用于制造纤维复合部件的铆接部分的方法与流程

本发明涉及用于制造纤维复合部件的铆接部分的方法、激光钻孔方法用于制造纤维复合部件的铆接部分的用途、包括这种类型的铆接部分的结构装置、用于制造交通工具外壳的方法以及交通工具外壳。

背景技术：

尽管本发明及其所基于的问题适用于任何结构装置，但是针对飞机机身更详细地描述了它们。

现代飞机机身往往使用纤维复合材料(通常为碳纤维增强材料)来构造。飞机机身通常包括相互连接以组装飞机机身的多个外壳部。为了将外壳部固定在一起，通常使用铆接法，这常常为认证或授权所需。

为了制造用于连接两个碳纤维增强塑料材料外壳部101、102的铆接部分，在申请人已知的方法中，使用手动定位的钻孔模板106和用手操作的动力钻105将通孔103引入外壳部101、102。这在图1中通过示例的方式被示出。图2a至图2c示出了用于制造这种类型的铆接部分的典型步骤：钻孔、清理和铆接。

技术实现要素：

在这样的背景下，本发明的目的是提供一种用于制造纤维复合部件的铆接部分的改进方法。

根据本发明，该目的是通过具有权利要求1的特征的方法和/或通过具有权利要求9的特征的结构装置和/或通过具有权利要求11的特征的方法和/或通过具有权利要求12的特征的交通工具外壳和/或通过具有权利要求13的特征的用途来实现的。

因此，提供了：

-一种用于制造纤维复合部件的铆接部分的方法，其包括下述步骤：以与第二部件搭接来定位包含纤维复合材料的第一部件；激光钻出至少穿过第一部件的纤维复合材料的共享的通孔；将铆钉插入通孔中；以及将铆钉固定在第一和第二部件上。

-一种结构装置，包括：第一部件，其含有纤维复合材料；以及第二部件，第一和第二部件使用通过根据本发明的方法制造的铆接部分连接。

-一种用于制造交通工具外壳的方法，特别是用于航空器或航天器的交通工具外壳，所述方法包括下述步骤：提供为包含纤维复合材料的第一外壳部的形式的第一部件；提供第二部件，特别是为第二外壳部的形式或为用于将第一外壳部对接连接到第二外壳部的连接部的形式；以及使用通过根据本发明的方法制造的铆接部分将第一部件连接到第二部件。

-一种交通工具外壳，特别是航空器或航天器的外壳，其通过根据本发明的方法制造。

-激光钻孔方法用于制造纤维复合部件的铆接部分的用途，特别是通过根据本发明的方法来制造纤维复合材料的铆接部分的用途。

本发明的思想在于使用激光钻孔方法来制造纤维复合部件的铆接部分。

以这种方式，可以防止在纤维复合部件的传统钻孔期间出现的极其微细的、极容易聚集的钻尘，因为在激光钻孔期间是蒸发而非切割纤维复合材料。

出于此目的，聚焦在材料上的激光束的光能被纤维复合材料吸收，换言之，被转化成热量，使得材料蒸发而不产生灰尘。在蒸发期间，钻孔中的材料体积膨胀，使得局部出现高蒸气压。这种蒸气压随后还将任何熔化的物质从钻孔中排出。

