专利名称：航空航天用纤维复合部件的制造方法
技术领域：
本发明涉及一种制造纤维复合部件(34)的方法，尤其是用于航空航 天，涉及一种用于制造这种纤维复合部件的型芯，以及涉及一种具有至少 一个桁条的纤维复合部件，所述的桁条通过这种型芯和/或这种方法被制 造。
背景技术：
尽管本发明可用于任何所期望的纤维复合部件，但本发明及其基于的 问题将参考二维加强桁条的碳纤维强化塑料(CRP)部件，例如飞行器的 外壳，进行更详细地描述。
众所周知，通过CRP桁条来加强CRP外壳，以便以尽可能小的附加重 量来承受出现在飞行器区域内的负荷。在这种情况下，需从本质上对T和 Q这两种桁条进行区分。
T形桁条的横截面由基底和杆构成。基底构成相对于外壳的连接表 面。用T形桁条来加强外壳被广泛用于飞行器结构上。
Q形桁条具有类似于帽子的外形，其终端与外壳相连。固化的Q形桁 条可与同样固化的外壳粘性连接，或与外壳同时固化进行湿法 (wet-in-wet)固化。后者是所期望的，因为这对于加工的技术角度是更 有利的。但是，对于Q形桁条所加强的外壳的湿法制造，支撑或模制型芯 是必须的，以便可在制造过程期间将尺寸不稳定的纤维半成品固定和支撑 为期望的Q形状。具有Q形桁条的外壳优于具有T形桁条的外壳，这是因为 在灌注过程期间具有Q形桁条的外壳允许更好的渗透以将基质，例如环氧 树脂，引入纤维半成品。相对于制造纤维复合部件的其它己知方法，例如 预浸处理过程，灌注过程是便宜的，因为它允许使用低成本的纤维半成品。
但是，Q形桁条的制造存在着问题，即，目前用于支撑或模制型芯的 材料是成本密集型的，并且仅在Q形桁条形成之后才能被费力地消除，结果使桁条中的剩余材料负面地增加了纤维复合部件的重量，从而最终增加飞行器的重量。而且，桁条中的剩余材料负面地增加飞行器的整体重量是有问题的。
发明内容
针对这个背景，本发明基于的目的是提供一种成本更低和更轻的纤维复合部件，尤其是用于航空航天。
根据本发明，本目的可通过具有权利要求l的特征的方法、具有权利
要求22的特征的型芯，和/或具有权利要求29的特征的纤维复合部件得到实现。
因此，制造纤维复合部件的方法被提供，尤其是航空航天领域内位于基底部件上的桁条，所述的方法包括以下方法步骤将芯套引入模制工具以建立待形成型芯的外部几何形状；填充芯套，被引入的所述的芯套具有可真空固定的填充材料；对芯套施加真空，从而真空固定填充材料以形成型芯；以及至少部分地将至少一个纤维半成品放置在形成的型芯上，以使待制造的纤维复合部件成形。
用于制造纤维复合部件的型芯也被提供，尤其是位于基底部件上的桁条，特别是在航空航天中，所述的纤维复合部件包括芯套，所述的芯套构成型芯的外表面；以及可真空固定的填充材料，所述可真空固定的填充材料通过芯套被真空固定。
具有至少一个桁条的纤维复合部件也被提供，尤其是用于航空航天，借助根据本发明的型芯和/或根据本发明的方法，制造所述的纤维复合部件。
因此，本发明比开始提到的方法具有优势，这是因为纤维复合部件能够通过低成本的型芯制造。极低成本的可固定的填充材料，例如石英砂，可有利地用于型芯，以替代非成本密集型材料。
本发明的优点细化和改进在从属权利要求中能够找到。在本例中"可真空固定的填充材料"可被理解为填充材料的意思，所述的填充材料尤其具有颗粒元素，当对填充材料施加压力时所述的颗粒元素相互钩住。只要保持作用在填充材料上的压力，填充材料在固定状态下的形状就被限定。如果压力消除，元素将不再接合，并且填充材料的几何形状能够被改变。
