專利名稱：用于一體式纖維半成品的模塊化制造裝置和用于由具有空心體結(jié)構(gòu)的一體式纖維復(fù)合物 ...的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于一體式纖維半成品的模塊化制造裝置，并涉及一種用于在制造好這種一體式纖維半成品之后形成具有空心體結(jié)構(gòu)的無端(無接頭，環(huán)形的)纖維復(fù)合構(gòu)件的方法。
背景技術(shù)：
已知各種不同的方法用于制造纖維半成品，纖維半成品還被加工成機(jī)動(dòng)車輛部件并且在重量較輕的同時(shí)還能帶來較高的剛性(機(jī)械強(qiáng)度)。這種機(jī)動(dòng)車輛部件由纖維半成品制成，纖維半成品通過把基體材料添加到纖維束(Fasergelegen)或纖維織物中并通過隨后的固化而形成纖維復(fù)合構(gòu)件。纖維束或纖維織物可用手或用機(jī)器來切割，并進(jìn)行布置，以及按照結(jié)構(gòu)負(fù)載來分層疊放。這些各單個(gè)纖維層在此可例如通過粘合劑噴射或縫合進(jìn)行固定。這樣形成的纖維預(yù)成型坯件然后可被插入模型中，并且用樹脂通過手動(dòng)疊合或真空灌注來浸透。手工制造很費(fèi)時(shí)間，會(huì)導(dǎo)致高的公差，并且針對(duì)強(qiáng)度負(fù)荷不能借助無端纖維來進(jìn)行，而在自動(dòng)化的鋪設(shè)方法中，由機(jī)器從無端材料中切割下來預(yù)定的長(zhǎng)度，并且可自動(dòng)地鋪設(shè)在平坦或彎曲的模型中。在最終產(chǎn)品中不存在無端纖維，因此它也只有很低的強(qiáng)度。為了把無端纖維束(也稱為粗紗)鋪設(shè)到基本上呈圓柱狀的模型上，使用纖維纏繞法。在此，纖維非?？嚲o且相互緊密貼靠地以很高的尺寸精度進(jìn)行定位。為了纏繞纖維，需要一個(gè)主體，該主體將其后來的造型賦予給構(gòu)件，其中迄今為止只有簡(jiǎn)單的圓柱形幾何形狀能得以實(shí)現(xiàn)。更復(fù)雜的幾 何形狀可通過縫紉來實(shí)現(xiàn)。在此，通過編織把另外的粗紗固定在承載材料上。借助該方法，該粗紗可產(chǎn)生幾乎任意的曲線走向，但在此很難實(shí)現(xiàn)較大的壁厚。

發(fā)明內(nèi)容
在現(xiàn)有技術(shù)的基礎(chǔ)上本發(fā)明的目的在于，提供一種用于由無端纖維構(gòu)成的一體式纖維半成品的制造裝置，以制造空心桿狀元件，該桿狀元件可具有復(fù)雜的幾何結(jié)構(gòu)，但具有較高的抗拉強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度和抗扭強(qiáng)度。此目的通過具有權(quán)利要求1所述特征的模塊化制造裝置得以實(shí)現(xiàn)。此外，本發(fā)明的目的還在于，提供一種制造方法，借助該制造方法能以簡(jiǎn)單的方式由無端纖維制造無端纖維復(fù)合構(gòu)件。該目的通過具有權(quán)利要求9所述特征的方法得以實(shí)現(xiàn)。提供具有較大抗拉強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度和抗扭強(qiáng)度的無端纖維復(fù)合構(gòu)件這一目的通過具有權(quán)利要求14所述特征的復(fù)合構(gòu)件得以實(shí)現(xiàn)。在從屬權(quán)利要求中說明了所述主題和所述方法的改進(jìn)方案。
根據(jù)本發(fā)明的模塊化制造裝置用于由無端纖維制成的一體式纖維半成品，以制造具有空心體結(jié)構(gòu)的無端纖維復(fù)合構(gòu)件，該制造裝置在此根據(jù)本發(fā)明包括至少一個(gè)可移動(dòng)地引導(dǎo)的纖維導(dǎo)向管，該纖維導(dǎo)向管通常經(jīng)由轉(zhuǎn)軸來供應(yīng)無端纖維或無端纖維束。此外其還具有至少一個(gè)基底元件和多個(gè)空心體，所述空心體通過間隙間隔開地成排固定在基底元件的內(nèi)壁上。在此，空心體在至少一側(cè)上具有至少一個(gè)底座?？招捏w之間的間隙具有寬度，該寬度正好允許纖維導(dǎo)向管從它們之間通過。由此，首先提供了一種布局，該布局使空心體的下側(cè)(就基底元件而言)有利地進(jìn)行纖維纏繞，這通過導(dǎo)向管來實(shí)現(xiàn)，而不必全方位地圍繞待纏繞的空心體進(jìn)行引導(dǎo)。確切地說，該導(dǎo)向管可設(shè)置在機(jī)械臂上，但可抵達(dá)空心體的所有側(cè)面。該裝置還包含多個(gè)中間腔體，所述中間腔體可關(guān)于間隙形狀精確匹配地插入間隙中，由此在執(zhí)行第一纏繞之后，成排的空心體可實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定性。