用于制造预制件的装置和方法与流程

本发明涉及一种用于制造用于飞机结构构件的预制件的装置以及一种用于制造用于飞机结构构件的预制件的方法。

背景技术：

纤维增强材料的使用在当今得到极大的增加。这尤其适用于玻璃纤维增强或碳纤维增强的构件，其应用由于对轻质结构解决方案的持续上升的需求而增加。这在航空航天工业以及汽车工业中尤其如此。

然而，一个大的挑战仍然是玻璃纤维增强或碳纤维增强的构件（gfk或cfk构件）的自动化的制造。因此，手动加工在此在生产中还总是具有很大的份额。

在过去，已经进行了许多尝试来使过程半自动化或全自动化。为了制造飞机结构构件，特别是飞机的纵梁（stringer）和/或骨架（spante），例如de102010014704a1提出一种用于制造用于飞机结构构件的预制件的方法，其中在第一步骤中，连续输入的纤维层通过横向成型（querumformung）被成型为预先确定的横截面，并且其中随后形成的横截面轮廓在第二步骤中通过纵向成型被有针对性地弯曲。在此已知的是，在横向成型之前利用红外辐射器照射纤维层，以便将彼此松弛地延伸的纤维层彼此固定。现在已经发现，通过简单地照射纤维层，仅仅很难实现对纤维层的均匀加热。这导致，纤维层的部分区域过强地加热而其他部分区域不足地加热。此外，波动的环境条件对纤维层的连接质量有显著影响。这在生产的预制件的构件特性方面导致显著的质量差异。

技术实现要素：

因此，本发明的任务是如此改进和设计上述装置，使得能够通过稳定的工艺控制和可靠的制造工艺制造具有保持不变地高的构件特性的预制件。

上述任务通过权利要求1的特征来解决。

所提出的用于制造用于飞机结构构件的预制件的装置具有用于连续提供具有至少一个纤维层的层状结构的提供单元。此外，该装置具有加热单元，该加热单元具有至少一个红外加热器，该红外加热器具有红外辐射源。所提供的层状结构在此沿输送方向被引导通过加热单元并且在那里在其宽度的至少一部分上在横截面中被至少一个红外加热器加热。在此，在层状结构和红外加热器之间布置有红外辐射能够穿透的盘片。

由此在纤维层和盘片之间产生相对受保护的空间，在该空间中实现了非常均匀地加热层状结构。此外，环境变化对加热过程的影响被显著地降低。例如，以简单的方式和方法显著地降低在生产车间中例如当在冬季打开厂房时的突然的温度波动的影响并且可以明显更好地保持基本上恒定的温度。这种环境影响的影响通过设置盘片而比在红外辐射器简单自由地定位在纤维层上的情况下明显更小。

此外，通过借助于红外辐射器进行的能量输入，也可以非常特别简单地调节层状结构和盘片之间受保护的空间中的温度，因为加热固定确定的并且在其尺寸上由盘片和纤维层限定的区域。

此外，以这种方式可以在层状结构和盘片之间提供如下流动通道，该流动通道能够实现非常均匀地加热层状结构。

通过这种特别均匀的并且可良好控制的加热，通过所提出的装置来显著改善在制造用于飞机结构构件的预制件时的工艺质量。

根据权利要求2，为了特别是沿着输送方向切割层状结构，可以设置切割单元和/或为了将层状结构成型为横截面轮廓而设置有横向成型单元。

在权利要求3至6中描述了涉及所述装置的结构和特别是层状结构和盘片彼此间的布置的其他特征。

红外加热器的优选设计方案在权利要求7和8中进行描述。权利要求9涉及红外辐射源的控制。

根据权利要求10，加热单元具有至少一个另外的红外加热器。由此能够实现更均匀的温度分布或者能够有效地加热层状结构的其他区段。

根据权利要求11，为了更好地将纤维层彼此连接，可以设置压制单元。

此外，开头所述的任务在方法方面利用权利要求12的特征来解决。

得到与前面结合所述装置所描述的相同的优点。要指出的是，利用该装置可以执行所提出的方法。

该方法的优选的设计方案在权利要求13至15中描述。

附图说明

下面借助于仅仅示出优选实施例的附图详细解释本发明。附图中示出：

图1：a）中示意性地示出具有飞机结构构件的飞机的三维图示，b）中示意性地示出用于如a）中所示的飞机结构构件的预制件的三维图示以及横截面，该预制件可利用所提出的装置或所提出的方法来制造，

