自动化纤维铺放系统和方法以及由其生产的物品技术方案

本发明专利技术的名称是自动化纤维铺放系统和方法以及由其生产的物品。自动化纤维铺放方法(300)包括将第一数量的脉冲能量(122)输送到至少一个纤维增强的带条(104)的第一不连续部分(124)，和将第二数量的脉冲能量(123)输送到至少一个纤维增强的带条(104)的第二不连续部分(125)，其中第二不连续部分(125)与第一不连续部分(124)交替。第一数量的脉冲能量(122)将第一不连续部分(124)加热到第一温度。第二数量的脉冲能量(123)将第二不连续部分(125)加热到第二温度。自动化纤维铺放方法(300)还包括：沿虚拟曲线路径(128)在衬底(116)上铺设至少一个纤维增强的带条(104)，使得(i)至少一个纤维增强的带条(104)在虚拟曲线路径(128)上居中，和(ii)第一不连续部分(124)被转化成在几何结构上不同于第一不连续部分(124)的不连续带区域(148)。

【技术实现步骤摘要】
自动化纤维铺放系统和方法以及由其生产的物品
本公开涉及自动化纤维铺放。
技术介绍
自动化纤维铺放(AFP)——也称为高级纤维铺放——是一种自动化过程，通过该过程，将预先浸渍有树脂的纤维束(预浸料束)由AFP机铺放并压紧在工具上。预浸料束通常为细长带的形式。预浸料束的增强纤维(如，碳纤维)具有高的刚度和高的拉伸强度，并因此不会拉伸或压缩。结果，预浸料束不能在不将预浸料束从工具或预浸料束放置在其上并压紧的其他表面上剥离的情况下在大阈值半径以下平面内弯曲。例如，在本领域中已知，当利用现有的AFP技术时，0.5英寸(13毫米)的预浸料束不能以小于大约300英寸(7.6米)的半径平面内弯曲。通常，将预浸料束轻微弯曲或以直的平行长度铺放以构成一个层片，然后与另外层片以相对于第一层片成+45°、-45°和90°的角度层叠(layered)。
技术实现思路
因此，旨在解决至少上述问题的装置和方法将找到实用性。以下是本文所公开主题的实例的非穷举性列举，其可以被要求保护或可以不被要求保护。本文所公开的主题的一个实例涉及自动纤维铺放系统。自动纤维铺放系统包括分配器、压实器、转向机构、能量源和控制器。分配器配置为分配至少一个纤维增强的带条。至少一个纤维增强的带条包括第一纵向带边缘和第二纵向带边缘，其中第二纵向带边缘平行于第一纵向带边缘并且与第一纵向带边缘间隔开带条宽度。至少一个纤维增强的带条包括树脂带基体和嵌入在树脂带基体中的单向增强纤维。压实器配置为接收来自压实器的前侧的至少一个纤维增强的带条，并且将至少一个纤维增强的带条压实在衬底上。转向机构配置为在相对于衬底的二维或三维空间中的至少一个中操纵分配器和压实器。能量源配置为将第一数量的脉冲能量和第二数量的脉冲能量输送到压实器的前侧，以分别将至少一个纤维增强的带条的第一不连续部分加热到第一温度，和将至少一个纤维增强的带条的第二不连续部分加热到第二温度，其中至少一个纤维增强带条的第二不连续部分与第一不连续部分沿至少一个纤维增强带条交替。控制器被编程为控制来自分配器的至少一个纤维增强的带条的进给速率或者第一数量的脉冲能量或第二数量的脉冲能量中的至少一个的脉冲频率、脉冲功率或脉冲持续时间中的至少一个。控制器还被编程为选择性地使转向机构在衬底上至少沿虚拟曲线路径铺放至少一个纤维增强的带条，使得(i)至少一个纤维增强的带条在虚拟曲线路径上居中，和(ii)至少一个纤维增强的带条的第一不连续部分被转化成在几何结构上不同于第一不连续部分的不连续带区域。将第一数量的脉冲能量和第二数量的脉冲能量输送到纤维增强的带条的交替的不连续部分，导致产生与第一不连续部分相对应的间隔开的不连续带区域。因此，当控制器使转向机构沿虚拟曲线路径铺放纤维增强的带条时，彼此间隔开的第一不连续部分在几何结构上转化成不连续带区域。重要的是，如本文所讨论，第一数量的脉冲能量可以由控制器控制，使得即使当虚拟曲线路径具有紧凑的半径时，压实的纤维增强的带条也不会从衬底剥离。因此，自动化纤维铺放系统可用于构造具有比以前可能的更复杂的表面轮廓的纤维增强复合结构。此外，自动化纤维铺放系统可用于制造复合部件，其中单向增强纤维在整个复合部件中以所需和/或预定方向取向，诸如限定利用标准的0°、+45°、-45°和90°叠层技术不可能的复合部件的所需性能。本文公开的主题的另一实例涉及自动化纤维铺放系统。自动化纤维铺放系统包括分配器、压实器、转向机构、能量源和控制器。分配器配置成分配至少一个纤维增强的带条。至少一个纤维增强的带条包括第一纵向带边缘和第二纵向带边缘，其中第二纵向带边缘与第一纵向带边缘平行并且与第一纵向带边缘间隔开带条宽度。至少一个纤维增强的带条包括树脂带基体和嵌入在树脂带基体中的单向增强纤维。压实器配置为接收来自压实器的前侧的至少一个纤维增强的带条，并且将至少一个纤维增强的带条压实在衬底上。转向机构配置为在相对于衬底的二维或三维空间中的至少一个中操纵分配器和压实器。能量源配置为将第一数量的脉冲能量和第二数量的脉冲能量输送到压实器的前侧，以分别加热至少一个纤维增强的带条的第一部分和至少一个纤维增强的带条的第二部分，其中沿至少一个纤维增强的带条，至少一个纤维增强的带条的第二部分与第一部分交替。