CN110573312A - 具有局部增强物的预制件 - Google Patents

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Abstract

本发明提供如下由增强织物制造预制件(120)的方法：沉积第一纤维层(112)，和部分地在第一层上沉积第二纤维层(114)，然后从增强织物切割多个预制件。

Description

具有局部增强物的预制件
技术领域
本发明涉及制造复合预制件的方法，特别涉及制造具有载荷路径取向的铺层簿(ply book)的预制件的方法。
背景技术
我们用“预制件”表示具有多个层纤维铺层的二维或三维排布，该排布处于预固化的条件下。预制件也被形成或切割为它们将被模塑成的形状。
复合材料是公知的且用于很多工程领域中。复合材料包括至少两个由物理和/或化学上不同的材料构成的相：增强物和基质。在纤维增强的复合材料中，纤维通常是具有高拉伸强度但低刚度的材料。基质通常不那么坚固，但是具有相对较高的刚度。当将纤维放置进(浸渍有)基质时，可提供具有高强度、高刚度和相对低密度的复合材料(与例如钢相比，这两个相都具有相对较低的密度)。
由于这些特性、以及由于其它有益特性(如耐腐蚀性和低热膨胀性)，对纤维增强的聚合物(FRP)材料的使用不断增加。在航空航天和汽车领域以及其它领域的很多应用中，这些特性的组合使这些材料相对于传统材料(例如，金属)而言是有利的。
FRP材料的一个特征是纤维(其通常以层、或铺层的形式提供)是高度各向异性的。在纤维轴线的方向上的强度显著高于任何其它方向。因此，在连续或长纤维形式中，几个铺层通常分层放置，各铺层或层具有以不同于相邻的一个或多个铺层的方向上取向的纤维。以这种方式，材料的方向性质可以经调节以适应应用。
图1显示典型的碳纤维增强的聚合物铺层预制件10。其中三个层12，14，16配置有以相对于X轴分别成±45度(层12)、90度(层16)和0度(层14)取向的纤维。多个层或铺层的这种组合通常称为“铺层簿”。每一层由纤维片形成，该纤维片由沉积的碳纤维丝束的条带产生。丝束以预定的取向沉积在每一层中。在该实例中，铺层由非卷曲织物(NCF)构成。非卷曲织物(NCF)是通过将纤维丝束沉积到床上然后再用缝线或粘合剂将丝束结合在一起而制成的。这意味着，纤维丝束保持为片材形式而非作为例如机织物以避免纤维的任何卷曲。NCF通常比它们卷曲/机织的同类产品具有较好的机械特性。层状织物被切割成所需的形状，经由例如本领域已知的树脂传递模塑(RTM)或“湿压”操作成形和浸渍。
FRP材料的一个缺点是它们的成本。在复合材料的两个相之中，材料的大部分成本通常在于增强物/纤维相。碳纤维在高性能工程应用中是常用的增强材料。碳的问题在于，加工成所需的纤维形式非常昂贵。碳纤维由前体材料制成，该前体材料需要在高能耗方法中进行纤维化和碳化。因此，作为制造FRP组件的原材料购买起来很昂贵。
因此，期望减少在FRP组件中使用的纤维增强材料的量。
在大多数情况下，FRP组件根据它们的环境将经历特定的载荷。在图1的预制件10的情况中，这些载荷通过提供在整个组件上延伸的三个层来进行管理。
应该理解，在一些区域中，增强相并未承受显著的载荷，因此实际上是多余的。以图1的预制件10为例，在特定的载荷环境中，显著比例的纤维可能是多余的。这可能是浪费的，并且不必要地增加了部件的成本。它也可能使部件比所需的重量重(碳纤维的密度远高于聚合物基质，从而增加了寄生重量)。
发明内容
本发明总地旨在消除或至少减轻上述问题和/或提供改善。
根据本发明，提供了如所附权利要求任一项所限定的方法和预制件。
在本发明的一种实施方式中，提供了一种制造预制件的方法，其包括以下步骤：
通过以下步骤形成增强织物：
沉积第一纤维层；
沉积第二纤维层，其中第二层部分地在由第一层限定的面积上延伸；和