在空心體列的各端側(cè)的端部上分別設(shè)置有偏轉(zhuǎn)元件，從而可送出無端纖維并且在張力之下圍繞空心體進(jìn)行引導(dǎo)，所述偏轉(zhuǎn)元件分別固定在基底元件的內(nèi)壁上。根據(jù)本發(fā)明的裝置可有利地允許空心體的簡(jiǎn)單、全方位的且自動(dòng)化的纏繞，所述空心體成排設(shè)置地構(gòu)成桿狀元件。該模塊化的制造裝置還可預(yù)先規(guī)定，基底元件具有至少一個(gè)能可松脫地固定在基底元件上的覆蓋元件，可構(gòu)成為用于無端纖維復(fù)合構(gòu)件的外罩元件；這樣可利用基體材料(大多利用樹脂)來填充該外罩，從而制造出纖維復(fù)合構(gòu)件。如果成形的是更大的空心支柱，則該模塊化的制造裝置可由多個(gè)外罩元件構(gòu)建，所述外罩元件是一外罩元件組的組成部分。那么，就需要多個(gè)構(gòu)成通道的基底元件，所述基底元件具有連接口，至少兩個(gè)基底元件可通過所述連接口彼此形鎖合地(根據(jù)形狀)相連。最后，由于該外罩元件組的外罩元件是用于構(gòu)建氣密封閉的三維外罩結(jié)構(gòu)的支柱元件和節(jié)點(diǎn)元件，所以可構(gòu)成復(fù)雜的三維支柱結(jié)構(gòu)。這些支柱元件和節(jié)點(diǎn)元件可分別由構(gòu)成通道的基底元件及可選地由覆蓋元件構(gòu)成，并且與以下情況有關(guān)，即外罩元件是否要用基體材料填充，或者該纏繞的纖 維半成品是否從基底元件上松脫并且然后用基體材料浸透。這一點(diǎn)可例如在真空袋中進(jìn)行?？招捏w的底座可構(gòu)成為填充口。因而,空心體例如能以輕質(zhì)材料填充,例如輕金屬、輕金屬合金或聚合物，以便使該結(jié)構(gòu)具有更大的穩(wěn)定性。此外，還可在基底元件的內(nèi)壁上為每個(gè)待固定的空心體設(shè)置突起(Cberstand)，該突起與至少一個(gè)底座例如按“LEGO _方式”形鎖合地處于可松脫的接合之中。要由無端纖維纏繞并最終形成纖維半成品的核心的空心腔體可以是多面體、長(zhǎng)方體、圓柱體或具有橢圓形截面的主體。為了允許理想地纏繞成排的空心體，建議中間腔體在至少一個(gè)邊緣側(cè)上具有偏轉(zhuǎn)支架?，F(xiàn)在為了制造具有空心體結(jié)構(gòu)的無端纖維復(fù)合構(gòu)件，使用根據(jù)本發(fā)明的制造裝置。在此，首先把期望數(shù)量的空心體成排固定在基底元件的內(nèi)壁上，并且這些空心體通過間隙彼此間隔開。借助每個(gè)空心體的底座把空心體固定在基底元件上。最后，只要不是一開始就在基底元件上位于期望的位置，偏轉(zhuǎn)元件分別在成排的空心體的端側(cè)設(shè)置在基底元件的內(nèi)壁上?，F(xiàn)在無端纖維可借助導(dǎo)向管沿著布置路徑輸入并且鋪設(shè)。該布置路徑包含:a)底部路徑,其從第一偏轉(zhuǎn)元件開始并且雙向交互地(wechselseitig)圍繞該排空心體的底座一直延伸至第二偏轉(zhuǎn)元件；在此，纖維導(dǎo)向管穿過間隙被引導(dǎo)；b)路徑，其描繪了圍繞空心體的三維形狀，并且至少?gòu)脑撆趴招捏w的第一端部一直延伸至第二端部；以及c)上方路徑，其在空心體的背向下方路徑的側(cè)面上延伸，并且從這排空心體的第一端部一直到第二端部雙向交互地圍繞中間腔元件的偏轉(zhuǎn)支架進(jìn)行延伸。在鋪設(shè)前面或后面的路徑之前，這些中間腔元件已插入間隙中并且使結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。此外，它們還以優(yōu)選的形式提供了用于上方路徑和下述側(cè)面路徑的偏轉(zhuǎn)點(diǎn)。因此，布置路徑還包含側(cè)面路徑，在該側(cè)面路徑中空心體的側(cè)面得以纏繞。由此獲得一體式纖維半成品，其中空心體通過沿布置路徑鋪設(shè)無端纖維而構(gòu)成一體式纖維半成品的核心。最后，利用樹脂材料來浸透該纖維半成品，并由此獲得無端纖維復(fù)合構(gòu)件，這一點(diǎn)能夠以各種不同的方式實(shí)現(xiàn)。該模塊化的制造裝置的制備可包括，將至少兩個(gè)基底元件在它們的連接口上形鎖合地彼此相連，以便能夠?qū)崿F(xiàn)相應(yīng)大的桿狀元件。此外，在獲得了一體式纖維半成品之后，覆蓋元件還能可松脫地分別固定在構(gòu)成通道的基底元件上，以便獲得外罩元件。然后，利用基體或樹脂材料通過填充外罩元件來浸透該纖維半成品。最后，該模塊化的制造裝置的制備還可包括連接多個(gè)構(gòu)成通道的基底元件，所述基底元件的一部分構(gòu)成為支柱元件，一部分構(gòu)成為節(jié)點(diǎn)元件。在此還在連接口上進(jìn)行形鎖合的連接。由此實(shí)現(xiàn)了三維的結(jié)構(gòu) 。在獲得了一體式纖維半成品之后，覆蓋元件可分別再次固定在基底元件上，以便獲得氣密封閉的三維外罩結(jié)構(gòu)。