航空器或航天器用纤维增强金属部件及其生产方法与流程

本发明涉及一种自动生产纤维增强金属部件的方法，还涉及由该类方法生产的纤维增强金属部件。本发明具体涉及具有用于航空和航天工业的集成的增强纤维的金属部件。

背景技术：

虽然根据本发明的纤维增强金属部件可用于很多不同的用途，但是将以客机为例更详细地描述本发明和本发明解决的问题。

在现代航空器构造领域，金属部件常常用作复合结构内的结构部件。因此，航空器的机身蒙皮有时由玻璃纤维增强铝(“玻璃层积铝增强环氧树脂”，)形成，即由具有铝和玻璃纤维层(玻璃纤维增强塑料)的交替层的层积组件形成。这里，铝或铝合金的薄板以层叠加且每一个通过胶粘剂层结合，该胶粘剂层具有至少一个树脂浸渍、单向玻璃纤维插件。最终，该复合结构使用压力和温度来固化以产生薄板层积物。改进的损害容限和优化的冲击行为、改进的裂缝扩展预防、有效的抗腐蚀性能以及低重量有时表示为优于整体金属部件的以及这种类型的其他纤维金属层积物的优点。

在使用这样的金属-层积合成物之外，也知道在金属基体内嵌入玻璃纤维。因此，例如US7,774,912B2和US2005/0133123A1描述了生产玻璃纤维-金属基体复合物的方法，该复合物可用于航空器部件。在这些方法中，玻璃纤维束被拉伸通过液体金属浴锅，该浴锅结合进熔炉内。之后，渗透有金属的纤维束通过模具在它们最终冷却，即固化之前，得到想要的结构。

大体上，所有这些方法常见需要多个复杂的、连续的，有时甚至是手动单独的步骤以生产这些部件。自动化的缺乏带来显著的生产工作以及相应的生产成本。对于高效的小规模和大规模生产，需要如下方法，使用该方法能够以自动方式以合理数量的工作来生产纤维增强金属部件，该金属部件不可能使用传统方法生产，或至少仅能利用相当大的工作量来生产。

技术实现要素：

鉴于上述情况，本发明的目的在于发现用于纤维增强金属部件的高效且经济的生产方法。

根据本发明，上述发明目的是通过具有权利要求1的特征的生产方法、通过具有权利要求9的特征的生产方法、通过具有权利要求13的特征的金属部件以及通过具有权利要求15的特征的航空器或航天器来实现。

相应地，提供了一种用于生产纤维增强金属部件的方法。该金属部件具有渗入有多个增强纤维的金属基体。该生产方法包括在纤维层内分层沉积增强纤维、在基体材料层内分层沉积并液化金属模制材料、以及在邻近沉积基体材料层中分层固化该金属模制材料以形成纤维增强金属部件的金属基体。该金属部件由交替地沉积的基体材料层和纤维层整体形成。

可选择地，该生产方法包括向铸造模具内引入由增强纤维组成的开纤三维纤维织物(open three-dimensional fibrewoven fabric)、将液体金属模制材料注入铸造模具中并固化该金属模制材料以形成纤维增强金属部件的金属基体。这里，所述金属部件由固化的金属模制材料和增强纤维整体形成。

此外，提供了一种纤维增强金属部件，其由根据本发明的方法来生产。

此外，提供了一种航空器或航天器，其具有根据本发明的纤维增强金属部件。

本发明的基本概念是以单一、整体、自动化生产工序形成三维部件，其中增强纤维直接嵌入金属基体内。在本文中，“三维”是指原则上具有任意想要的形状的固体金属部件可一体形成，在其中嵌有由不同有利材料组成的增强纤维。在根据本发明的方法中，该增强纤维在分层制造中全自动地定位。一方面，生产工作和生产成本由此可通过根据本发明的集成自动化生产非常显著地降低。因此，例如，不需要使用反应釜等装置的固化工艺，该工艺在纤维-金属层积物的情况下通常是必要的。

