纤维预成型件的自动化制造制造技术

一种用于在机床表面(12)上生产纤维预成型件的自动化方法。此种纤维预成型件被配置成用于通过树脂灌注接收液体树脂。在自动化铺放干燥纤维材料(11)的第一层片之前，将含有少量辐射吸收材料的一次性层(15)铺放到该机床表面上。将聚合物粘合剂颗粒或树脂粘合剂颗粒(16)施用在该一次性层(15)的暴露表面上以增强该第一层片的粘附性。该干燥纤维材料(11)可以呈可通过自动化铺放方法沉积到该机床表面上的细长窄宽度纤维带或较宽织物的形式。该一次性层(15)可以呈柔性聚合物膜、离型膜、剥离层片或聚合物涂覆的玻璃布的形式。

Automated Manufacturing of Fiber Preform Parts

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】纤维预成型件的自动化制造附图说明图1展示了用于将纤维带的第一层片(ply)铺设到机床(tool)表面上的示例性自动化方法。图2展示了可用于图1的方法的柔性膜。具体实施方式三维复合零件可由纤维增强的聚合物基质形成。这些零件可以使用不同的方法制造，其中之一是液体树脂灌注。树脂传递模制(RTM)和VARTM是涉及将液体树脂注入或灌注到纤维预成型件中的制造工艺的实例。该纤维预成型件足够多孔以允许树脂在树脂灌注操作期间完全灌注其中或将其完全浸渍。此类方法的示例性应用包括航空器机翼蒙皮和机身。在RTM工艺期间，将纤维预成型件置于封闭的模腔中，并且将树脂在压力下注入该腔体中。经常将具有预成型件的模具置于真空下，使得真空去除该预成型件中的所有空气并且加速RTM工艺。一旦液体树脂充满模腔，将该树脂固化，导致形成复合零件。VARTM类似于RTM，除了单面机床通常与真空装袋一起使用，并且真空将液体树脂拉入预成型件。这些技术非常适合于制造具有非常复杂形状的结构零件。传统上，用于通过液体模制形成复合零件的干燥纤维预成型件通过手动铺叠操作制备，其中叠加的干燥纤维材料层铺设在基本上限定复合零件形状的机床上。纤维材料层可以呈非织造或织造织物例如非卷曲织物(NCF)的形式，这些织物尚未预浸渍有树脂。在将层铺叠到机床上时，操作者必须小心以使它们采取该机床的形状而不引起起皱或起拱。此类手动操作既费力又缓慢。用于形成复合零件的另一种制造方法是预浸料铺叠工艺，其中将经树脂浸渍的复合材料层以堆叠排列方式一个在另一个上面地铺叠在机床表面上，该机床表面可以再产生复合零件的形状。然后将复合层的叠层固结并且固化以产生硬化的复合零件。自动化铺放方法(诸如自动化增强铺设(ATL)和自动化纤维铺放(AFP))已被用于逐层构建可固化预浸料零件。ATL或AFP工艺涉及将多个窄宽度的扁平复合材料条带并排地自动分配到机床表面上以产生大尺寸的层，称为“层片”。将另外的层片按顺序构建到先前布置的层片上以产生具有所希望的厚度的叠层。每个复合材料条带，也称为“预浸料带”，由浸渍有树脂或聚合物材料的增强纤维构成。这些增强纤维可以是单向碳纤维，这些纤维浸渍有将在固化时硬化的热固性树脂或嵌入热塑性基质中，该热塑性基质可以用加热模制为所希望的形状。术语“单向”是指在一个方向上对齐。此类经预浸渍的纤维通常在室温下是触摸起来发粘的(或粘的)，或者当加热到或高于树脂或聚合物的软化或熔融温度时变为这样。此自动化铺放方法是高速进行的，并且典型地能够以与所选机床表面的表面对应的多种构型来铺设预浸料带，该表面会再产生最终复合零件的形状。ATL或AFP机器通常包括纤维铺放头、用于使该纤维铺放头在不同方向中跨越机床表面移动的机器人系统、其上缠绕预浸料带的连续条带的储存纱架、以及用于将这些带从这些纱架引导到该纤维铺放头上的机构。该纤维铺放头包括可旋转的压实辊和用于将这些带从纱架输送到该压实辊的输送装置。该压实辊被配置成用于与机床表面接触，以便将这些带施加在机床表面或先前布置的带层片上。该机器还包括切割装置，例如刀片，用于从供应纱架切割连续增强件的长度。该铺放头可被配置成用于在单次通过期间同时沉积多个带。该铺放头与控制其移动的机器人系统连接。