CN102648082B - 包括具有热调节系统的挠性压紧辊的纤维施加机 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于生产由合成材料制成的部件的纤维施加机，包括：压紧辊(2)，其用于在施加表面上施加由至少一种树脂预浸渍扁平纤维形成的带；以及加热系统，其能够朝向带发出热辐射。所述压紧辊包括：刚性中央管(4)，其设置有径向孔(41)；以及滚筒(3)，其由可弹性变形的挠性材料制成并装配在所述中央管上，并且具有能够使得所述径向孔与所述滚筒外表面(33)流体连通的流体连通器件(32，34，35)。所述纤维施加机包括热调节器件，该热调节器件能够在所述中央管的内部通道(42)中注入热调节流体。

Description

包括具有热调节系统的挠性压紧辊的纤维施加机
技术领域
本发明涉及一种纤维施加机，其用于生产由合成材料制成的部件，特别是，这种纤维施加机包括纤维加热系统和耐热压紧辊。
背景技术
已经公知一些纤维施加机，其用于在阳模或阴模表面上施加至少由条带状树脂预浸渍的扁平纤维形成的宽带(wide band)，特别是用热塑性或热固性的树脂预浸渍的碳纤维形成的宽带，特别是所谓的纤维铺放机，其用于施加由多个树脂预浸渍纤维形成的宽带。
如在专利文献WO 2006/092514中所描述的，这种纤维铺放机典型地包含纤维铺放头以及用于移动所述纤维施加头的系统。典型的，所述纤维铺放头包括：压紧辊，其用于接触模具以便施加预浸渍的纤维带；导向器件，其用于在所述压紧辊上引导带形式的纤维；以及加热系统，其用于加热预浸渍的纤维。
所述压紧辊抵靠着模具施加表面按压纤维带，或者抵靠着预先堆积的一条或多条纤维带按压纤维带，从而使所述多个堆积带相互之间的粘合变得容易，并且使在堆积带之间困住的空气逐渐地排出。
所述加热系统加热预浸渍的纤维带、和/或模具、或者正好在压紧所述带之前已经被施加在压紧辊的上游的带，从而至少使树脂软化并且因此提升带相互之间的粘合性。一般来说，所述带加热系统至少提供正好在带压紧之前对带的加热。
为了确保在带的整个宽度上大体均匀的压紧，所述纤维铺放头有利地包括能够适于施加表面的压紧辊，并且优选地包括由挠性材料构成的压紧辊，所述压紧辊可弹性地变形，一般为弹性材料。
对热固性树脂而言，所述预浸渍的纤维仅以典型的大约40℃的温度被加热到使其软化。在这个温度下，弹性材料的挠性辊可有利地被使用。在施加了几层层叠的带之后，通过使形成的部件在炉内穿过，通常是在高压炉内穿过，形成的部件通过聚合作用被真空硬化。
对热塑性树脂而言，所述预浸渍的纤维必须在较高温度下加热，至少达到树脂的熔化温度，即，对于尼龙型树脂为大约200℃，对于PEEK型树脂为大约400℃。形成的部件的硬化工序，即所谓的固结工序在之后通过使其在炉内穿过而有利地实施。
在施加带期间实施的加热可通过激光型加热系统来实现，以获得集中并且强烈的加热。由于较高的加热温度，所述纤维铺放头设置有耐热金属压紧辊，所述耐热金属压紧辊也可通过水道从内部被冷却。
为了适应施加表面的轮廓，已经提出了分段的金属压紧辊，其包括在同一轴线上并排安装的多个独立的辊段，每段可独立且径向地运动，并且抵靠施加表面被弹性地偏置。然而，这种分段的金属辊的结构及其实施被证明是非常复杂的。
由包括热稳定剂的所谓的高温弹性材料构成的挠性辊也已被测试。然而，这些辊被证实对于热塑性树脂的实施是不理想的。
