用于制造单向碳素纤维网垫的方法和设备的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种用于制造单向碳素纤维网垫的方法以及一种用于其制造的设备。
【背景技术】
[0002]碳素纤维(Kohlenstofffaser)-或者也称为碳纤维(Kohlefaser)或碳质纤维(Carbonfaser)-用于增强所有类型的塑料构件。特别是在航空制造业中，以及还要广泛地在汽车工业中使用这种材料，为的是提供特别轻便然而又非常结实的构件。
[0003]碳纤维的制造在复杂的工艺链中实施。简单说来，制造工艺过程开始于生产所谓的“前体物料”，该前体物料用作碳纤维的真正的制造工艺过程所用的输入材料并且通常具有纺织纱线的特征，该纱线包括大量的单丝。前体物料在其制造后通常要接受氧化处理。在此情况下，前体物料经过一个烘炉内的第一热处理，在该烘炉中交替地对前体物料加热以及随后进行冷却。接着，前体物料在所谓“碳化”的范围内接受温度在1600至1900°C之间的第二热处理，以便通过化学转变而由前体物料生产碳纤维束。
[0004]通常将以此方式生产的碳素纤维束卷绕在一些独立分开的单体筒管上。单体筒管坚固紧凑，因此可以容易地进行运输用于继续加工处理。但是，为了制造网垫需要数百个单体筒管，因而为一台相应生产设备配备相应数量单体筒管的装备过程可能需要数个小时。这便导致设备明显降低的可用性以及后续工艺过程的延迟。
[0005]在这种处理方法中，由于将碳素纤维束卷绕到单体筒管上以及后来从单体筒管上退绕而无法排除纤维束受损伤并且其强度由此被减弱之情形，因而产生了薄弱点，为避免以后的次品构件，必须高花费地剔除这些薄弱点。
[0006]再者，对为此所需的卷绕设备也提出很高的要求，因为通常在卷绕之前便已实施的将纤维束成一定宽度展开也应该保持到用于后续的加工步骤的退绕之后。然而这一点变得异常困难，因为:由于卷绕及退绕过程会发生纤维束的各单纤维相互间的相对位移。例如，设置在纤维束边缘区域内的单纤维可能向着纤维束中间的方向折拢，使得这些单纤维随后不再能够正确展开或者只能花费很高地正确展开，由此在网垫制造当中同样造成了瑕疵点。
【发明内容】
[0007]因此本发明的目的是，至少部分地简化制造碳素纤维的或者说制造由此加工制作的网垫(Gelege)的工艺链并提高可靠性。
[0008]此目的利用具有权利要求1所述特征的方法以及具有权利要求7所述特征的设备得以实现。由各从属的权利要求可得出一些有益的实施方式。
[0009]据此提出了一种用于制造单向碳素纤维网垫(unidirekt1naleKohlenstofffasergelege，碳素纤维单向布)的方法，至少包括下列步骤:
[0010]-提供一定数量的前体物料，其中每一前体物料包括多个单丝，
[0011 ]-将所述数量的前体物料碳化成一定数量的碳素纤维束，随后
[0012]-由所述数量的碳素纤维束制造单向碳素纤维网垫，以及随后
[0013]-卷绕制造的单向碳素纤维网垫。
[0014]这意味着:至少两个或更多的前体物料通过碳化被转换成碳素纤维束(所谓的“Rovings (纤维纱)”)。优选地，在这个过程中前体物料的数量与由此生产的碳素纤维束的数量相对应/相等。当然，通过将前体物料或者碳素纤维束合并或剖分同样也可实现不同的数量关系。
[0015]随后，由碳素纤维束制成单向的碳素纤维网垫(缩写:“碳网垫”)并且为了进一步处理使用而将该碳素纤维网垫卷绕起来。特别是，由单向设置的碳素纤维束构成的网垫可以理解为单向的碳素纤维网垫。例如，这些碳素纤维束具有所谓的0°取向，也就是沿着网垫的延伸方向定向并且彼此平行地定位取向。
[0016]优选地，紧接着所述碳化步骤实施所述制造单向碳素纤维网垫的步骤。这一点应该如下地理解:在两个步骤之间不应该再次在单体筒管上卷绕或退绕碳素纤维束。确切地说，由碳素纤维的制造工艺过程获取碳素纤维网垫作为中间产品。特别是，由此可以在一条生产线中进行碳素纤维网垫的制造并且以特别的方式保护碳素纤维免受由不必要的机械负荷所造成的削弱。
[0017]这样，与已知的碳素纤维束制造或者说其加工不同，并不将每一单独的碳素纤维束个别地卷绕到各一个独立分开的单体筒管上。由此省却了对单独的纤维束的特别麻烦或者说易出故障的卷绕，通过这种方式可以简化制造工艺过程以及提高过程可靠性，因而可以避免网垫中的瑕疵。再者，还避免了将碳素纤维束反复改变方向以及在单体筒管上卷绕或者后续的退绕用以制造中间产品，诸如网垫，或者减少了这些操作的频度并且由此使纤维更少磨损/疲劳或者损伤。因此总体上可以实现对材料特性的改善，这有利于以后的构件的质量。另外，所提出的方法具有特别灵活的特别优点，因为在卷绕时就可以符合需要地直接改变碳素纤维网垫的表面密度。
[0018]优选地，所述卷绕步骤包括将制造的单向碳素纤维网垫卷绕到一分经轴(Teilkettbaum，盘头)上。由此提供了一种可容易操作的并且特别是可容易储存和运输的单元，该单元已经包括作为用于以后的继续加工的中间产品的网垫。由此可以放弃插在中间的、碳素纤维束在单体筒管上的卷绕(工序)。同样也可以在现场(当场)、特别是在同一条生产线内部或者在时间上和空间上独立无关联地实施后续的继续加工。在各种情况下由于采用分经轴之故特别有益地获得了简单供应的效果，因为该分经轴-与配备单体筒管不同-使得对于处理设备快速且简单的配备成为可能。
[0019]这样例如可能的是:在所述卷绕步骤下游设有退绕单向碳素纤维网垫的步骤，以便将该单向碳素纤维网垫进一步加工成纤维半成品，特别是加工成网垫、预浸料坯、热固性的半成品和/或热塑性的半成品。所述的纤维半成品可以包括单向的或多向的结构。
[0020]由此，可以将从纤维制造直到其继续加工成半成品的多个加工制作步骤整合在一个共同的方法中，从而使生产流程在时间、成本和花费方面得到优化。
[0021]根据另一个实施方式，所述制造单向碳素纤维网垫的步骤包括展开碳素纤维束的步骤和将展开的碳素纤维束连接的步骤。在此情况下，相应的纤维束通过一个展开单元被呈扇形状打开成具有确定宽度的带(下文中:展开的碳素纤维束)。随后，将展开的碳素纤维束在边缘区域内沿着它们的延伸方向相互连接。这一点例如可以通过摩擦或振动来实现，使得两个邻接的、带状展开的碳素纤维束的单丝交错地滑移或交错接合。根据并排设置的展开的碳素纤维束的数量，通过这种方式便得到一种具有相应宽度的碳素纤维网垫。
[0022]根据另一个优选实施方式，所述碳化步骤包括使前体物料氧化的步骤和/或对碳素纤维束进行表面处理的步骤。为了改变前体物料的化学结构，在将其碳化之前，在氧化步骤的范围内对该前体物料反复地进行加热和冷却。例如在前体