在生產(chǎn)纖維增強(qiáng)的成型部件過程中用于多階段生產(chǎn)三維預(yù)制件的方法、設(shè)備和預(yù)制件的制作方法
【專利說明】在生產(chǎn)纖維増強(qiáng)的成型部件過程中用于多階段生產(chǎn)三維預(yù)制件的方法、設(shè)備和預(yù)制件
[0001]本發(fā)明涉及一種根據(jù)權(quán)利要求1的前序部分的在生產(chǎn)纖維增強(qiáng)的成型部件過程中用于多階段生產(chǎn)三維預(yù)制件的方法、一種根據(jù)權(quán)利要求10的前序部分的在生產(chǎn)纖維增強(qiáng)的成型部件過程中用于多階段生產(chǎn)三維預(yù)制件的設(shè)備以及一種根據(jù)權(quán)利要求17和18的用于生產(chǎn)纖維增強(qiáng)的成型部件的預(yù)制件。
[0002]在纖維增強(qiáng)的塑料部件、也被稱為纖維復(fù)合部件的生產(chǎn)過程中，特別是作為工業(yè)應(yīng)用實(shí)踐中采用RTM方法(樹脂傳遞模塑)。直至可應(yīng)用的塑料部件的整個(gè)生產(chǎn)過程由若干個(gè)相繼進(jìn)行的個(gè)體過程構(gòu)成。在第一方法步驟中，生產(chǎn)接近于最終輪廓的預(yù)制件/纖維半成品，它們基本上已經(jīng)具有之后的塑料部件的外部形狀。在此預(yù)制過程(預(yù)制件的生產(chǎn))中，通常多層織物或者纖維墊(通常以二維的形式)被卡釘或者如有可能被接合(縫合、焊接、粘結(jié))，以使得纖維織物堆疊物基本上已經(jīng)具有所需的外部輪廓以及部分地還具有特別的層或者層厚度或局部特性(WO 2012156524A1)。較佳地，將粘合劑施加到各層的分離平面中，粘合劑在實(shí)現(xiàn)成型的三維形狀并且激活和硬化之后導(dǎo)致各層彼此固定并且導(dǎo)致對(duì)應(yīng)的3D輪廓(WO 2012156523A1)。對(duì)于預(yù)制過程，將織物堆疊物轉(zhuǎn)移到成型工具中并且通常在(相對(duì)較小的)壓力下通過閉合成型工具來接近于之后成型件的輪廓以及通過激活粘合劑(加熱和冷卻)來硬化，以使得纖維半成品可接近最終輪廓地自行置于用于實(shí)施RTM方法的壓力機(jī)的工具中(WO 2010103471A2)。根據(jù)需要，纖維半成品還被修整或者在預(yù)定的位置處沖切，以相對(duì)于之后的塑料部件達(dá)到更精確的纖維半成品(預(yù)制件)輪廓。在將纖維半成品置于較佳地適于RTM方法的壓力機(jī)的工具中之后，工具半件閉合并且將所需的樹脂注射到工具的空腔內(nèi)，其中，樹脂浸透纖維半成品的纖維結(jié)構(gòu)，包圍纖維并且將其牢固地包含到樹脂基質(zhì)中。在樹脂硬化之后，使纖維增強(qiáng)的塑料部件脫模。除了 RTM方法本身外，纖維半成品的生產(chǎn)為塑料部件的成功生產(chǎn)打下了基礎(chǔ)。已表明，現(xiàn)有技術(shù)描述了多種用于生產(chǎn)預(yù)制件的可能性，但這些可能性通常致力于手工或自動(dòng)地生產(chǎn)盡可能平整的纖維織物堆疊物，纖維織物堆疊物在壓力機(jī)中最后從2D形式轉(zhuǎn)換成3D形式。這能以預(yù)先固定(例如縫合)的方式或者還在靈活可變的狀態(tài)下實(shí)施。目標(biāo)是在成形之后獲得具有足夠固有剛度的預(yù)制件，以便能完全自動(dòng)化地和過程可靠地置于RTM壓力機(jī)的工具中，或者還能運(yùn)輸?shù)狡渌鼞?yīng)用并且進(jìn)行堆疊。
[0003]預(yù)成形或者生產(chǎn)預(yù)制件的基本目標(biāo)是在成形之后由不抗彎曲沖擊的材料獲得足夠彎曲剛性的預(yù)制件，以能夠完全自動(dòng)化地和方法技術(shù)上可靠地以及質(zhì)量上可復(fù)制地置于RTM壓力機(jī)的工具中或者運(yùn)輸?shù)狡渌鼞?yīng)用(修整、預(yù)處理等)并且進(jìn)行堆疊。