为了使在热塑性树脂的工作温度下使用挠性辊成为可能，特别在专利文献FR 2 878 779中已经提出设置有两个压紧辊的头，其中加热系统在两个辊之间起作用并且在两个辊之间输出大体垂直于带的热辐射。这种双辊头表现了更大的阻碍，其阻止纤维堆积在特定的施加表面的轮廓上。此外，对于预先堆积的带的用于通过焊接(welding)而粘合到新的施加带上的加热仅仅通过热传导完成，其构成对于纤维施加速度的限制因素。
发明内容
本发明主要提供一种解决方案以克服前述缺点，特别是使得实施从热固性到热塑性树脂等多种类型的树脂成为可能，并且能够大体均匀地压紧施加带，并且其可被容易得设计和制成。
为此，本发明提出了一种纤维施加机，其用于生产由合成材料制成的部件，其包括：
-压紧辊，其用于在施加表面上施加由至少一个树脂预浸渍的扁平纤维形成的带，优选地由多个树脂预浸渍的扁平纤维形成的带，所述压紧辊包括：刚性中央管，从而所述辊旋转地安装在所述纤维施加机的支撑结构上；以及由可弹性变形的、挠性或非刚性的材料制成的滚筒，其被同轴地装配在所述中央管上；以及
-加热系统，其能够正好在压紧辊压紧所述带之前朝所述带发出热辐射；
其特征在于，所述中央管设置有径向孔，所述挠性材料滚筒具有流体连通器件，所述流体连通器件能够在所述径向孔与所述滚筒的外表面之间建立流体连通，所述纤维施加机包括热调节器件，所述热调节器件能够在中央管的内部通道中注入优选为气态的热调节流体。
依据本发明，所述纤维施加机包括挠性压紧辊，所述挠性压紧辊通过热调节系统利用热调节流体的循环进行热调节。所述热调节系统包括：
-孔，其在中央管的管状壁中形成，贯穿所述管状壁，所述中央管例如由金属制成和/或具有筒形横截面。
-流体连通器件，其设置在挠性材料滚筒上以允许热调节流体从径向孔向着滚筒的外表面通过滚筒的热循环。
-以及热调节器件，其能够在中央管的内部通道内至少从其一端注入热调节流体，所述热调节流体优选为气态的，有利的是冷却的或是室温的气体，特别是空气，所述热调节流体穿过径向孔，横穿挠性材料滚筒以达到滚筒的外表面。
关于室温的热调节流体，包括例如在15℃和30℃之间的热调节流体，或者以低于15℃的温度冷却的流体，热调节流体在压紧辊内的循环使得在表面上以及在挠性材料滚筒的整个厚度上冷却压紧辊成为可能，并且因此使得使用一种可用于施加用树脂特别是热塑性树脂预浸渍的纤维的稳定的挠性材料压紧辊成为可能。依据本发明的纤维施加机包括简化设计的压紧辊，使多种热固性或热塑性树脂结合广泛的合成或天然的、混合或非混合的纤维使用成为可能，所述纤维特别是通常在合成领域使用的纤维，如玻璃纤维、碳、石英以及芳族聚酰胺纤维。
依据这个特点，所述流体连通器件能够在滚筒的外表面以及压紧辊的侧面之间建立流体连通，以使在纤维施加机的运转过程中至少在侧向上将所述热调节流体排出到外部。
依据一个实施例，所述流体连通器件包括径向管道，每个径向管道通向所述中央管的径向孔并且通向滚筒的外表面。所述径向孔分布在中央管的筒形壁上。例如，所述中央管展示了在纵向上沿着压紧辊的轴线偏置的多组孔，每组孔包括以规定的角度间隔形成的多个孔。
依据一个实施例，所述连通器件包括通向滚筒侧面的纵向槽，所述径向管道通向所述纵向槽。从而实现热调节流体通量(flux)在外表面上更好的分布，所述流体连通器件有利地包括所述径向管道所通向的环形槽。
依据一个实施例，所述流体连通器件由构成滚筒的材料的多孔性质构成，于是，所述流体连通器件包括由弹性可变形多孔挠性材料制成的滚筒，所述弹性可变形多孔挠性材料例如开孔的弹性和/或热塑性的多孔泡沫，或者是由非纺织纤维例如合成纤维、玻璃纤维或者金属纤维构成的材料，优选为开孔型弹性泡沫。在这种情况下，热调节流体的排出通过滚筒的侧面产生。
