铺叠设备的制作方法

1.本发明涉及一种用于铺叠纤维增强材料的铺叠设备以及一种使用该铺叠设备铺叠纤维增强材料的方法。


背景技术：

2.可以使用铺放机器用连续的胶带铺叠纤维增强材料并用辊子固结，或者通过拾取和铺放整个预切割板层并在特定数量的板层之后在真空下固结直到形成预成型件来手动地铺叠纤维增强材料。将该预成型件置于高压釜中，该高压釜在压力和热量下固化该预成型件。


技术实现要素：

3.根据第一方面，提供了一种用于铺叠纤维增强材料的铺叠设备，所述铺叠设备包括：铺叠工具，限定铺叠表面；和铺放头，所述铺放头具有柔性的膜和膜真空端口，所述柔性的膜适形于所述铺叠表面，所述膜真空端口延伸穿过所述膜并且被配置成当通过所述膜真空端口施加抽吸时保持板层抵靠所述膜；其中，所述铺放头被配置为与所述铺叠工具配合，以当板层保持抵靠所述膜时(即，在所述膜、所述铺叠工具的相对表面以及所述铺放头的侧壁之间)在所述膜与所述铺叠工具之间形成气密的腔室；并且其中，所述铺叠工具包括固结(consolidation)真空端口，所述固结真空端口被构造成允许所述气密的腔室的排空以使所述膜和板层朝向所述铺叠表面移动。
4.膜可构造成当通过膜真空端口施加抽吸时与真空端口周围的纤维增强材料板层密封。
5.膜真空端口可相对于铺放头的支撑结构从板层保持位置移动至固结位置，使得可移动膜真空端口进一步允许膜和板层在腔室排空期间当铺放头与铺叠工具配合时朝向铺叠表面移动时与铺叠表面相符合。
6.当铺放头与铺叠工具配合，并且真空端口处于保持位置中时，膜和板层可与铺叠表面间隔开，气密的腔室设置在膜和板层之间。
7.铺放头可包括端口引导件，以引导可移动膜真空端口从板层保持位置到固结位置的移动。
8.可移动膜真空端口可以被偏置到板层保持位置。膜真空端口可在板层保持位置和固结位置之间可控制地移动，以在固结配置中将板层机械地夹持在膜和铺叠工具之间。
9.所述铺叠设备可包括被配置成控制铺叠操作的控制器。控制器可配置成在拾取板层和与铺叠工具配合之间控制铺放头的移动。
10.控制器可构造成控制通过膜真空端口的抽吸以控制板层抵靠膜的拾取和保持。控制器可被构造为通过固结真空端口控制气密的腔室的排空。
11.铺叠工具可包括用于加热铺叠表面的加热器。
12.铺叠设备可包括拾取工具，拾取工具被配置成接收要由铺放头拾取的板层，并且
其中铺放头被配置成与拾取工具配合，使得铺放头的膜与拾取工具上的板层接触。
13.根据第二方面，提供了一种用第一方面的铺叠设备铺叠纤维增强材料的方法，所述方法包括：通过经由所述膜真空端口施加吸力来拾取并且保持板层抵靠所述铺放头的所述膜；移动所述铺放头以将所述板层定位在所述铺叠工具的所述铺叠表面上，由此所述铺放头与所述铺叠工具配合以在所述铺叠工具与所述膜之间形成气密的腔室；以及通过所述铺叠工具中的所述固结真空端口排空所述气密的腔室，使得所述膜和所述板层符合所述铺叠表面以将所述板层压紧所述铺叠表面。
14.该方法可以包括在将铺放头移动到铺叠工具之后并且在排空气密的腔室之前，控制膜真空端口到固结位置的移动以将板层机械地夹持在膜和铺叠工具之间。
15.该方法可包括在气密的腔室的排空期间加热铺叠表面。
16.技术人员将了解，除了互相排斥之外，关于以上方面中的任一者描述的特征或参数可应用于任何其他方面。此外，除非互相排斥，否则本文中所描述的任何特征或参数可应用于任何方面和/或与本文中所描述的任何其他特征或参数组合。
附图说明
17.图1示意性地示出了铺叠设备的透视图；
18.图2示意性地示出了铺叠设备的截面图；