另一方面，根据本发明的方案的重要优势因此是具有弹性布置的、集成纤维的固体金属部件可使用相当简单的装置经济地且高效地生产。金属-纤维复合部件常规上由金属和纤维薄层的交替层制造，这些层使用环氧树脂和其他结合材料结合在一起。这里，特别地，该纤维薄层通常包括合成树脂基体。根据本发明的方法，增强纤维，例如，玻璃纤维、碳纤维等现在直接嵌入到金属基体内，不使用额外的、根本地结构上更弱的材料。根据本发明的纤维-增强金属部件因此通过高(张紧)强度和高硬度(即高弹性模量)与纤维-金属层积物区分开。完全避免薄片结构的基本缺点，例如分层，即当单独的层分开或撕裂。增强纤维的高强度和高弹性模量直接且最优地并入已经形成的金属部件的强度和硬度。根据本发明的金属部件在这个意义上是多功能的，即纤维可为了不同的目的集成到金属部件中。如在金属部件的情况下，为了增强的目的或为了其他结构-改善的目的，纤维可设置在层叠物复合结构中。

参考附图，在进一步的从属权利要求和说明书中可发现有利的实施方式和改进。

根据一个改进，分层沉积并液化金属模制材料可包括以金属粉末、金属带和/或金属丝等形式沉积金属模制材料。

分层沉积并液化金属模制材料可包括使用激光器液化金属模制材料。相应地，金属模制材料可通过激光器液化，例如该模制材料可以粉末的形式或以条或丝沉积且然后通过激光器熔化。在该改进中，所述生产方法可包括，例如，激光烧结方法或激光熔化方法或类似的方法。在选择性激光烧结(SLS)和选择性激光熔化(SLM)中，粉状材料以薄层逐渐施加，然后通过激光束熔化或烧结且然后固化。这里，一旦冷却，沉积的材料和前面施加的材料结合起来并固化，由此形成集成物体。本领域技术人员根据本文可推断出也可使用其他提供相似结果的方法。例如，作为对激光方法的替代，金属模制材料也可使用电子束来液化，例如，以电子束熔化(EBM)或电子束烧结(EBS)意义上的液化。

根据可选择的改进，分层沉积并液化金属模制材料可包括通过电阻熔化来液化金属模制材料。在该改进中，金属模制材料的电阻可用于通过引入电流加热所述材料直到其熔化或液化。

为此，增强纤维可涂敷或覆盖金属材料或金属合金，例如铜、铝或其他合适的材料。在该有利的改进中，用于加热金属模制材料的电流可经由已经沉积的增强纤维直接引入。例如，该增强纤维可通过两个或多个压辊施加，在压辊上可设置合适的装置以经由压辊将电流引到增强纤维上。增强纤维的导电性涂敷层或覆盖物传导电流，作为其结果，已经沉积的增强纤维和/或金属模制材料被加热。金属模制材料液化并包裹沉积的增强纤维，由此产生具有嵌入增强纤维的固体金属部件。

根据一个改进，分层沉积和液化金属模制材料可包括挤出金属模制材料。挤出方法是分层施加金属模制材料的另一替代的有利选择，其允许金属层特别光滑且均匀的施加。例如，该生产方法可包括熔化沉积模制方法。熔化沉积模制(FDM)包括材料层通过挤出加热的自由流动的材料来沉积的方法。这里，一旦冷却，沉积的材料和之前施加的材料结合并固化，由此形成集成物品。此外，原则上可使用从金属3D打印方法知道的其他方法，即，所有生成和添加的生产方法，其中，在几何模具的基础上，预定形状的物品由无定形的材料生产，例如，液体和粉末或中间形式半成品，例如带状或丝状材料，通过特定生成制造系统的化学和/或物理工艺。

