用于制造纤维预成形件的设备与方法,所述纤维预成形件尤其在制造纤维增强的塑料构件时是一种预备物

摘要

本发明涉及一种用于制造纤维预成形件（28、28.1）的设备和方法，所述纤维预成形件在制造纤维增强的塑料构件时例如是一种预备物，其中该设备具有多个退绕站（3、4）、多个抓取器（5、5.1）和至少一个第一成形工具（15、15.1），其中每个抓取器（5、5.1）可以在最大位置（8、8.1）与拿取位置（9、9.1）之间的路径上来回运动，其中拿取位置（9、9.1）设置在线递送部位（14、14.1）上并且拿取位置比最大位置（8、8.1）更接近于退绕站（3、4），其中第一成形工具具有在最大位置与线递送部位之间的连接线范围内的投放位置（15.1），并且具有在该连接线外的出发位置（15），并且第一成形工具（15、15.1）至少在出发位置（15）可转动和/或可倾斜，并且也可以在转动和/或倾斜位置中运动到各自的投放位置（15.1）。

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于制造纤维预成形件的设备，所述纤维预成形 件尤其在制造纤维增强的塑料构件时是一种预备物，其中该设备具有 多个用于提供多个线或纱的退绕站、多个抓取器和至少一个第一成形 工具，这些抓取器可以分别在线或纱的始端抓取单个或多个线或纱， 其中每个抓取器可以在最大位置与拿取位置之间的路径上来回运动， 并且其中拿取位置设置在线递送部位上并且拿取位置比最大位置更接 近于退绕站。

此外本发明尤其在使用该设备的情况下涉及一种用于制造纤维预 成形件的方法，所述纤维预成形件例如在制造纤维增强的塑料构件时 是一种预备物，该方法依次具有以下方法步骤：

-借助多个抓取器来拉紧用于第一层的线或纱，

-在第一成形工具上投放第一层，

-切断第一层的线或纱，

-借助多个抓取器来拉紧用于第二层的线或纱，

-在第一成形工具上投放另一层，

-切断第二层的线或纱，

背景技术

纤维增强的塑料由基质材料构成，该基质材料此外具有刚性并且 由纤维组成，所述纤维嵌入基质材料中并且所述纤维此外提供有抗拉 强度。纤维增强的塑料尤其用于高负荷的构件，所述构件然而应该还 要尽可能的轻。因为纤维在横向上不具有强度，所以纤维必须以如下 方式取向，即，其纵向长度与相应的负荷方向尽可能一致。为了实现 这个目的，纤维经常必须以不同的方向放置。纤维层与负荷越好而精 确地匹配，那么该构件也越好。针对由纤维增强的塑料组成的构件存 在许多制造方法。然而针对多件数的生产，当前仅在旋转对称或板状 或绳状的构件中通过缠绕或板按压或绳按压存在可以很好使用的方 法。

相反地，复杂的、高品质的3D结构仅可耗费巨大地制造，这是因 为必需的纤维成形件的建立是困难的、缓慢的和昂贵的。高品质的结 构大多利用无终端纤维来建立。在许多方法中，纤维成形件首先根据 期望的三维的构件形状，即所谓的预形状来制造，所述纤维成形件大 多由纤维构成，这些纤维经常以多层重叠地布置，以便得到必要的纤 维方向。紧接着，纤维预成形件于是利用基质材料来润湿或涂抹，有 时还被按压和最后被硬化。不仅为了制造纤维预成形件而且为了润湿 和/或硬化构件可以使用对应于期望的构件形状的成形工具，纤维预成 形件或构件放置和/或按压到成形工具上或成形工具中。

为了使纤维预成形件具有用于进一步处理的足够的形状稳定性， 纤维成形件设有少量胶或粘合剂，并且在三维的投放后例如通过干燥 或通过加热和冷却来固定。

纤维成形件大多通过叠置和固定预先制造的和预先连接的平面半 成品来制造。这些半成品例如是带子、纺织品、织物或纤维网（Vliese）， 其中许多单个的线或纱已经交织、缝合或粘接成平面的外形。也就是 说当纤维从线圈或线团中退绕时，在使用无终端纤维时将其称作线。 大量不可扭转地同时从线圈或线团退绕的线被称为线束或纱。在此纱 可以由最多几万条单线构成，所述单线也被称为细丝。

