專利名稱：堆布和懸垂增強纖維結(jié)構(gòu)段以制造異型坯的設(shè)備及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種設(shè)備，用于自動堆布和懸垂大量帶狀的平面構(gòu)型的、特別是多軸向的纖維布和/或增強織物的分段，以在核芯上通過重復(fù)地堆布和懸垂分段形成異型坯， 從而通過在模具中以可硬化的合成材料浸漬異形坯來制造增強異型件。
背景技術(shù)：
在現(xiàn)代的飛機構(gòu)造中越來越多地采用由復(fù)合材料、特別是碳纖維增強的環(huán)氧樹脂 (“CFK”)制成的構(gòu)件。然而盡可能自動地以極小的尺寸偏差大批量地制造這種構(gòu)件一直以來都是工藝技術(shù)上較大的難題。直到現(xiàn)在僅可以以相對較高的手動的工作比例來制造構(gòu)件且由此導(dǎo)致了不準確性以及較高的成本，這迄今為止阻撓了大批量制造民用飛機的廣泛應(yīng)用。為了避免前面提到的缺點，比如將注意力更多地關(guān)注到所謂的濕法工藝、比如公知的“樹脂傳遞模塑”(“RTM”方法)的應(yīng)用上。在該方法類型中針對具有復(fù)雜幾何形狀的 CFK-構(gòu)件將預(yù)制的、干燥的增強纖維結(jié)構(gòu)(所謂的“型坯”)置入對應(yīng)于型坯設(shè)計的、通常由多個部分構(gòu)成的模具中且隨后在同時施加壓力和加溫的情況下以可硬化的合成材料、比如環(huán)氧樹脂系統(tǒng)來浸漬。隨后將以可硬化的合成材料完全浸泡的型坯在直至200°C的溫度下進行硬化。采用限定輪廓的模具確保了在該方法類型中較高的尺寸穩(wěn)定性并且使得該制造適合于大批量生產(chǎn)。然而迄今為止很大程度上未解決的問題在于為該方法類型一直所需的型坯的機械制造，該型坯必要時還必須摻以粘結(jié)劑，以便從根本上能夠進行處理，可想而知也有后續(xù)的縫合。目前通過堆布預(yù)制的纖維半成品、比如多軸向纖維布(“MAG”)、羊毛或織物來制造此類用于復(fù)雜的、曲折的CFK-異型件的型坯。為此從卷裝織物中裁切下料，敷設(shè)到用于包圍型坯的核芯上且之后根據(jù)所要求的表面幾何形狀以及確切的特殊情況以不同的技術(shù)在使用各種各樣的輔助裝置的情況下主要以手動來懸垂。在本申請的上下文中“懸垂”的終端特別是被定義為將起初平坦的增強纖維布盡可能無褶皺地變型成至少在一個空間方向上彎曲的表面幾何形狀，其中，各相疊延伸的增強纖維被相疊地引導(dǎo)并且其相互間的角度在交叉區(qū)域中變化。此外為了制造所謂的“TFP-堆布過程”(所謂的“剪裁式纖維鋪放”)的干燥的型坯，在相對較窄的增強纖維束中接連并排地以及相疊地堆布在紡織基板上且隨后固定在其位置中。該TFP-堆布過程雖然允許較高的自動化程度以及提供了具有近似任意的表面幾何形狀的型坯，但是特別費時。此外基板在制成的復(fù)合構(gòu)件中為異物并且由于固定 (Anheften)會導(dǎo)致增強纖維束的扭曲(“波浪形”)。此外公知了在卷繞方法中通過卷繞在旋轉(zhuǎn)的芯軸上來制造型坯。該卷繞方法特別適合于旋轉(zhuǎn)對稱的型坯且此外還可較好地自動化。但缺點在于可實現(xiàn)的型坯的表面幾何形狀基本上限于圓狀體。此外還公知了大量的用于制造拉長的型坯的針織方法、鉤編方法和編織方法，從這些方法出來之后在第二步驟中通過復(fù)雜的折布過程或折疊過程形成具有比如ζ形或11形橫截面幾何形狀的型坯。但折布過程僅能夠很困難地自動化且結(jié)果導(dǎo)致了不可靠的可復(fù)制性。此外通過這種方式無法形成逐段的增強區(qū)域。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于，盡可能避免前述的公知的方法的缺點并且提出一種設(shè)備，其允許大批量地生產(chǎn)用于從復(fù)合材料、比如碳纖維增強的環(huán)氧樹脂系統(tǒng)中制造至少一維彎曲的增強異型件的型坯。該目的首先通過具有權(quán)利要求1的特征的設(shè)備實現(xiàn)。通過在至少一個磁帶式盒(Kassette)中在兩個輥道之間準備好至少一個分段用以堆布到核芯上，可以快速地堆布和懸垂(Drapieren)用于制造筆直的和/或彎曲的異型件的異型坯，這是因為在至少一個磁帶式盒中準備好至少一個分段的每個所需的層并且從中抽取用于堆布過程和懸垂過程。在這種情況下磁帶式盒具有兩個面對面設(shè)置的輥道用于容納需堆布的以及懸垂的分段。但該設(shè)備優(yōu)選包括至少三個組合成所謂的磁帶式盒結(jié)構(gòu)的磁帶式盒用于容納和準備至少三個分段，這些分段在通常彎曲的異型件的整個縱向長度上延伸，從而將至少三個分段同時從磁帶式盒中抽出用于堆布和懸垂。為了能夠?qū)⒃鰪娎w維平面構(gòu)型的單個的分段從磁帶式盒中抽出，磁帶式盒分別具有至少面對面設(shè)置的輥道，在這些輥道之間容納平面構(gòu)型的分段。每個輥道又以大量輥形成。利用該設(shè)備優(yōu)選將碳纖維構(gòu)建的多軸向布作為平面構(gòu)型來加工。