在形成增强织物的步骤之后，从增强织物切割多个预制件。
为减少用于FRP组件的增强材料的量，纤维材料因此仅位于组件的载荷环境和工作循环需要其的区域中。换言之，预制件内的铺层簿形成为“载荷取向的”。
本发明因此可以提供作为连续NCF增强纤维的载荷取向的铺层簿，从中可以切割预制件。
这是使用自动铺带(ATP)方法或自动纤维放置(ATP)方法的可替代概念。在两种情况中，纤维丝束形成层都直接沉积以形成预制件。使用该方法的问题是，ATP和AFP两者都需要投入大量的资金成本才能实施。它们也在预制件的生产中引入了一个耗时步骤。
通过在将铺层切割成预制件之前将其以所需的图案/形式直接沉积，无需实施ATP或AFP。因此，本发明提供载荷取向的铺层簿的优点，无需昂贵和耗时的ATP和AFP制造步骤。
在本发明的一种实施方式中，第二纤维层仅部分地延伸到第一纤维层的外边缘。优选地，第一纤维层具有由第一纤维层的组合外边缘限定的周长，第二纤维层延伸到周长的分率(fraction)，该分率小于第一纤维层的完整周长。
该分率可以包括0.2、0.4、0.6、0.8、0.1-0.4、0.2-0.9、0.3-0.8、0.4-0.7、0.5-0.9、0.6-0.95、0.7-0.9和/或任何前述值和/或范围的组合。
优选地，该方法包括沉积进一步的纤维层的步骤，其中进一步的层部分地在由第一层限定的面积上延伸。进一步的层可以部分地在由第二层限定的面积上延伸。进一步的层可以在由第一层限定的面积的一部分上延伸，该面积不由第二层覆盖。
优选地，该方法包括将各层彼此连接的步骤，例如通过将各层粘合和/或缝合在一起进行。
优选地，第二层和/或进一步的层相对于由预制件制造的部件的载荷路径排布。
在另一种实施方式中，至少一个附加层相对于所述第一层、第二层或进一步的层中的任何层沉积。
优选地，一个层包括在一个方向上延伸的单向纤维丝束。在进一步的实施方式中，各层相对于彼此排布，使得第一层和第二层中的丝束的方向不同。
优选地，第二层在至少一个细长条带中沉积，并且其中第二层的纤维与条带对齐。换言之，纤维沿条带的长轴取向。
优选地，该方法包括以下步骤：
提供非卷曲织物制造机器；
在非卷曲织物制造机器上形成增强织物。
优选地，增强织物在第一方向上通过NCF机器(“进料方向”)连续形成。
第二层可以包括至少一个条带，其在相对于第一方向以一定角度倾斜的第二方向(即，相对于进料方向以一定角度倾斜)上跨越增强织物的宽度。进一步的层可以包括至少一个条带，其在第一方向上或以相对于第一方向的不同角度延伸(即，在进料方向上或与其以一定角度倾斜，并且条带可以跨越第二层的条带)。第一层和任何第二层和一个或多个进一步的层之间的角度的范围可以为：相对于第一层从0度到+/-90度，包括+/-20至+/-80度、+/-30至+/-60度的任何角度，特别是+/-30度、+/-45度和+/-60度的角度。
优选地，多个预制件各自包括第一层和第二层的一部分。
根据本发明，提供了通过前述权利要求任一项的方法获得的预制件。
附图说明
现将仅通过示例的方式并参考附图说明本发明的实施方式，其中：
图1是现有技术的预制件的分解透视图；
图2是根据本发明的预制件的透视图；
图3是实施根据本发明的方法的设备的平面示意图；和
图4是图3的方法的流程图。
具体实施方式
参照图2，显示了具有载荷取向的铺层簿的预制件120。第一层112与图1的第一层12相同，但是第二层和第三层114，116已经配置以仅部分地跨越预制件120。第二层和第三层114，116仅覆盖由第一层12限定的面积的一部分。因此，0度和90度纤维仅在需要它们的面积中提供。明显地，这样的部件比起由图1中所示的预制件10形成的部件将较便宜且较轻。