像也在DE 10 2008 011 658 A1中公知的那样，必需的单个部件按 照一种切割模板从平面半成品切割成，所述半成品大多作为卷材提供。 所述单个部件然后放置在成形工具上并且相互连接或按压。 DE 10 2008 011 658 A1同样示出通过粘接或缝合来制造这些半成品的 例子。尽管如此，很大一部分的手动操作经常是必要的。用于利用由 半成品组成的区段来机器制造简单的一维弯曲的预成形件的设备由 DE 10 2008 042 574 A1公知，所述预成形件预存在匣子中并且然后存 储在芯上。复杂的形状并不可机器地制造。

用于制造用于更复杂的构件的纤维预成形件的另一可能性是自动 化的纤维放置。在此细长的线束或由线束构成的带被纤维放置头件在 成形工具上来回引导，并且在此并排地和重叠地放置、按压和固定。 对于更复杂的构件来说，纤维放置头件的昂贵的机器人性质的控制是 必要的。即使在平行使用两个、三个或甚至四个纤维放置头件的情况 下，制造速度还是相对缓慢，这是因为头件通常必须经过长的路径， 并且这是因为所述头件连续地以细长的纤维束工作。此外，纤维放置 头件具有特别长和复杂的、用于多轴运动的放置头件的线圈架的线跟 踪装置。在软管中具有特殊的引导声音的这种线跟踪装置（以便阻止 纱的扭转）例如在US 2008/0202691 A1中示出。

发明内容

本发明的任务是创造一种用于制造纤维预成形件的设备和方法， 从而更复杂的、高品质的结构也能够更轻松地实现自动化地，在形状 和纤维取向方面灵活地、快速地且廉价地制造。

该任务通过具有根据权利要求1的特征的设备解决。其它有利的 特征在从属权利要求中提到。

根据本发明，该设备的特征在于，第一成形工具具有在最大位置 与线递送部位之间的连接线范围内的投放位置，并且具有在该连接线 外的出发位置，并且第一成形工具至少在出发位置可转动和/或可倾斜， 并且也可以在转动和/或倾斜位置中运动到各自的投放位置。由此可以 通过抓取器的简单的，尤其是线性的路径来同时拉紧多个线或纱，并 且多个层以不同取向依次投放在成形工具上。退绕站以及线引导装置 可以通过抓取器来保持位置固定。对于迟些时候的构件，期望的层取 向可以通过转动成形工具来获得。因而纤维预成形件的特别灵活的设 计是可能的，并且尽管如此，简单的自动化是可能的，而无需对线引 导路径的复杂计算。该设备由此如此设计，即，该设备适合于大于 2kg/min或甚至大于3kg/min的线或纱材料放置率。

因为取消了通常的平面半成品并且取而代之的是投放和制造直接 由线或纱组成的纤维预成形件，所以材料成本相对于公知的方法来说 明显更低。尽管如此，通过平行化可以达到短的制造时间。但由于预 制造，平面半成品是非常贵的。在明显三维的构件中，在使用大平面 半成品的情况下此外还存在形成褶皱的危险。另一方面在小平面的情 况下，用于切割和连接单个部件的费用会提高。

有利的是设置有第二成形工具，其可以与第一成形工具在投放位 置中聚在一起并且具有自身的出发位置。因而也可以更精确地制造更 复杂的三维形状，其方法是线或纱的列在两个成形工具之间投放或变 形。优选地，从第一成形工具看来，第二成形工具布置在拉紧的线或 纱的对置的侧面上。将第二成形工具运动到投放位置中可以优选与运 动第一成形工具同时进行或在运动第一成形工具之后进行。但是也可 以在运动第一成形工具之前进行。第一成形工具和/或第二成形工具也 可以多件式地实施。

为了获得尽可能良好的、至期望的形状的投放，第一成形工具和/ 或第二成形工具的在出发位置与投放位置之间的运动方向应该优选基 本上垂直于抓取器的路径而布置。可以考虑最多+/-30°的偏差。优选地， 抓取器的路径是近似水平的并且成形工具的运动方向是近似竖直的。 对于两个方向来说同样可以考虑最多+/-30°的偏差。抓取器的路径优选 在投放之前就近似与拉紧的线或纱一致。