19.图3是示出了在使用铺叠设备的铺叠操作中铺叠纤维增强材料的方法的步骤的流程图；以及
20.图4-7示意性地示出了铺叠设备在铺叠操作期间的各个阶段的截面图。
具体实施方式
21.图1和图2示出了包括拾取工具12、铺叠工具14和铺放头16的铺叠设备10。
22.拾取工具12包括拾取表面18，该拾取表面18构造成接收待在铺叠操作中拾取的板层20(下面参见图3描述)。在该实例中，板层20是纤维增强材料层，该纤维增强材料层设置有诸如塑料膜的一次性背衬层。图2示出了拾取工具12，其中板层20被接收在拾取表面18上，其中板层20的背衬层设置在拾取表面18的相对侧上。在该实例中，拾取表面18是平面的(即，平坦的)，以便能够在不使板层20变形(诸如通过起皱、折叠或桥接)的情况下接收平坦板层20。
23.铺叠工具14包括铺叠表面22，在该示例中，所述铺叠表面22具有与拾取工具12的拾取表面18不同的轮廓。该铺叠表面可具有复杂的三维轮廓。在该示例中，铺叠表面22从中心部分向下发散，使得铺叠表面22的中心部分高于铺叠表面22的外部部分。在其他实例中，铺叠表面可具有任何三维轮廓。铺叠表面22被配置为接收板层20，使得其符合铺叠表面22的轮廓。
24.铺叠工具14包括包围铺叠表面22的铺叠支撑件21，在铺叠支撑件21和铺叠表面22之间布置有固结凹部23。
25.铺叠工具14包括两个固结真空端口24，其从固结凹部的表面延伸通过铺叠工具14。固结真空端口24被配置为连接到真空泵或其他低压源，使得空气可以通过固结真空端口24从铺叠表面22上方抽出。在其他实例中，可存在更多或更少的固结真空端口，并且它们
可布置在铺叠工具中的任何适当位置。
26.在该实例中，铺叠工具14还包括加热器26(图2所示)，加热器26构造成加热铺叠工具14以由此加热铺叠表面22。加热器26位于铺叠表面22下方。在其他实例中，加热器26可定位在铺叠工具14上的任何地方。加热的铺叠表面22可在铺叠操作期间将热量赋予铺叠在铺叠表面22上的板层20，从而改善板层20的固结。
27.铺放头16包括支撑结构28和适形于表面的柔性的膜30。在此实例中，支撑结构28呈外壳的形式，所述外壳具有开口端以便限定部分封闭的空腔且经配置以部分地接收拾取工具12或铺叠工具14。在这个简化的实例中，该壳体总体上是立方形的，具有上部的板27和向下伸出的侧面29，具有开放的下端。支撑结构28围绕膜30，且膜30在其周边处附接到支撑结构28的靠近上部的板27的侧部29。在其他实例中，支撑结构可具有任何合适的形状。
28.膜30是弹性的并且由硅制成。在一些实例中，该膜可以由橡胶或任何其他弹性材料制成。在其他实例中，该膜可以不是弹性的，并且可以仅是柔性的。
29.铺放头16还包括多个膜真空端口32，膜真空端口32延伸穿过膜30、远离封闭空间并且穿过支撑结构28的板27中的开口。在该实例中，存在布置成一行的三个膜真空端口32。在其他实例中，可以有更多或更少的膜真空端口，并且它们可以以任何合适的配置布置。
30.膜真空端口32被构造成连接至真空泵，使得空气可通过相应的膜真空端口32从膜30下方(即，从膜30的封闭空间侧)被吸入。铺放头16被构造成当通过膜真空端口32施加抽吸时保持板层20抵靠在膜30上。