至少一个纤维增强的带条的第二部分中的每一个至少部分地与至少一个纤维增强的带条的第一部分中的两个相邻部分重叠，使得第一部分和第二部分的重叠区域具有高于第一部分和第二部分的非重叠区域的温度。控制器被编程为控制来自分配器的至少一个纤维增强的带条的进给速率或者第一数量的脉冲能量或第二数量的脉冲能量中的至少一个的脉冲频率、脉冲功率或脉冲持续时间中的至少一个。控制器还被编程为选择性地使转向机构在衬底上至少沿虚拟曲线路径铺放至少一个纤维增强的带条，使得(i)至少一个纤维增强的带条在虚拟曲线路径上居中，和(ii)至少一个纤维增强的带条的重叠区域被转化成在几何结构上不同于重叠区域的不连续带区域。通过用第一部分和第二部分产生重叠区域，第一数量的脉冲能量和第二数量的脉冲能量累积在重叠区域，导致重叠区域的温度高于非重叠区域的温度。因此，当控制器使转向机构沿虚拟曲线路径铺放纤维增强的带条时，彼此间隔开的重叠区域在几何结构上转化成不连续带区域。而且，由于可以通过控制器来控制第一数量的脉冲能量和第二数量的脉冲能量的脉冲持续时间，因此可以精确地控制重叠区域的间隔和宽度，诸如根据虚拟曲线路径的半径来改变。实际上，在一个或多个实例中，当控制转向机构以沿虚拟直线路径铺放纤维增强的带条时，可以消除重叠区域。重要的是，第一数量和第二数量的脉冲能量可以由控制器控制，以便即使当虚拟曲线路径具有紧凑的半径时，压实的纤维增强的带条也不会从衬底剥离。因此，自动化纤维铺放系统可用于构造具有比以前可能的更复杂的表面轮廓的纤维增强复合结构。此外，自动化纤维铺放系统可用于制造复合部件，其中单向增强纤维在整个复合部件中以所需和/或预定方向取向，诸如限定利用标准的0°、+45°、-45°和90°叠层技术不可能的复合部件的所需性能。本文公开的主题的另一个实例涉及制造的物品。制造的物品包括条带，条带包括第一纵向条带边缘和第二纵向条带边缘，其中第二纵向条带边缘平行于第一纵向条带边缘并且与第一纵向条带边缘间隔开条带宽度。条带沿虚拟曲线路径延伸并居中，该虚拟曲线路径包括具有弧长度和半径的弧。从垂直于虚拟曲线路径并与第一纵向条带边缘和第二纵向条带边缘相交的虚拟线上的虚拟点测量半径。条带宽度与半径的比大于或等于0.003。弧长度等于或大于半径与π/64的乘积。条带包括树脂条带基体和嵌入树脂条带基体中并沿虚拟曲线路径延伸的单向增强纤维。第一纵向条带边缘比第二纵向条带边缘更靠近虚拟点。条带进一步包括沿虚拟曲线路径间隔开的不连续条带区域。在每个不连续条带区域内，单向增强纤维中的最接近第一纵向条带边缘的一个比单向增强纤维中的最接近第二纵向条带边缘的另一个更弯曲(buckled)。弯曲的多个单向增强纤维中的单向增强纤维平行于虚拟表面中的最小虚拟表面，其连接第一纵向条带边缘和第二纵向条带边缘。可以通过根据本公本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种自动化纤维铺放系统(100)，其包括：/n分配器(102)，其配置为分配至少一个纤维增强的带条(104)，和其中：/n所述至少一个纤维增强的带条(104)包括第一纵向带边缘(106)和第二纵向带边缘(108)，其中所述第二纵向带边缘(108)平行于所述第一纵向带边缘(106)并且与所述第一纵向带边缘(106)间隔开带条宽度(110)；和/n所述至少一个纤维增强的带条(104)包括树脂带基体(130)和嵌入在所述树脂带基体(130)中的单向增强纤维(132)；/n压实器(112)，其配置为接收来自所述压实器(112)的前侧(114)的所述至少一个纤维增强的带条(104)，并且将所述至少一个纤维增强的带条(104)压实在衬底(116)上；/n转向机构(118)，其配置为在相对于所述衬底(116)的二维或三维空间中的至少一个中操纵所述分配器(102)和所述压实器(112)；/n能量源(120)，其配置为将第一数量的脉冲能量(122)和第二数量的脉冲能量(123)输送到所述压实器(112)的所述前侧(114)，以分别将所述至少一个纤维增强的带条(104)的第一不连续部分(124)加热到第一温度，和将所述至少一个纤维增强的带条(104)的第二不连续部分(125)加热到第二温度，其中所述至少一个纤维增强带条(104)的第二不连续部分(125)与所述第一不连续部分(124)沿所述至少一个纤维增强的带条(104)交替；和/n控制器(126)，其被编程为控制来自所述分配器(102)的所述至少一个纤维增强的带条(104)的进给速率或者所述第一数量的脉冲能量(122)或所述第二数量的脉冲能量(123)中的至少一个的脉冲频率、脉冲功率或脉冲持续时间中的至少一个，以及还被编程为选择性地使所述转向机构(118)在所述衬底(116)上至少沿虚拟曲线路径(128)铺放所述至少一个纤维增强的带条(104)，使得：/n所述至少一个纤维增强的带条(104)在所述虚拟曲线路径(128)上居中；和/n所述至少一个纤维增强的带条(104)的所述第一不连续部分(124)被转化成在几何结构上不同于所述第一不连续部分(124)的不连续带区域(148)。/n...