根据一个改进，分层沉积增强纤维可包括由一个或多个纤维束给料增强纤维。此外，分层沉积增强纤维可包括通过一个或多个压辊沉积增强纤维。分层沉积增强纤维也可包括通过舒展辊等装置分散开增强纤维。例如，来自一个或多个纤维束的单独增强纤维可由合适的进料辊供应，通过舒展辊等装置分散开、分配并以平面的形式布置，并最终通过压辊施加。在该改进中，包括多个邻近布置的增强纤维的纤维层可以高效且精准的方式施加。

根据一个改进，增强纤维的平均熔点可高于金属模制材料的平均熔点。相应地，金属模制材料和增强纤维的材料可有利地彼此适应，这样金属模制材料的液化不影响已经沉积的增强纤维的纤维层。

根据一个改进，所述金属模制材料选自由铝、钛和其合金等组成的组。

根据一个改进，所述增强纤维可选自由玻璃纤维、碳纤维、芳族聚酸胺纤维和硼纤维等组成的组。因此，根据使用和要求，可使用金属模制材料，即金属基体的材料，和增强纤维的不同组合。例如，碳纤维可嵌入由钛或钛合金制成的金属基体中。例如，该改进特别地抗腐蚀。此外，碳纤维可特别地耐需要的金属熔化温度。因此，碳纤维可容易地耐高于3000℃的温度，尽管钛例如在1700℃的范围内熔化或固化。此外，碳纤维具有高达5000MPa以上的特别高的抗张强度以及高达500GPa以上的弹性模量。受增强纤维的布置和定向限制，以这种方式增强且具有钛金属基体和嵌在其内的碳纤维的金属部件可获得1000MPa量级的张紧强度和约50GPa的弹性模量。然而可替代地，也可结合例如具有铝基体或钛基体或其合金基体的玻璃纤维。原则上，本领域技术人员清楚这些和其他材料的其他可能的有利组合。

根据一个改进，纤维增强金属部件可形成为用于增强航空器和航天器机身的结构部件。相应地，该金属部件可形成为，例如，梁、框架、梁部分或框架部分或梁连接或框架连接等。原则上，根据本发明，其也可能将金属部件形成为蒙皮或蒙皮的一部分。一般地，通过使用该类型的部件，其能够提高航空器的结构特征，例如，关于硬度和强度，也关于损害容限和冲击行为等等。

上述实施例和改进可以任意想要的有利方式结合在一起。本发明的其他可能的实施例、改进和实施(尽管未明确提出)还包括之前已经描述的或在下面关于实施例描述的本发明特征的组合。特别地，本领域技术人员也将以对本发明特定基本形式的改进或增加，增加单独的特征。

附图说明

下面，将基于示意性附图中呈现的实施方式，更详细地描述本发明。

图1为根据本发明实施方式的纤维增强金属部件的示意性透视图；

图2为集成有图1的金属部件的航空器的示意性侧视图；

图3a、3b为根据本发明另一实施方式的用于生产图1的纤维增强金属部件的方法的两个示意性流程图；

图4为用于实施根据图3a的方法的设备的示意性透视图；

图5a、5b为实施根据图3a的替代生产方法的装置的示意性透视图和示意性侧视图；

图6为实施根据图3b的生产方法的装置的示意性透视图。

附图标记说明：

1 纤维增强金属部件

2 金属基体

3 增强纤维

4 金属模制材料

5 基体材料层

6 纤维层

7 纤维束

8 压辊

9 舒展辊

10 激光器

11 纤维织物

12 铸造模具

13 电压源

100 航空器

M 生产方法

M1 方法步骤

M2 方法步骤

M3 方法步骤

M′ 生产方法

M1′ 方法步骤

M2′ 方法步骤

M3′ 方法步骤

具体实施方式

附图用于提供对本发明实施例的更好理解。它们示出了各实施方式，且与说明书一起用于解释本发明的原理和概念。通过附图，其他实施方式和很多提到的优点将是很明显的。附图的元件不必须相对于彼此以真实比例示出。