该机器人系统是软件程控的以引导所需的纤维铺放头的所有横向和竖向运动。该机器人系统可包括安装在地面上或安装在线性轴上的具有固定该纤维铺放头的端机械腕接头的标准六轴机器人多铰接臂、或者配备有携带该铺放头的末端机械腕接头的直角坐标机器人。“直角坐标机器人”是指具有三个彼此成直角的线性控制主轴的机器人。也就是说，该机器人以直线移动而不是旋转。这三个滑动接头对应于使机械腕上下、进出、和前后移动。来自科里奥斯复合材料公司(CoriolisComposites)、MTorres公司和AutomatedDynamics公司的带有机器人纤维铺放头的可商购的ATL/AFP机器是上面讨论的ATL/AFP机器的实例。在典型的ATL/AFP操作中，铺放头在机床表面上进行重复通过，以便以限定的图案将多个带并排铺设直到形成所希望的尺寸的第一层片。在每次通过期间，该铺放头相对于该机床表面移动时，该纤维铺放头将一个或多个连续带从一个或多个供应纱架施加(或沉积)到机床表面上。在每次通过结束时切割一个或多个连续增强件的长度。在该第一层片的形成过程中，压实辊将带压在机床表面上，以便有助于这些带的粘附性。通过该铺放头在先前铺设的层片上的继续通过，逐层地构建多个带层片。压实辊将后续铺设的带压在先前铺设的带上以将这些叠加的带压实，即固结。该压实辊可包括由柔性材料制成的圆柱体，该圆柱体通过压缩可弹性变形。例如，该圆柱体可由非膨胀弹性体材料构成，该材料诸如硅酮、聚硅氧烷或聚氨酯。上述自动化铺放方法可用于形成纤维预成型件，将通过液体树脂灌注由该纤维预成型件形成复合零件。与已用于生产纤维预成型件的常规手动操作相比，该自动化铺放方法将提高加工速度并且降低成本。代替预浸料带，在自动化铺放方法中使用呈窄宽度纤维带或较宽织物形式的干燥纤维材料。该干燥纤维材料被认为是“干燥的”，因为它在室温下在触摸起来是干燥的(即，非粘性的)并且没有完全浸渍有树脂或嵌入树脂基质中。它主要含有增强纤维(按重量计大于50％)。因此，该干燥纤维材料保持多孔并且是液体特别是用于RTM和VARTM的液体树脂可渗透的。本文提供了解决方案以克服在自动化铺放工艺(诸如ATL和AFP)中涉及将干燥纤维材料的第一层铺放到机床表面上的问题。为此，在铺放该纤维材料的第一层之前，将含有少量辐射吸收材料的一次性层铺放到该机床表面上。该一次性层可以呈柔性聚合物膜的形式，该膜将在生产出预成型件之后被移除并且在复合制品的制造过程中不起其他作用。可替代地，该一次性层可以是稍后在该制造过程中起作用的材料。作为实例，该一次性层可以是剥离层片、离型膜或聚合物涂覆的玻璃布。如本文所用的术语“一次性层”是指在复合制品的制造中使用并且然后在已制造出最终复合制品后丢弃的层。选择该一次性层中的辐射吸收材料以吸收与安装在自动化铺放设备的纤维铺放头中的辐射能量源相同的频率或频率范围的能量。为了在自动化铺放期间进一步增强该纤维材料的第一层与该一次性层的粘附性，可以将少量聚合物粘合剂或树脂粘合剂预施用到该一次性层的上表面上。在此类实施例中，需要在将该纤维材料的第一层铺放在该一次性层上之前加热该一次性层上的粘合剂。如果该第一层必须在没有呈某种形式的粘合剂或粘结助剂的情况下结合到机床表面上，则结合过程很可能会失败。根据本披露的一个实施例，通过自动化方法生产纤维预成型件，该自动化方法包括：(a)将一次性层固定到机床表面上，该一次性层包含分散在该层内的呈微粒形式的辐射吸收材料；(b)以自动化方式将纤维材料的第一层片铺放到该一次性层上；(c)在该第一层片与该一次性层接触之前使用辐射能量源向该一次性层发射辐射，以便加热该一次性层，(d)用压实器件例如压实辊将该第一层片压在该一次性层上；(e)以自动化方式将一个或多个另外的纤维材料层片依次铺放到该第一层片上，并且用该压实器件将每个后续层片压在先前铺设的层片上。铺叠数个层片，直到产生具有所希望厚度的预成型件。