的总重量位于2％至14％重量百分比的范围内。
6.根据权利要求1所述的用于制造纤维型坯的方法，其特征在于，所述至少一个条子是具有单方向地沿条子的延伸方向设置的增强纤维的预浸料坯。
7.根据权利要求6所述的用于制造纤维型坯的方法，其特征在于，所述粘结剂的浓度相对于预浸料坯的单位面积重量在15％至70％重量百分比的范围内。
8.根据权利要求1至4中任一项所述的用于制造纤维型坯的方法，其特征在于，所述至少一个条子在纵向分割装置中被切割成多于两个的分条子。
9.根据权利要求1至4中任一项所述的用于制造纤维型坯的方法，其特征在于，所述至少一个条子的宽度与厚度的比例是至少20。
10.根据权利要求1至4中任一项所述的用于制造纤维型坯的方法，其特征在于，所述分条子的宽度处于0.5～5mm的范围内。
11.根据权利要求1至4中任一项所述的用于制造纤维型坯的方法，其特征在于，借助定长切割单元所切割出的纤维束具有在10～100mm范围内的长度。
12.根据权利要求1至4中任一项所述的用于制造纤维型坯的方法，其特征在于，将带有粘结剂的增强纤维的多个条子输入铺放头，其中，所述多个条子可以是相同的或不同的。
13.根据权利要求1至4中任一项所述的用于制造纤维型坯的方法，其特征在于，所述铺放头与可控的定位单元连接，利用该定位单元使铺放头相对于所述表面进行运动。
14.根据权利要求1至4中任一项所述的用于制造纤维型坯的方法，其特征在于，在经过定位单元之后、铺放到表面上和/或在表面上所铺放的纤维束上之前，给纤维束加热。
15.根据权利要求1至4中任一项所述的用于制造纤维型坯的方法，其特征在于，通过以压缩空气加载的喷嘴头的喷嘴通道将纤维束从定长切割单元输出。
16.根据权利要求1至4中任一项所述的用于制造纤维型坯的方法，其特征在于，将颗粒状或滴状的基质材料与纤维束一起喷射到表面上和/或在表面上所铺放的纤维束上。
17.根据权利要求16所述的用于制造纤维型坯的方法，其特征在于，将与纤维束一起被喷射到表面上和/或在表面上所铺放的纤维束上的颗粒状的基质材料输入喷嘴通道中。
18.根据权利要求1至4中任一项所述的用于制造纤维型坯的方法，其特征在于，在增强纤维束的铺放步骤之后接着是压实步骤，在该压实步骤中将所铺放的增强纤维束压缩以实现更高的纤维体积分数。
19.一种在使用按照权利要求1至18中任一项所制成的纤维型坯的条件下来制造纤维复合材料结构件的方法，包括以下步骤：
-将所述纤维型坯装入成型装置中，
-给纤维型坯施加升高的压力和/或提高的温度来形成纤维复合材料结构件，或者，给纤维型坯施加真空和提高的温度来形成纤维复合材料结构件，
-冷却所述纤维复合材料结构件，
-从成型装置中取出纤维复合材料结构件。
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