用于制造纖維型坯的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種通過將增強纖維束鋪放/沉積到一表面上和/或在該表面上所鋪放的增強纖維束上來制造纖維型坯的方法。本發(fā)明此外涉及一種利用這樣制造的纖維型坯來制造纖維復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]尤其在航空航天工業(yè)領(lǐng)域中，當(dāng)然還例如在機械制造或汽車工業(yè)領(lǐng)域中，由纖維復(fù)合材料制成的結(jié)構(gòu)件得到了越來越廣泛的應(yīng)用。與金屬相比，纖維復(fù)合材料所常具有的優(yōu)點是重量較輕和/或強度較高。增強纖維的體積百分比和尤其是增強纖維的取向都對結(jié)構(gòu)件的負載能力、尤其是其剛度和強度有巨大影響。但是為了經(jīng)濟優(yōu)勢，還必須要能夠低成本地制造這種可承受高負載的材料和結(jié)構(gòu)件。
[0003]為了制造這種復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件，首先在一個中間步驟中由增強纖維制成所謂的纖維型坯(“預(yù)成型件”)。這里纖維型坯是形式為由增強纖維組成的二維或三維構(gòu)型物的織物半成品，其中該形狀已經(jīng)可以近似于最終的結(jié)構(gòu)件的形狀。在這種基本僅由增強纖維組成并且還至少在很大程度上缺少對于制造結(jié)構(gòu)件所需的基體含量的纖維型坯的實施形式中，在接下來的步驟中通過灌注或注射以及在利用真空的條件下向纖維型坯中加入合適的基體材料。接下來在通常升高的溫度和壓力下進行基體材料的硬化來形成成品結(jié)構(gòu)件。已知的用于灌注或注射基體材料的方法在此有所謂的液體成型(LM)方法或者與之相關(guān)的方法例如像樹脂傳遞模塑(RTM)、真空輔助樹脂傳遞模塑(VARTM)、樹脂膜熔滲(RFI)、液體樹脂灌注(LRI)或柔性模具樹脂滲透(RIFT)等方法。為制造纖維型坯所使用的纖維材料也可以已經(jīng)例如用少量的塑料材料、也就是粘結(jié)劑材料預(yù)浸漬，以便改善增強纖維在纖維型坯中的固定。這種被預(yù)浸漬的紗線例如在WO 2005/095-080中有所描述。
[0004]還已知了由已經(jīng)具有對于復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件足夠多的基體材料含量的纖維型坯來制造復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件的方法。在此情況下，可以例如在一模具中在使用升高的壓力和/或升高的溫度的情況下將纖維型坯直接擠壓成結(jié)構(gòu)件。另選地還可以替代模具而使用真空袋，纖維型坯被放入該真空袋中并且在施加真空后以及通常在升高的溫度下被擠壓成結(jié)構(gòu)件。所述對于結(jié)構(gòu)件足夠多的基體材料含量可以例如通過由帶有相應(yīng)基體含量的預(yù)浸料坯所制成的增強纖維束來制造纖維型坯而得到。另選地，可以在例如鋪放增強纖維束以形成纖維型坯時例如在鋪放過程中噴射上附加的基體材料。
[0005]為了由增強纖維束制造纖維型坯，經(jīng)常使用自動化工藝，其中利用受控的鋪放頭或者纖維鋪放設(shè)備向相應(yīng)的模具上或向相應(yīng)的模具中鋪放纖維束，其中所述鋪放還可以通過向模具上或向模具中噴射纖維束來進行。在此通常將增強纖維長絲紗輸入鋪放頭，然后在鋪放頭中或在纖維鋪放設(shè)備中利用合適的切割裝置將長絲紗定長切割為所需的纖維束長度。這種帶有用于定長切割纖維條子的裝置的鋪放頭例如在WO 2011/045171或US-A 3011 257中得到公開。
[0006]纖維型坯例如可以通過如下方式制造，即:將切短了的增強纖維連同粘結(jié)劑材料一起噴射或散布到與所需的纖維型坯的形狀相匹配的透氣的篩網(wǎng)上，并在施加真空的條件下保持在篩網(wǎng)上，直到型坯在粘結(jié)劑材料冷卻后達到足夠的穩(wěn)定性。這種方法例如在WO98/22644中有所描述。在WO 98/22644的方法中，增強纖維優(yōu)選作為短切纖維以隨機、均質(zhì)的方式布置和取向。根據(jù)WO 98/22644的示例，僅實現(xiàn)了在最高約15%體積百分比范圍內(nèi)的纖維體積分數(shù)，并因此由于纖維體積分數(shù)較低而僅實現(xiàn)了較小的、與厚度有關(guān)的結(jié)構(gòu)件強度。