参照图3，制造单元100包括具有床104的NCF机器102。该单元经配置以制造预制件120。NCF机器102经配置以沉积碳纤维丝束以在方向X上生产连续长度的载荷取向的非卷曲织物。机器102经配置以生产具有连续宽度Y1的±45度非卷曲织物101的第一层112。该机器经进一步配置以产生90度织物的第二层114。第二层并非覆盖第一层的整个表面，而是第二层沉积成在方向X上隔开的多个具有宽度X1的条带。该机器经进一步配置以产生0度织物的进一步的层116。进一步的层在X方向上延伸，但是在Y方向上沉积为具有宽度Y1的多个隔开的条带。
该排布提供预限定的载荷取向的铺层簿。如图3顶部的虚线处所示，可以从织物切割独立的预制件120。为了清楚，将预制件120显示为隔开的，但是应该理解在实践中它们将是相邻的。应该注意，预制件120不需要使用ATP或AFP来沉积第二层或第三层114，116。
参照图4，详细地显示制造的顺序。
在步骤200，第一层112通过NCF机器102以连续长度沉积。在步骤202，第二层114沉积从而覆盖第一层112的一部分，在该实施方式中沉积为在Y方向上的条带，所述条带在X方向上隔开。第二层114的纤维在条带的方向上(即，在Y方向上，或以相对于X轴90度)取向。在步骤203，进一步的层116沉积到第一层和第二层112，114上。在该实施方式中，进一步的层是X方向上的条带，其在Y方向上隔开。进一步的层116的纤维在条带的方向上(即，在Z方向上，或以0度)取向。在步骤204，将各个层112、114、116的纤维缝合在一起。
在步骤206，一旦各层已经沉积且彼此连接以形成载荷取向的织物101，则切割预制件120。
预制件120在步骤208成型(例如通过在模具中铺置)、在步骤210浸渍和在步骤212固化，以形成具有载荷取向的铺层簿的部件。
各种变型落入本发明的范围内。
虽然在以上实施方式中将各铺层缝合，但是它们可以通过其它方式例如粘合剂附接。可以使用热塑性聚合物粘着剂，其可以例如粉末形式提供且施用于各层之间。
可以提供多个纤维铺层，包括第一铺层、第二铺层和多个进一步的铺层。重要的步骤是，在从织物切割预制件之前，以载荷取向的方式沉积铺层。
各铺层中的纤维取向可以基于所需应用选择。纤维方向没必要平行于形成铺层的各“条带”。
尽管将铺层沉积成0度和90度的条带非常适用于大多数现有NCF机器，但这不是必要的。条带可以按0至90度、优选10至80度、更优选30至60度范围内的不同角度提供，包括作为第一层的纤维丝束相对于其它层的方向之间的最小角度测量的45度。在一种优选的实施方式中，至少两个层中的丝束方向是对称的，但是以相对于第一层的纤维丝束的方向的相对角度(例如+/-45度，+/-60度)提供。
本申请不限于使用碳纤维，并且可以使用其它纤维丝束实施，包括玻璃纤维、玄武岩、基于聚酰胺的纤维、基于聚烯烃的纤维和芳族聚酰胺纤维。
本发明可以使用任何类型的NCF配置(BiAx，TriAx，QuadAx，在0°、90°、+45°、-45°方向和其间的任何其它纤维方向(每一个方向))。

Claims (33)

1.制造预制件的方法，其包括以下步骤：
通过以下步骤形成增强织物：
沉积第一纤维层；和
沉积第二纤维层，其中所述第二层部分地在由所述第一层限定的面积上延伸；
在形成所述增强织物的步骤之后，从所述增强织物切割多个预制件。
2.根据权利要求1所述的方法，其包括以下步骤：沉积进一步的纤维层，其中所述进一步的层部分地在由所述第一层限定的面积上延伸。
3.根据权利要求2所述的方法，其中所述进一步的层部分地在由所述第二层限定的面积上延伸。
4.根据权利要求3所述的方法，其中所述进一步的层在由所述第一层限定的面积的一部分上延伸，所述面积不由所述第二层覆盖。
5.根据前述权利要求任一项所述的方法，其中至少一个附加层相对于所述第一层、第二层或进一步的层中的任何层沉积。
6.根据前述权利要求任一项所述的方法，其中所述第一层和第二层彼此接触。