【技术特征摘要】
20190325 US 16/363,6911.一种自动化纤维铺放系统(100)，其包括：
分配器(102)，其配置为分配至少一个纤维增强的带条(104)，和其中：
所述至少一个纤维增强的带条(104)包括第一纵向带边缘(106)和第二纵向带边缘(108)，其中所述第二纵向带边缘(108)平行于所述第一纵向带边缘(106)并且与所述第一纵向带边缘(106)间隔开带条宽度(110)；和
所述至少一个纤维增强的带条(104)包括树脂带基体(130)和嵌入在所述树脂带基体(130)中的单向增强纤维(132)；
压实器(112)，其配置为接收来自所述压实器(112)的前侧(114)的所述至少一个纤维增强的带条(104)，并且将所述至少一个纤维增强的带条(104)压实在衬底(116)上；
转向机构(118)，其配置为在相对于所述衬底(116)的二维或三维空间中的至少一个中操纵所述分配器(102)和所述压实器(112)；
能量源(120)，其配置为将第一数量的脉冲能量(122)和第二数量的脉冲能量(123)输送到所述压实器(112)的所述前侧(114)，以分别将所述至少一个纤维增强的带条(104)的第一不连续部分(124)加热到第一温度，和将所述至少一个纤维增强的带条(104)的第二不连续部分(125)加热到第二温度，其中所述至少一个纤维增强带条(104)的第二不连续部分(125)与所述第一不连续部分(124)沿所述至少一个纤维增强的带条(104)交替；和
控制器(126)，其被编程为控制来自所述分配器(102)的所述至少一个纤维增强的带条(104)的进给速率或者所述第一数量的脉冲能量(122)或所述第二数量的脉冲能量(123)中的至少一个的脉冲频率、脉冲功率或脉冲持续时间中的至少一个，以及还被编程为选择性地使所述转向机构(118)在所述衬底(116)上至少沿虚拟曲线路径(128)铺放所述至少一个纤维增强的带条(104)，使得：
所述至少一个纤维增强的带条(104)在所述虚拟曲线路径(128)上居中；和
所述至少一个纤维增强的带条(104)的所述第一不连续部分(124)被转化成在几何结构上不同于所述第一不连续部分(124)的不连续带区域(148)。