[0007]為了實現(xiàn)預(yù)成型件中或者由預(yù)成型件制成的結(jié)構(gòu)件中較高的纖維體積分數(shù)，根據(jù)WO 2012/072405的實施方案有利的是，短切纖維以增強纖維束的形式來鋪放，其中該纖維束的長度優(yōu)選在1mm至50mm范圍內(nèi)。此外考慮到盡可能高的纖維體積分數(shù)和進而可實現(xiàn)的機械特性，有利的是，所述纖維束具有盡可能小的數(shù)目的增強纖維長絲，其中特別優(yōu)選的是1000至3000的長絲數(shù)目。以這種方式形成了在其延伸方向上具有幾乎均質(zhì)的機械特性的幾乎均質(zhì)的材料。同時，由于相對較小的纖維束尺寸，該材料沒有或僅有少數(shù)區(qū)域會樹脂含量增加并因此增強纖維含量減小，這可能會在結(jié)構(gòu)件中造成薄弱點。顯而易見，使用這種纖度小的、也就是長絲數(shù)目少的增強纖維束會導(dǎo)致成本增加，并且尤其還由于使用價格較高的原始材料也導(dǎo)致成本增加。但另一方面，使用纖度較粗的纖維束、也就是增強纖維長絲數(shù)目大的纖維束雖然成本更低，但是卻如所述那樣因此不能或很難實現(xiàn)高纖維體積分數(shù)。
[0008]因此需要自動化的用于制造纖維型坯的方法，利用該方法能夠以低成本制造纖維型坯，同時獲得在纖維型坯中或由纖維型坯制成的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件中的高的纖維體積分數(shù)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]因此本發(fā)明的目的是，提供一種這種類型的用于制造纖維型坯的方法。
[0010]根據(jù)本發(fā)明的目的由一種通過在一表面上和/或鋪放在表面上的增強纖維束上鋪放增強纖維束來制造纖維型坯的方法得以實現(xiàn)，其中該方法包括以下步驟:
[0011]-將帶有粘結(jié)劑的增強纖維的至少一條連續(xù)的、細帶狀的條子從喂料裝置輸送到鋪放頭上，其中，所述至少一條條子的條子寬度為至少5_，粘結(jié)劑濃度在細帶狀條子的重量的20A至70%重量百分比的范圍內(nèi)，
[0012]-在設(shè)置在鋪放頭上的展平單元中將所述至少一條連續(xù)的、細帶狀的條子展平，并利用設(shè)置在鋪放頭上的第一輸送裝置沿輸送方向?qū)⒃撝辽僖粭l條子輸送至設(shè)置在鋪放頭上的縱向分割裝置，
[0013]-在此沿橫向于輸送方向的方向穩(wěn)定所述至少一條條子，
[0014]-在縱向分割裝置中利用至少一個分割元件將所述至少一條條子沿其縱向延伸切割成兩條或更多條分條子，
[0015]-利用設(shè)置在鋪放頭上的第二輸送裝置將各分條子沿輸送方向輸送至設(shè)置在鋪放頭上的定長切割單元，
[0016]-利用定長切割單元將分條子切割成特定長度的增強纖維束，和
[0017]-在一表面上和/或鋪放在表面上的增強纖維束上鋪放增強纖維束，并在該表面上和/或鋪放在表面上的增強纖維束上固定增強纖維束，以形成纖維型坯，其中調(diào)整在鋪放頭與表面之間的相對運動以便以適合負載的方式在表面上鋪放增強纖維束。
[0018]利用根據(jù)本發(fā)明的方法能以低成本的方式由增強纖維束、也就是由具有少量增強纖維長絲的增強纖維組成的纖維束來制造纖維型坯，同時可以實現(xiàn)在纖維型坯中或由其制成的纖維復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件中的高纖維體積分數(shù)。在此例如可以將低成本的、粗纖度的增強纖維紗線形式的、連續(xù)的細帶狀條子用作原始材料。這種粗纖度的增強纖維紗線可以首先由縱向分割裝置沿著構(gòu)成紗線的增強紗線長絲的延伸分割為多條分條子，其中各分條子然后具有相對于初始紗線減少了的長絲數(shù)目。
[0019]在根據(jù)本發(fā)明的方法中所使用的、形成至少一條細帶狀條子的增強纖維優(yōu)選使用碳纖維、玻璃纖維、芳香尼龍纖維或這些纖維相互之間的或與熱塑性纖維的混合物。特別優(yōu)選的是碳纖維。
[0020]在一種優(yōu)選的實施形式中，帶有粘結(jié)劑的增強纖維的所述至少一條連續(xù)的、細帶狀的條子是長絲紗，該長絲紗具有數(shù)目為至少12000根的長絲，該長絲紗被展平為細帶狀的形狀。特別優(yōu)選的是這種類型的長絲紗具有在24000至50000根范圍內(nèi)的長絲數(shù)目。如果所述帶有粘結(jié)劑的增強纖維的細帶狀條子是長絲紗，那么在一種優(yōu)選的實施方案中，粘結(jié)劑的濃度位于帶有粘結(jié)劑的長絲紗的總重量的2%至14%重量百分比的范圍內(nèi)，而在一種特別優(yōu)選的實施方案中位于3%至7%重量百分比的范圍內(nèi)。
[0021]所述粘結(jié)劑可以是通常涂覆到長絲紗的長絲上的纖維浸漬劑，以便得到改善的可加工性和良好的纖維連接、也就是說長絲之間的至少部分的連接。這種浸漬劑通?；诃h(huán)氧樹脂。但是根據(jù)本