根据本发明的优选设计，在填充之前，通过重力和/或作用在芯套外表面上的抽吸装置使芯套保持打开状态。因此，芯套能够被方便地填充。通过与用于芯套真空固定的装置相同的装置可特别有利地构成抽吸装置。
直径略小于待形成的型芯的弹性芯套或直径略大于该型芯的芯套可被使用，例如，可能出现在后续例子中的容许褶皱形成。
在本发明的更优选的典型实施例中，在真空固定之前，模制工具内的可真空固定的填充材料被压缩和/或摇晃。"压縮"可被理解为压缩填充材料颗粒的意思。
优选地，该模制工具被形成，以使得其在纵向上能够被分隔以确保将型芯方便地移除。
在真空固定之前，压缩和/或摇晃有助于填充材料的元素的接合，因此，当压力被施加时可使所限定的填充材料的几何形状被固定。
"真空固定"可被理解为在芯套开口处提供负压的意思。负压的结果使芯套紧固在固定的填充材料周围，并将其固定。例如，开口随后通过焊接
和/或粘合连接被封闭或密封。作为选择，真空产生设备可保持永久连接，直到CRP部件被固化后为止。因此，最好能够进行过程监视，例如芯套内的泄漏检测。而且，当后者出现泄漏时，芯套内能够保持真空。
根据本发明的更优选的典型实施例，加强装置被布置在待形成型芯的外部几何形状的过渡区域，从而在芯套的内侧和/或外侧形成有锐边。这些加强装置，尤其是横截面近似为三角形的拐角轮廓构件，它们的效果的其中之一是使型芯的边缘强度增加。该拐角轮廓构件的其它功能为，例如，可增大桁条连接基底部件的区域的半径、提供适合于纤维的设计、影响树脂的分布，以及保护芯套不受损坏。
尽管拐角轮廓构件的其它实施例是可能的，但具有编织的CRP角撑板
或挤压的塑料角撑板的结构尤其合适。CRP角撑板具有做工粗糙的CRP编
织管，在所述的管的中心有拉成的纤维束，所述的角撑板能够方便地被压
成三角形状。CRP角撑板与纤维复合部件固化。该挤压的塑料角撑板可选择性脱离该部件或被移除。上述具有CRP角撑板或塑料角撑板的结构具有以下优点可避免在拐角内形成未限定的树脂囊。因此， 一方面，可节省重量；另一方面，可避免在铺放的CRP纤维内形成剧烈的绞缠。而且，因半径增加可在桁条和/或基底部件内实现优化的纤维取向。还有，由于通过型芯使任意空穴充满拐角轮廓构件，所以防止了在渗透期间树脂快速渗透的进行。而且，可确保从模具进行更简单和可靠的取出。型芯堵塞在拐角内的情况很少可能会发生。还有，由于负荷转移到拐角轮廓构件，因而在装卸期间易碎的或松软的型芯的灵敏度降低。而且，由于型芯不再形成有锐边，所以型芯的制造被简化。此外，由于芯套不再形成有锐边，因而芯套将承受更少的应力，且拐角轮廓构件被布置在芯套的外侧，在所述的锐边处芯套材料会遭受疲劳损伤。
"纤维半成品"可被理解为编织或铺放的纤维和纤维层的意思。这些被提供有基质，例如环氧树脂，并随后被固化，例如借助于压热器，以形成纤维复合部件。
释放层优选施加于芯套，所述的释放层减少了固化的纤维复合部件的粘附。这有助于在利用型芯对纤维复合部件的部分进行至少部分固化之后移除芯套。
根据本发明的更优选的典型实施例，型芯被布置在基底部件上，禾口/或至少部分被纤维半成品包围以形成至少一部分纤维复合部件，所述的基底部件包括纤维复合产品的半成品。因此，具有Q形桁条的基底部件，例
如外壳，以及压力圆顶(pressure domes)等能够被有利地形成。作为选择或此外，分离的纤维复合部件也能够被制造，所述的分离的纤维复合部件的外形通过型芯被完全地限定。
根据本发明的更优选的典型实施例，在真空固定结束之后，可固定的填充材料从芯套移除，尤其是被摇晃出、排出和/或抽吸出。真空的移除意味着可固定的填充材料不再被固定，并可从芯套的开口移除出该芯套。例如，这可利用吸管实现，所述的吸管被挤进填充材料，并将填充材料从芯套吸出。 一旦填充材料己被充分地从芯套移除，例如在Q形桁条的制造中，可沿Q形桁条的纵向从中拉出芯套。因此，型芯不再增加飞行器的整体重量，并且不再负面影响其有效载荷。