依据一个实施例，所述流体连通器件包括覆盖所述滚筒的外表面的护套(sheath)，所述护套由多孔材料制成，因此使所述热调节流体通过所述护套的侧面排出成为可能。所述多孔材料例如由开孔型的热塑性和/或弹性泡沫或者是非纺织纤维材料制成。所述护套的多孔材料为可弹性变形的，以在纤维施加期间适应滚筒的变形，与构成滚筒的挠性并且可能多孔的材料的弹性相比，其表现出较低的弹性，以允许热调节流体的排出。
依据一个实施例，所述辊包括保护护套，其覆盖所述滚筒并且形成免受由加热系统发出的热辐射的保护，所述保护护套例如由玻璃纤维织物形成。
这个保护护套可避免由于热系统指向压紧辊的热辐射而在压紧辊的整体厚度上的热积聚。这个保护护套吸收和/或反射所述热辐射，所述热调节流体从而用作该保护护套的冷却，以避免通过热传导在滚筒上产生的热积聚。
对于纤维铺放而言，所述纤维施加机典型地包括：切割器件，使得单独地切割所述压紧辊上游的纤维成为可能；以及变路器件(rerouting means)，其布置在所述切割器件的上游，用于改变正好已经被切割的每条纤维朝向压紧辊的走向，以便能够在任意时间停止和重新开始带的施加，以及改变施加的带宽。当所施加的带的宽度减小时，例如，仅10条纤维用于16或32纤维类型的铺放头，辊直接地接收热辐射，而没有纤维介于热源和所述辊之间。所述保护护套使得避免由于该直接热辐射而产生的高的热积聚。
依据一个实施例，作为保护护套的可选方案，或与之组合，滚筒由大体透过热辐射的材料制成，如由申请人在与本申请同一天提交的、题目为“具有透过加热系统的辐射的压紧辊的纤维施加机”的法国专利申请文件中所描述的。在本发明中，指的是材料“使热辐射大体透过”，表现出对所述热辐射的一个或多个波长较低的吸收性。依据一个实施例，所述挠性材料为弹性材料。优选地，所述挠性材料为硅树脂或聚硅氧烷，或为聚氨酯，优选为硅树脂。依据这个特点，所述加热系统发出红外辐射，其一个或多个波长包括在780nm和1500nm之间，因此所述弹性可变形的材料表现出至少在包含780nm至1500nm之间的波长范围内较低的吸收性。优选的，所述加热系统发出一个波长或多个波长包含在850nm至1100nm之间的红外辐射。
根据一个实施例，所述压紧辊包括涂覆所述挠性材料滚筒的防粘合外层，当所述压紧辊包括由多孔材料制成的护套和/或保护护套时，后者介于所述滚筒和所述防粘合外层之间，所述防粘合外层有利地由防粘合膜形成，诸如PTFE(聚四氟乙烯)膜，典型地所谓的特氟龙膜，其例如在滚筒上被热收缩。还是在这种情况下，热调节流体调节所述防粘合外层的温度。
根据一个实施例，所述加热系统为激光类型的系统，优选地激光二极管型，YAG激光型或纤维激光型。可选地，加热系统可包括一个或多个红外灯。
根据一个实施例，所述纤维施加机进一步包括这样的热调节器件：其能够朝着压紧辊输出热调节流体通量，尤其是空气，以便调节所述压紧辊的温度，尤其是从外部制冷所述压紧辊。在这种情况下，辊的热调节从辊的内部以及从压紧辊的外部被实施，优选以相同的热调节流体尤其是空气被实施。
依据一个实施例，所述热调节器件能够注入优选包含在15℃和30℃之间的室温的热调节流体，或者以低于15℃的温度冷却的热调节流体，优选为冷却的或室温的气体，优选为室温下的空气，以冷却所述压紧辊。
