以兩個步驟制造三維纖維織物和由纖維制成的部件預(yù)制件的方法和設(shè)備的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及用于從纖維制造三維織物和部件預(yù)制件的方法和設(shè)備。
【背景技術(shù)】
[0002]如今，在從長纖維直接制造三維預(yù)制件和預(yù)堆疊的過程中，從線軸解開纖維并通過使用各種方式將其鋪設(shè)在核心部分或一般工件載體上。核心部分的輪廓在維度和形狀方面類似于部件輪廓。通常，在低或高張力下進行鋪設(shè)，從而使得纖維橫跨工件載體中的凹形區(qū)域，只要它們不被特別措施保持在這些凹形區(qū)域中即可。
[0003]例如，從DE 10 2010 015 199 Al中已知此方法。
[0004]如今，通常用于將纖維保持在凹形區(qū)域中的措施是例如有待鋪設(shè)的纖維在工件載體上或在已經(jīng)鋪設(shè)的纖維上的材料粘合，這樣使得纖維在張力作用下不會從凹形區(qū)域分離。這意味著必須提供按壓工具，該工具將纖維按壓到凹形區(qū)中，并且保持按壓直到材料粘合(例如通過膠合)產(chǎn)生足夠的黏附。特別是對小曲率半徑的凹形區(qū)，不再使用一般形狀的按壓工具(例如壓輥)來實現(xiàn)，因為將會超出其彈性。此外，加工速度受到材料粘合成型的要求限制。
[0005]另一個可能性是提供多個交叉纖維，交叉纖維在被同時施加時確保凹形區(qū)域中的纖維由于其張力而鄰接。這要求這些纖維中的至少一個呈現(xiàn)出沿工件載體的純凸形路徑，以便通過利用由于拉緊產(chǎn)生的其徑向張力而將具有凹形路徑的其它纖維按壓到工件載體的表面上。為此，纖維的交叉是必要的，其中至少在幾個交叉點處具有凸形路徑的纖維必須鋪設(shè)在具有凹形路徑的纖維上。這意味著凸形延伸的纖維可以延伸較大距離到達工件載體的表面。
[0006]可替代地，纖維層可以通過經(jīng)受負壓來被抽吸并保持在工件載體上。在此方法中，必須將纖維引導(dǎo)至工件載體的表面附近，以便由通過工件載體表面的氣流抽吸到表面上并且保持在其上。
[0007]所有上述措施均可能導(dǎo)致生產(chǎn)率或部件設(shè)計自由度的損失或者在其應(yīng)用方面受到限制。因此，通常，具有純凸形式的形狀可制造地更快，并且具有更高的加工可靠性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]因此，本發(fā)明的目標在于使得有可能在無上述缺點的情況下制造具有凸形和凹形區(qū)域的任何三維纖維織物或預(yù)制件或預(yù)堆疊。
[0009]此目標通過根據(jù)獨立權(quán)利要求1和6的方法以及根據(jù)獨立權(quán)利要求13所述的設(shè)備實現(xiàn)。從屬權(quán)利要求中列舉進一步的改進。
[0010]該方法分兩個步驟完成。在第一步驟中，實現(xiàn)松散纖維到具有至少一個凸形區(qū)域的主體的初始成形。此主體具有一個未完成的幾何結(jié)構(gòu)或初始形狀。優(yōu)選地，主體是開口的、整體呈凸形的外形(開口外形主體)。在開口外形中，諸如像U形外形，通常從一側(cè)看是凸形的表面，從另一側(cè)看時則是凹形的。因此，在下文中，當論述凸形主體時，假定在從上部或外側(cè)(例如，當放置在工件載體上時的可見側(cè))觀察時其上側(cè)或外側(cè)是凸形的。對于由紗類織物形成的主體而言，外側(cè)應(yīng)為主體的未放置在工件載體上而用于形成主體的側(cè)面。
[0011]在橫截面視圖中，此“凸形區(qū)域”或“凸形”僅僅在正(左)或負(右)方向上為彎曲(取決于觀察角度)，或者其僅僅由正或負彎曲的部分和平坦部分形成。在此處以及下文中，“凹形區(qū)域”應(yīng)理解為意味著在橫截面視圖中僅僅在與凸形區(qū)域相反的方向上彎曲的區(qū)域或者僅僅由在相反方向上彎曲的部分以及由平坦部分形成的區(qū)域。