根据本发明的更优选的典型实施例，型芯形成有至少一个底切。该底切优选位于型芯的纵向上。因此，在纵向上横截面变化的桁条通过这种型芯可被制造。在真空固定和填充材料移除之后，利用底切可有利于从型芯移除芯套，这也是有利的。
本发明将以附图中示意图所表示的典型实施例为基础进行以下更详细的描述。在所述的附图中
图l示出了根据本发明的以示例给出的典型实施例的型芯制造方法的情况；
图2示出了根据以示例给出的典型实施例的型芯制造方法的其它情
况；
图3示出了根据以示例给出的典型实施例的型芯制造方法的另一情
况；
图4A示出了根据典型实施例的沿图3中剖面线A-A截取的截面；图4B示出了根据本发明的其它典型实施例的沿图3中剖面线A-A截取的截面；
图5示出了根据以示例给出的典型实施例的纤维复合部件制造方法的情况；
以及图6示出了根据以示例给出的典型实施例的纤维复合部件制造方法的其它情况。
具体实施形式
在所有附图中，相同的或功能相同的元件被提供相同的参考标号，除非另有说明。
图1 图3示出了根据本发明的典型实施例的方法的若干情况。模制工具2被布置在设备1内。模制工具2优选具有诸如图4A所示的横截面3。模制工具2的横截面3被形成，以使其基本上为梯形。模制工具2的壁4设置有大量的小孔5以防止芯套9的吸入。在芯套9与壁4之间引入通风薄膜以确保均匀分布的真空同样是可能的。
孑L5通过通道6连接到软管7。软管7依次连接到第一真空泵(未显示)。第一真空泵可在模制工具2的内部空间8内产生负压。
优选弹性和/或柔性芯套9被引入模制工具2的内部空间8内。芯套9在纵向上相对于重力的有效方向形成有上部开口 。芯套9优选由塑料制成，尤其是聚酰胺和/或聚四氟乙烯(PTFE)塑料。芯套9被使其纵轴L沿着模制工具2的纵轴对齐，并且在其上端从设备l的可闭开口ll伸出，所述的上端具有开口IO。
优选地，具有开口 10的一部分芯套9随后被挤压通过板12的开口 15，并借助箝位环18被紧固在此位置。
根据本示例性实施例，设备1的可闭开口11被板12关闭，并且板12相对于模制工具2的内部空间8通过合适的紧固装置13a、 13b以密封的方式被关闭。
在上述步骤之前或之后，第一真空泵被接通以在模制工具2的内部空间8内产生真空。这将产生影响，从而使芯套9外表面16被吸在模制工具的内表面17上。因此，芯套9被铺放，且其外表面16a紧贴靠着模制工具的内表面17。箭头22和23表示空气的流动方向。
模制工具2有利地设置有多个孔5，这样芯套9的壁16a完全抵靠模制工具的内表面17和抵靠用于关闭开口11的板12。在多个模制工具2的情况下，
多个部分之间的间隙(尤其是在模制工具横截面的拐角区域中)，而非孔，可用于施加真空。多个模制工具2具有方便地引入芯套9和方便地移除型芯27的优点，所述的型芯27由模制工具2制造，并且通常是本发明的优选。
随后，可真空固定的填充材料，例如石英砂，通过给料设备19送入芯套9的开口10。例如，给料设备19可由给料器20形成，借助重力和/或压縮
空气可将石英砂送入所述的给料器内。
一旦芯套9被充分填充，S卩，例如刚好低于开口IO，则将停止用石英砂21填充芯套9。
真空密封设备24以密封方式与芯套的开口10连接在一起。在这种情况下，真空密封设备可至少在一定程度上具有与给料设备19相同的部件。
在进一步的步骤中，关闭第一真空泵，然后允许空气沿与图2中箭头25所示方向相反的方向流动。