特别有利的是，第二成形工具至少在出发位置可转动和/或可倾 斜，并且也可以在转动和/或倾斜位置中运动到相应的投放位置。转动 和/或倾斜对应于第一成形工具的转动和/或倾斜来实施。因此在以其它 纤维取向来投放另一层之后，或在以其它纤维取向来投放另一层时， 第二成形工具匹配于第一成形工具地聚在一起。优选地，第二成形工 具实施为帽件，该帽件匹配于第一成形工具，并且在所述第一成形工 具与所述第二成形工具之间留有用于线或纱的间隙。因此线或纱被精 确地带至，也就是说投放至期望的形状。

在投放时可能重要的是，调整或调节线或纱的应力。在投放期间， 例如在特别明显的三维的构件中，其中线或纱在投放时明显偏移，必 要时也可以补充调节线或纱的应力。因此额外地，优点在于设置有用 于调整和/或调节应力的拉紧装置。可以将应力在投放时保持恒定或保 持在预定的值范围中的拉紧装置是特别优选的。

根据本发明，第一成形工具和/或第二成形工具的转动轴线可以基 本上垂直于所述路径且基本上平行于第一成形工具和/或第二成形工具 的在出发位置与投放位置之间的运动方向。

此外第一成形工具和/或第二成形工具可以配备有加热装置和/或 按压装置。通过温度提高或压力提高可以激活存在于层中的粘合剂， 从而将线或纱以预定的形状固定并且彼此首先连接成一个层，随后连 接成纤维预成形件。例如丝线或纤维网可以作为粘合材料一起被投放， 所述丝线或纤维网至少部分由热塑性塑料或胶粘剂构成。由此对于固 定所必需的粘合材料也同时与纤维材料一起安放。粘合材料也可以通 过混合丝线（其除了纤维材料以外也包含粘合材料），或通过涂覆或 喷涂线或纱来引入。粘合材料也可以在投放线或纱后安放在，例如喷 涂在成形工具上。通过固定线或纱层来达到一定的稳定性，用于安放 线或纱的其它层或用于进一步处理线预成形件。

为了可以简单且灵活地匹配于不同的构件形式，第一成形工具和/ 或第二成形工具可轻松分离地固定在运动装置上，尤其是升降台或下 降装置上。因此线或纱的一个或多个层也可以和成形工具一起传递到 随后的、尤其是又根据本发明设计的设备上，以便在那里安放一个或 多个另外的层。

给设备供应线或纱通过退绕站来进行。退绕站可以例如实施成所 谓的线圈架。在此线或纱可以从线圈或线团（线桶）中拉出。每个线 递送部位从一个或多个退绕站得到线或纱。可以在线圈上或在线递送 部位上或在它们之间存在用于调节或调整线应力的装置。

优选还设置有可以在成形工具与抓取器之间切断线或纱的切断装 置，和/或设置有可以在成形工具与线递送部位之间切断线或纱的切断 装置。

此外有利的是，抓取器在其路径上可以占据不同的、个体的中间 位置，且这些抓取器可以在中间位置上抓紧线或纱各自的始端。由此 可以复制不同的形状。并且每个抓取器拉紧对于形状的相应部位所需 的那么多的线。也有利的是，单个的抓取器可以随着成形工具的外轮 廓定位在其路径上。也就是说，抓取器如此抓紧线或纱的始端，即， 抓取器尽可能接近于如下部位，在该部位上纤维预成形件将具有其边 缘，在该边缘上线在成形之后从成形工具上被切断。也就是说当成形 工具运动到用于成形的位置中时，或在多件式的成形工具中当若干成 形工具放到一起(zusammenfahren)时，抓取器定位在相应的线或纱离开 成形工具的地方。由此也在复杂结构的情况下仅产生昂贵的纤维材料 的少量下脚料，这在批量生产时是特别重要的。

该任务通过具有根据权利要求10所述的特征的方法，尤其是结合 根据设备权利要求之一所述的设备来解决。对于该方法的其它有利的 特征在从属权利要求中提到。

根据本发明，该方法的特征在于，投放相应通过将第一成形工具 移入到拉紧的线或纱的区域中来进行，第一成形工具在切断第一层的 线或纱之后且在投放其它层之前转动和/或倾斜。由此得到已经在描述 根据本发明的设备时提到的优点。