7.根据前述权利要求任一项所述的方法，其包括以下步骤：将所述层彼此连接。
8.根据权利要求8所述的方法，其包括以下步骤：将所述层彼此粘合。
9.根据权利要求8或9所述的方法，其包括以下步骤：将所述层缝合在一起。
10.根据前述权利要求任一项所述的方法，其中所述相应层中的一个或多个相对于由所述预制件制造的部件的载荷路径排布。
11.根据前述权利要求任一项所述的方法，其中一个层包括在一个方向上延伸的单向纤维丝束。
12.根据权利要求12所述的方法，其中至少所述第一层和第二层中的丝束的方向不同。
13.根据权利要求12或13任一项所述的方法，其包括以下步骤：
提供非卷曲织物制造机器；
在所述非卷曲织物制造机器上形成所述增强织物。
14.根据权利要求14所述的方法，其中所述增强织物在第一方向上连续形成。
15.根据权利要求15所述的方法，其中所述第二层包括至少一个条带，该条带在第二纤维丝束方向上以相对于第一丝束方向10至90度范围内的角度跨越所述增强织物的宽度。
16.根据权利要求16所述的方法，其中所述进一步的层包括至少一个条带，该条带在所述第一方向上延伸、与所述第二层的所述至少一个条带交叉。
17.根据前述权利要求任一项所述的方法，其中所述多个预制件各自包括所述第一层和第二层的一部分。
18.根据前述权利要求任一项所述的方法，其中所述第一纤维层具有由所述第一纤维层的组合外边缘限定的周长，所述第二纤维层经沉积以延伸到所述第一纤维层的周长的分率，所述分率小于所述第一纤维层的完整周长。
19.根据权利要求19所述的方法，其中所述分率包括0.1-0.4、0.2-0.9、0.3-0.8、0.4-0.7、0.5-0.9、0.6-0.95、0.7-0.9和/或任何前述范围的组合。
20.包括第一层和第二层的增强织物，各层包括彼此平行排布的单向纤维丝束，各层的丝束的方向与其它层的丝束的方向不同，其中所述第二层的丝束部分地在所述第一层上延伸。
21.根据权利要求21所述的增强织物，其包括进一步的层，所述进一步的层包括彼此平行排布的单向纤维丝束，其中所述进一步的层部分地在由所述第一层限定的面积上延伸。
22.根据权利要求22所述的增强织物，其中所述进一步的层部分地在由所述第二层限定的面积上延伸。
23.根据权利要求23所述的增强织物，其中所述进一步的层在由所述第一层限定的面积的一部分上延伸，所述面积不由所述第二层覆盖。
24.根据权利要求21至24任一项所述的增强织物，其中所述层彼此连接。
25.根据权利要求25所述的增强织物，其中所述层彼此粘合。
26.根据权利要求25或26所述的增强织物，其中所述层彼此缝合。
27.根据权利要求21至27任一项所述的增强织物，其中所述织物不含树脂。
28.根据权利要求21至28任一项所述的增强织物，其中所述层由非卷曲织物构造。
29.根据权利要求21至29任一项所述的增强织物，其中所述第一纤维层具有由所述第一纤维层的组合外边缘限定的周长，所述第二纤维层经沉积以延伸到所述第一纤维层的周长的分率，所述分率小于所述第一纤维层的完整周长。
30.根据权利要求30所述的增强织物，其中所述分率包括0.1-0.4、0.2-0.9、0.3-0.8、0.4-0.7、0.5-0.9、0.6-0.95、0.7-0.9和/或任何前述范围的组合。
31.包括增强织物的预制件，所述增强织物包括第一纤维层和连接于所述第一纤维层的第二纤维层，其中所述第二层部分地在由所述第一层限定的面积上延伸。
32.根据权利要求32所述的预制件，其由根据权利要求22至31任一项的增强织物形成。
33.根据权利要求33所述的预制件，其中所述相应层中的一个或多个相对于由所述预制件制造的部件的载荷路径排布。
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