從一個磁帶式盒或多個磁帶式盒中抽出的分段被堆布到核芯上，該核芯的表面幾何形狀大致與需制造的異形坯的內(nèi)表面幾何形狀一致。這些分段的長度大約等于核芯的周長，其包括正面、背面以及頂面加上用于后續(xù)必要時實施的異形坯的修剪的余量。在將一層完全堆布和懸垂以后，至少一個磁帶式盒重新裝備或裝載平面構(gòu)型的下料并且一直重復(fù)堆布過程和懸垂過程，直至實現(xiàn)異形坯的預(yù)設(shè)的材料厚度。在至少兩個磁帶式盒的情況下，這些磁帶式盒可以相互鉸接，從而使操作裝置、比如具有多個自由度的彎臂機器人或龍門式機器人足以將多個磁帶式盒共同在空間上相對于核芯定位?？商娲氖牵部梢钥紤]將磁帶式盒設(shè)計成可分別獨立地在空間上定位，這比如可通過針對每個磁帶式盒分別配設(shè)一個操作裝置來實現(xiàn)。重新以平面的增強纖維布的分段來裝備磁帶式盒優(yōu)選以至少一個用于布的供應(yīng)輥以及至少一個裁切裝置全自動地實現(xiàn)。按照該設(shè)備的一種有利的設(shè)計方案，設(shè)置至少三個相互鉸接的磁帶式盒，用以遵循核芯的任意曲度。由此不再需要將每個用于堆布過程、拉緊過程和懸垂過程的磁帶式盒單獨地在空間上借助于自身的、單獨的操作裝置來定位。此外，核芯或堆布在核芯上的異形坯的至少單軸彎曲的輪廓近似為多邊形，該多邊形由優(yōu)選并排設(shè)置的且分別相互鉸接的磁帶式盒形成。該設(shè)備內(nèi)部帶有輥的磁帶式盒的數(shù)量越多，則磁帶式盒結(jié)構(gòu)與異形坯的各局部的曲度的近似度越高。在輥道之間的節(jié)點使得輥道可以從在堆布過程和懸垂過程中通常采取的相互平行間隔的布置中擺出，用以比如從供應(yīng)輥接收增強纖維平面構(gòu)型的新的分段。在各個磁帶式盒之間以及在輥道之間的節(jié)點可以比如以作為促動器的馬達的伺服驅(qū)動裝置、液壓活塞裝置和/或壓力空氣活塞裝置來形成，從而可以實現(xiàn)通常包括大量的帶有輥道的磁帶式盒的磁帶式盒結(jié)構(gòu)與不同成形的核芯或需堆布的異形坯的全自動的、 靈活的以及快速的匹配。該設(shè)備的一種改進方案在于，磁帶式盒可借助于至少一個操作裝置、特別是至少一個具有至少六個自由度的彎臂機器人和/或龍門式機器人自由地在空間中定位。由于該設(shè)計實現(xiàn)了借助于合適的軌道控制裝置自動地遵循核芯或需在核芯上連續(xù)堆布的異形坯的二維彎曲的表面幾何形狀并且能夠以較高的精確度和較好的可復(fù)制性全自動地將分段堆布和懸垂在核芯上。按照該設(shè)備的另一種改進方案，核芯為了形成用于至少一次(einfach)彎曲的增強異型件的異形坯具有特別是U形、Z形、L形、I形橫截面幾何形狀或上述形狀任意的組
I=I O由此實現(xiàn)了借助于根據(jù)本發(fā)明的設(shè)備以較短的周期時間結(jié)合較高的制造和復(fù)制精確度近似全自動地生產(chǎn)由CFK-材料制成的增強異型件，比如用于加固飛機機身單元結(jié)構(gòu)的縱梁異型件、橫梁異型件或環(huán)形艙壁段，它們需要以極高的件數(shù)來生產(chǎn)，典型的比如為 1000件?？梢灾鸲蔚卮笮〔煌貙崿F(xiàn)彎曲，即異型件的彎曲半徑不必在其縱向長度上恒定不變。此外也可以逐段地改變橫截面幾何尺寸。這意味著，比如針對矩形構(gòu)造的需堆布的型坯或核芯的寬度和/或高度可沿圓周方向或縱向延伸發(fā)生改變。本發(fā)明的一種改進方案在于，在核芯正面和核芯背面的區(qū)域中分別設(shè)置一個夾緊
直ο首先將需敷設(shè)在核芯上的增強纖維平面構(gòu)型的事先精確截取的分段從磁帶式盒中抽出。在此時刻在前部核芯的區(qū)域中借助于前部夾緊裝置固定分段的起始端。隨后將磁帶式盒或整個磁帶式盒結(jié)構(gòu)借助于操作裝置以預(yù)緊力在核芯上方拉起，其中，將分段在彎曲的區(qū)域中懸垂且在平坦的核芯區(qū)域中堆布。如果帶有分段的磁帶式盒到達核芯背面，則將磁帶式盒再經(jīng)過核芯的背面向下引出一小段，由此可借助于后部夾緊裝置將堆布的以及處于極小的預(yù)緊力之下的分段在核芯上夾緊。隨后將整個磁帶式盒結(jié)構(gòu)朝供應(yīng)輥移動，增強纖維平面構(gòu)型被預(yù)保持在該供應(yīng)輥上。為了重新以分段裝載磁帶式盒結(jié)構(gòu)可以比如將一個磁帶式盒中的每兩個輥道相互折開一個角度，從而使具有限定長度的分段可以從供應(yīng)輥上在磁帶式盒的輥道之間進入。之后借助于自動化的裁切裝置將從供應(yīng)輥上抽取的增強纖維平面構(gòu)型截取成正確的長度。分段的長度分別對應(yīng)于核芯的圓周輪廓的此處的長度加上余量，用以實現(xiàn)將各分段的起始端和末端固定夾緊到核芯上以及必要時還要在折布過程結(jié)束后進行修剪。在磁帶式盒結(jié)構(gòu)重新裝備增強纖維平面構(gòu)型(特別是具有碳纖維的多軸向布)的分段(它們以不同的角度、比如90°、士45°、30°、60°、和0°相疊地設(shè)置)之后， 將分段的另一層堆布到核芯上。