然后，該纖維半成品可利用樹脂材料通過外罩結(jié)構(gòu)的填充來浸透?；旧?，在由無端纖維構(gòu)成的纖維半成品從基底元件上松脫之后，纖維半成品還可利用樹脂材料進(jìn)行浸透。因此，通過根據(jù)本發(fā)明的裝置和相應(yīng)的根據(jù)本發(fā)明的方法，可獲得輕質(zhì)的、但抗拉強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度和抗扭強(qiáng)度較高的無端纖維復(fù)合構(gòu)件，它具有由成排地相互借助中間腔體設(shè)置的空心體構(gòu)成的核心，所述中間腔體精確匹配地插在兩個(gè)相鄰的空心體之間。通過由輕質(zhì)材料、尤其是輕金屬或輕金屬合金或聚合物構(gòu)成的填充物，可賦予該空心體更大的穩(wěn)定性。首先，可由此提高所構(gòu)成的無端纖維復(fù)合構(gòu)件的剪切力穩(wěn)定性。還可按照其針對(duì)所出現(xiàn)的變形力的緩沖效果來選擇填充材料。尤其有利的是，以根據(jù)本發(fā)明的方式甚至可以構(gòu)成高度復(fù)雜的具有三維框架結(jié)構(gòu)、如籠架結(jié)構(gòu)的無端纖維復(fù)合構(gòu)件，其廣泛地應(yīng)用在機(jī)動(dòng)車輛制造中。


這些和其它優(yōu)點(diǎn)通過以下描述并參照附圖進(jìn)行闡述。參考說明書中的附圖用于支持說明書，并且使主題的理解更容易?；旧舷嗤蝾愃频闹黝}或主題部分可用相同的附圖標(biāo)記表示。這些附圖只是本發(fā)明的實(shí)施例的示意性描繪。
其中:圖1在透視的側(cè)視圖中示出了具有轉(zhuǎn)軸的纖維導(dǎo)向管；圖2在透視的底視圖中示出了根據(jù)本發(fā)明的空心腔體；圖3在透視的側(cè)視圖中示出了成排設(shè)置的空心腔體和端側(cè)的偏轉(zhuǎn)元件；圖4在透視的側(cè)視圖中示出了圖3中的成排設(shè)置的空心腔體，其具有設(shè)置在它們之間的中間腔體；圖5在透視的側(cè)視圖中示出了由構(gòu)成通道的基底元件和覆蓋元件構(gòu)成的外罩元件；圖6在透視的側(cè)視圖中示出了成排設(shè)置的空心腔體，并以示意圖示出了用于底部路徑的纖維導(dǎo)向管的路徑系統(tǒng)；圖7在透視的底視圖中示出了成排設(shè)置的空心腔體的沿著底部路徑鋪設(shè)的纖維，用來形成底部節(jié)段； 圖8在透視的側(cè)視圖中示出了成排設(shè)置的空心腔體，其具有三維地圍繞空心體引導(dǎo)的纖維走向；圖9在透視的側(cè)視圖中示出了成排設(shè)置的空心腔體，其具有沿上方路徑鋪設(shè)的纖維，用來形成上方編織物；圖10在透視的側(cè)視圖中示出了成排設(shè)置的空心腔體，其具有多個(gè)圍繞著空心腔體的側(cè)面鋪設(shè)的纖維；圖11在透視圖中示出了外罩，其具有插入的空心腔體；圖12在透視圖中示出了組合裝配成通道系統(tǒng)的外罩的基底元件的示例性實(shí)施方式；圖13在透視圖中示出了圖12中的外罩，其具有插入的無端纖維和標(biāo)出的覆蓋元件；圖14在透視圖中示出了圖12的氣密封閉的外罩。
具體實(shí)施例方式在圖6和圖9中借助主要的元件示出了簡(jiǎn)單的模塊化制造裝置，其用來由無端纖維制造一體式纖維半成品，以制造桿狀的無端纖維復(fù)合構(gòu)件。模塊化的制造裝置在該處(圖6)示出了被引導(dǎo)的纖維導(dǎo)向管100以及基底元件2，在所述基底元件上四個(gè)空心體7各自通過間隙8相互間隔地成排固定在基底元件2的內(nèi)壁上。所述間隙8是必要的，以提供空間供纖維導(dǎo)向管100引導(dǎo)穿過。用于精確地鋪設(shè)和引導(dǎo)纖維結(jié)構(gòu)9或粗紗的纖維導(dǎo)向管100可直接與轉(zhuǎn)軸100’相連(參見圖1)，該轉(zhuǎn)軸起纖維軸承或粗紗軸承的作用；但這點(diǎn)不是強(qiáng)制必需的。轉(zhuǎn)軸100’的布置在下面沒有進(jìn)一步地闡述，該轉(zhuǎn)軸為了有利地進(jìn)行自動(dòng)化纏繞而定位在機(jī)械臂上?！袄w維結(jié)構(gòu)9”可理解為單個(gè)纖維，但也可理解為纖維束或具有相同或不同特性的交織在一起的纖維；此外，該纖維結(jié)構(gòu)在此作為無端纖維被引導(dǎo)。該纖維結(jié)構(gòu)9由上到下通過空心的纖維導(dǎo)向管100被引導(dǎo)，其中下述的布置路徑(Legepfad)由機(jī)械臂相應(yīng)地進(jìn)行引導(dǎo)，該布置路徑由分步驟a至d構(gòu)成，纖維導(dǎo)向管走過該布置路徑。圖2示出了單個(gè)的空心體7，其具有長(zhǎng)方形的空心體截面；如同清楚示出的一樣，該空心體7在其面向基底元件2的側(cè)面上具有底座6?？招捏w7的幾何形狀可靈活地選擇。在此，圓形的、橢圓形的、長(zhǎng)方形的和其它形狀的空心腔體截面都是可行的。