还可以通过使用超短脉冲激光器的激光加工的方式进行激光钻孔，使得材料直接从固态升华，特别是不熔化，而因此被除去。该方法还被称为激光烧蚀。

因此，根据本发明，可以有利地省去了迄今为止制造纤维复合部件的铆接部分而由于出现钻尘需要的清理步骤。此外，大大减少制造铆接部分的加工时间。

根据本发明，可以使用不同类型的激光钻孔方法。

最简单的激光钻孔类型是单脉冲钻孔，在该方法中使用单个时间足够长的激光脉冲钻通材料。

在冲击钻孔中，通过在同一点连续冲击多个脉冲来除去材料。

相比之下，在通过开套孔的激光钻孔中，激光束在钻孔的中心周围通过，并因此连续扩大直径。较小的通孔可以提前通过冲击钻孔来制作。

在螺旋钻孔中，激光束在呈圆形旋转的同时被对准工件。在数圈之后，圆形材料移除形成通孔。

在激光钻孔中，这些选择中的每个与常规钻孔相比都是极快速的方法，并且只需一小段时间，特别是仅几分之一秒。另外，以这种方式还可以降低每钻一个孔的能量消耗。

此外，激光钻孔还可以是自动化的，或者最好至少部分自动化，因为通孔可以以极高的重复精度来定位和再制作。

在完全自动化的情况下，可以省略定位钻孔模板的步骤。

在部分自动化的情况下，换言之，如果激光工具或激光光学器件在操作者的控制下被定位，则钻孔模板还可以设置为定位助手。例如，借助于探测激光器，激光光学器件可以定向到设置在钻孔模板中的孔，并因此被定位用于激光钻孔。

可替代地或另外地，钻孔模板可以设置为固定的，以使待连接的部件可以在期望的位置定向到钻孔模板上。在这种情况下，可以在定向之后以自动化的方式钻多个相邻的孔。

在一种实施方式中，可以想到为第二部件设置预钻孔，使得共享的通孔可以只通过激光钻孔穿过第一部件的纤维复合材料来产生。特别地，以这种方式在第二部件上预钻的孔可以包括用于以齐平的方式接收铆钉头的凹部。

在另外的实施方式中，在激光钻孔期间第一部件和第二部件都被钻通。在这种情况下，共享的通孔是激光钻通第一部件的纤维复合材料以及第二部件得到的。

激光束光学器件通常使用机器人、特别是工业机器人来引导。以这种方式，激光束可以被定向。

此外，还有称为扫描仪的可移动的激光束光学器件，其使得可以通过光束偏转来定向和引导激光束。特别地，这还使激光加工可以“飞行”，换言之，不停止携带光学器件的机器人，并且这还可以减少加工时间。

借助于提高的自动化水平，根据本发明，制造所需的(人)工作时间以及制造时间可以被大量减少。这种效应可能例如在每年放置数百万铆钉的飞机制造中具有巨大潜力。

由于根据本发明的高重现性与钻孔机不同，因此激光束可以在无磨损的情况下操作。因此，在激光钻孔中，即使对于大量的孔，也观察不到孔几何形状的偏差、孔壁的变坏，特别是粗糙度的增加。

此外，根据本发明的方法还可以灵活地用于不同类型的复合材料。特别地，其同样既可用于含有具有热塑性基体的复合材料的部件，也可用于含有具有热固性基体的复合材料的部件。

因此，根据本发明的方法可用于制造各式各样的包括铆接部分的结构装置，例如既用于飞机的各式各样的外壳部，例如机身、机翼等，例如也用于陆地交通工具或船上的纤维复合材料外壳部。此外，还可以想到根据本发明的方法用于将外壳部连接到其它类型的结构件的用途，例如连接到连接或稳定元件(称为夹子或楔子)或直接连接到桁条和/或翼型条。

第二部件作为含有纤维复合材料的第一部件的接合配合件，可以包括相同材料或不同材料。

优选地，穿过第一和第二部件的共享的通孔通过激光钻孔在共用制造步骤中制造。以这种方式，定位的复杂性被保持为最小。

然而，还可以想到通过激光钻孔以两个单独的步骤或以两步法来制造共享的通孔。例如，这可能在部件包括不同材料并且激光钻孔因此需要不同的工艺参数的情况下是有利的。在这种情况下，部件因此可以在激光钻共享的通孔之前以搭接定位，或者只是在激光钻共享的通孔之后与共享的通孔自然一致地定位。

有利的实施方式及对本发明的改进可以在从属权利要求中找到。

在优选的改进中，激光钻孔使用高能激光束进行。在这种情况下，激光束的强度在使得可以使纤维复合材料的基体材料和纤维都蒸发的范围中。

特别地，这是激光功率在千瓦范围中的激光束。出于此目的，特别是固体激光器，例如盘式激光器(例如nd:yag：钕掺杂钇铝石榴石)或纤维激光器(例如，镱纤维激光器)是可以想到的。还可以想到使用高功率气体激光器，特别是二氧化碳激光器。