該過程被一直重復(fù)，直至達到在核芯上所需的層數(shù)。必要時借助于輔助裝置、特別是退卷裝置來堆布可選的0° -層。根據(jù)另一個有利的設(shè)計方案設(shè)置成，帶狀的增強纖維結(jié)構(gòu)特別是在核芯正面和/ 或核芯背面的區(qū)域中通過至少一個可自由地在空間中定位的退卷裝置來堆布。由此還可以將(特別是用于接收圓周力的)0° -層置入異形坯的層結(jié)構(gòu)中，這些0° -層平行于異形坯的縱向或在彎曲的異形坯的情況下在圓周方向上延伸。如果增強異型件比如應(yīng)被用作環(huán)形艙壁或環(huán)形艙壁段，則這些附加的增強纖維層產(chǎn)生對于制成的CFK 構(gòu)件的可實現(xiàn)的強度的決定性意義，這是因為在機身單元結(jié)構(gòu)的這些區(qū)域中出現(xiàn)極高的圓周應(yīng)力，其主要僅由平行于圓周方向延伸的增強纖維接收。由此根據(jù)本發(fā)明的設(shè)備實現(xiàn)了以極小的周期時間全自動地生產(chǎn)力線適當(dāng)?shù)幕驘o作用力地優(yōu)化設(shè)置在其中的增強纖維的定位的異形坯，同時還確保了較高的可復(fù)制性以及層結(jié)構(gòu)的尺寸穩(wěn)定性。此外，本發(fā)明的目的通過按照權(quán)利要求13的方法實現(xiàn)，該方法包括以下步驟a)通過將增強纖維平面構(gòu)型的分段逐層地堆布和懸垂在核芯上來提供異形坯，其中，從至少一個磁帶式盒中抽出至少一個分段，b)將異形坯置入模具中，c)在同時施加壓力和加溫的情況下在模具中以可硬化的合成材料浸潤和硬化異形坯。由此可以以較小的周期時間和較高的復(fù)制性和制造精確度以較高的尺寸精確度全自動地制造用于加固飛機的機身單元結(jié)構(gòu)的彎曲的CFK-增強異形坯。該方法原則上特別是可以在極小彎曲的異型件的情況下以僅一個磁帶式盒實施。但可以以有利的方式采用兩個、三個或更多的鉸接成磁帶式盒結(jié)構(gòu)的磁帶式盒，用以在用于生產(chǎn)環(huán)形艙壁或類似構(gòu)件的比如CFK異型件的長形和彎曲的核芯上加速堆布過程和懸垂過程。在方法步驟a)中通過在核芯上逐層地堆布和懸垂事先截取成正確的長度的增強纖維平面構(gòu)型的分段來形成各異形坯。為此從磁帶式盒中抽出分段，堆布到核芯上且同時在彎曲的核芯表面幾何形狀的區(qū)域中懸垂。堆布和懸垂的過程被一直重復(fù)，直至達到核芯上的預(yù)設(shè)的層數(shù)。已經(jīng)堆布的分段的層固定借助于夾緊裝置實現(xiàn)，夾緊裝置設(shè)置在核芯的核芯正面和核芯背面的區(qū)域中。如果不是在纖維材料中就已包含，必要時可以在該方法步驟中借助于涂層裝置實現(xiàn)需堆布的層的固定。涂層裝置包括比如合適的散布裝置、比如設(shè)置在核芯上方的散射箱， 其裝有粘合劑。可替換的是，也可以設(shè)置澆注裝置或噴射裝置用于涂布粘合劑。作為粘合劑優(yōu)選考慮由熱塑性和較容易熔化的材料制成的細顆粒的粉末。在將增強纖維平面構(gòu)型的層堆布到核芯上并且用夾緊裝置固定之后，首先將粘合劑優(yōu)選敷設(shè)到核芯頂面的區(qū)域中。隨后堆布增強纖維平面構(gòu)型的分段的接下來的層。然后將散布的粘合劑借助于加熱裝置(其優(yōu)選設(shè)計成電驅(qū)動的輻射加熱裝置)熔化且因此在兩個相疊的層之間形成固定的機械連接。為此所需的壓緊力可以通過壓力裝置、比如真空墊和/或沖壓沖頭實現(xiàn)。沖壓沖頭可以通過感應(yīng)線圈、電阻加熱裝置或通過在沖壓沖頭中循環(huán)的流體加熱和/或可借助于冷卻裝置冷卻，用以實現(xiàn)對強化的異形坯的快速調(diào)溫。這里沖壓沖頭的表面幾何形狀遵循異形坯的預(yù)設(shè)的額定幾何形狀。在方法步驟b)中將預(yù)制的異形坯從核芯揭起并且置入由多部分構(gòu)成的模具中。 在將異形坯從核芯上揭起之前和/或之后，可能需要修剪異形坯的邊棱，用以確保所需的尺寸精確度。在將異形坯置入通常由多部分構(gòu)成的模具中之后在方法步驟c)中完成將異形坯浸潤或浸漬且硬化成構(gòu)件。為此將可硬化的合成材料、特別是合適的環(huán)氧樹脂系統(tǒng)在提高的壓力下置入模具中，從而將異形坯完全浸泡。隨后在同時施加壓力和加溫下在模具中對完全以可硬化的合成材料浸漬的異形坯進行硬化，用以提供CFK構(gòu)件、特別是需制造的era異型件。該設(shè)備以及該方法的其它有利的設(shè)計方案在其它的權(quán)利要求中給出。


現(xiàn)在參照附圖根據(jù)優(yōu)選的實施例說明本發(fā)明。其中圖1為該設(shè)備的一個磁帶式盒結(jié)構(gòu)的四個磁帶式盒的透視圖，圖2-6為將分段敷設(shè)和懸垂到核芯上時的借助于該設(shè)備的簡化示圖的該方法流程的示意圖，圖7為借助于涂層裝置任選地涂敷粘合劑的視圖，圖8為粘合劑的熔化的視圖，圖9為可選地涂敷具有0°定向的增強纖維的示圖，以及圖10為以增強纖維平面構(gòu)型的分段裝備磁帶式盒結(jié)構(gòu)內(nèi)部的磁帶式盒的示圖。