[0004]對(duì)于使由纖維織物構(gòu)成的多層二維料坯3D成形，還已知下述方法步驟:從卷退繞纖維織物或纖維料墊，并且根據(jù)需要由多種不同的織物或料墊、形狀和尺寸組裝成一個(gè)纖維堆疊物。在此必要的是，將外部輪廓以及如有可能內(nèi)部輪廓加工或裁剪成對(duì)應(yīng)于預(yù)制件或塑料成型件的模形。模形在此由預(yù)制件或者最終構(gòu)件的退繞來產(chǎn)生。較佳地，所制成的基本上平整的纖維堆疊物借助懸垂裝置進(jìn)行懸垂或者借助其成形為三維預(yù)成形件(W0 2012062 824 Al1WO 2012 062 825 Al1WO 2012 062 828 Al)。
[0005]用于生產(chǎn)預(yù)制件(預(yù)成形件)的其它已知的自動(dòng)化預(yù)成形技術(shù)采用張緊框架，在該張緊框架中由多種纖維墊料坯構(gòu)成的纖維料墊的整個(gè)層結(jié)構(gòu)在外邊緣處被張緊地保持。在張緊框架中對(duì)纖維料墊進(jìn)行加熱以熔化粘合劑。在下一步驟中，層結(jié)構(gòu)在具有上部工具和下部工具的成形壓力機(jī)中成形。冷卻的工具使粘合劑凝固，由此使預(yù)制件穩(wěn)定。這種方法的缺點(diǎn)在于:單獨(dú)各層的纖維墊料坯為了接納在張緊框架內(nèi)而必須比原本所需的待生產(chǎn)的預(yù)制件大得多。對(duì)于復(fù)雜的構(gòu)件，通常除了大面積的主預(yù)制件(主預(yù)成形件)外還生產(chǎn)一個(gè)或多個(gè)部分預(yù)制件(所謂的子預(yù)成形件)。這些部分預(yù)制件隨后與主預(yù)制件組裝在一起。在組裝時(shí)通常通過夾子來固定部分預(yù)制件。這種附加的安裝步驟是耗時(shí)、耗空間和高成本的。對(duì)于大體積的預(yù)制件，為了有序地進(jìn)行固定必須進(jìn)行大量夾持，以獲得穩(wěn)定的預(yù)制件，該預(yù)制件能可靠操作地置于壓力機(jī)模具內(nèi)。在壓力機(jī)模具中由多個(gè)部分預(yù)制件組裝出合適的預(yù)制件本身僅可在個(gè)別情況下進(jìn)行，因?yàn)閼?yīng)盡可能短地保持壓力機(jī)打開的時(shí)間。對(duì)于大量部分預(yù)制件的大工業(yè)生產(chǎn)來說還需要設(shè)置對(duì)應(yīng)數(shù)目的切割工具、操縱工具和懸垂工具。
[0006]總體來說，通過采用部分預(yù)制件，通常在組裝時(shí)會(huì)產(chǎn)生所屬各層之間凸顯的高度突變，這與通常存在的修邊以及由此隆起的纖維端部有關(guān)，這些端部除了已經(jīng)中斷的纖維線條外還會(huì)導(dǎo)致不利的力轉(zhuǎn)向。特別是在高度復(fù)雜的幾何形狀的情況下，這對(duì)于后續(xù)待生產(chǎn)的成型件而言是有害的。
[0007]此外，在間隔開地布置部分預(yù)制件時(shí)，產(chǎn)生沒有纖維填充的或多或少較大的距離，這種布置在過高的負(fù)載下會(huì)導(dǎo)致構(gòu)件斷裂，因?yàn)樨?fù)載流必須完全從纖維增強(qiáng)的區(qū)域轉(zhuǎn)移到?jīng)]有纖維的區(qū)域。
[0008]還為了避免這一問題，會(huì)在構(gòu)件厚度上(在組裝各個(gè)單獨(dú)的預(yù)制件時(shí)期望或不期望地)出現(xiàn)纖維料墊的搭接，搭接對(duì)于相同的構(gòu)件厚度來說是用于制成的構(gòu)件中纖維過量但樹脂不足的狀況，且最終避免在與樹脂的壓力機(jī)模具的注入過程中不是所有纖維能被最佳地潤(rùn)濕或者甚至不利地影響樹脂的流動(dòng)鋒面。
[0009]也為了消除該不良狀態(tài)，通常在構(gòu)件的(會(huì))出現(xiàn)這種搭接的位置處設(shè)置塑料構(gòu)件在搭接區(qū)域處的厚度突變。除了不需要的重量和隨之而來的樹脂損失之外，構(gòu)件還經(jīng)歷不良的幾何形狀的變化，以使得通常僅在這種情況下生產(chǎn)出僅具有“正面”的構(gòu)件。
