使用轉(zhuǎn)向的不連續(xù)纖維預(yù)浸件形成復(fù)合特征的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本公開大體涉及使用纖維預(yù)浸件制作復(fù)合材料層壓件結(jié)構(gòu)，而且更特別地涉及用于通過以所需的纖維取向?qū)⒉贿B續(xù)纖維預(yù)浸件轉(zhuǎn)向(steering)到基板上形成復(fù)合結(jié)構(gòu)特征的方法和裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]可以在鋪放過程中通過控制纖維取向來優(yōu)化復(fù)合材料層壓件結(jié)構(gòu)的強度、剛度和負載傳遞特性?？梢允褂妙A(yù)浸帶、纖維束或?qū)挿锲罚捎米詣永w維安置設(shè)備或者手工安置技術(shù)鋪放材料來鋪放傳統(tǒng)的復(fù)合材料層壓件。一般地，所得的復(fù)合結(jié)構(gòu)大體上表現(xiàn)出整體一致的結(jié)構(gòu)特性。然而，在一些情況下，控制在復(fù)合材料層壓件的局部區(qū)域的厚度和/或纖維取向以便優(yōu)化其結(jié)構(gòu)特性和/或引起更高的局部應(yīng)力可以是必要的或期望的。
[0003]使用目前的制作過程控制局部厚度/纖維取向的能力受到限制。例如，自動纖維安置設(shè)備可以被用于將連續(xù)的纖維束轉(zhuǎn)向到基板上，但是能夠獲得的曲率半徑是有限的，因此使在具有緊密的輪廓的局部區(qū)域的纖維取向的控制困難。實現(xiàn)在層壓件的局部區(qū)域的厚度和/或纖維取向上的嚴密控制也可以是昂貴和耗時的。
[0004]因此，需要用于在層壓件的局部區(qū)域控制復(fù)合材料層壓件的厚度和/或纖維取向的方法和裝置以便優(yōu)化所述層壓件的結(jié)構(gòu)特性。還需要以上提到的類型的方法和裝置，該方法和裝置是有效的、高度可控的且其可以減少勞動力和材料成本。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]所公開的實施例提供了用于制作層壓件的復(fù)合特征的方法和裝置，其提供對在層壓件結(jié)構(gòu)的局部區(qū)域中的特征厚度和/或纖維取向的增加的控制，如在緊密的輪廓中和/或在層壓件厚度中的過渡內(nèi)?？梢凿伔艔?fù)合材料使得纖維取向與在層壓件選定的局部區(qū)域中的負載矢量是基本上連續(xù)對齊的，從而優(yōu)化了層壓件的結(jié)構(gòu)特性。
[0006]可以通過使用來源于其他產(chǎn)品/過程的廢料預(yù)浸件形成復(fù)合特征來減少提供具有期望結(jié)構(gòu)特性的層壓件結(jié)構(gòu)的局部區(qū)域所需要的復(fù)合材料的量。用于在本公開方法中使用的循環(huán)利用的廢料預(yù)浸件可以減少材料成本，因此優(yōu)化用于實施例的飛機應(yīng)用的購買對飛行比率(采購的材料重量與成品重量的比率)。實施例允許以不連續(xù)纖維預(yù)浸件的形式的復(fù)合材料被“轉(zhuǎn)向”到基板上以便獲得所需的纖維取向。
[0007]不連續(xù)纖維預(yù)浸件的使用允許對在所述層壓件的局部區(qū)域中的層壓件厚度變化上的更大的控制，同時允許在三個維度中局部剪裁層壓件厚度來提供在層壓件結(jié)構(gòu)的不同特征之間的平滑的過渡。此外，不連續(xù)纖維預(yù)浸件的使用允許倍增器或者其他具有緊密的輪廓和/或楔形邊緣的墊塊的形成來獲得結(jié)構(gòu)內(nèi)的平滑負載過渡。另外，不連續(xù)纖維預(yù)浸件漬的使用可以導致具有更高的纖維含量的復(fù)合特征。
[0008]根據(jù)一個公開的實施例，提供了形成具有不連續(xù)增強纖維的復(fù)合特征的方法。所述方法包括制備每個具有單向增強纖維的多個注入樹脂的纖維段；將所述注入樹脂的纖維段安置在基板上；以及編排所述注入樹脂的纖維段，使得被安置在所述基板上的所述注入樹脂的纖維段的增強纖維相對于所需的參考取向大體對齊。制備所述注入樹脂的纖維段包括將廢料纖維預(yù)浸件切短成單個的小片，其可以通過沿且在所述增強纖維之間使纖維預(yù)浸件斷裂或裂開為單個的小片來實現(xiàn)。將所述注入樹脂的纖維段安置在所述基板上包括移動施加器到所述基板的上方；以及當所述施加器移動到所述基板的上方時，從所述施加器將所述注入樹脂的纖維段分配到所述基板上。編排所述注入樹脂的纖維段包括當所述注入樹脂的纖維段正在從所述施加器被分配到所述基板上時對齊所述注入樹脂的纖維段。制備所述注入樹脂的纖維段通過從所述施加器拉伸連續(xù)的纖維預(yù)浸帶來執(zhí)行，以及當所述注入樹脂的纖維段從所述施加器被分配到所述基板上時將所述預(yù)浸帶切短成所述注入樹脂的纖維段。從所述施加器分配所述注入樹脂的段包括將所述注入樹脂的纖維段的帶寬分配到所述基板上。將所述注入樹脂的纖維段安置在所述基板上是通過使所述注入樹脂的纖維段從施加器頭部流動到所述基板上來形成。通過將所述注入樹脂的纖維段引入到空氣射流中、以及使用所述空氣射流投出所述注入樹脂的纖維段到所述基板上來實現(xiàn)注入樹脂的纖維段的流動。在所述注入樹脂的纖維段已經(jīng)被安置在所述基板上之后執(zhí)行注入樹脂的纖維段。所述方法可以進一步包括在所述注入樹脂的段被安置在所述基板上之前施加樹脂到所述基板。所述的方法也可以包括在所述注入樹脂的纖維段被安置在所述基板上之前在每個所述注入樹脂的纖維段的至少一端上施加樹脂。