特别地，这可以是高亮度激光束。亮度通常是光束质量的特征值。在高亮度下，高光束强度是可能的，换言之，光束具有特别高的单位面积能量，并且这有利地导致高比例的升华材料。此外，这在围绕激光束的焦点位置的光路的较大区域中是可能的。例如，高亮度可以使用镱纤维激光器来实现。

在一种实施方式中，第二部件同样包含纤维复合材料。其也在激光钻孔期间被钻通。因此，两个纤维复合部件设置有共享的通孔。特别地，这在搭接部在共用步骤中实现。以这种方式，特别是包括铆接部分的结构装置的纤维复合构造可以快速而无尘地制造。

在一种实施方式中，纤维复合材料包括碳纤维，其中一些通过激光钻孔被钻通。有利地，根据本发明，这是在不出现碳尘或者无碳尘的情况下实现的。特别地，纤维复合材料是碳纤维增强塑料材料。热塑性和热固性塑料材料都可以想到作为基体材料。

在一种实施方式中，用于激光钻孔的激光束以适合于期望的孔径的方式被扩大或散焦。特别地，扩大或散焦还在激光钻孔期间根据所达到的孔深度被调整。因此，可以有利地实现通孔的不同直径和孔形状，特别是通常为铆钉提供的数毫米的直径。激光束的强度优选保持在使得可以使纤维复合材料的基体材料和纤维都蒸发的范围中。

在有利的改进中，激光束初始被更严重地扩大或散焦，随后越来越小地下降到期望的孔径，以形成通孔的锥形入口，该锥形入口被形成用于装埋铆钉头。特别地，其根据所实现的孔深度以预定的方式适合于铆钉的几何形状。因此，有利地，在通孔的入口处不需要用于装埋铆钉头的后处理。

在一种实施方式中，至少第一部件以平面形式提供。可选地或另外地，第一部件与第二部件的多个共享的通孔通过激光钻孔以形成为沿第一部件的边缘延伸的直线。为了形成接合线，随后将铆钉插入每个通孔中并且固定到第一和第二部件上。特别地，以均匀的距离放置孔，使得制成均匀连续的接合线。以这种方式，有利地，平面部件(例如外壳部)可以使用铆接部分以较简便且快速的方式接合。

在有利的改进中，沿第一部件的边缘提供多个平行的接合线。以这种方式，提供铆接部分中的冗余，使得实现较高的支撑负载能力和较高的强度。另外，作为多个连接的结果，还增加了通过铆接部分形成的结构装置的刚性。特别地，用于例如航空器或航天器的结构装置通常是包括三条接合线的铆接部分，如对于飞机制造业常见的那样。

在结构装置的有利的实施方式中，铆接部分的通孔包括孔壁，该孔壁包括在不切割的情况下制造的表面。通过激光钻孔制造的孔壁特别是没有通常由切割工具或常规钻机产生的凹槽。此外，孔壁的构成也与蚀刻孔中的不同，因为在复合材料中，蚀刻总是在不同材料上产生不同表面结构。特别地，通过激光钻孔制造的孔壁可以覆盖有直接从熔化的液态凝固的材料。该材料是通过激光束熔化的、熔化物在蒸发期间被排出腔壁或在腔壁上熔化时留在腔壁上的材料。可替代地，表面还可以通过直接蒸发来制造。因此，孔壁的这种表面结构在常规分析方法(例如在显微镜下)下明显不同于常规钻成的孔壁，常规钻成的孔壁通常具有加工痕迹和/或一定的粗糙度和/或钻尘。

在用途的优选实施方式中，使用用于通过根据本发明的方法来制造交通工具外壳的铆接部分的激光钻孔方法。特别地，交通工具外壳是航空器或航天器的外壳，例如机身。然而，根据本发明的方法还可用于航空器或航天器的其它外壳部，例如机翼的外壳。此外，根据本发明的方法还可用于制造用于其它类型的交通工具(例如机动车辆或船)的交通工具外壳。

上述实施方式及改进可以合理地根据需要彼此结合起来。特别地，用于制造铆接部分的方法的所有特征还可传递给包括这种类型的铆接部分的结构装置，反之亦然。这同样适用于用于制造交通工具外壳的方法以及交通工具外壳。

本发明的另外的可能的实施方式、改进以及实现方式还包括上面或下面针对实施方式所公开的本发明的未明确提及的特征的组合。特别地，在这种情况下，本领域技术人员还会将各个方面加到本发明的每个基本形式上，作为改进或补充。