所示的底座3是圓柱形的，但也可具有多邊形或橢圓形的基本形狀。它的作用是，將空心體7與基底間隔開，以便在實(shí)現(xiàn)偏轉(zhuǎn)的情況下允許纏繞，從而有目標(biāo)針對(duì)性地引導(dǎo)纖維結(jié)構(gòu)9。還可能的是，將圖中未示出的另外的底座安置在空心體7的上方側(cè)，與設(shè)置在空心體7的下方側(cè)的底座3起相同的作用，或者還在空心體7的側(cè)面上設(shè)置其它的底座。最后，該模塊化的制造裝置包含數(shù)個(gè)在圖4、9和10中可看到的中間腔體8’，其中中間腔體8，可精確匹配地關(guān)于間隙8的間隙形狀分別裝入兩個(gè)空心體7之間。在布置路徑的實(shí)施即將結(jié)束之前，使用插入間隙8中的中間腔體8’。利用所述中間腔體8’可填滿空心體7之間的間隙8，也參見圖4。參見圖3、4和圖7至13，設(shè)置在空心體列的端側(cè)的偏轉(zhuǎn)元件5是模塊化制造裝置的重要組成部分，并且在實(shí)施布置路徑時(shí)用來偏轉(zhuǎn)纖維結(jié)構(gòu)9。偏轉(zhuǎn)元件5被纖維束9、更確切地說是纖維結(jié)構(gòu)9纏繞，從而可在張力下再次將它引導(dǎo)回去。模塊化的制造裝置還可包含覆蓋元件3，見圖5，該覆蓋元件能夠可松脫地固定在基底元件2上。因而，可形成用于無端纖維復(fù)合構(gòu)件的外罩元件，在該外罩元件中可用基體材料浸透纖維半成品。為了在自身上構(gòu)成外罩的三維空心體結(jié)構(gòu)，并且同樣為了構(gòu)成纖維半成品，模塊化的制造裝置包含多個(gè)外罩元件1、1’作為一外罩元件組的組成部分，參見圖14。這個(gè)外罩元件組包含期望數(shù)量的構(gòu)成通道的基底元件2、2’，其提供了連接口 4、4’，至少兩個(gè)基底元件2、2’可通過這些連接口彼此形鎖合地相連。從所示的構(gòu)件幾何形狀中以簡(jiǎn)單的方式得出該“期望數(shù)量”。這個(gè)外罩元件組的外罩元件1、1’可以是支柱元件I’和節(jié)點(diǎn)元件1，用于構(gòu)建氣密封閉的三維外 罩結(jié)構(gòu)10 ;其中支柱元件I’和節(jié)點(diǎn)元件I分別由構(gòu)成通道的基底元件2、2’和覆蓋元件3、3’構(gòu)成。為了由纖維半成品制成纖維復(fù)合體，不必為每個(gè)構(gòu)件幾何形狀都安置覆蓋元件。還適宜的是，使纖維半成品從基底元件2、2’上松脫，然后浸透它們，而不是對(duì)借助覆蓋件
3、3’構(gòu)成的外罩施加基體材料。借助這個(gè)外罩元件組可構(gòu)造出任意復(fù)雜的三維空心體結(jié)構(gòu)10，這個(gè)外罩元件組起到積木式系統(tǒng)的作用并且包含所述的各個(gè)支柱元件I’和節(jié)點(diǎn)元件1，其中術(shù)語(yǔ)“空心體結(jié)構(gòu)”在此指由支柱元件I’和節(jié)點(diǎn)元件I圍起來的內(nèi)部容積。“支柱元件I’”在此指具有兩個(gè)連接口的線狀元件，而術(shù)語(yǔ)“節(jié)點(diǎn)元件I”指所有彎曲并且有分支的外罩元件，由此該外罩元件可具有兩個(gè)或更多個(gè)連接口。在支柱元件I’和節(jié)點(diǎn)元件I的基底元件2、2’上可設(shè)置偏轉(zhuǎn)元件5。為了能在由外罩元件1、1’形成的外罩10中實(shí)現(xiàn)基體材料或樹脂的注射以便形成復(fù)合構(gòu)件，這些外罩元件1、I’中的至少一個(gè)，覆蓋元件3、3’和/或基底元件2、2’，可具有樹脂注射連接裝置。可借助這個(gè)外罩元件組構(gòu)建的、用于無端纖維復(fù)合構(gòu)件且具有復(fù)雜的三維空心體結(jié)構(gòu)的外罩10是這樣構(gòu)造的，即分別由構(gòu)成通道的基底元件2、2’和相關(guān)的覆蓋元件3、3’構(gòu)成的支柱和節(jié)點(diǎn)元件1、1’按照待制造的無端纖維復(fù)合構(gòu)件的三維空心體結(jié)構(gòu)彼此相連，并因此構(gòu)成通道系統(tǒng)。由于外罩的造型是由外罩元件構(gòu)成的，所以可重新使用該外罩，因?yàn)楸M管它具有復(fù)雜的三維空心體結(jié)構(gòu)，但在復(fù)合構(gòu)件制成之后外罩元件仍無損壞地存在。借助該外罩，還可制造出由支柱圍攏的空心體結(jié)構(gòu)或機(jī)動(dòng)車輛的框架支撐結(jié)構(gòu)，例如機(jī)動(dòng)車輛骨架結(jié)構(gòu)或者客艙結(jié)構(gòu)。為了能準(zhǔn)確地制造出在外罩中構(gòu)建的復(fù)合構(gòu)件，該外罩可包含支撐框架，該支撐框架可松脫地固定連接成通道系統(tǒng)的基底元件。根據(jù)本發(fā)明的方法用于自動(dòng)化地制造各種空心的桿狀元件，所述桿狀元件應(yīng)用在框架支撐結(jié)構(gòu)中，例如汽車車身、自行車框架或其它框架元件。