本发明同样旨在提供如上所述用于纤维施加机的压紧辊，包括由弹性可变形的挠性或非刚性材料制成的刚性中央管，装配在所述中央管上，特别是，其特征在于，所述中央管设置有径向孔，具有流体连通器件的所述挠性材料滚筒能够使得所述孔与所述滚筒的外表面流体连通。
附图说明
通过结合所附的示意图对根据本发明的当前优选的特别实施例的下列详细的示例描述，本发明将被更好地理解，并且其他的目的、细节、特征以及优点将变得显而易见，其中：
-图1为依据本发明的第一个实施例的纤维施加头的示意侧视图，包括压紧辊以及加热系统；
-图2为图1的纤维施加机的压紧辊的立体图；
-图3A和图3B为图2的压紧辊被部分切下的横向和纵向侧视图；
-图4为依据第二个实施例的纤维施加机的压紧辊的立体图；
-图5A和图5B为图4的压紧辊被部分切下的横向和纵向侧视图；
-图6为依据第三个实施例的纤维施加机的压紧辊的立体图；
-图7为图6的压紧辊被部分切下的纵向侧视图；
-图8为依据第四个实施例的纤维施加机的压紧辊的立体图；以及
-图9为图8的压紧辊被部分切下的纵向侧视图。
具体实施方式
结合图1，所述纤维施加机包括施加头1，所述施加头1用于施加树脂预浸渍纤维的带8，所述施加头包括压紧辊2，所述压紧辊2绕所述施加头的支撑结构(未示出)的轴线A旋转地安装，所述施加头通过在运动系统末端处的所述支撑结构被安装，所述运动系统例如为机器人腕关节。
所述施加头进一步包括加热系统9，所述加热系统9也被安装在辊的上游的支撑结构上，所述上游为相对于在将纤维带8施加在施加表面S上期间施加头的前进方向D来说的。例如，所述加热装置为激光型加热系统，其辐射正好在带的压紧之前指向所述带，以及指向预先堆积的一个带或多个带。如图1所示，所述辐射因此倾斜地指向辊以在通过辊压紧堆积在辊上的带段之前加热所述带段。
就纤维铺放机而言，所述头包括导向器件，其用于引导纤维以树脂预浸渍纤维带的形式朝压紧辊2进入所述头，所述带的纤维以大体对接的形式并列地堆积。通过使用机器人移动所述头，所述压紧辊与模具的施加表面S接触以用于施加所述带。
结合图2、3A和3B，依据本发明的所述压紧辊包括筒形体或滚筒3，其由挠性材料制成，通过挤压可弹性变形。滚筒呈现筒形中央通道31，以用于其在支撑芯上的组装，所述支撑芯由筒形刚性中央管4形成，例如，如由铝构成的金属管。滚筒3以及中央管4相互同轴并且相互整体地旋转。例如，滚筒由非延展性的弹性材料组成，例如硅树脂、聚硅氧烷或为聚氨酯。
挠性材料滚筒允许压紧辊适应于施加表面的曲率变化，并且因此对整个堆积带施加大体均匀的压力。所述刚性管使得将辊可旋转地安装在支撑结构上成为可能。
中央管设置有径向孔41，例如，贯穿中央管的筒形壁的筒形孔。因此，径向孔通向中央管的内部通道42并且通向滚筒。滚筒设置有径向管道32，所述径向管道32与所述径向孔对齐，并且径向管道的直径大体与所述径向孔的直径相同。在示出的实施例中，所述中央管包括沿着辊的轴线A纵向偏置的六组径向孔41，每组包括以规律的角度间隔布置的多个径向孔，例如，相互之间以45°隔开的八个径向孔。所述滚筒于是包含六组径向管道32，每组包括相互之间以45°隔开的八个径向管道。
在纵向槽34与环形槽35的交叉点处，每个径向管道32通向滚筒3的筒形外表面33。在八个槽的情况下，纵向槽34在滚筒的整体长度上从滚筒的一个侧面36延伸至另一个侧面。
在外部，所述滚筒涂覆有防粘合外层5，此处其由特氟龙薄膜形成，所述特氟龙薄膜在所述滚筒的外表面上热收缩。所述特氟龙薄膜从而覆盖在滚筒外表面上制成的纵向槽和环形槽。辊通过特氟龙薄膜与所述带接触，限制所述辊与纤维的粘合以及所述辊被缠绕。