图2：a）中示出了所提出的装置或所提出的方法的实施例的示意图；b）中示出了在进入加热单元之前的层状结构的示意性剖面图；c）中示出了加热单元的示意性剖面图；d）中示出了切割单元的示意性剖面图；e）中示出了横向成型单元的示意性剖面图；f）中示出了高压釜中的飞机结构构件的制造的示意图，

图3以三维视图示出了加热单元的实施例的示意图，

图4示出了穿过图3中的根据iv的加热单元的剖面的示意图，

图5示出了类似于图4的另一实施例的剖面的示意图，

图6：a）和b）中示出了红外加热器的不同的三维图示，并且

图7示出了穿过根据图6的红外加热器的剖面。

具体实施方式

图1a）示出具有飞机结构构件2的飞机1。在图1a）的穿孔（ausbruch）中，例如骨架2a和纵梁2b被示出为这种飞机结构构件2。

如今，这些飞机结构构件2也制造为纤维增强的构件。为此，通常首先制造所谓的预制件3。这些预制件3随后被进一步加工成飞机结构构件2。

这种预制件在图1b）中以三维图示和剖面示出。如从图中可得知，该预制件在这里且优选地由多个纤维层4构成。

纤维层4具有纤维材料。这些纤维材料可以是干纤维、罗拉、织物、无纺布、绒和/或编织物。优选地，纤维层是所谓的预浸料（prepreg）、也就是说预浸渍的纤维层。它们优选用反应树脂，优选基于环氧树脂预浸渍。

在该实施例中，预制件具有t形轮廓。然而，这些预制件也可以以其它轮廓形状制造，像比如制造为l、u和/或v形轮廓。

图2a）以侧视图示意性地示出了用于制造预制件3的装置5的一个实施例。在图2b、图2c）和图2d）中，以横向于输送方向f的截面图示意性地示出了制造预制件3的各个步骤。

装置5具有如下提供单元6，该提供单元用于连续地提供具有至少一个纤维层4的层状结构7。在这里且优选地，层状结构7具有至少两个或三个纤维层4。层状结构7可以以特别是完成批量生产的形式在辊（rolle）8上提供，或者可以设置多个具有纤维层4的辊8，其纤维层在装置5中拼合成层状结构，如在图2a的实施例中的情况那样。

此外，所提出的装置5具有带有至少一个红外加热器9的加热单元8。该红外加热器具有红外辐射源10。如图2a）所示，层状结构7被引导通过加热单元8，并且如根据图2c的横截面所示，在加热单元8中，在其宽度b的至少一个区段t上在横截面中被至少一个红外加热器9加热。通过加热层状结构7，在这里且优选地，在纤维层4中和/或上的粘合剂被活化，该粘合剂将纤维层彼此连接、特别是粘接起来。由此，纤维层4可以在其宽度b上、特别是仅在一个宽度区段t上彼此连接，从而这些纤维层在后续的加工步骤中至少在这样的区段t的区域中不会相对于彼此移动。

原则上，层状结构可以在其整个宽度上由加热单元8加热，然而替代地，也可以在宽度上仅由加热单元8加热一个预先确定的区域或者仅加热多个预先确定的区域，如这在实施例中也是这种情况。纤维层4然后在这些被加热的区域中彼此连接。在未加热的区域中，纤维层4于是例如在随后的横向成型期间还可以相对于彼此运动。未被加热的区域的这种相对运动自由度可以主动地用于横向成型，从而优选在穿过加热单元8之后横向成型未被加热的区域。

特别优选地，关于输送方向f，尤其仅层状结构7的侧向区域被加热，如这在实施例中是这种情况，和/或关于输送方向f，尤其仅层状结构7的中间区域被加热。

此外，如图2c）所示，根据建议，在层状结构7和红外加热器9之间设置红外辐射能够穿透的盘片11。通过这种结构，在层状结构7和盘片11之间产生受保护的空间12，其同样带来了若干优点。

一方面，它提供了一个界定的区域，在该区域内可以通过控制红外辐射源10来很好地调整温度，并且可以简单、快速和精确地调节温度。此外，它保护加热单元8的区域中的层状结构7，并且因此保护加热过程免受环境影响、特别是免受如例如由于冬季中厂房的打开而可能导致的环境中的突然的温度下降的影响。结果，能够实现特别均匀的加热和非常精确地调整和保持层状结构7在被照射的区域（区段t）中的温度。由此，尤其能够持续地提高在活化所述粘合剂时的工艺可靠性并且因此持续地提高预制件3的质量。