然后，接通第二真空泵(未显示)，并如箭头26所示从芯套吸出空气，从而在芯套9内部产生第二真空。然后使芯套9的壁16a自身紧固地拉紧在 石英砂21的周围，并对其压縮。
通过利用第一真空泵对芯套9的外表面16a施加真空，由于芯套9之前 的预拉伸，因而借助第二真空，在紧縮期间芯套9不会形成任何褶皱。
石英砂21压縮的结果使石英砂各个颗粒相互接合，从而形成型芯27。 石英砂的低压縮率的结果是，在芯套9的壁16a的收縮影响下型芯27的外形 仅有极微小的变化。
此外，模制工具2优选在芯套9的纵向上被摇晃，例如在第二真空泵应 用之前，以实现压紧，从而改善强度。这样形成的型芯27对点荷载的抵抗 能力增加。
形成的型芯27具有图4A所示的横截面28。
此外，如图4B所示，在第二泵应用之前，加强元件可以拐角轮廓29a、 29b的形式布置在芯套9内。
在进一步的步骤中，根据本示例性实施例，芯套9的开口10通过真空 密封设备被关闭，例如被焊接。作为选择，只要需要真空固定，真空就能 保持连接。因此，可进行质量控制，例如芯套9内的泄漏检测。如果真空 密封设备24被移开(例如向上)，则第二真空保持在芯套9内。然后，在 另一方法步骤中板12被抬升开。在模制工具2开口以后，尺寸稳定的型芯 27从其中移除，并布置在包含有若干纤维层的面板31上。
图5和图6示出了根据以示例给出的典型实施例的纤维复合部件制造 方法的其它情况。
布置横截面大约为梯形的两个型芯27，其基底32位于基底部件31之 上，所述的型芯27特别地已通过上述方法被制造。基底部件31具有至少一 层纤维半成品。
在进一步的步骤中，纤维半成品被平铺在型芯27上。纤维半成品33a、 33b由此平放，且其中间部分位于型芯27的外表面16b上，其端部位于基底 部件31上，即，例如在飞行器的外壳上。
不同的制造方法可用于制造纤维复合部件。灌注过程被优先选择以将 基质，即，例如环氧树脂，引入纤维半成品31、 33a、 33b。预浸过程可同 样被用在这里。在进一步的步骤中，在炉或压热器内的热量和压力的影响下，基底部
件31可有利地与型芯27a、 27b和纤维半成品33a、 33b固化，这取决于所用 的加工过程。在这里，重要的是芯套9能够可靠地承受加工温度和处理压 力。
例如，在合适的炉或压热器内(未显示)，纤维半成品33a、 33b被固 化以形成桁条35a、 35b。在固化以后，至少部分固化的纤维复合部件34 从而具有两个Q形桁条35a、 35b。
在示例给出的方法步骤中，当芯套9在端面处被打开以后，吸入管38 可被导入芯套9的开口10内。吸入管38从芯套9吸出石英砂21，并最终从桁 条吸出，如图6中桁条35a的典型形式所示。
一旦石英砂21被大量地移除，芯套9可沿纵向从桁条拉出，如图6中桁 条35b的典型形式所示。即使桁条35a、 35b在纵向上具有底切时，S卩，位 于相对于桁条纵向而横向延伸的桁条内的凹陷，这也是可能的。因此，可 确保以简单的方式从模具移除芯套9或型芯27。在这之后，纤维复合部件 34可被进一步处理或被直接使用。
为制造航空航天领域内的纤维复合部件，本发明并不局限于附图中所 表示的特定方法。
例如，根据本发明的制造方法的各个方法步骤的各个顺序能够以不同 的方式改变。各个方法步骤所采取的形式也能够被修改。例如，在从模具 移除芯套之前，可进行冲洗使石英砂排出，而非抽吸排出。
型芯也可作为整体沿所述的桁条的纵向从桁条拉出或压出。
而且，型芯的几何形状能够修改为不同的形式。
此外，多个型芯用于形成单一型芯也是可能的，纤维复合层被放置在 所述的单一型芯的周围。这样允许通过多种型芯形成更复杂的几何形状， 以及因此制造更复杂的纤维复合部件。参考标号列表