所述压紧辊通过其中央管的开放端43安装在例如在头的支撑结构的两个凸缘之间。所述纤维施加机包括热调节器件(未示出)，其允许包含在15℃和30℃之间的室温下的气体或者以低于15℃的温度冷却的气体特别是空气从所述中央管的一个开放端43注入。所述空气注入以公知的铰接系统(swing joint system)实施。所述中央管有利地具有用于装配铰接系统的锪平台(spot facing)44。在工作中，从所述中央管的至少一个开放端43注入的空气在径向孔41中通过，接着通过滚筒的径向管道32以在环形槽35和纵向槽34中分布，并且从纵向槽所通向的滚筒的侧面36泄出。有利地，热调节流体为被冷却的空气或室温下的空气，优选为室温下的空气，以冷却所述压紧辊并且使压紧辊保持在大约30℃的温度处。
可选地，所述滚筒可由大体透过从加热系统发出的辐射的挠性材料构成。
例如，大体透过热辐射的挠性材料为硅树脂型弹性材料，特别是由道康宁(Dow Corning)售出的商业衡量单位(commercial denominat ion)为硅橡胶T-4的硅树脂弹性体。
所述激光型加热系统可包括激光二极管，其布置为一排或多排，发出包括在880nm至1300nm之间一个或多个波长的辐射，例如，光纤激光器或YAG激光器，其以大约1060nm的波长发出。
为了从内部完成辊的热调节，热调节系统可进一步包括热调节器件，其能够向着压紧辊输出空气通量，使从外部也可冷却所述压紧辊。
图4、图5A以及图5B示出了本发明的第二个实施例，如前所述的，其中压紧辊102包括：刚性中央管104，其设置有径向孔141；滚筒103，其由挠性的可弹性变形的材料制成，且设置有径向管道132。在这个示例中，以上描述的环形纵向槽旨在提高在筒形表面上注入的空气通量的分布以及其从滚筒的侧面的泄出，所述环形纵向槽由覆盖滚筒外表面133的护套106所替代，所述护套由多孔材料构成，如开孔型的热塑性和/或弹性的泡沫，或者是由非纺织纤维制成的材料。该多孔材料表现为弹性，以在抵靠施加表面按压辊的过程中适应滚筒的变形。防粘合的外部护套105覆盖所述多孔材料护套。在通过中央管104的内部通道142以及径向孔141，并且之后通过滚筒的径向管道132之后，被注入的空气通过多孔材料护套并且从所述护套的侧面161侧向地泄出。
图6和图7示出了本发明的第三个实施例，其中如第一个实施例，压紧辊202包括：刚性中央管204，其设置有径向孔241；可弹性变形的挠性材料滚筒203；以及防粘合的外部护套205，其覆盖滚筒外表面233。在这个实施例中，滚筒没有设置径向管道，而是由多孔的挠性可弹性变形材料组成。从中央管204的内部通道242通过径向孔241排出的注入空气穿过整个多孔滚筒并且从滚筒侧面236泄出。挠性多孔材料为开孔型的热塑性和/或弹性泡沫，或者是由非纺织纤维制成的材料，例如，开孔型弹性泡沫。
图6和图7示出了本发明的第四个实施例，其中如第三个实施例，压紧辊302包括：刚性中央管304，其设置有径向孔341；由多孔挠性可弹性变形的材料制成的滚筒303；以及防粘合的外部护套305，其覆盖所述滚筒。压紧辊进一步包括介于滚筒外表面333和防粘合外部护套之间的保护护套307。该保护护套吸收和/或反射由加热系统9发出的热辐射，使得热辐射不会到达挠性材料滚筒。从中央管304的内部通道342通过径向孔341排出的注入空气穿过整个滚筒以冷却保护带(shielding band)并且通过滚筒侧面336泄出。