具體實施例方式圖1示出了該設(shè)備的一個磁帶式盒結(jié)構(gòu)的四個磁帶式盒(Kassette)的透視圖。在圖1中沒有完全示出的設(shè)備1主要包括磁帶式盒結(jié)構(gòu)2，其具有總共四個并排設(shè)置的磁帶式盒3至6。本身平面的磁帶式盒3至6分別比如以未示出的固定節(jié)點相互連接。為了盡可能準確地跟隨核芯7的一維彎曲，可以松開節(jié)點并且將磁帶式盒3至6對齊， 直至達到磁帶式盒結(jié)構(gòu)2與預(yù)設(shè)的核芯7的彎曲達到最佳的接近。通過之后將固定節(jié)點鎖定可以保持對于整個堆布過程和懸垂(Drapieren)過程的調(diào)節(jié)。這些固定節(jié)點可以比如以自鎖的電動的伺服驅(qū)動裝置實現(xiàn)。通常由于半徑變化始終需要在懸垂過程期間進行調(diào)節(jié)。 必要時磁帶式盒3至6也可以設(shè)計成彎曲的。在這種狀態(tài)下輥在輥道內(nèi)部比如在可彎曲的軸上延伸?？商鎿Q的是，也可以考慮使用具有一定固有彈性的柔韌的輥。磁帶式盒結(jié)構(gòu)2內(nèi)部的磁帶式盒3至6的數(shù)量越多，則可以(至少在非彈性的磁帶式盒結(jié)構(gòu)或輥道的情況下)使磁帶式盒結(jié)構(gòu)2的走向與彎曲的核芯的輪廓更準確地接近。 核芯7用于堆布在圖1中部分示出的增強纖維平面構(gòu)型的分段8，該增強纖維平面構(gòu)型被完全拉入四個磁帶式盒3至6中的每一個中并且預(yù)保存用于加工。核芯7在所示的實施例中具有近似矩形的橫截面幾何形狀，其特別適用于制造用于所謂的C形異型件或U形異型件的異形坯。核芯7原則上可以具有任意一維和/或二維彎曲的表面幾何形狀，從而也能夠生產(chǎn)出用于制造可替代的異型件幾何形狀的其它型坯。在該實施例中所有的磁帶式盒3至6構(gòu)造相同，從而前部磁帶式盒6就能代表其余的磁帶式盒的基本構(gòu)造，因此詳細說明磁帶式盒6的構(gòu)造就已足夠。磁帶式盒6包括兩個輥道9、10，它們以較小的間隔先后設(shè)置。在圖1所示的實施例中每個輥道9、10包括總共5個水平設(shè)置的輥，其中一個輥11代表所有其余的輥以附圖標記表示。輥在豎直方向上可旋轉(zhuǎn)地均勻地相疊容納在磁帶式盒6中。每個輥道中的輥的數(shù)量可以在較寬的界限中自由選擇并且主要取決于容納在輥道9、10之間的增強纖維平面構(gòu)型的分段8的長度L。在圖1所示的實施例中輥分別設(shè)計成由三部分構(gòu)成，也就是說，比如輥11以總共3個分輥12至14構(gòu)成，它們可旋轉(zhuǎn)地容納在共同的、必要時可彎曲的軸上。 輥至少在輥道內(nèi)部使用可彎曲的軸的情況下以彈性材料制成或至少具有彈性的外罩，從而使容納在輥道9、10之間的增強纖維平面構(gòu)型不被損害。特別適合的是如橡膠、毛氈或以合成纖維制成的具有少量絨毛的絲絨的材料。在每個磁帶式盒3至6中優(yōu)選每個輥具有自身的驅(qū)動裝置，其中，該驅(qū)動裝置特別是無級的可電子調(diào)節(jié)的電動機，其直接整合到輥中。由此確保了增強纖維平面構(gòu)型的分段能夠以無拉長地或無變形地或無纖維結(jié)構(gòu)的其它損害的方式從磁帶式盒3至6中抽出。整個磁帶式盒結(jié)構(gòu)2設(shè)置在操作裝置、比如彎臂機器人或龍門式機器人上，用以確保盡可能自由地在空間中(特別是相對于核芯7)定位?？商鎿Q的是，每個磁帶式盒3至 6分別可以具有一個這樣的定位裝置。在這種情況下無需磁帶式盒3至6之間的鉸接。根據(jù)本發(fā)明借助于操作裝置圍繞核芯7的頂面引導(dǎo)磁帶式盒結(jié)構(gòu)2，而同步地借助于輥從磁帶式盒3至6中抽出分段并且在核芯7上堆布或懸垂。這里將增強纖維平面構(gòu)型的分段的起始端或末端借助于合適的、在圖1中未示出的夾緊裝置固定在核芯7的區(qū)域中。該堆布過程和懸垂過程被一直重復(fù)，直至達到核芯7上的預(yù)設(shè)的分段層數(shù)。整個設(shè)備1除了在圖1中示出的磁帶式盒結(jié)構(gòu)2之外還包括吹氣裝置和涂層裝置，其用于通過已經(jīng)存在于纖維材料中和/或上的粘合劑或借助于涂層裝置后續(xù)涂敷的粘合劑額外地對堆布的層進行中間層固定，該粘合劑隨后借助于合適的加熱裝置熔化(參見特別是圖2-11)并且通過壓力裝置固結(jié)。在上下文中固結(jié)(Konsolidieren)的概念指的是異形坯的表面幾何形狀在同時地壓實、即壓縮的情況下變得平滑，以及逼近異形坯的預(yù)設(shè)的理論表面幾何形狀。同時消除異形坯內(nèi)部可能的氣隙和波浪。在借助于壓力裝置采用足夠高的壓力下將型坯優(yōu)選在同時地冷卻的情況下固結(jié)。固結(jié)可以比如以至少一個沖壓沖頭、自動敷設(shè)的真空墊等實現(xiàn)，它們可選地具有用于熱量輸出的裝置，用以在完成固結(jié)以后加速冷卻過程。原則上在每次熔化粘合劑之后需要固結(jié)或壓實以及平滑。