1设备
2模制工具
3模制工具的横截面
4模制工具的壁
5孔
6通道
7软管
8模制工具的内部空间
9芯套
10芯套开口
L纵轴
11设备的可闭开口
12板
13a锁紧装置
13b锁紧装置
15板的开口
16a芯套的壁
16b芯套的外表面
17芯套的内表面
18夹具
19给料设备
20给料器
21石英砂
22空气的第一流动方向
23空气的第一流动方向
24真空密封设备
25第二流动方向
26第三流动方向27 型芯
28型芯的横截面 29a拐角轮廓 29b拐角轮廓 31基底部件 32型芯的基底 33a纤维半成品 33b纤维半成品 34纤维复合部件 35a桁条 35b桁条 37 抽吸设备
权利要求
1. 一种纤维复合部件(34)的制造方法，尤其是在航空航天领域，包括以下方法步骤将芯套(9)引入模制工具(2)以建立待形成的型芯(27)的外部几何形状；用可真空固定的填充材料(21)填充被引入的芯套(9)；对芯套(9)施加真空，从而真空固定填充材料(21)以形成型芯(27)；以及至少部分将至少一个纤维半成品(33a，33b)放置在所形成的型芯(27)上以使待制造的纤维复合部件(34)成形；其特征在于，加强装置(29a，29b)布置在型芯(27)的外部几何形状的过渡区域内，所述过渡区域形成有锐边。
2. 根据权利要求l所述的方法，其特征在于，通过作用在可真空固定 的填充材料(21)上的重力和/或作用在可真空固定的填充材料(21)上 的吹送器气流进行芯套(9)的填充。
3. 根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在填充之前，芯套 (9)通过重力和/或作用在芯套(9)外表面(16b)上的抽吸装置(5)保持打开。
4. 根据前述权利要求中的至少任一项所述的方法，其特征在于，在 填充芯套(9)以后，作用在芯套(9)上的抽吸装置(5)释放芯套(9)。
5. 根据前述权利要求中的至少任一项所述的方法，其特征在于，为 保证质量对用于真空固定的真空进行监视。
6. 根据前述权利要求中的至少任一项所述的方法，其特征在于，在 真空固定之前，对模制工具(2)内的可真空固定的填充材料(21)进行 压缩和/或摇晃。
7. 根据前述权利要求中的至少任一项所述的方法，其特征在于，加 强装置(29a， 29b)布置在芯套(9)内部、待形成的型芯(27)的外部 几何形状的过渡区域内，所述的过渡区域形成有锐边。
8. 根据前述权利要求中的至少任一项所述的方法，其特征在于，在真空固定以后，型芯(27)从模制工具(2)移除，所述的模制工具优选 在纵向上被分隔。
9. 根据前述权利要求中的至少任一项所述的方法，其特征在于，释放层施加于芯套(9)或由芯套自身形成，所述的释放层减弱纤维半成品 (31， 33a， 33b)和/或基质对芯套(9)的粘附。
10. 根据前述权利要求中的至少任一项所述的方法，其特征在于，型 芯(27)布置在基底部件(31)上和/或至少部分地被纤维半成品(33a， 33b)围绕以形成至少一部分纤维复合部件(34)，所述的基底部件包括 纤维复合产品的半成品。
11. 根据权利要求10所述的方法，其特征在于，基质被引入至少一个 带有型芯(27)的纤维半成品(31， 33a， 33b)，并且随后在受压和/或 受热下至少部分被固化。
12. 根据权利要求ll所述的方法，其特征在于，在至少部分被固化以 后，芯套(9)内的真空被停止。