附图说明

在下文中，参照附图通过实施方式的方式更详细地描述本发明。

在附图中：

图1是制造用于铆接部分的通孔的示例的立体图；

图2a-图2c是用于制造用于连接两个外壳部的铆接部分的典型步骤的剖面图；

图3a示出用于对纤维复合部件激光钻孔的构造件；

图3b是通过激光钻孔钻通的纤维复合材料部件的剖面图；

图4a示出用于在搭接部钻通两个纤维复合材料部件的装置；

图4b是包括两个纤维复合材料部件的铆接部分的结构装置的剖面图；

图5是航空器或航天器的机身部的立体图；以及

图6是借助于连接部对接连接的两个纤维复合材料部件的立体图。

在附图中，除非另有说明，相同的附图标记表示相同的或功能等同的部件。附图不一定彼此成比例。

具体实施方式

图1是制造用于铆接部分的通孔103的示例的立体图。

待连接的部件是纤维复合材料飞机机身的两个外壳部101和102。为了制造通孔103，手动地定位和固定钻孔模板106，例如借助于所示的粘合带107。随后，使用用手操作的动力钻105在外壳部101、102上钻通孔103。

图2a-图2c是用于制造用于连接两个外壳部101、102的铆接部分的典型步骤的剖面图。

在根据图2a的第一步骤中，通过使用钻孔模板106在指定位置处使用手工操作的动力钻的机械切割，以图1所示的方式在纤维复合材料外壳部101、102的搭接区域中钻通孔103。

在根据图2b的第二步骤中，清理掉通孔103的钻尘和残留物。例如，这是借助于来自两侧的加压空气进行的，如使用流动线和方向箭头示意性表示的那样。该清理步骤在使用常规钻加工纤维复合材料时是重要的，因为在切割材料时出现极微细的碳尘，并且容易聚集在孔103中。

在根据图2c的第三步骤中，将铆钉104借助于铆接工具(未示出)引入通孔103，并通过使铆钉变形而固定到两个外壳部101、102上。

图3a示出了用于对纤维复合部件激光钻孔的装置。

通过举例的方式，由碳纤维增强塑料材料制成的第一部件1被提供作为纤维复合部件。

该装置包括由机器人7携带并定位的激光光学器件8。机器人7可以例如为具有合适的支架的常规工业机器人。

通过光纤15给激光光学器件8提供来自激光源9的激光照射。例如，激光源9是高能固体激光器，特别是激光功率在千瓦范围中的盘式激光器或纤维激光器。

优选地，由此产生的激光束5具有高亮度。亮度b定义为激光功率pl除以光束质量因子m²与激光束的波长λ的积的商。光束质量因子m²表示光路的发散度。原则上，本领域技术人员已知如何导出用于横向电磁模式(temmn)的光束质量因子，因此本文省略了理论说明。可以以这种方式计算的亮度是激光束的质量的度量。实际上，在计算方面基于光束质量因子m²的光束参数乘积(bpp)往往与激光功率pl一起给出，以便表达光束质量。

激光光学器件借助于机器人7定位在被钻通的第一纤维复合材料部件1的上方，使得激光束5的焦点位置处于第一部件1的水平面上。在理论的理想情况下，激光束可以调焦为对应于光纤15的光纤直径的最小直径。

为了钻通第一部件1，例如通过冲击钻孔向第一部件发射多个激光脉冲，使得第一部件1的材料蒸发，激光束5进一步深入第一部件1，并且材料蒸气10从所形成的孔中逸出。如此重复直到通孔被制成。

激光束5使纤维复合材料的基体材料和纤维材料同样都蒸发。特别地，在碳纤维增强塑料材料的情况下，激光束使通孔区域中的塑料材料基体和碳纤维都蒸发。

由于纤维与基体材料的不同的热物理性质，在对纤维复合材料激光钻孔时应遵守特定的限制。特别是在碳纤维增强塑料材料中，应注意的是，部件内的温度不超过在作为沿碳纤维的热传导的结果而制造的通孔的环境中的材料相关阈值。这种类型的阈值例如可以为玻璃化转变温度和蒸发温度，而在热塑性系统的情况下，可以为基体的熔点。