有利的是，拉紧如此进行，即，多个单独的抓取器在多个分别配 属于单个的抓取器的线递送部位上抓取单个或多个线或纱，抓取器然 后彼此在基本上平行的路径上运动，并且线或纱由此并排拉紧。此外 有利的是，多个抓取器可以在拉紧过程中同时地并且独立地相互运动。 由此，线或纱可以快速地平行地拉紧并且每个抓取器可以独立地工作。

优选地，转动绕一个轴线进行，该轴线基本上垂直于拉紧的线或 纱并且基本上平行于移入时的运动方向。此外有利的是，第一成形工 具以一个在10到170°之间的角度，优选在30到150°之间的角度，特 别优选在45到135°之间的角度转动。第二成形工具同样可以以一个在 10到170°之间的角度，优选在30到150°之间的角度，特别优选在45 到135°之间的角度转动。

此外有利的是，尤其通过加热和/或按压而在投放第一层与拉紧其 它层之间固定第一层。由此该第一层得到用于其它方法步骤或进一步 处理的足够的稳定性。优选地，每层都可以在投放之后，尤其是纤维 预成形件也在投放最后一层后固定。像提到的那样，这例如通过激活 粘合材料而发生。

固定可以直接在投放时，也就是说在移入第一成形工具或第二成 形工具时开始或在这之后开始。线或纱的切断可以在固定期间或在固 定之后进行。

由此实现更精确的定形，即，在投放时第二成形工具，尤其是帽 件，与第一成形工具放到一起，从而使各自的层成形且必要时被固定。

为了以不同的纤维取向来建立具有多层的纤维预成形件，分别地 可以使用同一设备来投放第一层和其它层。在投放若干层之间，成形 工具相应地转动和/或倾斜。

但也可以设置具有两个或多个设备的一种生产线，其中第一层的 投放在设备中进行，第一成形工具随后递送到另一设备上并且在该另 一设备中投放其它层。带有处于成形工具上的层的成形工具的转动和/ 或倾斜可以在第一设备中或在其它设备中进行。因此也可以将多个层 依次安放在多个设备中，直到纤维预成形件完成。在此优选地，在每 个设备中安放且尤其也固定一个层。