[0010]接下來，將纖維料墊和層料墊基本上視為一致的，并且它們通常由多個(gè)彼此分層的纖維墊構(gòu)成，其中，較佳在現(xiàn)有技術(shù)中已有用于預(yù)制件的個(gè)體纖維料墊的命名方式，并且較佳地為了應(yīng)用于本發(fā)明，相繼采用用于生產(chǎn)部分預(yù)制件或預(yù)制件的多個(gè)層料墊。為了理解本發(fā)明，重要的是了解層料墊/纖維料墊以通常平面的定向放入懸垂裝置中，與此相反，預(yù)先制成的部分預(yù)制件至少已經(jīng)具有一定的3維輪廓并且根據(jù)需要之后進(jìn)行懸垂。因此，本發(fā)明將層料墊以及由此產(chǎn)生的部分預(yù)制件(3D輪廓)理解為基本上是流動(dòng)的。本發(fā)明的任務(wù)在于提供一種方法、設(shè)備和預(yù)制件，其中，借助預(yù)制件的多階段生產(chǎn)可改善部分預(yù)制件的層料墊之間或預(yù)制件之內(nèi)的過渡。在該任務(wù)的一種可能的擴(kuò)展中，可以基本上省略生產(chǎn)部分預(yù)制件或者可以在預(yù)制件的優(yōu)化的生產(chǎn)方法中明顯減少所需的部分預(yù)制件的數(shù)目。針對(duì)方法的任務(wù)的解決方案包括如下方法步驟:
[0011]1.1借助運(yùn)輸裝置將至少一個(gè)層料墊和/或部分預(yù)制件放入懸垂模具中，
[0012]1.2借助懸垂沖具沿懸垂模具的輪廓來使一個(gè)或多個(gè)層料墊變形，
[0013]1.3重復(fù)方法步驟1.1和1.2，直至由再成形的層料墊和/或部分預(yù)制件組裝成預(yù)制件為止。
[0014]針對(duì)所述設(shè)備的解決方案在于，在生產(chǎn)纖維增強(qiáng)的成型件的過程中為了由至少兩個(gè)層料墊和/或部分預(yù)制件多階段地生產(chǎn)出三維預(yù)制件，該裝置包括用于層料墊和/或部分預(yù)制件的至少一個(gè)懸垂裝置和至少一個(gè)運(yùn)輸裝置，其中，懸垂裝置至少包括用于纖維料墊的至少一個(gè)懸垂模具、以及懸垂沖具，其中懸垂沖具能向懸垂模具移動(dòng)，以根據(jù)懸垂模具的輪廓使層料墊和/或部分預(yù)制件變形和/或固定，且在該設(shè)備中布置有用于激活粘合劑的至少一個(gè)裝置，其中，懸垂沖具和運(yùn)輸裝置如此與所述設(shè)備的控制裝置有效連接，以使得所述設(shè)備適于以預(yù)先給出的次序、沿懸垂模具使較佳為不同的層料墊和/或部分預(yù)制件變形、整形或固定。
[0015]針對(duì)預(yù)制件的第一解決方案在于，在層料墊和/或部分預(yù)制件之間的至少一個(gè)沖擊邊緣處布置有階梯邊緣，該階梯邊緣較佳地具有與至少另一裝置的經(jīng)加強(qiáng)的搭接部。
[0016]在第二解決方案中，根據(jù)一個(gè)或多個(gè)方法權(quán)利要求的方法和/或在根據(jù)一個(gè)或多個(gè)裝置權(quán)利要求的裝置中生產(chǎn)預(yù)制件。
[0017]該任務(wù)特別是通過如下方式來解決:通過放入層料墊以及直接以相繼的次序在懸垂工具中進(jìn)行的懸垂來借助懸垂沖具“根據(jù)需求”生產(chǎn)出一種類型的部分預(yù)制件。
[0018]借助本發(fā)明現(xiàn)在可以根據(jù)幾何形狀或所提供的設(shè)備減少或者完全取消單獨(dú)生產(chǎn)的預(yù)制件的數(shù)目。由于使用了順序的懸垂過程，懸垂沖具僅以預(yù)先給出的次序移入懸垂模具內(nèi)，以使剛放入的層料墊變形，可以多階段地實(shí)施對(duì)由多個(gè)層料墊構(gòu)成的預(yù)制件的生產(chǎn)。部分地有意義的是:為了加速生產(chǎn)過程，將之前生產(chǎn)的部分預(yù)制件包含到該方法中。
[0019]較佳地規(guī)定，在懸垂工具中在線地監(jiān)測(cè)沖擊邊緣的形成或階梯邊緣的形成以及將后續(xù)的層料墊或者待添加的部分預(yù)制件精確地添加到階梯邊緣或沖擊邊緣處，以能夠控制沖擊邊緣的類型或拼接的質(zhì)量(對(duì)于具有高質(zhì)量要求的大量物件來說是可復(fù)制的)。
[0020]現(xiàn)在例如還可以在第一懸垂步驟中使大面積的層料墊變形，其中，在后續(xù)步驟中，鋪放具有明顯偏差的料坯幾何形狀(例如為了局部增強(qiáng))的層料墊或部分預(yù)