在图3中示出了加热单元8的三维图示。这将在后面借助于图3至7通过该加热单元的结构细节或红外加热器9的细节来更详细地描述。

如图2a）所示，切割单元13可以设置在加热单元8的后面。该切割单元在图2d）中在正交于输送方向f的横截面中示出。这个切割单元13沿输送方向f切割层状结构7，其方式为该层状结构被输送穿过切割单元13。在该实施例中，层状结构7的一个在加热单元8中未被加热的区域在输送方向上被切割单元13切割。

在加热单元8之后，在这里且优选地还设置有如下横向成型单元14，该横向成型单元使层状结构7变形为预先确定的横截面轮廓。也就是说，层状结构7围绕输送方向f变形。这在图2e）中示意性地示出。优选地，横向成型通过经由成形芯部（formkern）15引导通过层状结构7来进行，所述成形芯部尤其连续地匹配于待制造的轮廓形状，在所述成形芯部上层状结构7借助于挤压辊16被挤压并且成型。与此相关地，尤其参考申请de102010014704a1，在该申请中描述了这种横向成型。

特别是当层状结构7在横向成型之前如在图2d）中所示那样由切割单元13沿纵向方向切割时，层状结构7a、7b的两个如此分开的区段可以单个地在横向成型单元14中成型，例如成型为l形轮廓，并且接着拼合、特别是拼合成t形轮廓，如这在图2b）中所示那样。

在横向成型单元14之后可以设置纵向成型单元17。在纵向成型单元17中，层状结构7可以围绕与输送方向f正交地指向的轴线成型，例如用于产生预先确定的纵向弯曲。与此相关地，同样参考申请de102010014704a1，在该申请中描述了这一点。

此外，可以设置有如下分离单元18，该分离单元特别是横向于输送方向f分离连续制造的预制件3。此外，可以设置有如下输送单元25，借助于该输送单元，层状结构7特别是连续地被输送通过装置5。输送装置25可优选地集成在加热单元8中和/或布置在加热单元8后方。因此，在这里，利用装置1连续地制造预制件3。在制造预制件3时的输送速度在这里且优选为至少100mm/min，更优选为至少200mm/min，进一步优选为至少400mm/min。

在分离之后，在这里且优选地尤其借助于高压釜19将预制件3进一步加工成飞机结构构件2。在该过程中，这些预制件被加热，必要时用反应树脂渗透并且进行时效硬化。在时效硬化之前或之后，还能够以不同的方式和方法继续加工、尤其切割所述预制件3或飞机结构构件2。

此外，可以设置有未示出的浸渍单元，借助于所述浸渍单元可以局部或完全为穿过所述装置的纤维层4配备粘合剂系统。这种浸渍单元优选集成到提供单元6中和/或布置在加热单元8之前。

下面将借助于附图3至7更详细地描述具有红外加热器9的加热单元8。

如已经阐述的那样，通过盘片11和层状结构7提供受保护的空间12，所述空间能够实现层状结构7的均匀的加热。为此，在这里且优选地，如图7所示，层状结构7和盘片11之间的间距小于盘片11和红外加热器9的红外辐射源10之间的间距。在此，层状结构7和盘片11之间的间距小于10cm，进一步优选小于5cm，进一步优选小于3cm，进一步优选基本上为1.5cm。如从附图中可以进一步得知的那样，盘片11基本上平行于纤维层4或层状结构7布置。

层状结构7和盘片11在这里且优选形成流动通道20。在此，还设置有如下过压源21，通过该过压源在流动通道20中、特别是在该红外加热器9的辐射区域中提供气体流。这种气体流尤其可以是空气流。由此可以冷却层状结构7的外表面，从而确保层状结构的均匀加热，并且因此尤其也确保层状结构7的中间层和/或下部层的均匀加热。因此，提出了在加热层状结构7时通过气体流冷却外表面，而借助于红外辐射加热层状结构。因为较大部分的红外辐射不会如此深地侵入到层状结构中并且因此较强地加热上部层，所以以这种方式可以在整个被照射的横截面上实现特别均匀地加热层状结构。

在此，层状结构7在被照射的区域（区段t）中的温度被调整为110℃+/-15℃，优选+/-10℃，进一步优选+/-5℃，进一步优选+/-2.5℃。

气体流尤其能够具有与层状结构7的输送方向f相反和/或正交的方向矢量r。特别地，气体流能够与输送方向（f）相反或正交地指向。特别优选地，气体流如在该实施例中那样基本上正交于输送方向f在层状结构7与盘片11之间在红外加热器9的区域中流动通过。