附图说明

在参考附图的情况下借助实施例来阐述本发明的其它有利的特 征。在图1a-7b中示出在不同方法步骤中的根据本发明的设备的优选实 施形式：

图1a在抓取器取线或纱时的侧视图，

图1b在抓取器取线或纱时的俯视图，

图2a在拉紧线或纱后的侧视图，

图2b在拉紧线或纱后的俯视图，

图3a在第一层的第一投放步骤之后的侧视图，

图3b在第一层的第一投放步骤之后的俯视图，

图4a在第一层的第二投放步骤之后的侧视图，

图4b在第一层的第二投放步骤之后的俯视图，

图5a在切断线或纱后的侧视图，

图5b在切断线或纱后的俯视图，

图6a在转动成形工具后的，以及在抓取器为了第二层来取线或纱 时的侧视图，

图6b在转动成形工具后的，以及在抓取器为了第二层来取线或纱 时的俯视图，

图7a在第二层的第二投放步骤之后的侧视图，

图7b在第二层的第二投放步骤之后的俯视图，

并且在图8a-c中示出在不同方法步骤中的根据本发明的设备的其 它优选实施形式：

图8a在安放第一层之后的俯视图，

图8b在安放另一层之后的俯视图，

图8c在安放又一层之后的俯视图。

具体实施方式

随后详细描述图与实施例。

为此在该设备和方法的特别优选的实施形式中，该设备是适用的， 或者由该设备依次或彼此部分平行地实施如下方法步骤：

-提供线或纱并且也许还提供粘合材料

-抓取必需的线或纱并且也许还抓取粘合材料

-通过相应地定位抓取器来拉紧必需的线或纱

-经由第一成形工具进行第一投放

-利用第二成形工具进行第二投放

-使由线或纱组成的层固定

-在成形工具的两侧上切断线或纱

-回绕已给出的且非必需的线或纱

-打开成形工具

-转动或转交带有安放的层的成形工具

重复该流程以在同一设备中或在一个或多个其他根据本发明的设 备中安放其他层直到完成纤维预成形件。

例如由碳（Carbon）、玻璃或芳纶组成的纤维或其它纤维可以使 用为用于线或纱的纤维材料。热塑性或热固性塑料、环氧树脂、其它 塑料（聚合物）或其它树脂可以考虑为用于纤维增强塑料的基质材料。 热塑性塑料或胶粘剂可以使用为粘合材料。已经存在有混合线或混合 纱，也就是说，各纤维或线由粘合材料组成，或者粘合材料可以和线 或纱一起被抓取器拉紧，或者粘合材料被涂覆到或喷涂到被投放的线 或纱上。

在图1a和图1b中可看到设备的基本结构。线或纱的提供经由多 个退绕站进行，纤维材料以线圈或线团的形式（所谓的线桶）提供在 该退绕站中，并且它们以多排1、2并排地、依次地或相叠地布置。像 图1a所示那样，线圈也可以形成上排和下排。线或纱20的始端仅在 针对使用的退绕站3、4的相应使用的区域中示意性地示出。所有其他 始端也穿入相应的线递送部位14，从而这些始端可以被所属抓取器在 拿取位置9中抓住。因此这些总体上也被称为线圈架。

在另一侧上示出在其最大位置8中的抓取器5，该最大位置在该 情况下也相应于初始位置。抓取器的夹紧宽度是b并且所有抓取器的 总夹紧宽度是B。虽然仅示出了相同宽度的抓取器，具有不同宽度的抓 取器当然也是可能的。若干抓取器的最大位置和拿取位置也不必非得 在一条直线上。此外，示出有在升降台17上的第一成形工具15和示 出有实施为帽件的、在出发位置中的，也就是说在抓取器的路径外的 第二成形工具16。第二成形工具未在俯视图中示出。并且用于第二成 形工具的相应的运动装置或下降装置也未额外地示出。此外存在粘合 材料储备19，其例如可以布置在退绕站的排之间。

抓取器6处于拿取位置并且取出相应于其在设备中的布置的线或 纱，其方法是抓取器抓取线或纱的始端。抓取器可通过引导设备7，例 如杆或活塞移动。抓取器可以单独地，但是仅线性地并且在平行路径 上并排地在拿取位置与最大位置之间运动，由此，简单的自动化和快 速的平行运动是可能的。像示出的那样，多个退绕站可以组成一个组 并且配属于一个抓取器。一个抓取器可以抓取多个线或纱。无论如何， 都应该设置至少和抓取器一样多的退绕站。

图2a和图2b示出拉紧的线或纱21，通过朝其中间位置移动，抓 取器10拉出所述线或纱。这可以通过主动驱动的退绕来支持。当成形 工具被带到其投放位置时，中间位置接近于成形工具的外轮廓或接近 于外轮廓的迟些时候的位置。和线或纱一起，粘合材料18也可以例如 以粘合剂丝线或粘合剂纤维网的形式被抓取器一起拉紧。像示出的那 样，也可以提供有退绕站的上排和下排，从而粘合材料在线或纱的上 列与下列之间拉紧。在拉出时，粘合材料可以在线递送部位14的区域 中，尤其通过加热装置来预激活，从而线或纱在投放开始时已经同时 相互固定。此外在线递送部位的区域中设置有分叉装置，其可以实施 成一种具有一排或多排齿的梳形件。因此确保线或纱处于平面覆盖的 并排状态并且在迟些时候的投放时也不会侧向滑动。分叉装置也可以 沿着线路径或沿着抓取路径移动。还示出一种用于线应力测量装置13 的可能性。

投放可以理解为例如借助成形工具来使线或纱变形或定形。投放 可以以一个或多个阶段进行，其方法是成形工具同时或依次运动到由 拉紧的线或纱组成的层中。在投放期间有利的是，可以调节线应力， 尤其是使线应力保持恒定。也就是说，提供有这么多的线或纱，其对 于在成形工具的相应部位上的投放来说是必需的。为了满足所述情况 可以设置有制动装置和联接装置。优选地，每个退绕站或每个退绕站 组配属一个相应的调节装置。因此防止过负荷或过松地布置线或纱。 线应力也可以通过适当的测量装置在线递送部位的区域中和/或在退绕 站与线递送部位之间测量。优选地，线应力的值位于1与50N/m²之间。