[0009]根據(jù)另一個公開的實施例，提供了將復(fù)合材料鋪放在基板上的方法，所述方法包括將單個切短的纖維預(yù)浸段安置在所述基板上；以及控制在所述基板上的所述預(yù)浸段的取向。將所述預(yù)浸段安置在所述基板上通過沿所需的路徑移動施加器頭部到所述基板的上方，以及當所述施加器移動到所述基板上方時，從所述施加器頭部將所述注入預(yù)浸段分配到所述基板上來實現(xiàn)。控制所述預(yù)浸段的取向通過將從所述施加器頭部分配的所述預(yù)浸段對齊來實現(xiàn)?？刂扑鲱A(yù)浸段的取向包括在所述預(yù)浸段已經(jīng)被安置在所述基板上之后改變所述預(yù)浸段的取向。
[0010]根據(jù)又一個實施例，提供了復(fù)合材料層壓件結(jié)構(gòu)鋪層，包括多個復(fù)合材料層，每層包括具有對齊的纖維取向的多個單個的切短的纖維預(yù)浸段。所述切短的纖維預(yù)浸段的所述纖維取向與通過所述復(fù)合材料層壓件結(jié)構(gòu)的非線性負載路徑大體對齊。每個所述單個的切短的纖維預(yù)浸段具有約6:1的長寬比。所述多個復(fù)合材料層具有特制的橫截面形狀且沿鋪層的長度是波狀外形的。
[0011]根據(jù)再一個公開的實施例，提供了用于鋪放復(fù)合結(jié)構(gòu)的裝置。所述裝置包括適應(yīng)于在基板的表面上方移動的施加器，而且將至少一束大體對齊的切短的、注入樹脂的纖維段分配到基板的表面上。所述裝置也可以包括用于在基板上方沿預(yù)先選擇的路徑移動所述施加器的計算機控制的操縱器。所述施加器包括連續(xù)注入樹脂的纖維的供應(yīng)源，以及用于將所述連續(xù)的注入樹脂的纖維切短成單個的注入樹脂的纖維段的切碎機。施加器可以進一步包括用于將所述注入樹脂的纖維段從所述施加器攜帶到所述基板上的空氣射流發(fā)生器。所述施加器可以適合于同時將多束大體對齊的切短的、注入樹脂的纖維段分配到所述基板上。所討論的這些特征、功能和優(yōu)點能夠在本公開的各種實施例中獨立實現(xiàn)或者在其他實施例中被組合。參考后面的【具體實施方式】和附圖能夠了解實施例的進一步的細節(jié)。。
[0012]總之，根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供了形成具有不連續(xù)增強纖維的復(fù)合特征的方法，包括制備每個具有單向增強纖維的多個注入樹脂的纖維段；將所述注入樹脂的纖維段安置在基板上；以及編排所述注入樹脂的纖維段，使得被安置在所述基板上的注入樹脂的纖維段的增強纖維相對于所需的參考取向是大體對齊的。
[0013]有利地，在所述方法中，制備所述注入樹脂的纖維段包括將廢料纖維預(yù)浸件切短成單個的小片。
[0014]有利地，在所述方法中，制備所述注入樹脂的纖維段通過沿增強纖維且在所述增強纖維之間使纖維預(yù)浸件裂開為單個的小片來實現(xiàn)。
[0015]有利地，在所述方法中，將所述注入樹脂的纖維段安置在所述基板上包括移動所述施加器到所述基板的上方；以及當所述施加器在所述基板的上方移動時，從所述施加器將所述注入樹脂的纖維段分配到所述基板上。
[0016]有利地，在所述方法中，編排所述注入樹脂的纖維段包括當所述注入樹脂的纖維段正從所述施加器被分配到所述基板上時對齊所述注入樹脂的纖維段。
[0017]有利地，在所述方法中，制備所述注入樹脂的纖維段通過從所述施加器拉伸連續(xù)的纖維預(yù)浸帶，以及當所述注入樹脂的纖維段從所述施加器被分配到所述基板上時將所述預(yù)浸帶切短成所述注入樹脂的纖維段來實現(xiàn)。
[0018]有利地，在所述方法中，從所述施加器分配所述注入樹脂的纖維段包括將所述注入樹脂的纖維段的帶寬分配到所述基板上。
[0019]有利地，在所述方法中，將所述注入樹脂的纖維段安置在所述基板上通過將所述注入樹脂的纖維段引入到空氣射流中、以及使用所述空氣射流使所述注入樹脂的纖維段從施加器頭部流動到所述基板上來實現(xiàn)。
[0020]有利地，在所述方法中，通過將所述注入樹脂的纖維段引入到空氣射流中，以及使用所述空氣射流投出所述注入樹脂的纖維段到所述基板上來實現(xiàn)使所述注入樹脂的纖維段流動。
[0021]有利地，在所述方法中，編排所述注入樹脂的纖維段在所述注入樹脂的纖維段已