在此，在盘片11的纤维层侧设置有排出开口22以在流动通道20中提供气体流。这些排出开口在这里且优选基本上正交于输送方向f和/或平行于输送方向f指向。气体流可以在溢流层状结构7之后被吸出。

在这里且优选地，红外加热器9能够相对于层状结构7尤其横向于和/或正交于输送方向f得到调节。为此，在这里且优选地，红外加热器9作为整体得到调节。为了在同一装置5上制造具有不同横截面轮廓的预制件3，因此可以用加热单元8加热在宽度b上不同的预先确定的区域。

此外，红外加热器9能够具有尤其可调节的反射器23。利用该反射器例如可以横向于输送方向f调整区段t的宽度，在该宽度上红外辐射源10作用到层状结构7上。

如在图7中示出的那样，反射器23在这里且优选具有两个反射器元件23a、23b。它们在输送方向f上布置在红外辐射源10的侧向并且限制其辐射。在这里且优选地，这些反射器元件关于平行于输送方向f并且正交于层状结构7的平面倾斜地布置在加热单元8中。优选地，与平面成7°至15°之间的角度，优选地成在10°至12°之间的角度。由此，能够在利用红外辐射源10照射的范围内实现特别均匀的加热。为了进行调整，在这里且优选不仅可以调整倾斜角，而且也可以调整反射器元件23a、23b的间距或其长度。

在这里且优选地，盘片11配设给红外加热器9并且被固定在其上。如果红外加热器9被调节，则因此可以一起调节盘片11。然而替代地也可以规定，盘片11不配设给红外加热器9。例如，盘片可以固定地安装在加热单元8中并且仅由红外加热器9照射。在这种情况下，在这里且优选地仅调节红外加热器9并且必要时调节其反射器23，而不调节盘片11。

此外，盘片11在这里可以相对于红外辐射源10得到调节，如图7所示。该盘片可以在其距红外辐射源10的间距上和/或基本上平行于层状结构7相对于红外辐射源10得到调节。

额外地或替代地，排出开口22可以配设给红外加热器9。排出开口22在此相对于盘片11固定地布置，然而可以相对于红外辐射源10得到调节。因此，在此可以特别简单地调节待照射的区域，其方式是，红外加热器9作为整体能相对于层状结构7得到调节。在此，排出开口22在这里被一起调节，使得气体流相对于盘片11和红外辐射源10基本上保持相同。

红外辐射源10在这里且优选地以额定功率的60%至95%运行。在这种情况下，得到红外辐射源10的特别优选的辐射谱以用于加热层状结构7。

红外辐射源10的功率优选通过其强度和/或通过其脉冲来调整。该装置由控制器s控制，该控制器也控制红外辐射源10。

如从图3至图5中可以得知的那样，加热单元8优选地不仅具有一个红外加热器9，而且还具有至少一个另外的红外加热器9。优选地，设置有至少一个红外加热器9、优选地设置有至少两个红外加热器9，所述红外加热器从上方加热所述层状结构7，和/或设置有至少一个红外加热器9、优选地设置有至少两个红外加热器9，所述红外加热器从下方加热所述层状结构7。在这些实施例中，设置有正好两个从上方加热层状结构7的红外加热器9和正好两个从下方加热层状结构7的红外加热器9。

在这里且优选地，红外加热器9相对于层状结构7镜面对称地布置。以这种方式，可以通过层状结构7的横截面实现对层状结构7的被照射的区域的尽可能均匀的加热。

此外，在图3中示出了压制单元24。在这里且优选地，设置有如下压制单元24，该压制单元用于在纤维层4进入到加热单元8之前和/或之后和/或在纤维层4从加热单元8出来之前和/或之后将层状结构7压紧。压制单元24为了进行压紧而优选具有滚轮24a、24b。所述滚轮、特别是压制单元24的在加热单元8的入口处的滚轮能够被加热。

在图4的实施例中，所有的红外加热器9如前所述地构造。这优选地也是这种情况。特别优选地，这些红外加热器结构相同。然而替代地，如图5的实施例所示，红外加热器9也可以不同地构造。在图5的实施例中，仅在上部的红外加热器和层状结构7之间设置有盘片11。层状结构7从下方由承载板26承载，该承载板在下部的红外加热器9的辐射区域中具有大面积的孔27，通过这些孔从下方加热层状结构7。

在图5的实施例中，层状结构7通过网状结构和/或导体结构28承载。该网状结构和/或导体结构柔性地构造，在这里构造为环形带（endlosband）。所述网状结构和/或导体结构用于承载和/或输送层状结构7通过加热单元8。为此，所述网状结构和/或导体结构可以被驱动。