在附图的图中，相同的、功能相同的以及相同操作元件、特征和部件分别设置相同的附图标记，除非特殊说明。

图1为根据本发明一个实施方式的纤维增强金属部件的示意性透视图。

图1中，附图标记1指纤维增强金属部件。该金属部件1为单一部件，即具有由金属模制材料4组成的金属基体2的整体部件，例如，钛或铝或相应的合金，多个增强纤维3穿过该整体部件。金属部件1可以为，例如，航空器或航天器100的结构部件，例如，梁或框架。图2为航空器100的示意性侧视图，图1的金属部件以梁集成在航空器100中。然而，原则上，本发明可以应用于任意其他金属部件，该金属部件为不同目的设置在航空器100内。原则上，根据本发明的金属部件1也可为复合部件等的金属部件。在这种意义上，图1的金属部件1被认为是纯示意性。例如，其可形成为具有任意想要形状横截面的梁或框架，即，例如Z-、L-或Ω-形横截面。

图1的增强纤维3可以为，例如，碳纤维或玻璃纤维，其已经引入金属部件1内以改进其结构，例如，以提高金属部件1在冲击或类似情况下的损害容限，或以改善其烧穿行为。这些增强纤维3在金属部件1的纵向上彼此平行地布置。这个结构仅用作示意性说明。原则上，其他结构在结构优化的意义上也可是有利的。

图3a为根据本发明的另一实施方式的用于生产图1的纤维增强金属部件的方法M的示意性流程图。

图3a中的生产方法M包括在步骤M1中，在纤维层6内分层沉积增强纤维3。此外，生产方法M包括在步骤M2中，在基体材料层5中分层沉积并液化金属模制材料4。此外，生产方法M包括在步骤M3中，在基体模制层5内分层固化金属模制材料4以形成纤维增强金属部件1的金属基体2。这里，金属部件1由交替沉积的基体材料层5和纤维层6整体形成。

图4为用于实施根据图3a的可能生产方法M的装置的示意性透视图。图5a和5b为用于实施根据图3a的替代实施方式的装置的示意性透视图和示意性侧视图。

在图4中，单独的增强纤维3通过合适的进料辊由一个或多个纤维束7供应。然后增强纤维3通过辊9等分散开、分配以及在以平面的方式彼此相邻地布置。之后，增强纤维3通过压辊8施加到基体材料层5，其已经施加，由金属模制材料4制成。然后另外的基体材料层5沉积在以这种方式沉积的增强纤维3的纤维层6上。为此，铺设头(图4中未示出)具有用于金属模制材料4的供应。在该实施方式中，以金属粉末的形式提供金属模制材料4。铺设头还具有激光器10，其熔化并液化金属粉末。其结果是，沉积的金属模制材料4通过完全围绕或嵌纤维层6的增强纤维3的液化的金属模制材料4与位于纤维层6下方的基体材料层5结合成一体。两个基体材料层5因此高效熔合，形成的金属基体2由此内嵌多个增强纤维3。生产方法M的各步骤M1、M2、M3一层一层地重复。当如此做时，增强纤维3可不同地布置和/或定向，例如。相似地，各层的厚度，即基体材料5和纤维层6的厚度可变化。原则上，生产方法M使其能够生产并优化多个具有用于不同用途的不同设计的纤维增强金属部件1。因此，生产方法M以完全自动的方式由被多个增强纤维3渗透的固体金属基体2生产集成金属部件。