此外還存在范圍較廣的控制和調(diào)節(jié)裝置，用以使設(shè)備內(nèi)部的所有的流程盡可能自動地進行。借助于根據(jù)本發(fā)明的設(shè)備1生產(chǎn)的異形坯在結(jié)束堆布過程和懸垂過程之后被置入模具中并且在此在施加壓力和/或加溫的情況下以可硬化的合成材料、特別是合適的環(huán)氧樹脂系統(tǒng)完全地浸漬并且隨后在120°C至320°C之間的溫度范圍中硬化成CFK構(gòu)件。在圖2中示出的設(shè)備15包括常見的彎臂機器人16，其如通過白色方向箭頭所示具有大量的自由度。借助于彎臂機器人16可以將磁帶式盒結(jié)構(gòu)17自由地在空間中且特別是相對于支承在基面18上的核芯19移動和定位。為了更好地概覽附圖，磁帶式盒結(jié)構(gòu)17僅包括一個磁帶式盒20，其又以兩個相互平行地豎直延伸的輥道21、22形成。每個輥道21、22具有五個輥，其中僅兩個輥23、M在各輥道21、22中以附圖標記表示。輥道21、22內(nèi)部的輥23、24 優(yōu)選通過單獨的電子調(diào)節(jié)的電動機驅(qū)動。在均勻地間隔設(shè)置的輥道21、22之間完全地容納以點劃線示出的增強纖維平面構(gòu)型的分段25。分段25在小的黑色箭頭沈的方向上在兩個輥道21、22之間通過馬達驅(qū)動的輥被抽出。核芯19在大致矩形橫截面幾何形狀的示例中具有正面27、核芯背面28以及核芯頂面四。核芯底面30支承在設(shè)備內(nèi)部的基面18上。原則上核芯19可以具有近似任意的橫截面幾何形狀，用以能夠制造用于生產(chǎn)CFK 增強異型件的異形坯的較大的可變寬度。此外核芯19設(shè)計成可以在至少一個空間方向上以及必要時甚至可以逐段地不同程度地彎曲。在核芯正面27的區(qū)域中設(shè)置導(dǎo)向板31，其使得分段25的定位變得容易。分段25的起始端32已經(jīng)位于磁帶式盒20外部，而末端33還位于磁帶式盒20內(nèi)部。在磁帶式盒結(jié)構(gòu)17的區(qū)域中還設(shè)置所謂的吹氣裝置34。吹氣裝置34包括保持件 35以及向下傾斜地固定在保持件上的噴嘴36用于放出壓力空氣。在核芯正面27的區(qū)域中設(shè)置前部夾緊裝置37以及在核芯背面27的區(qū)域中設(shè)置與此相對應(yīng)的后部夾緊裝置38。兩個夾緊裝置37、38示出在從核芯19擺回的位置中且可以借助于未示出的促動器在小的白色彎曲箭頭的方向上通過擺動分別貼靠在核芯正面27 或核芯背面觀上，用以固定夾緊分段25的起始端32或末端33。此外，由于分段25的固定夾緊實現(xiàn)了借助于設(shè)置在彎臂機器人16上的磁帶式盒結(jié)構(gòu)17將分段25在優(yōu)選略微圍繞核芯19拉緊的情況下進行堆布且這里特別在彎曲的區(qū)域中同時進行懸垂。坐標系39用于說明磁帶式盒結(jié)構(gòu)17在空間中的移動。在圖2的示圖中磁帶式盒結(jié)構(gòu)17已經(jīng)相對于核芯19的正面27被帶入一個位置中，使得分段25能夠借助于馬達驅(qū)動的輥從磁帶式盒20中抽出用于開始堆布過程和懸垂過程。此外借助于圖2至6詳細說明用于借助于示意性示出的設(shè)備制造異形坯的方法。 在圖2至6中同樣的結(jié)構(gòu)元件分別以相同的附圖標記表示。為了清晰起見在圖3-6中舍棄了彎臂機器人16的示圖。從在圖2示出的位置中出發(fā)，分段25借助于輥豎直地從磁帶式盒20中駛出，直至分段25的起始端32向前推進直至一小段經(jīng)過核芯正面27向下突出并且能夠借助于前部夾緊裝置37(如圖3所示)固定夾緊?？商娲氖?，起始端32也可以與核芯正面27平齊地終止。隨后將整個磁帶式盒結(jié)構(gòu)17借助于彎臂機器人16豎直地、即平行于坐標系39的 ζ軸向上移動并且如在圖3、4中示出在水平方向上、即平行于χ軸移動，用于將分段25經(jīng)過核芯正面27和核芯背面四牽拉。根據(jù)核芯19的局部曲率同時對增強纖維平面構(gòu)型的分段25進行懸垂。在所有附圖中借助于白色方向箭頭示出的磁帶式盒結(jié)構(gòu)17的移動中， 容納在輥道21、22之間的分段25在理想情況下同步地借助于馬達驅(qū)動的輥在小的黑色箭頭26的方向上從磁帶式盒結(jié)構(gòu)17中輸出。在圖5中磁帶式盒結(jié)構(gòu)17在豎直向下移動結(jié)束之后到達其相對于核芯19的最終位置中并且分段25的末端33貼靠在核芯背面觀的區(qū)域中。在圖6中示出，壓力空氣如何從吹氣裝置34的噴嘴36中出來且由此將分段25的末端33 (直至較小的超出部分)貼靠在核芯背面觀上。隨后可以借助于后部夾緊裝置38 實現(xiàn)堆布的以及懸垂的分段25的層固定(特別參見圖7)。通過采用壓力空氣防止分段25 的纖維結(jié)構(gòu)的完整性受到損害。在圖7中示出，如何借助于涂層裝置40 (其比如包括帶有粘合劑42的容器41)將粘合劑42盡可能均勻地以及全面地在核芯頂面四的區(qū)域中涂敷到已有的分段25上。為此將磁帶式盒結(jié)構(gòu)17或在這種情況下將單個的磁帶式盒20從涂層裝置40的作用區(qū)域中移出。粘合劑42優(yōu)選為細顆粒的熱塑性顆粒材料，其在較低的溫度下就已經(jīng)能夠熔化。在該方法步驟中分段25借助于夾緊裝置37、38固定夾緊在核芯19上。可替代的是，粘合劑 42也可以涂敷在貼合在核芯正面27以及核芯背面觀上的分段25的區(qū)域中。在按照圖8 的過程階段中將增強纖維平面構(gòu)型的分段45的另一層44堆布和懸垂在涂敷有粘合劑42