[0012]在第二步驟中，實現(xiàn)由初始形狀到二次形狀或完成的幾何結(jié)構(gòu)的二次成形，所述形狀在纖維的鋪設(shè)方向上或者在上述相同的第一方向上或從上述相同的第一方向觀察時包括至少一個凹形區(qū)域，在此，第一方向相對于主體的未再成形的區(qū)域和/或使用再成形設(shè)備而言是靜止的。
[0013]更詳細而言，這意味著:在初始成形中，從長纖維和可選地添加物的3D鋪設(shè)過程中由長纖維制造初始凸形預(yù)制件(或預(yù)堆疊)?！俺跏纪剐巍币馕吨鲋黧w包括至少一個凸形區(qū)域(凸形表面)。預(yù)制件是由例如像材料碳、玻璃、玄武巖、芳族聚酰胺的粗紗、纖維或細絲構(gòu)成的纖維織物，它們稱為增強纖維，只要它們在另一個上游或下游過程步驟中通過與基質(zhì)材料(例如合成材料)粘合而被增補到復(fù)合材料中即可。粗紗是一種紗線，紗線由纖維材料(可以稱為實際纖維)所制成的多個細絲構(gòu)成。此粗紗可以由幾個(例如8或10個細絲)直到多達50，000個細絲構(gòu)成。在此申請中，術(shù)語“纖維”優(yōu)選地指代粗紗。
[0014]這樣初始形成的主體的幾何結(jié)構(gòu)稱為未完成的幾何結(jié)構(gòu)或初始形狀，因為其已經(jīng)與預(yù)期部件具有相似性，具有類似的維度、類似的形狀或甚至類似的深拉比。優(yōu)選地，初始形狀的橫截面所橫跨的表面大于相應(yīng)的預(yù)期形狀的橫截面所橫跨的表面。
[0015]形成未完成的幾何結(jié)構(gòu)的纖維具有與稍后需要用于完成的幾何結(jié)構(gòu)的那些纖維具有類似或者優(yōu)選地相同的纖維長度。未完成的幾何結(jié)構(gòu)優(yōu)選地相對于有待鋪設(shè)的纖維是純凸形，從而使得可以快速并且以初始成形過程中定義的方式鋪設(shè)預(yù)制件(預(yù)堆疊)的所有纖維。
[0016]未完成的幾何結(jié)構(gòu)(初始形狀)與完成的幾何結(jié)構(gòu)(二次形狀)的偏差(即，為了由未完成的幾何結(jié)構(gòu)形成所需的完成的幾何結(jié)構(gòu)，未完成的幾何結(jié)構(gòu)看起來應(yīng)為何種形狀的計算)起著重要作用，因為其影響將未完成的幾何結(jié)構(gòu)再成形為完成的幾何結(jié)構(gòu)時纖維的必要自由度。為此目的，優(yōu)選地使用計算機程序(例如，CAD、FEM程序和數(shù)學(xué)優(yōu)化算法)。
[0017]選擇未完成的幾何結(jié)構(gòu)的形狀的優(yōu)選目標在于未完成的幾何結(jié)構(gòu)至少部分地、優(yōu)選地全部含有完成的幾何結(jié)構(gòu)所需的相同的纖維長度。在此，“相同的纖維長度”意味著形成未完成的幾何結(jié)構(gòu)的具體有待再成形(凸形)區(qū)域的纖維的段或區(qū)域與形成完成的幾何結(jié)構(gòu)的對應(yīng)再成形區(qū)域的相同纖維的段或區(qū)域相同。如果這應(yīng)用于所有纖維，則有待再成形為凹形區(qū)域的凸形區(qū)域的表面積也優(yōu)選地等于再成形之后的凹形區(qū)域的表面積。因此，有可能純粹通過彎曲未完成的幾何結(jié)構(gòu)預(yù)制件而且無需扭曲纖維走向走向來獲得完成的幾何結(jié)構(gòu)預(yù)制件。
[0018]如果不能完全實現(xiàn)此目標，則未完成的幾何結(jié)構(gòu)必須包括例如最低程度地較短的纖維長度。換言之，形成未完成的幾何結(jié)構(gòu)的纖維的區(qū)域或段的長度最低程度地短于再成形之后形成完成的幾何結(jié)構(gòu)的相同纖維的段或區(qū)域的長度。在此情況下，在再成形為完成的幾何結(jié)構(gòu)的過程中，實際上必須被拉伸的纖維是從邊緣再次拉動的(然而，上述纖維的拉伸僅可能達到非常有限的程度)。由于對應(yīng)的保留優(yōu)選地保持在邊緣處，所以可以避免再成形期間主體的“收縮”。換言之，初始的主體在其邊緣處具有纖維的保留區(qū)域，該保留區(qū)域優(yōu)選地在再成形之后由于滑動而被用盡。