图5a和5b中示意性示出的生产方法M基本上包括与图4相同的方法步骤M1、M2、M3。然而，与图4不同，在这里不设置具有激光器10的铺设头。可替代的，沉积的金属粉末通过电阻熔融来液化。为此，提供了两个空间分开的压辊8，其将增强纤维3压到下面的基体金属层5上。然后电路通过两个压辊8在位于两个压辊8之间的沉积表面上方接通。为此，增强纤维3可涂敷或覆盖，例如，金属材料或金属合金。然后当来自连接到压辊8电压源13的电流引导进该沉积表面时，金属模制材料4的沉积的金属粉末被加热直到其液化并围绕下面的纤维层6。最后，中断电流使得金属模制材料4冷却并固化，作为其结果，其与位于纤维层6下方的基体材料层5一起固化。如图4中那样，该工艺提供了整体金属基体2，其完全围绕或内嵌纤维层6的增强纤维3。然后这些方法步骤M1、M2、M3为每一层材料重复直到生成一体形成的金属部件1，其具有纤维增强金属基体2。

图3b为根据本发明另一实施方式的用于生产图1的纤维增强金属部件1的替代方法M′的示意性流程图。

生产方法M′包括在步骤M1′中将由增强纤维3组成的开纤三维纤维织物11引入铸造模具12内。此外，生产方法M′包括在M2′中将液体金属模制材料4倾倒进铸造模具12内。此外，生产方法M′包括在步骤M3′中使金属模制材料4固化以形成纤维增强金属部件1的金属基体2。由此，金属部件1由固化的金属模制材料4和增强纤维3一体形成。

图6为用于实施根据图3b的生产方法M′的装置的示意性透视图。

在该实施方式中，生产方法M′与塑料模制的转送模制基本上相似，例如，与环氧树脂模制的转送模制(“树脂转送模制”，RTM)相似。三维纤维织物11定位于铸造模具12内。这个纤维织物可具有，例如，由单独单一方向纤维层6形成的层状结构。然而，原则上，也可提供增强纤维3的更复杂的三维结构，其中，增强纤维3也可在在不同的方向上蔓延到层平面之外。纤维织物11以开纤的形式形成，使得已经被引入铸造模具12内的金属模制材料4完全围绕并内嵌增强纤维3，即其可在某种程度上延伸在纤维织物11的增强纤维3之间。在将纤维织物11引入铸造模具12(M1′)之后，模具关闭。然后金属模制材料4液化并随后通过一个或多个分配通道喷射入铸造模具12内部，或以一些其他的方式引入，并在其内分布。在固化M3′并冷却金属模制材料4之后，可从铸造模具12内移走已经形成的金属部件1。可替代地，此处也可使用从加工塑料模塑物中知道的其他生产方法M′，例如压模等(“树脂压模”)。

上述方法可用于运输工业的所有领域，例如用于公路车辆、轨道车辆或用于船只，但也一般地用于工程以及用于机械工程或用于其他部门，例如用于建筑、用于结构以及市政工程等。此外，原则上，上述生产方法可不仅用于纤维增强金属部件，也可用于纤维增强的塑料部件，例如由芳族聚酸胺纤维增强的塑料部件。此外，上述方法的一些也适于修复或增强已经形成的纤维增强金属部件。例如，由增强纤维和金属构成的额外层可用于损害金属部件的“原位”修复，例如以延长纤维增强金属部件的服务寿命，该额外的层与金属部件结合成一体。

在上面详细的说明书中，不同的特征已经合并进一个或多个实例以提高说明书的说服力。然而，在这方面，应当清楚上述说明书仅为示意性的原理，而不在任意方面限制。其用于包括不同特征和实施例的所有的替代、改进和等同物。考虑到上述说明书，对本领域技术人员而言，基于其专业知识，很多其他的实例将立刻且直接地变得明显。

已经选择并描述了实施例以能够呈现本发明的基本原理和其在实际中以最佳方式使用的可能性。结果，本技术领域的专家可选择性地改进并使用本发明和其关于想要的用途的不同实施例。在权利要求书和说明书中，术语“包含”和“具有”用作相应术语“由...组成”的语言学中立概念。此外，术语“一个”、“一个”以及“一个”原则上不排除以这种方式描述的特征和部件的复数。