31.膜真空端口32被构造成使得当通过膜真空端口32施加抽吸时在增强材料的板层20与膜真空端口32周围的膜30之间形成密封。当存在时，密封可以形成在板层20的背衬层与膜30之间，或者在板层与膜之间。这使得板层20能够由铺放头16拾取而不需要吸盘，膜用于为板层提供比可以单独由间隔开的吸盘提供的更均匀的支撑。在一些实例中，膜真空端口可终止于吸盘，该吸盘被配置成与板层形成密封。在其他实例中，膜真空端口可延伸穿过膜并且以膜的内表面上的板终止。在这样的示例中，膜真空端口可被配置为使得在增强材料的板层与膜真空端口的板之间形成密封。
32.铺放头16构造成与拾取工具12配合，使得膜30与设置在拾取工具12的拾取表面18上的板层20的背衬层接触。因此，当铺放头16与拾取工具12配合时，其可拾取设置在拾取表面18上的板层20并通过经由膜真空端口32施加抽吸而将板层保持抵靠膜30。
33.铺放头16被构造成通过在支撑结构28的伸出侧29与铺叠工具14的铺叠支撑件21之间形成密封而与铺叠工具14配合。因此，当板层20被保持抵靠在铺放头16的膜30上，从而密封膜30中的膜真空端口32，并且铺放头与铺叠工具14配合时，在膜30与铺叠工具14之间形成气密的腔室50(在图5-7中最佳地示出)。
34.在此实例中，铺放头16的膜真空端口32可相对于支撑结构28在板层保持位置与固结位置之间移动。膜真空端口32可在支撑结构28的板27的开口内枢转，并且可通过板27的开口线性移动。
35.图4和图5示出了在相应的板层保持位置中的每个膜真空端口32。在该示例中，每个真空端口被构造成当所有真空端口处于其相应板层保持位置时，其开口在共同平面中对准，使得它们可容易地从拾取工具12的平坦拾取表面18拾取板层20。图7显示各膜真空端口32处于相应的固结位置。膜真空端口32的固结位置是当膜真空端口32抵靠铺叠工具14的铺
叠表面22或抵靠铺叠在铺叠工具14上的板层压紧板层20时的位置。该实例中的固结位置对应于在公共平面中不对齐的相应端口。应当理解，当压紧板层时，可存在对应于相应端口的位置的任何数量的固结位置。
36.具有多个可自由移动的膜真空端口32允许膜30更精确地适形于表面，诸如铺叠表面22，因为膜30不受其附接至膜真空端口32的限制。在此实例中，所有三个膜真空端口32可相对于支撑结构28移动。在一些实例中，没有膜真空端口可相对于支撑结构移动，或仅一些膜真空端口可相对于支撑结构移动。
37.在此实例中，支撑结构28包括端口引导件34，该端口引导件被配置成用于引导中心膜真空端口32以将其约束成线性移动。端口引导件34包括来自板27的线性突起和联接至中央膜真空端口32并且与这些线性突起配合的引导杆。在一些实例中，可以存在多于一个端口引导件，或者可以省略端口引导件。在其他实例中，端口引导件可以联接到膜真空端口中的任何一个或多于一个。
38.在该实例中，端口引导件34还包括驱动装置(未示出)，以可控地使中心膜真空端口32在其板层保持位置与固结位置之间移动。当铺放头16与铺叠工具14配合时(如图6所示)，膜真空端口32的可控移动使得铺放头16能够将板层20机械地夹持在膜30与铺叠工具14的铺叠表面22之间。在一些实例中，膜真空端口可以可控地移动以将板层夹持在膜与拾取工具之间以从拾取工具拾取板层。在其他实例中，可能不存在驱动装置。
39.在该示例中，可移动膜真空端口32被偏置到板层保持位置，使得当它们被外力诱导远离板层保持位置移动时，一旦外力被移除，它们就返回到板层保持位置。真空端口可借助联接至膜而被偏置，所述膜可为弹性材料，所述弹性材料在返回铺放头中时被偏置以返回基本上平面的形式。
