[发明专利]按载荷流排列的纤维复合结构的预成型件的制造方法和设备

说明书

技术领域

本发明涉及一种按载荷流排列的(kraftflussgerechte)纤维复合结构 的预成型件的制造方法。本发明还涉及该方法在制造按载荷流排列的纤维 复合结构中的应用。最后，本发明涉及用于实施该方法的设备。

背景技术

在所有类型的运载工具的结构中，特别是在飞行器和航天器的结构中， 也在诸如机械工程的其它工业分支中，对高强轻质且有成本效益的材料的 需求越来越大。特别地，纤维复合材料具有突出的轻质结构潜力。其原理 在于特别高强且坚挺的纤维以按载荷流排列的方式内嵌于基体内的事实， 从而通过使用现有技术生产出具有显著机械特性的部件，该部件的重量在 可比性能下比铝结构小典型地为25％，比钢结构小50％。缺点是材料成本 高，特别是费力且主要是手工制造。

因此需要一种间隔放置纤维的自动化的方便制造的机器。现在，纤维 增强塑料材料的特征在于在小重量下的极其高的强度和坚挺度，特别是在 使用诸如碳纤维的定向长纤维的情况下。它们还具有高的比重量能量吸收 能力和好的疲劳特性。

到目前为止，这一点通过以按载荷流排列的方式结合于基体(例如， 环氧树脂)中的无端纤维实现。根据增强的方向，能生产出具有方向依赖 的机械性能的各向异性材料。例如，一种材料可以具有在该材料长度和宽 度上互不相同的特性。至今，现代飞行器和航天器中的高比重的结构重量 由纤维增强塑料材料制成。

现在，最重要的制造方法基于所谓的预浸料技术。该技术包括将增强 纤维按平行(单向)方式放置并将其嵌入基体。在固化步骤后生产出卷成 薄层的半成品。在加工期间，这些薄层对应于部件轮廓被切割，并通过铺 放机、优选地用手层压在一工具层中。随后在高压釜中在压力和温度下固 化。得到的部件呈现出非常高的轻结构潜力，但该制造费力且昂贵。为此， 材料研究者长期以来都在解决该问题，即，以何种方式能使纤维在自动化 方法中按载荷流排列地三维放置，且具有与部件最终轮廓尽可能紧密相配 的轮廓。

为生产具有按载荷流排列的纤维的纤维复合结构，目前已经针对包括 预浸料在内的可选应用制成了作为纺织半成品的所谓的预成型件。这些主 要是具有按载荷流排列的纤维取向的二维或三维结构。至今，无端纤维沿 装载方向放置，且通过使用来自纺织工程的装置和技术——通常是缝纫、 编织等——进行预先固定。用于制造此类预成型件的设备和方法的示例公 开于DE 30 03 666 A1、DE 196 24 912、DE 197 26 831 A1和DE 100 05 202 A1中。

从US 4,952,366 A1中已知一种类似的制造预成型件的方法和从该预 成型件制成的复合结构，其中，使用无端纤维增强预浸料以生产预成型件。 在预浸料的传送中，无端纤维最初通过真空吸力固定于预浸料。因此，从 现有技术中已知一种纤维敷成层在传送带上的传送方式，这些纤维敷成层 依靠真空吸至传送带上。

从DE 30 48 367 C1中已知一种用于散布纤维束的方法和装置。在该 方法中，纤维束通过一凸面被穿透并尽可能宽地铺散开。

从CH 450239中也已知一种用于散布纤维束的方法和装置。该方法中， 纤维束以迂回方式通过固定条带上方。固定条带的引导面以拱形方式中凸 地弯曲。

从US 2002/0123819 A1中已知一种用于自动控制纺织品敷成层散布的 系统。该纺织品敷成层由多个纤维束构成。该系统包括用于测量每个纤维 束的纵向边缘位置的测量装置、用于单独调整每个纤维束的宽度的宽度调 整装置、用于调整每条带的位置的位置调整装置、和用于控制散布操作以 使纺织品敷成层具有预定宽度和位置的控制装置。该操作过程中，纤维束 被拉成从弯杆上方通过。

从DE 695 00 513 T2中已知一种用于铺放纤维束并将其压靠在预成型 件上的分段式的纤维铺放头。该纤维铺放头由于其分段特性而具有弹性， 因此能针对不规则的模块更好地调节压力。该铺放头包括能用于将各个长 纤维束压靠在预成型件上的压力辊。为形成分段式的纤维铺放头，该压力 辊包括多个单独的轮盘。总共16个单独的纤维束通过纤维束导向部件送至 纤维铺放头。