因此，有利的是以高度蒸发或烧蚀为目标。激光束的强度被选择为适当地高，以便能够使纤维复合材料的基体材料和纤维都蒸发。

为了实现期望的通孔直径，例如可以通过套料来扩大通过冲击钻孔制造的通孔，换言之，围绕通孔的中心呈圆形移动部件或激光光学器件。

可替代地或另外地，可以使用或实施螺旋钻孔方法来钻通第一部件1。在该方法中，根据构造的类型，激光束(例如使用可移动镜式光学器件，称为扫描仪)或激光束光学器件(通过相应地移动机器人)或第一部件(通过相应地移动支架)恒定地围绕要制造的通孔的中心旋转，使得直接产生具有期望的直径的孔。还可以想到叠加移动，特别是在提供扫描仪作为激光光学器件并安装在机器人上的情况下。

激光钻孔的优选的替代方式涉及使具有足够高的激光功率的高能激光束(例如二氧化碳激光器、纤维激光器或盘式激光器，例如具有大于3kw的功率、特别是大于6kw)以激光束直径直接与期望的通孔直径对应的配置对准第一部件1。这是图3a中的情况，并且可以通过适当配置的具有适当的成像比率的激光光学器件8的方式、通过使激光束5光学散焦、通过调整离焦点位置的有关距离和/或通过光纤从激光源到激光光学器件的适当厚的直径的方式来实现。由于高功率，激光束5的强度仍足够高，使得纤维复合材料的基体和纤维二者的材料都蒸发。

以这种方式，通过单脉冲或冲击钻孔，可以直接以期望的直径产生通孔，其中借助于单脉冲或冲击钻孔激光束进入纤维复合材料。

自然地，这些钻孔方法仅仅是可能的实现方式的示例。另外的钻孔策略或钻孔方法也是可能的。

特别地，可以将连续激光器用作激光源。然而，脉冲激光器也是可以想到的。

图3b是通过激光钻孔钻通的纤维复合材料部件的剖面图。

因此，该第一部件1包括通孔3。通孔3的通过激光钻孔制造的孔壁11是完全光滑且清洁的表面，而没有钻尘的残留物。该表面特别地为覆盖有从熔化的液态直接凝固的材料的表面或通过直接蒸发制造的表面。

在激光钻孔期间熔化物被排出或熔化时，由激光束5熔化的材料例如留在孔壁11上。

图4a示出了在搭接部中钻通两个纤维复合材料部件1、2的装置。

以搭接设置的两个部件1、2例如由碳纤维增强塑料材料组成，并且被钻孔模板6占据，以将激光光学器件8定位或定向在提供的用于激光束5进入的面上。

如针对图3a所说明的那样，激光光学器件8安装在机器人7上。为了更加清楚，提供激光光学器件的关联激光源9和光纤15没有在此示出。

所示的实施方式特别地为半自动系统。换言之，激光光学器件8被以机器人辅助的方式、但在使用者的控制下定向到钻孔模板6上设置的凹处。出于此目的，激光源9包括探测激光器，其发射穿过纤维的可见光束，使得光点借助于激光光学器件被投影到目标点上。

可替代地，钻孔模板6也可以固定到位并且形成为用于第一和第二部件1、2的定位装置或挡块。在这种情况下，朝向用于钻孔的位置的方法可以被编程或保存(例如，通过学习或教导)到机器人7的控制系统中。

此外，激光加工模式或加工顺序可被编程到激光源9和/或激光光学器件8的控制系统中。

在部件1、2和/或钻孔模板6已经被定位后，可以启动钻孔过程的自动顺序。

作为另外的替代方式，在部件1、2的指定和/或自动定位的情况下，钻孔过程的自动顺序还可以在没有模板的情况下启动。

通过举例的方式，在所示的实施方式中，在每个截面平面中设置彼此均匀间隔开的三个通孔3。

通孔3以针对前述图3a和图3b所述的方式通过激光钻孔形成。为了形成通孔的用于装埋铆钉头的锥形入口，激光束初始更严重地被散焦，随后越来越小地下降到期望的孔径。激光束的强度总是保持足够高，以使纤维复合材料的基体材料和纤维都蒸发。