40.在该示例中，铺叠设备10还包括控制器60。控制器60被配置为控制铺放头16的运动并且控制通过固结和膜真空端口24、32的抽吸。控制器60还控制从动膜真空端口32(即，在该实例中，中央膜真空端口)的移动，以将板层20机械地夹持在膜30与铺叠表面22之间。
41.图3是示出了使用铺叠设备10执行铺叠操作以铺叠纤维增强材料的方法100的步骤的流程图。
42.在铺叠操作开始时，将板层20设置在拾取工具12的拾取表面18上，将背衬层设置在与拾取表面18相对的表面上。在方框102中，该方法包括移动铺放头16以与拾取工具12配合，如图4所示。如上所述，当铺放头16与拾取工具12配合时，膜30与板层20的背衬层接触。
43.在方框104中，该方法包括通过膜真空端口32施加抽吸，使得围绕每个膜真空端口32在板层20的背衬层与膜30之间形成密封。该密封确保在膜真空端口32周围在板层20和膜30之间形成真空，使得在通过膜真空端口32施加抽吸的同时将板层20保持抵靠膜。
44.在方框106中，该方法包括移动铺放头16以与铺叠工具14配合，如图5中所示。由于板层20通过经由膜真空端口32的抽吸而保持抵靠膜30，所以板层20与铺放头16一起被运送到铺叠工具14。
45.当与铺叠工具14配合时，通过保持抵靠膜30的板层20，铺放头16在膜30与铺叠工具14之间形成气密的腔室50。支撑结构28的突出侧29与铺叠工具14的配合表面以o形环或其他合适的密封形成密封，以由此形成气密的腔室50。
46.在方框108中，该方法包括驱动中心膜真空端口32从板层保持位置移动到固结位
置，使得其将板层20夹持在膜30和铺叠工具14之间，如图6所示。
47.在方框110中，该方法包括通过铺叠工具14的固结真空端口24施加抽吸以排空腔室50。由于仍然通过膜真空端口32施加抽吸，所以板层20相对于膜30密封。因此，迫使膜30变形并朝向铺叠表面22移动以与铺叠表面一致，从而迫使板层20与铺叠表面22一致，如图7所示。在这个实例中，膜真空端口32在真空力的作用下自由移动到固结位置(即，通过固结真空端口)以允许更精确的一致性。
48.因此，膜30将板层20压紧在铺叠表面上以压实(de-bulk)板层20。在一些示例中，铺叠表面可以是一个板层的顶层或多个已经铺叠的板层的顶层。
49.在方框112中，在腔室50的排空期间，加热器26加热铺叠工具14，使得铺叠表面22被加热，从而将热传递到铺叠表面22上的板层20。这改进了板层20在铺叠表面22上的固结。
50.在方框114中，该方法包括当板层20已经被压紧时，停止通过固结和膜真空端口24、32施加抽吸。停止通过膜真空端口32施加抽吸打破了板层20与膜30之间的密封，使得板层20不再保持抵靠膜30。
51.停止通过固结真空端口24施加抽吸允许腔室50的通风，使得空气可再次进入腔室50(即，通过端口或可被选择性地打开的可替换的通路)。膜真空端口32被偏置到板层保持位置，并且因此当腔室50中的真空被释放时返回到板层保持位置。
52.现在，铺放头16可从铺叠工具14移开，并且背衬层可从板层20移除。然后，铺叠操作100可根据需要重复多次，以形成预成型件，并且将施加至铺叠工具14的每个板层20压实(de-bulk)。
53.当铺叠最后的板层20并且形成预成型件时，可以将铺叠工具14铺放在烘箱或高压釜中以固化预成型件。
54.应当理解的是，本发明不限于上述实施方式，并且在不背离在本文中所描述的概念的情况下可以做出各种修改和改进。除非互相排斥，否则任何特征可以单独地或与任何其他特征组合地采用，并且本公开扩展至并且包括本文描述的一个或多个特征的所有组合和子组合。