此外，框架支撐結(jié)構(gòu)的桿狀元件還可借助該方法相互連接，并由此為框架支撐結(jié)構(gòu)形成封閉的、連續(xù)的且一體式的半成品，其具有較大的抗拉強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度和抗扭強(qiáng)度。對(duì)于根據(jù)本發(fā)明的方法的實(shí)施來說重要的是，具有空心體，它通過該方法用纖維結(jié)構(gòu)纏繞或編造，并因此構(gòu)成空心桿狀元件的核心。由于它作為空心體的特性，前述的空心體只以很小的程度影響纖維復(fù)合構(gòu)件的重量，該纖維復(fù)合構(gòu)件應(yīng)用在汽車構(gòu)造中并且應(yīng)該能滿足輕質(zhì)結(jié)構(gòu)這一理念。可規(guī)定，空心腔體在半成品完成之后用輕質(zhì)材料填充，該輕質(zhì)材料一方面具有較高的剪切力穩(wěn)定性，另一方面具有較高的緩沖效果。因此，由該半成品制成的構(gòu)件還可在碰撞安全性方面得到優(yōu)化。 本發(fā)明的方法基本上包含以下步驟:首先，建立上述類型的模塊化制造裝置中的一種。在此，數(shù)量與構(gòu)件幾何形狀和構(gòu)件大小有關(guān)的空心體7成排地設(shè)置在基底元件2、2’的內(nèi)壁上；該空心體7設(shè)置為通過間隙8彼此間隔開，參見圖3。空心體7的固定可借助其底座6來實(shí)現(xiàn)。偏轉(zhuǎn)元件5分別在所設(shè)置的那排空心體7的各端側(cè)設(shè)置在基底元件2、2’的內(nèi)壁上。該偏轉(zhuǎn)元件可在該處要么固定地存在著，要么需要時(shí)可固定在該處。然后，無端纖維借助纖維導(dǎo)向管100進(jìn)行輸送，并且無端纖維9沿著布置路徑進(jìn)行鋪設(shè)。纖維導(dǎo)向管100的引導(dǎo)在圖6中借助箭頭a來表示。根據(jù)本發(fā)明的方法用來完成三維的纖維半成品的制造，而自動(dòng)機(jī)械裝置無需借助纖維導(dǎo)向管100圍繞著整個(gè)待制造的空心體元件進(jìn)行引導(dǎo)。該布置路徑在此示例性地包含底部路徑U，參見圖7，它從第一偏轉(zhuǎn)元件5 (起始位置％)開始并且雙向交互地圍繞著這排空心體7的底座6 —直延伸至第二偏轉(zhuǎn)元件5。纖維9在此從左邊的偏轉(zhuǎn)元件5對(duì)角傾斜地朝第一底座被引導(dǎo),而最后一個(gè)底座和右邊的偏轉(zhuǎn)元件之間的纖維走向是呈直線性的。圖6所示的視圖示出了纖維導(dǎo)向管100的引導(dǎo)，以便鋪設(shè)底部路徑U。在此，切去了通道狀的基底元件2的面向觀察者的側(cè)壁。纖維導(dǎo)向管100雙向交互地通過間隙8被引導(dǎo)。在幾何形狀更復(fù)雜的情況下，原則上可同時(shí)引導(dǎo)多個(gè)纖維導(dǎo)向管100 ;借助相應(yīng)的由自動(dòng)機(jī)械裝置引導(dǎo)的布置頭來盡可能地實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。—可能的路徑從起始位置％開始圍繞著偏轉(zhuǎn)圓柱體5進(jìn)行引導(dǎo)，在該偏轉(zhuǎn)圓柱體和第一空心體7之間穿過并且在第一空心體7的端側(cè)(右側(cè))繼續(xù)延伸，并沿著該空心體7，然后穿過首先的兩個(gè)空心體7之間的間隙8，沿著第二空心體7，并且穿過下一個(gè)間隙返回，并這樣繼續(xù)，直到抵達(dá)第二偏轉(zhuǎn)圓柱體5。該路徑系統(tǒng)現(xiàn)在也可由右側(cè)向左側(cè)實(shí)行，并且可任意地重復(fù)。在底部路徑U首先運(yùn)行時(shí)，纖維導(dǎo)向管100可總是在一平面中被引導(dǎo)，該平面在底座6的高度上位于空心體7的下方。如果在該處已經(jīng)拉出了纖維9，則路徑走向的系統(tǒng)沒有通過兩個(gè)空心體7之間的間隙來描繪。在此，纖維導(dǎo)向管100必須在空心體7之間從底座平面抬至更高的平面，以便不會(huì)與事先鋪設(shè)的纖維9相碰撞。該纖維引導(dǎo)可根據(jù)負(fù)載要求進(jìn)行改變。圖7示出了從第一偏轉(zhuǎn)圓柱體5到第二偏轉(zhuǎn)圓柱體5的第一路徑引導(dǎo)的效果。此外，一路徑d包括在該方法中，并示例性地在圖8中示出。它描繪了圍繞著空心體7的三維形狀。它至少?gòu)囊慌趴招捏w7的第一端部延伸至第二端部。在此還可完成期望的路線數(shù)量。參 見圖9，現(xiàn)在對(duì)上方路徑O進(jìn)行布置，它在空心體7的背向下方路徑的側(cè)面上延伸，并且它從一排空心體7的第一端部朝第二端部雙向交互地圍繞著中間腔元件8’的偏轉(zhuǎn)支架8，’延伸，中間腔元件在鋪設(shè)路徑c和/或d之前已插入間隙8中。