每个纤维材料层片是多孔的并且是液体树脂可渗透的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于在机床表面上生产纤维预成型件的方法，该方法包括：(a)将一次性层固定到该机床表面上，所述一次性层包含分散在该层内的呈微粒形式的辐射吸收材料和在不与该机床表面接触的暴露表面上的聚合物粘合剂颗粒或树脂粘合剂颗粒；(b)通过自动化方式将纤维材料的第一层片铺放在该一次性膜上；(c)在该第一层片与该一次性层接触之前使用辐射能量源向该一次性膜发射辐射，以便加热该一次性层，(d)用压实器件将该第一层片压在该一次性层上；(e)通过自动化方式将一个或多个另外的纤维材料层片依次铺放到该第一层片上，并且用该压实器件将每个后续层片压在先前铺设的层片上，其中该纤维材料包含按重量计大于50％的增强纤维并且是多孔的。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2016.11.29 GB 1620227.71.一种用于在机床表面上生产纤维预成型件的方法，该方法包括：(a)将一次性层固定到该机床表面上，所述一次性层包含分散在该层内的呈微粒形式的辐射吸收材料和在不与该机床表面接触的暴露表面上的聚合物粘合剂颗粒或树脂粘合剂颗粒；(b)通过自动化方式将纤维材料的第一层片铺放在该一次性膜上；(c)在该第一层片与该一次性层接触之前使用辐射能量源向该一次性膜发射辐射，以便加热该一次性层，(d)用压实器件将该第一层片压在该一次性层上；(e)通过自动化方式将一个或多个另外的纤维材料层片依次铺放到该第一层片上，并且用该压实器件将每个后续层片压在先前铺设的层片上，其中该纤维材料包含按重量计大于50％的增强纤维并且是多孔的。2.如权利要求1所述的方法，其中，该一次性层是柔性聚合物膜，该柔性聚合物膜包含遍及该膜分散的辐射吸收材料颗粒。3.如权利要求2所述的方法，其中，该柔性聚合物膜包含选自以下的聚合物组分：聚酰胺、聚乙烯(PE)、乙烯-四氟乙烯共聚物(ETFE)、氟化乙烯丙烯共聚物(FEP)、和聚氟乙烯(PVF)、聚丙烯(PP)、聚芳基醚酮诸如聚醚醚酮(PEEK)、聚酰亚胺(诸如卡普顿)、聚氨酯、聚乙烯醇(PVOH)、硅酮、聚氯乙烯(PVC)、聚偏二氟乙烯(PVDF)、和乙烯氯三氟乙烯(ECTFE)。4.如权利要求3所述的方法，其中，该柔性聚合物膜包含聚酰胺作为主要组分，该聚酰胺占该聚合物膜的按重量计大于50％。5.如权利要求2至4中任一项所述的方法，其中，该柔性聚合物膜的厚度为最高达0.20mm，包括0.01mm至0.10mm的范围。6.如权利要求1所述的方法，其中，该一次性层是包含以下的无孔离型膜：聚合物组分，该聚合物组分选自：氟聚合物，包括乙烯-四氟乙烯共聚物(ETFE)、氟化乙烯丙烯共聚物(FEP)、聚偏二氟乙烯(PVDF)、氯三氟乙烯(CTFE)、乙烯氯三氟乙烯(ECTFE)、聚氯三氟乙烯(PCTFE)、和聚氟乙烯(PVF)；聚烯烃，包括聚乙烯(PE)、HDPE和LDPE，聚丙烯(PP)，聚甲基戊烯(PMP)；聚氨酯(PU)；聚乙烯醇(PVOH)；聚酰亚胺(PI)；其共聚物及其组合；以及遍及该离型膜分散的辐射吸收材料颗粒。7.如权利要求6所述的方法，其中，该一次性层是包含氟聚合物作为主要组分的无孔离型膜，该氟聚合物占该聚合物膜的按重量计大于50％。8.如权利要求1所述的方法，其中，该一次性层是聚合物涂覆的玻璃布，该玻璃布包含其中分散有辐射吸收材料颗粒的聚合物涂层。9.如权利要求1所述的方法，其中，该一次性层是包含织造聚合物纤维薄片的剥离层片，并且这些辐射吸收材料颗粒掺入所述聚合物纤维中。10.如权利要求1所述的方法，其中，该一次性层是包含织造纤维薄片的剥离层片，并且这些辐射吸收材料颗粒被施用在这些织造纤维上。11.如权利要求9或10所述的方法，其中，该剥离层片中的织造纤维包括由选自以下的材料形成的纤维：聚酯、聚酰胺、玻璃、聚丙烯、和聚乙烯。12.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中，该辐射...

【专利技术属性】
技术研发人员：R帕金森，S希尔，R莫雷里亚，S格雷贝尔，
申请(专利权)人：塞特工业公司，
类型：发明
国别省市：美国,US