[0019]然而，纖維的滑動或再次拉動帶來的風(fēng)險是與滑動纖維或纖維層接觸的纖維或纖維長度也被一起拉動，這可能導(dǎo)致纖維走向的稍稍扭曲。因此，如果未完成和完成的幾何結(jié)構(gòu)中的纖維的長度差異盡可能小，則是有利的。為了避免或減少一起拉動纖維的情況，在再成形之前固定、或保持、或夾持未完成的幾何結(jié)構(gòu)的邊緣區(qū)域中的纖維。在此，固定被實現(xiàn)為使得個別纖維可以滑動，但是剩余纖維固定。
[0020]預(yù)制件(相對于其中含有的纖維而言是凸形的)再成形為預(yù)期部件的所需凸形/凹形形狀發(fā)生于初始成形過程之后或者每次在初始成形過程的子步驟之后。在此，預(yù)制件(初始形狀)或預(yù)制件的部分(所述部分未被再成形或者僅在稍后階段中再成形)是固定的。優(yōu)選地，彼此相對的至少兩個區(qū)域是固定的，其中在橫截面中觀察時，有待再成形的區(qū)域位于至少兩個相對的固定區(qū)域之間。
[0021]固定可以通過使用真空抽吸或者通過材料粘合將預(yù)制件夾持在不可彎曲或彈性模制部件之間來實現(xiàn)。特別注意通過使用加壓袋或管或者通過使用經(jīng)受真空的燒結(jié)金屬表面的新穎的纖維夾持。
[0022]再成形本身例如通過將沖模驅(qū)動到預(yù)制件中來實現(xiàn)。沖?？梢允枪潭ㄐ螤畹?，或者可以由彈性材料來設(shè)計或者設(shè)計為可填充流體介質(zhì)并且可膨脹的袋。在此，對立形式可以是必要的，預(yù)制件的有待變形的區(qū)域由沖模按壓到所述對立形式中。
[0023]因此，三維主體可以使用本發(fā)明的方法由纖維織物來制造，所述三維主體包括至少一個凹形區(qū)域，并且其中纖維織物的纖維以定義且可再生的方式在主體中相對于彼此布置。
[0024]此方法的優(yōu)點與常規(guī)成形方法相比特別明顯，其中從平坦的纖維半成品產(chǎn)生三維殼。取決于有待制造的形狀的深度，在此在部件形狀到半成品平面上的突出與三維形狀之間存在顯著的纖維長度差異。在平坦的紡織半成品到部件形狀的所謂拉動(深拉)期間產(chǎn)生顯著的走向扭曲。有時，此過程不可能以無褶皺的方式存在，且因此嚴重限制在合理的成本下部件的設(shè)計自由。
[0025]用于未完成的幾何結(jié)構(gòu)的工件載體和用于再成形的工具(再模制工具或再模制設(shè)備)可以是分離的部件。然而，再成形也可以在用于初始成形的工件載體上實現(xiàn)。此工件載體隨后以工具上部補充或者包括柔韌區(qū)域。在下文中，“柔韌”區(qū)域意味著易變形的區(qū)域或表面。
[0026]再模制設(shè)備的工件載體、下部和/或上部在部分區(qū)域中也可以具有可變幾何結(jié)構(gòu)(柔韌區(qū)域)。在此，變化可以通過由不可彎曲或彈性材料制成的滑塊或者通過引入或排出可變形設(shè)備(諸如袋)中的流體介質(zhì)來實現(xiàn)。
[0027]除了纖維之外，如果纖維織物含有影響纖維的黏合的添加物，則此黏合的效果必然因此受到逆轉(zhuǎn)或減少。在有熱啟動/再啟動的樹脂或粘合劑的情況下，這通過加熱預(yù)制件產(chǎn)生。
[0028]作為其他變體，可以在二次成形中將用于保護纖維、控制殘余變形和/或用于防止涂有粘合劑的纖維黏合到工具上的箔、薄膜或網(wǎng)狀材料插入到預(yù)制件與成形工具之間。
[0029]在初始成形過程的一個變體中，在將纖維鋪設(shè)在工件載體上的過程中直接引入一個或多個凹形區(qū)。為此，將纖維初始固定在工件載體上并向外橫跨在凹形區(qū)上。沖模將尚未進一步固定的纖維按壓到凹形區(qū)中，并且保持在此位置中，直到隨著時間過去纖維充分固定在工件載體上。如果有必要，則通過負壓或材料粘合將纖維保持在凹形區(qū)中，由此可以再次移除沖模。
[0030]用于夾持預(yù)制件的可填充壓縮空氣或加壓液體的上述可膨脹