10的分段25上。隨后將加熱裝置43在核芯19上方以適當(dāng)?shù)拈g隔定位。加熱裝置43具有大量矩陣式設(shè)置的紅外輻射器46，其比如可以由具有置入的電熱線圈或其它合適的輻射源的陶瓷板構(gòu)成。加熱裝置43可以借助于感應(yīng)加熱來工作。由于加熱裝置43下方的紅外輻射器46的矩陣式布置確保了快速地以及首要是均勻地將粘合劑42加熱到其熔化溫度上。此外紅外輻射器46也允許粘合劑42的快速冷卻，由此盡可能地防止了粘合劑42在層44之間不受控制地延伸。為了在粘合劑42起作用之后使堆布的層的表面變得平滑，可以設(shè)置至少一個未示出的沖壓沖頭，其大小和結(jié)構(gòu)與堆布的增強纖維平面構(gòu)型的理論表面幾何尺寸相符。一個或多個沖壓沖頭優(yōu)選可主動地調(diào)節(jié)溫度，即其設(shè)計有加熱裝置和/或冷卻裝置。 加熱裝置和冷卻裝置都可以比如利用貫穿的孔形成到?jīng)_頭中，通過所述孔引導(dǎo)相應(yīng)調(diào)溫的流體、比如油或氣體?？商娲氖?，可以設(shè)置電阻和電感加熱裝置以及具有珀耳帖元件的冷卻裝置。在圖9中示出了如何將兩個可選的帶狀的增強纖維結(jié)構(gòu)47、48借助于核芯正面27 以及核芯背面28的區(qū)域中的兩個退卷裝置49、50堆布到分段25上。這兩個退卷裝置49、 50主要分別包括一個供應(yīng)輥51、52，從該供應(yīng)輥上可以連續(xù)地抽取無極(endlos)的增強纖維結(jié)構(gòu)47、48。必要時退卷裝置49、50也具有未示出的裁切裝置，以便能夠?qū)⒃鰪娎w維結(jié)構(gòu)47、48截短成預(yù)設(shè)的尺寸。這兩個退卷裝置49、50通過操作設(shè)備、比如常見的彎臂機器人基本上平行于坐標系39的y軸移動。為了確保盡可能無應(yīng)力地以及無變形地堆布過程和懸垂過程，供應(yīng)輥51、52與退卷裝置49、50沿y軸的直線運動同步地轉(zhuǎn)動。兩個增強纖維結(jié)構(gòu)47、48優(yōu)選以大量碳纖維構(gòu)成，它們在所謂的90°方向上延伸，即在圖9的示出中平行于坐標軸39的y軸延伸。與此相反分段25以所謂的多軸向碳纖維布構(gòu)成，其中各碳纖維在方向角度士45°以及0°的情況下交替地相疊分層延伸。這意味著，在貼合在核芯頂面四上的分段25的區(qū)域中多軸向布的碳纖維基本上在坐標系39 的xy平面內(nèi)或平行于xy平面延伸并且這里與χ軸或y軸分別包圍士45°或0°的角度。帶狀的增強纖維結(jié)構(gòu)47、48的整合可選地以及通常僅在生產(chǎn)用于特殊目的(比如用作加固飛機的機身單元結(jié)構(gòu)的環(huán)形艙壁段)的異形坯時采用。增強結(jié)構(gòu)以有利的方式以優(yōu)選0°方向在兩側(cè)分別由多軸向纖維布的分段25、45的至少一個層來覆蓋，用以實現(xiàn)稍后的復(fù)合構(gòu)件的最佳的表面特性，但這在圖9中為了更好地觀察起見沒有示出。隨著根據(jù)圖9的過程步驟的結(jié)束，由大量相疊堆布的以及懸垂的多軸向纖維布的分段25、45以及可選地插入其之間的具有0°層的增強纖維結(jié)構(gòu)構(gòu)成的異形坯53的構(gòu)建完畢。具有復(fù)雜的碳纖維增強結(jié)構(gòu)的異形坯53借助于另一個操作裝置從核芯19上自動地揭起并且置入相應(yīng)設(shè)計的、通常由多部分構(gòu)成的模具中。該模具隨后牢固地封閉。之后在模具中置入可硬化的合成材料用于形成完全包圍異形坯的矩陣。隨后在同時施加壓力和 /或加溫的情況下將合成材料、特別是適合的環(huán)氧樹脂系統(tǒng)硬化成CFK構(gòu)件或CFK異型件， 其在工具冷卻后可從中取出。在將異形坯53置入由多部分構(gòu)成的模具以實施前述的RTM 過程之前可能需要特別是在異形坯53的邊棱區(qū)域中通過修剪除去多余的材料，用以確保所需的較高精確度。此外可能也需要使制成的硬化的CFK構(gòu)件經(jīng)受隨后的裁切過程，以形成最終有效的尺寸。在圖10中示出如何在將分段堆布和懸垂到核芯19上之后實現(xiàn)以新的增強纖維平面構(gòu)型55的分段M優(yōu)選全自動地裝備磁帶式盒結(jié)構(gòu)17或個別的磁帶式盒20。