中間腔體8，的偏轉(zhuǎn)支架8’’定位在偏轉(zhuǎn)支架8’’的至少一個(gè)邊緣側(cè)上，參見圖4。最后，如圖10所示，鋪設(shè)有側(cè)面路徑S，其中空心體7的側(cè)面被纏繞?，F(xiàn)在，在此制造好了一體式纖維半成品。如果已布置的纖維未與后繼的布置路徑交織在一起，則不同的布置路徑的順序可能會(huì)改變。還可考慮的是，各路徑可具有與視圖不同的布置方式。在構(gòu)成框架支撐結(jié)構(gòu)的空心腔結(jié)構(gòu)較復(fù)雜的情況下，如圖13那樣，纖維9會(huì)產(chǎn)生許多可能的布置路徑。在大規(guī)模的空心腔結(jié)構(gòu)中，還可考慮應(yīng)用多個(gè)同時(shí)操縱的導(dǎo)向管。通過無端纖維9沿著布置路徑進(jìn)行的布置，空心體7可構(gòu)成一體式纖維半成品的核心。為了獲得無端纖維復(fù)合構(gòu)件，現(xiàn)在還必須借助樹脂或基體材料來浸透纖維半成
品O為此基本上具有兩種做法:基底元件2、2’可作為單獨(dú)的構(gòu)件制成，并且空心體7可借助底座6裝在基底元件2、2’上。在已鋪設(shè)纖維結(jié)構(gòu)9之后，可移除基底元件2、2’，并且所產(chǎn)生的纖維半成品以常規(guī)的方式和方法通過樹脂滲透被引導(dǎo)至復(fù)合構(gòu)件。可選地，可在應(yīng)用前述外罩的情況下實(shí)施該根據(jù)本發(fā)明的方法，用來制造具有三維空心體結(jié)構(gòu)的無端纖維復(fù)合構(gòu)件。首先包含這一步驟，即用所述外罩元件組將構(gòu)成通道的支柱元件和節(jié)點(diǎn)元件組裝而成，從而所構(gòu)成的通道系統(tǒng)形成構(gòu)件的三維空心體結(jié)構(gòu)。在此通道系統(tǒng)中，通過完成所述布置路徑或者通過完成各布置路徑的延伸，無端纖維借助空心體進(jìn)行鋪設(shè)，并且在鋪設(shè)過程(其中已獲得一體式纖維半成品)結(jié)束之后設(shè)置從屬于基底元件的覆蓋元件，由此可氣密地封閉通道系統(tǒng)?，F(xiàn)在，通過以此為目的設(shè)置的樹脂注射連接裝置，可把基體材料輸入通道系統(tǒng)中，其在固化之后與一體式纖維半成品構(gòu)成復(fù)合物。可通過取下覆蓋元件并松脫基底元件，來為產(chǎn)生的無端纖維復(fù)合構(gòu)件脫模。根據(jù)本發(fā)明的方法的其它實(shí)施例可規(guī)定，在基底元件組裝期間或組裝之后，加入支撐框架，其可松脫地固定基底元件并且精確地按照期望的三維空心體結(jié)構(gòu)來支撐通道系統(tǒng)。優(yōu)選在載荷情況適宜地、力鎖合優(yōu)化地且應(yīng)力優(yōu)化地分配纖維的情況下，來鋪設(shè)無端纖維，以便使待制造的無端纖維復(fù)合構(gòu)件具有期望的剛性。使用貫穿整個(gè)通道系統(tǒng)的單一的無端纖維或單一的粗紗和/或單一的無端纖維束使得待制造的無端纖維復(fù)合構(gòu)件具有額外的剛性。在鋪設(shè)纖維之后實(shí)施的樹脂注射步驟可通過壓力成型(RTM法)來實(shí)現(xiàn)。根據(jù)本發(fā)明形成的、具有三維空心體結(jié)構(gòu)的無端纖維復(fù)合構(gòu)件的特征在于，與基體材料結(jié)合存在的纖維部分由單一的無端纖維或單一的無端纖維束提供，它無中斷地貫穿構(gòu)件的整個(gè)三維空心體結(jié)構(gòu)。根據(jù)本發(fā)明制成的一體式的無端纖維復(fù)合構(gòu)件在空心體結(jié)構(gòu)的交叉和折彎點(diǎn)上沒有節(jié)點(diǎn)和連接點(diǎn)，并且在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中可以是機(jī)動(dòng)車輛的框架結(jié)構(gòu)構(gòu)件，例如機(jī)動(dòng)車輛的骨架構(gòu)件或客艙。它在重量較輕的同時(shí)，具有強(qiáng)度和剛性更高的優(yōu)點(diǎn)，并因此有助于實(shí)現(xiàn)在汽車制造時(shí)追求的輕量構(gòu)造方式。在圖12中可看到支柱元件和節(jié)點(diǎn)元件的組裝成通道系統(tǒng)的基底元件2、2’，它們?cè)谄溥B接口 4、4’上彼此相連，并因此構(gòu)成沿著立方體邊緣延伸的通道系統(tǒng)。節(jié)點(diǎn)基底元件2’在此設(shè)置在立方體的圓角中，并在通道的交叉點(diǎn)中分別具有纖維分配銷5，其滿足了偏轉(zhuǎn)元件的功能。如圖13所示，借助導(dǎo)向管插入的無端纖維9 (也包括無端纖維束在內(nèi))借助偏轉(zhuǎn)元件5以不同的方式鋪設(shè)在通道系統(tǒng)內(nèi)，直到整個(gè)通道系統(tǒng)都被該單一的無端纖維貫穿。