这种类型的用于对纤维复合材料部件(半)自动激光钻孔的装置可以适合于期望的不同孔径并且适合于不同的部件厚度。因此，通过与图1或图2a的方法相比，更高的生产速度是可能的，只需要很短的时间来制造通孔3。

此外，这种类型的装置有利地在不改变激光钻出的通孔3的质量的情况下操作。相比之下，在机械钻孔方法中，如针对图1和图2a所述的那样，钻头失去锋利度并因此在连续使用的情况下失去精度。这可以通过不清洁或粗糙表面以及钻尘出现增多的方式在钻孔的显微图像中看出来。

图4b是包括两个纤维复合材料部件1、2的铆接部分17的结构装置16的剖面图。

将以搭接设置并且通过激光钻孔设置有通孔3的两个部件1、2借助于铆钉4连接起来，铆钉4被引入通孔3中，并且随后固定到第一部件1和第二部件2上。

在这种连接中，应特别注意的是，在引入铆钉4之前不需要额外的清理步骤，因为在激光钻通孔3时没有出现钻尘，特别是没有出现碳尘。

上述固定以本领域技术人员常见的方式进行，特别是在入口面处通过铆钉头的方式设置在铆钉4上的正连接件以及在出口面处通过成形设置的正连接件和非正连接件的方式。

图5是交通工具外壳20的立体图。在所示的实施方式中，这是为航空器或航天器的机身部形式的交通工具外壳20。

机身部包括作为第一部件1的第一外壳部18和作为第二部件2的第二外壳部19。两个外壳部18、19在铆接部分17的区域中以彼此搭接设置。多条接合线13(通常为3条平行接合线)通过通孔设置为平行于第一外壳部18的边缘14，每个通孔具有被插入并固定的铆钉4。

总起来，所示的机身部通过举例的方式由四个外壳部组成，它们各自是弧形的并且设置为形成管状机身形状并且以与第一外壳部18和第二外壳部19相同的方式相互连接。

图6是借助于连接部2’对接连接的两个纤维复合材料部件1、12的立体图。

这是包括使用铆接部分17通过连接部2’连接的处于对接的两个部件1、12的结构装置16。

出于此目的，将第一部件1与另外的部件12相对于彼此设置，并在对接区域中用形成为倍增件的连接部2’覆盖。连接部2’设置为与部件1、12中的每一个重叠，并且在每种情况下借助于通孔3的至少一条接合线13，优选如在此所示的多条接合线、特别是3条来连接，每个通孔具有被插入并固定的铆钉4。

因此，在该实施方式中，形成为倍增件的连接部2’形成以与第一部件1搭接并通过铆接部分连接的第二部件。

同样在这种情况下，接合线13相应地沿第一部件1的边缘14延伸。

尽管本文已经通过优选的实施方式描述了本发明，但是本发明并不限于此，而是可以以各种方式进行修改。

例如，对于不同的应用，代替实心铆钉，可以使用大量不同类型的铆钉，例如包括中空铆钉、盲孔铆钉、平头铆钉(spreadrivet)等。

在一种实施方式中，可想到的是，为一个部件提供预钻孔，使得通过激光钻孔可以只穿过另一部件的纤维复合材料产生共享的通孔。随后，可以将这些部件铆接。特别地，以这种方式预钻孔得到的预钻孔部件的孔设置有用于以平齐的方式接收铆钉头的埋头孔。

代替外壳部，第一和第二部件1、2可以是结构装置的任何类型的结构部件。

作为航空器或航天器的机身的替代物，其它类型的交通工具外壳的、包括纤维复合部件的外壳部可以以根据本发明的方式设置铆接部分17，例如机动车辆的主体部分或小船或轮船的机身部分。

附图标记列表

1第一部件

2,2’第二部件

3通孔

4铆钉

5激光束

6钻孔模板

7机器人

8激光光学器件

9激光源

10材料蒸气

11孔壁

12另外的部件

13接合线

14边缘

15光纤

16结构装置

17铆接部分

18第一外壳部

19第二外壳部

20交通工具外壳

21锥形入口

22铆钉头

101第一外壳部

102第二外壳部

103通孔

104铆钉

105动力钻

106钻孔模板

107粘合带