為此可以如圖10中原理性示出的那樣，將輥道21、22以較小的角度、比如各10° 相互折開，從而使平面構(gòu)型陽的引入變得容易。通過將平面構(gòu)型55在較小的黑色箭頭的方向上從供應(yīng)輥56上退卷，將需分離的分段M在兩個輥道21、22之間經(jīng)過。隨后將輥道 21、22在白色彎曲箭頭的方向上再次翻折到一起，即輥道21、22大致相互平行延伸并且在它們之間容納增強纖維平面構(gòu)型55。最后借助于裁切裝置57將分段M從增強纖維平面構(gòu)型55上分離。全自動的裁切裝置57主要具有比如扶壁58以及裁切刀59。通過裁切刀59在水平的白色雙箭頭的方向上的水平移動將分段M分離下來?？纱娴氖?，比如也可以借助于水切割裝置或激光切割裝置實現(xiàn)分離。隨后可以借助于操作裝置將磁帶式盒20重新相對于核芯19定位并且將新的分段 54 (如在圖3至8中所示)在核芯19上堆布以及懸垂。該過程一直被重復(fù)，直至在核芯19 上達到需構(gòu)建的異形坯53內(nèi)部的增強纖維平面構(gòu)型和/或帶狀增強纖維結(jié)構(gòu)的分段的預(yù)設(shè)的層數(shù)。優(yōu)選將用于以可硬化的合成材料浸潤異形坯53或用于實施RTM過程的模具，以及用于對模具進行調(diào)溫的加熱裝置，用于可硬化的合成材料的噴射裝置連同為此所需的所有輔助裝置直接地整合到該裝置中以實施該方法。附圖標記1 設(shè)備2磁帶式盒結(jié)構(gòu)
3磁帶式盒Λ 4磁帶式盒5 Γ磁帶式盒結(jié)構(gòu)(4個磁帶式盒) 6磁帶式盒^7核芯(一維彎曲)8分段(增強纖維平面構(gòu)型)9 輥道10 輥道11 輥12 分輥13 分輥14 分輥15 設(shè)備16彎臂機器人17磁帶式盒18基面(設(shè)備)19核芯(一維彎曲)20磁帶式盒21 輥道
22輥道23輥24輥25分段(增強纖維平面構(gòu)型)26箭頭27核芯正面28核芯背面29核芯頂面30核芯底面31導(dǎo)向板32起始端(分段)33末端(分段)34吹氣裝置35保持件(吹氣裝置)36噴嘴(吹氣裝置)37前部夾緊裝置38后部夾緊裝置39坐標系40固定裝置41容器42粘合劑43加熱裝置44(第二分段的)層45(第二增強纖維平面構(gòu)型的)分段46紅外輻射器47(帶狀的)增強纖維結(jié)構(gòu)48(帶狀的)增強纖維結(jié)構(gòu)49退卷裝置
50退卷裝置51供應(yīng)輥52供應(yīng)輥53異形坯54(增強纖維平面構(gòu)型的)分段55增強纖維平面構(gòu)型56供應(yīng)輥57裁切裝置58扶壁59裁切刀
權(quán)利要求
1.一種用于自動堆布和懸垂平面構(gòu)型( )、特別是多軸向纖維布和/或增強織物的大量帶狀分段(8 ；25,45,54)的設(shè)備(1 ；15)，用于在核芯(7 ； 19)上通過重復(fù)地堆布和懸垂分段(8 ；25,45,54)形成異形坯(53)，從而通過在模具中以可硬化的合成材料浸漬異形坯 (53)來制造增強異型件，其特征在于，在至少一個磁帶式盒(3-6 ；20)中在兩個輥道(9、10 ； 21,22)之間準備好至少一個分段(8 ；25,45,54)用以堆布在核芯(7 ； 19)上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備(1；15)，其特征在于，為形成磁帶式盒結(jié)構(gòu)O ；17)設(shè)置的至少三個磁帶式盒(3-6 ；20)、特別是相互鉸接的磁帶式盒(3-6 ；20)隨核芯(7 ； 19)的任意曲率彎曲。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的設(shè)備(1；15)，其特征在于，所述磁帶(3-6 ；20)能夠借助于操作裝置、特別是借助于彎臂機器人(16)和/或龍門式機器人以至少六個自由度自由地在空間中定位。
4.根據(jù)權(quán)利要求1至3中任一項所述的設(shè)備(1；15)，其特征在于，為了形成用于至少一次彎曲的增強異型件的異形坯(53)，核芯(7;19)特別是具有U形、Z形、L形、I形的橫截面幾何形狀或上述任意橫截面幾何形狀的組合。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至4中任一項所述的設(shè)備(1； 15)，其特征在于，在核芯正面(XT)和核心背面08)的區(qū)域中分別設(shè)置一個夾緊裝置(37、38)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1至5中任一項所述的設(shè)備(1； 15)，其特征在于，帶狀增強纖維結(jié)構(gòu) (47,48)特別是在核芯正面(XT)和/或核芯背面08)的區(qū)域中借助于至少一個能夠自由地在空間中定位的退卷裝置(49、50)進行堆布。
7.根據(jù)權(quán)利要求1至6中任一項所述的設(shè)備(1； 15)，其特征在于，至少一個磁帶式盒 (3-6 ；20)中的每兩個輥道(9、10 ;21、22)之間的間隔是可調(diào)的。
8.根據(jù)權(quán)利要求1至7中任一項所述的設(shè)備(1； 15)，其特征在于，每個輥道(9、10;21、 22)具有大量圓柱形輥(11 ；23,24) 0