在图3a和图3b中示出第一投放之后的状态。第一成形工具15’ 被升降台17运动到投放位置中。由此线或纱22发生偏移并且通过成 形工具15’投放。抓取器10将线的始端固定在接近于成形工具15’的外 轮廓处。在该步骤后，替选地或额外地可以将粘合材料涂覆或喷涂到 线或纱上。

在下一个步骤中，线或纱借助第二成形工具16’（其朝投放位置运 动）进一步投放或变形（图4a和图4b）。通过两个成形工具的共同作 用（线或纱的层处在这两个成形工具之间）精确的造型是可能的。成 形工具也可以被按压在一起并且其中一个成形工具，优选第二成形工 具，或两个成形工具可以被加热，从而粘合材料被激活并且线或纱形 状稳定地固定成一个层。在该固定时或在该固定之后，在成形工具的 两侧的线或纱被切断，也就是说在抓取器与成形工具之间的和在线递 送部位与成形工具之间的线或纱被切断。在一个实施形式中，分离装 置可以与第一成形工具或第二成形工具连接。有利的是，分离至少在 线递送部位一侧上接近于成形工具地进行。由此只会产生昂贵的纤维 材料的很少的下脚料并且需要更少的纤维预成形件的补充加工。

切断的线或纱23可以通过反绕装置重新回拉并且绕上或通过相 应的线引导装置暂存起来。回绕通过如下方式进行，即，线或纱的始 端又处在线递送部位14的区域中，从而线或纱可以被抓取器拿取，而 没有太多的下脚料材料产生。为了抓住始端可以使用传感器。

在图5a和图5b中，线或纱已经回绕了或在线递送部位上被剪掉， 从而始端又处在线递送部位上。在抓取器上也仅形成很少的纤维材料 的下脚料24，这是因为抓取器相应接近于成形工具的外轮廓地定位并 且沿着成形工具的外轮廓定位，并且仅拉紧所需那么多的线。成形工 具15、16又进入它们的出发位置。在第一成形工具上保留有第一成形 层25。

图6a和图6b示出在转动情况下的第一成形工具15和第二成形工 具16。在此它们转动90°。但是另一转动角度，例如30°、45°、60°或 翻转也是可能的。转动角度优选处在10°到170°之间。这取决于如下， 即，其它线或纱层应该如何安放或者其它线或纱层以什么样的纤维取 向来安放。必需的抓取器6’处在拿取位置中，以便于抓取使用的线或 纱的始端20。

其它层的线或纱于是被拉紧到抓取器的中间位置并且被投放，其 方法是第一成形工具15’和第二成形工具16’移动到投放位置中。

图7a和图7b示出在线或纱被切断之后的设备。使用的抓取器11 处在中间位置。在非矩形的成形工具或其它转动角度的情况下，若干 抓取器11也可以处在不同的中间位置中。由线或纱组成的和可能由粘 合材料组成的其它层同样可以通过加温和/或按压形状稳定地固定并且 与第一层连接。它们一起形成纤维预成形件28。

在图8a中示出另一实施形式，比如该实施形式例如可以在制造引 擎罩的纤维预成形件中使用。使用的抓取器10.1处在中间位置，不需 要的抓取器5.1处在最大位置8.1。线或纱的第一层在第一成形工具15.1 上进行投放和固定。第二成形工具未示出。线或纱储备在退绕站1.1、 2.1中。此外存在粘合材料储备19.1和线递送部位14.1。

一个或多个其它层的安放可以在同一设备中进行或者在另一根据 本发明的设备或多个其它根据本发明的设备中进行，第一成形工具与 第一层一起递送到这些设备中。在图8b中，另一层26.1投放到经过转 动的成形工具上。为了清楚起见仅示出几条线或纱。使用的抓取器11.1 沿着成形工具的外轮廓并且尽可能精确地描绘出该外轮廓。为了更精 确的匹配可以使用更细的或不同宽度的抓取器。

图8c示出如何安放又一层。使用的抓取器12.1又沿着外轮廓。在 固定后，这些层一起形成纤维预成形件28.1。

附图标记列表