圖13還示出了節(jié)點(diǎn)覆蓋元件3’和支柱覆蓋元件3，它們?cè)跓o端纖維9插入之后安置在各自的基底元件2、2’上，使得整個(gè)通道系統(tǒng)可氣密地封閉，如圖14所示。此處所示的外罩10現(xiàn)在可通過樹脂注射而以樹脂浸透。為此目的，可在外罩元件中的一個(gè)或多個(gè)上設(shè)置(未示出的)樹脂注射裝置。為避免含有空氣，型空心腔(Formhohlraum)應(yīng)在注射樹脂之前抽真空，該空心腔由借助覆蓋元件·氣密地封閉的通道系統(tǒng)構(gòu)成，對(duì)于這種情況還可在外罩元件1、1’中的一個(gè)上設(shè)置相應(yīng)的連接裝置(同樣未示出)，用以與真空泵相連。因此，借助根據(jù)本發(fā)明的裝置實(shí)施的根據(jù)本發(fā)明的方法可自動(dòng)化地制造空心的一體式纖維半成品。最終的預(yù)成型坯件由一個(gè)或多個(gè)無端纖維構(gòu)成，并且可借助機(jī)器進(jìn)行制造。單個(gè)的桿狀元件或高度復(fù)雜的桿狀結(jié)構(gòu)能夠與負(fù)載情況相適應(yīng)地進(jìn)行布置。
權(quán)利要求
1.一種模塊化的制造裝置，用于由無端纖維(9)構(gòu)成的一體式纖維半成品，以制造具有空心體結(jié)構(gòu)的無端纖維復(fù)合構(gòu)件， 其特征在于， 所述模塊化的制造裝置至少具有 -可移動(dòng)地引導(dǎo)的纖維導(dǎo)向管(100)， -至少一個(gè)基底元件(2、2’)， -多個(gè)空心體(7)，所述空心體能通過間隙(8)彼此間隔開地成排固定在基底元件(2、2’)的內(nèi)壁上，其中每個(gè)空心體(7)至少在一側(cè)上具有至少一個(gè)底座(6)，并且其中間隙(8)具有寬度，該寬度為纖維導(dǎo)向管(100)提供通路，和 -多個(gè)中間腔體(8’)，其中中間腔體(8’)能關(guān)于間隙形狀精確匹配地插入間隙(8)中，并且 其中所述基底元件(2、2’)在內(nèi)壁上在成排設(shè)置的空心體(7)的端側(cè)分別具有偏轉(zhuǎn)元件(5)。
2.按權(quán)利要求1所述的制造裝置， 其特征在于， 所述模塊化的制造裝置包括具有至少一個(gè)覆蓋元件(3、3’)的基底元件(2、2’)，作為用于無端纖維復(fù)合構(gòu)件的外罩元件(1、I’)，所述覆蓋元件能可松脫地固定在所述基底元件(2、2，)上。
3.按權(quán)利要求2所述的制造裝置， 其特征在于， 所述模塊化的制造裝置包括多個(gè)外罩元件(1、I’)作為一外罩元件組的組成部分，以形成三維的空心體結(jié)構(gòu)，其中所述外罩元件組具有多個(gè)構(gòu)成通道的基底元件(2、2’)，所述基底元件提供連接口(4、4’)，至少兩個(gè)基底元件(2、2’)能通過所述連接口彼此形鎖合地相連。
4.按權(quán)利要求2或3所述的制造裝置， 其特征在于， 所述外罩元件組的外罩元件是支柱元件(I)和節(jié)點(diǎn)元件(1’)，以構(gòu)建氣密封閉的三維外罩結(jié)構(gòu)(10)，其中所述支柱元件(I)和節(jié)點(diǎn)元件(I’)均由構(gòu)成通道的基底元件(2、2’ )和所述覆蓋元件(3、3’ )構(gòu)成。
5.按權(quán)利要求1至4至少之一所述的制造裝置， 其特征在于， 所述底座(6)提供空心體填充口。
6.按權(quán)利要求1至5至少之一所述的制造裝置， 其特征在于， 在所述基底元件(2、2’)的內(nèi)壁上為每個(gè)待固定的空心體(7)設(shè)置有突起，所述突起能與至少一個(gè)底座(6)形鎖合地處于可松脫的接合之中。
7.按權(quán)利要求1至6至少之一所述的制造裝置， 其特征在于， 所述空心體(7)是多面體、特別是長(zhǎng)方體，圓柱體或具有橢圓形截面的主體。
8.按權(quán)利要求1至7至少之一所述的制造裝置， 其特征在于， 所述中間腔體(8’ )在至少一個(gè)邊緣側(cè)上具有偏轉(zhuǎn)支架(8”)。
9.一種用于通過使用按權(quán)利要求1至8至少之一所述的制造裝置來制造具有空心體結(jié)構(gòu)的無端纖維復(fù)合構(gòu)件的方法， 包括以下步驟: -提供所述模塊化的制造裝置，在此所述多個(gè)空心體(7)成排地設(shè)置在基底元件(2、2’)的內(nèi)壁上；所述空心體(7)通過間隙(8)彼此間隔開，并且借助所述至少一個(gè)底座(6)把所述空心體(7)固定在基底元件(2、2’)上，其中偏轉(zhuǎn)元件(5)在成排設(shè)置的空心體(7)的端側(cè)分別設(shè)置在基底元件(2、2’)的內(nèi)壁上， -借助所述纖維導(dǎo)向管(100)輸送無端纖維，并且沿著布置路徑鋪設(shè)所述無端纖維(9)，所述布置路徑至少包括: a)底部路徑U)，該底部路徑從第一偏轉(zhuǎn)元件(5)開始并且雙向交互地圍繞著該排空心體(7)的底座(6) —直延伸至第二偏轉(zhuǎn)元件(5)，在此所述纖維導(dǎo)向管(100)穿過所述間隙(8)被引導(dǎo)； b)路徑(d)，該路徑描繪了圍繞空心體(7)的三維形狀，并且至少?gòu)脑撆趴招捏w(7)的第一端部一直延伸至第二端部； c)上方路徑(O)，該上方路徑在空心體(7)的背向下方路徑(U)的側(cè)面上延伸，并且從該排空心體(7)的第一端部一直到第二端部雙向交互地圍繞著中間腔元件(8’)的偏轉(zhuǎn)支架(8”)進(jìn)行延伸，所述中間腔元件在路徑c)和/或d)被鋪設(shè)之前就已插入所述間隙(8)中，以及 d)側(cè)面路徑(S)，其中所述空心體(7)的側(cè)面被纏繞， 在此獲得一體式纖維半成品，其中通過沿著所述布置路徑鋪設(shè)所述無端纖維(9)使得空心體(7)構(gòu)成一體式纖維半成品的核心， 之后， -利用樹脂材料浸透所述纖維半成品，并獲得所述無端纖維復(fù)合構(gòu)件。
10.按權(quán)利要求9所述的方法， 包括以下步驟: 為了提供所述模塊化的制造裝置，將至少兩個(gè)基底元件(2、2’)在它們的連接口(4、4’)上彼此形鎖合地相連，和 在獲得了一體式纖維半成品之后，將覆蓋元件(3、3’)可松脫地分別固定在構(gòu)成通道的基底元件(2、2’ )上，以此獲得外罩元件(1、1’)，以及 -利用樹脂材料通過填充所述外罩元件(1、I’)來浸透所述纖維半成品。
11.按權(quán)利要求10所述的方法， 包括以下步驟: 為了提供所述模塊化的制造裝置，將多個(gè)構(gòu)成通道的基底元件(2、2’)在它們的連接口(4、4’)上彼此形鎖合地連接起來，以此建立三維結(jié)構(gòu)，所述基底元件構(gòu)成為支柱元件(I)和節(jié)點(diǎn)元件(Γ )，以及 在獲得了一體式纖維半成品之后，將覆蓋元件(3、3’)可松脫地分別固定在基底元件(2、2，)上， 以此獲得氣密封閉的三維外罩結(jié)構(gòu)(10)，以及 -利用樹脂材料通過填充所述外罩結(jié)構(gòu)(10)來浸透所述纖維半成品。
12.按權(quán)利要求9所述的方法， 其中，在由無端纖維(9)構(gòu)成的纖維半成品從所述基底元件(2、2’)上松脫之后，利用樹脂材料浸透所述纖維半成品，尤其是在使用真空袋的情況下。
13.按權(quán)利要求9至12之一所述的方法， 包括以下步驟: 在制成所述布置路徑之后在實(shí)施所述布置路徑之前，或在由無端纖維(9)構(gòu)成的纖維半成品從基底元件(2、2’ )上松脫之后，對(duì)空心體(7)進(jìn)行填充； -在此通過所述至少一個(gè)底座(6)以填充材料填充所述空心體(7)。
14.一種無端纖維復(fù)合構(gòu)件，其包括纏繞的以及利用基體材料浸透的纏繞的無端纖維結(jié)構(gòu)， 其特征在于， 所述無端纖維復(fù)合構(gòu)件具有核心，所述核心由多個(gè)空心體(7)和與空心體(7)交替地成排設(shè)置的中間腔體(8’)構(gòu)成，所述中間腔體精確匹配地插入在兩個(gè)相鄰的空心體(7)之間。
15.按權(quán)利要求14所述的無端纖維復(fù)合構(gòu)件， 其特征在于， 所述空心體(7)具有由輕質(zhì)材料、尤其是輕金屬或輕金屬合金或聚合物構(gòu)成的填充物。
16.按權(quán)利要求14或15所述的無端纖維復(fù)合構(gòu)件， 其特征在于， 所述無端纖維復(fù)合構(gòu)件具有三維的框架結(jié)構(gòu)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種模塊化的制造裝置，用于由無端纖維(9)構(gòu)成的一體式纖維半成品，以制造具有空心體結(jié)構(gòu)的無端纖維復(fù)合構(gòu)件。所述模塊化的制造裝置具有至少一個(gè)可移動(dòng)地引導(dǎo)的纖維導(dǎo)向管(100)、至少一個(gè)基底元件(2、2’)和多個(gè)空心體(7)，所述空心體能通過間隙(8)彼此間隔開地成排固定在基底元件(2、2’)的內(nèi)壁上。每個(gè)空心體(7)至少在一側(cè)上具有至少一個(gè)底座(6)，其中間隙(8)具有寬度，該寬度為纖維導(dǎo)向管(100)提供通路。此外，所述模塊化的制造裝置具有多個(gè)中間腔體(8’)，其中中間腔體(8’)能關(guān)于間隙形狀精確匹配地插入間隙(8)中，并且其中所述基底元件(2、2’)在內(nèi)壁上在成排設(shè)置的空心體(7)的端側(cè)分別具有偏轉(zhuǎn)元件(5)。本發(fā)明還公開了一種用于通過使用所述制造裝置來制造具有空心體結(jié)構(gòu)的無端纖維復(fù)合構(gòu)件的方法，以及一種制造出的無端纖維復(fù)合構(gòu)件。
文檔編號(hào)B29C53/82GK103228425SQ201180056783
公開日2013年7月31日 申請(qǐng)日期2011年9月24日 優(yōu)先權(quán)日2010年11月26日
發(fā)明者D·羅斯 申請(qǐng)人:戴姆勒股份公司