9.根據(jù)權(quán)利要求1至8中任一項所述的設(shè)備(1；15)，其特征在于，所述輥(11 ；23,24) 以彈性材料、特別是以橡膠材料、泡沫塑料、絨毛或上述任意材料組合構(gòu)成。
10.根據(jù)權(quán)利要求1至9中任一項所述的設(shè)備(1； 15)，其特征在于，在至少一個磁帶式盒(3-6 ；20)的區(qū)域中設(shè)置以壓力空氣工作的吹氣裝置(34)。
11.根據(jù)權(quán)利要求1至10中任一項所述的設(shè)備(1;15)，其特征在于，設(shè)置涂層裝置 (40)、特別是包含粘合劑0 的散布裝置，其中，粘合劑0 特別是熱塑性粉末，其能夠借助于加熱裝置G3)熔化。
12.根據(jù)權(quán)利要求1至11中任一項所述的設(shè)備(1；15)，其特征在于，設(shè)置至少一個用于固結(jié)異形坯(53)的溫度可調(diào)的壓力裝置。
13.一種借助于根據(jù)權(quán)利要求1至12中任一項所述的設(shè)備(1 ；15)制造至少一次彎曲的增強異型件的方法，包括以下步驟a)在至少一個磁帶式盒(3-6；20)中在兩個輥道(9、10 ；21,22)之間準備好增強纖維平面構(gòu)型(55)的至少一個分段(8 ；25,45,54),b)通過在核芯(7； 19)上逐層地堆布和懸垂增強纖維平面構(gòu)型(5 的分段(8 ；25、45、 54)形成異形坯(53)，其中，從至少一個磁帶式盒(3-6 ；20)中抽出至少一個分段(8 ；25、 45,54),c)將異形坯(5 置入模具中，d)在同時施加壓力和加溫的情況下在模具中以可硬化的合成材料浸漬和硬化異形坯 (53)。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其特征在于，從至少一個磁帶式盒(3-6;20)中抽出至少一個分段(8 ;25、45、討)，隨后分別以前部夾緊裝置(37)將需堆布的分段(8 ；25、45、 54)的起始端(32)固定在核芯正面，隨后借助于操作裝置將至少一個磁帶式盒(3-6 ；20) 圍繞核芯(7;19)引導(dǎo)，同時，在兩個輥道(9、10;21、22)之間將至少一個分段(8 ;25、45、 54)抽出、懸垂以及堆布且隨后借助于后部夾緊裝置(38)將至少一個分段(8 ；25,45,54) 的末端(3 固定在核芯背面08)上。
15.根據(jù)權(quán)利要求13或14所述的方法，其特征在于，借助于退卷裝置09、50)、特別是在核芯正面(XT)和/或核芯背面08)的區(qū)域中將基本上帶狀的增強纖維結(jié)構(gòu)(47、48)進行堆布并且以夾緊裝置(37、38)固定。
16.根據(jù)權(quán)利要求13至15中任一項所述的方法，其特征在于，在堆布分段(8；25、45、 54)的至少一個層04)后將用于層固定的粘合劑G2)至少局部地涂布到堆布后的分段 (8 ；25,45,54)上和/或帶狀的增強纖維結(jié)構(gòu)(47,48)上。
17.根據(jù)權(quán)利要求13至16中任一項所述的方法，其特征在于，在完成異形坯(5 的分段(8 ；25,45,54)的至少一個層04)的層固定之后借助于壓力裝置通過粘合劑02)完成固結(jié)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于自動堆布和懸垂干燥的平面構(gòu)型(55)、特別是多軸向纖維布和/或增強織物的大量帶狀分段(8；25、45、54)的設(shè)備(1；15)，用于在核芯(7；19)上通過重復(fù)地堆布和懸垂分段(8；25、45、54)形成異形坯(53)，從而以合成材料制造增強異型件。根據(jù)本發(fā)明，在至少一個磁帶式盒(3-6；20)中在兩個輥道(9、10；21、22)之間準備好至少一個分段(8；25、45、54)用以堆布在核芯(7；19)上。通過借助于磁帶式盒結(jié)構(gòu)(2)的至少一個磁帶式盒(3-6)優(yōu)選同時地將優(yōu)選多于一個的預(yù)裝配的平面構(gòu)型(55)的分段(8、25、45、54)堆布在核芯(7、19)上，能夠?qū)⒂糜谥圃霤FK異型件的異形坯(53)快速地以及以較高的尺寸精確度在同時較好的可復(fù)制性的情況下全自動地堆布和懸垂。比如在設(shè)備(1、15)內(nèi)部的RTM設(shè)備中將如此準備好的異形坯(53)通過在模具中以可硬化的合成材料浸漬來進一步加工成復(fù)合組件，特別是至少在一個空間方向上彎曲的CFK異型件。此外，本發(fā)明還設(shè)計一種用于有效地制造至少單軸彎曲的CFK異型件的方法。
文檔編號B29C70/30GK102171026SQ200980139235
公開日2011年8月31日 申請日期2009年9月3日 優(yōu)先權(quán)日2008年10月2日
發(fā)明者喬治·隆斯道弗爾, 克里斯蒂安·鮑姆加特納, 岡特·德萊斯勒, 卡斯騰·巴拉格, 羅爾夫·宗德曼 申請人:空中客車運營有限公司