尽管结合特定的实施例描述了本发明，但是应该理解的是，本发明不限于此，并且包括所述器件的所有技术上的等同物，并且其结合也落入本发明范围内。在所描述的实施例中，热调节系统用于冷却挠性压紧辊。所述热调节系统明显地可用于加热所述挠性压紧辊。

Claims (12)

1.一种用于生产由合成材料制成的部件的纤维施加机，包括：压紧辊(2，102，202，302)，其用于在施加表面(S)上施加由至少一种树脂预浸渍扁平纤维形成的带(8)；加热系统(9),其能够指向所述带发出热辐射，所述压紧辊包括刚性中央管(4，104，204，304)；以及滚筒(3，103，203，303)，其由可弹性变形的挠性材料制成并装配在所述中央管上，
其特征在于，所述中央管(4，104，204，304)设置有径向孔(41，141，241，341)，所述挠性材料滚筒(3，103，203，303)具有流体连通器件(32，34，35；132，106；203；303)，其能够使得所述径向孔与所述滚筒的外表面(33，133，233，333)流体连通，所述纤维施加机包括热调节器件，所述热调节器件能够在所述中央管的内部通道(42，142，242，342)中注入热调节流体。
2.如权利要求1所述的纤维施加机，其特征在于，所述流体连通器件(34，35；106；203；303)能够使得所述滚筒外表面(33，133，233，333)与所述压紧辊的侧面(36，161，236，336)流体连通。
3.如权利要求1或2所述的纤维施加机，其特征在于，所述流体连通器件包括径向管道(32；132)，每个径向管道通向中央管(4，104，204，304)的径向孔(41，141，241，341)并且通向所述滚筒的外表面(33，133，233，333)。
4.如权利要求3所述的纤维施加机，其特征在于，所述流体连通器件包括通向滚筒侧面(36)的纵向槽(34)，所述径向管道(32，132)通向所述纵向槽。
5.如权利要求3所述的纤维施加机，其特征在于，所述流体连通器件包括环形槽(35)，所述径向管道(32)通向所述环形槽(35)。
6.如权利要求1或2所述的纤维施加机，其特征在于，所述流体连通器件由构成所述滚筒(203，303)的多孔性质的材料构成。
7.如权利要求1或2所述的纤维施加机，其特征在于，所述流体连通器件包括覆盖所述滚筒外表面的护套(4)，所述护套由多孔材料制成。
8.如权利要求1或2所述的纤维施加机，其特征在于，所述压紧辊包括保护护套(307)，所述保护护套(307)覆盖所述滚筒并且形成免受由所述加热系统(9)发出的热辐射的保护。
9.如权利要求1或2所述的纤维施加机，其特征在于，所述滚筒(3)由大体透过所述热辐射的材料制成。
10.如权利要求1或2所述的纤维施加机，其特征在于，所述压紧辊(2，102，202，302)包括涂覆所述挠性材料滚筒(3，103，203，303)的防粘合外层(5，105，205，305)。
11.如权利要求1或2所述的纤维施加机，其特征在于，所述热调节器件能够指向所述压紧辊输出热调节流体通量，以从外部调节所述压紧辊的温度。
12.如权利要求1或2所述的纤维施加机，其特征在于，所述热调节器件能够注入热调节流体，所述热调节流体包括在15℃和30℃之间的室温下的空气。
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