13. 根据权利要求11或12所述的方法，其特征在于，在停止真空以后， 将可真空固定的填充材料(21)从芯套(9)移除，尤其是通过摇晃、冲 冼和/或抽吸排出。
14. 根据前述权利要求11 13中的至少任一项所述的方法，其特征在 于，芯套(9)从纤维复合部件(27)的至少部分固化的部分移除。
15. 根据前述权利要求中的至少任一项所述的方法，其特征在于，芯 套(9)由弹性、柔性和/或尺寸不稳定的材料构成。
16. 根据前述权利要求中的至少任一项所述的方法，其特征在于，芯 套(9)由塑料构成，尤其是聚酰胺和/或聚四氟乙烯塑料。
17. 根据前述权利要求中的至少任一项所述的方法，其特征在于，型 芯(27)形成有至少一个底切。
18. 根据前述权利要求中的至少任一项所述的方法，其特征在于，所 形成的型芯(27)的横截面为梯形、三角形、椭圆形、圆形和/或波浪形。
19. 根据前述权利要求中的至少任一项所述的方法，其特征在于，可 真空固定的填充材料(21)为精细颗粒形式，和/或由砂、石英砂、颗粒 和/或玻璃珠形成。
20. 根据前述权利要求中的至少任一项所述的方法，其特征在于，纤维复合部件(34)的制造方法采用人工制作、预浸处理、传递模塑和/或真空灌注过程。
21. —种用于制造纤维复合部件(34)的型芯(27)，尤其是航空航 天中在基底部件(31)上的桁条(35a， 35b)，所述的型芯包括芯套(9)，所述的芯套(9)形成型芯(27)的外表面；以及 可真空固定的填充材料(21)，所述的可真空固定的填充材料(21)借助芯套(9)被真空固定；其特征在于，加强装置(29a， 2%)布置在型芯(27)的外部几何形状的过渡区域内，所述的过渡区域形成有锐边。
22. 根据权利要求21所述的型芯，其特征在于，芯套(9)由弹性、 柔性和/或尺寸不稳定的材料构成。
23. 根据权利要求21和22中的至少任一项所述的型芯，其特征在于， 芯套(9)由塑料构成，尤其是聚酰胺和/或聚四氟乙烯。
24. 根据权利要求21 23中的至少任一项所述的型芯，其特征在于， 型芯(27)具有至少一个底切。
25. 根据权利要求21 24中的至少任一项所述的型芯，其特征在于， 加强装置(29a， 2%)被形成为金属和/或塑料的拐角轮廓构件。
26. 根据权利要求21 25中的至少任一项所述的型芯，其特征在于， 所形成的型芯(27)的横截面为Q形、梯形、三角形、圆形、椭圆形和/ 或波浪形。
27. 根据权利要求21 26中的至少任一项所述的型芯，其特征在于， 固定填充材料(21)为精细颗粒形式，和/或包括砂、石英砂、颗粒和/或 玻璃珠。
28. —种通过根据权利要求21 27中的至少任一项所述的型芯(27) 和/或根据权利要求l 20中的至少任一项所述的方法制造的、具有至少一 个桁条的、尤其是在航空航天领域应用的纤维复合部件(34)。
全文摘要
本发明公开了一种制造纤维复合部件(34)的方法与型芯，尤其是在航空航天领域，所述的方法包括以下方法步骤将芯套(9)引入模制工具(2)以建立待形成的型芯(27)的外部几何形状；用可真空固定的填充材料(21)填充所引入的芯套(9)；对芯套(9)施加真空，从而可真空固定的填充材料(21)以形成型芯(27)；以及至少部分地将至少一个纤维半成品(33a，33b)放置在所形成的型芯(27)上，以使待制造的纤维复合部件(34)成形。
文档编号B29C70/44GK101472732SQ200780023295
公开日2009年7月1日 申请日期2007年7月5日 优先权日2006年7月6日
发明者托尔本·雅各布, 约阿希姆·皮彭布洛克 申请人:空中客车德国有限公司