2.根据权利要求1所述的自动化纤维铺放系统(100)，其中所述控制器(126)进一步被编程以选择性地使所述转向机构(118)转向所述至少一个纤维增强的带条(104)在所述衬底(116)上至少沿所述虚拟曲线路径(128)的铺放，以便：
所述虚拟曲线路径(128)包括弧(156)，其具有从垂直于所述虚拟曲线路径(128)并与所述第一纵向带边缘(106)和所述第二纵向带边缘(108)相交的虚拟线(138)上的虚拟点(136)测量的半径(134)；
所述带条宽度(110)与所述半径(134)的比等于或大于0.003；
在每个所述不连续带区域(148)内，所述单向增强纤维(132)中最靠近所述第一纵向带边缘(106)的一个比所述单向增强纤维(132)中最靠近所述第二纵向带边缘(108)的另一个更弯曲；和
弯曲的所述单向增强纤维(132)中的一些平行于所述衬底(116)。


3.根据权利要求2所述的自动化纤维铺放系统(100)，其中所述控制器(126)进一步被编程以选择性地使所述转向机构(118)转向所述至少一个纤维增强的带条(104)在所述衬底(116)上至少沿所述虚拟曲线路径(128)的铺放，使得所述弧(156)的弧长度(154)等于或大于所述半径(134)和π/64的乘积。


4.一种自动化纤维铺放方法(300)，其包括以下步骤：
将第一数量的脉冲能量(122)输送到至少一个纤维增强的带条(104)的第一不连续部分(124)；
将第二数量的脉冲能量(123)输送到至少一个纤维增强的带条(104)的第二不连续部分(125)，所述第二不连续部分(125)与所述第一不连续部分(124)交替，和其中：
所述第一不连续部分(124)中的任何两个相邻部分通过所述第二不连续部分(125)中的一个彼此隔开；
所述第一数量的脉冲能量(122)将所述至少一个纤维增强的带条(104)的所述第一不连续部分(124)加热到第一温度；
所述第二数量的脉冲能量(123)将所述至少一个纤维增强的带条(104)的所述第二不连...

【专利技术属性】
技术研发人员：B·A·约翰逊，S·高斯，K·F·马利克，
申请(专利权)人：波音公司，
类型：发明
国别省市：美国;US