专利名称：芯结构以及制造芯结构的方法
技术领域：
本发明涉及制造芯结构的方法、芯结构、制造芯结构的装置、以及 芯结构在航空器中的应用和具有芯结构的航空器。
背景技术：
由于复合材料、特别是芯复合结构具有良好的刚度及强度对密度的 比率，因此它们在高科技领域一一诸如航空器结构或者汽车结构一一具 有广阔的应用范围。芯复合物一般包括两个覆盖层以及设置在这些覆盖 层之间的芯结构，其中覆盖层由针对该应用而特殊选择的材料制成。
例如，这种芯复合物可包括硬质泡沫芯，干纤维通过缝制方法而被 缝制到该硬质泡沫芯中。干纤维在下游的浸渍工艺中被嵌入到基材中。
在进一步的示例性制造工艺中，代替缝制方法，可将诸如销的杆形 加强半成品引入到泡沫中。例如，这些杆形加强半成品可在拉挤成型工 艺中制造。在这些半成品制造变例中，纤维被拉拽经过喷嘴，该喷嘴预 先限定了随后的半成品的横截面。最初干燥的纤维借助穿过树脂池或者 通过使用树脂的特殊浸渍工艺而被浸透。树脂基材通过加热喷嘴而进行 交联。为了在离开拉挤工具之后保证尺寸的稳定性，基材必须被完全地 交联或者必须达到至少局部充分交联的程度。这些加强半成品随后被引 入到泡沫中。机械性能会根据加强半成品的材料、加强密度以及角度而 被确定及改变。泡沫由此一方面被用作将加强半成品保持到适当位置的载体，另一 方面泡沫被用于稳定加强半成品而防止或者至少延迟它们例如在负栽 作用下的弯曲。
US 6，1卯,602 Bl描述了 一种夹层结构的制造方法，该夹层结构包括 具有加强半成品的芯。在硬质泡沫和/或层状体固化之前，使用工具引入 加强半成品。加强半成品连接两个覆盖层并且支撑覆盖层到硬质泡沫的 连接。工具可以通过超声将加强半成品引入到层中。
US 6,291,049 Bl描述了 一种夹层结构以及这种夹层结构的制造方 法。该夹层结构具有顶部及底部覆盖层，泡沫芯设置在该顶部及底部覆 盖层之间。用于加强夹层结构的加强半成品由覆盖层和泡沫芯附连。
发明内容
其中，本发明的目的可以S一提供一种重量减轻的芯结构以及一种制造 该芯结构的方法。
根据本发明的示例性实施例，提供了一种制造芯结构的方法。将第一 芯结构层和第二芯结构层固定并保持。将第一芯结构层和第二芯结构层定 位成彼此相隔局部性规定的间距。将加强元件引入到位于第一芯结构层和 第二芯结构层之间的腔体中。加强元件、第一芯结构层和第二芯结构层在 局部加强完成之后形成自支撑芯结构。
根据本发明的另一个示例性实施例，提供了一种芯结构。该芯结构包 括第一芯结构层、第二芯结构层和加强元件。加强元件^Li殳置成^f吏第一芯 结构层和第二芯结构层以规定的间距间隔开。笫一芯结构层和笫二芯结构 层以能够提供腔体的方式被间隔开。加强元件、第一芯结构层和第二芯结 构层^^殳置成形成自支撑芯结构。
根据另一个示例性实施例，提供了一种制造芯结构的装置。该装置具 有用于固定第一芯结构的第一装卡单元以及用于固定第二芯结构的第二装 卡单元。此外，该装置具有间隔元件和引入单元。第一装卡单元、第二装 卡单元以及间隔元件被i殳置成将第一芯结构层和第二芯结构层以规定的间 距装卡及保持。引入单元被i更置成将加强元件引入到位于第一芯结构层和 笫二芯结构层之间的腔体中。才艮据另 一个示例性实施例，如上所述的芯结构应用于航空器中。
根据另一个示例性实施例，提供具有如上所述芯结构的航空器。
在下文中术语"加强元件"可以被理解为杆形线性半成品。该线性半 成品可被理解为具有限定横截面的拉挤、挤压或者模制/拉伸成型的杆形几 何形状。横截面例如可设计成具有圆形、三角形、矩形、六边形、管状或 者相当的几何形状。加强元件可在带有用于加强的朝」化纤维或不带有该粗 化纤维的情况下实现。例如，加强元件可包括挤压热塑性塑料、拉挤且部 分交联的聚合物(特别是硬质体)、挤压拉伸金属或者还包括陶瓷(特别是 先驱体陶瓷)。热塑性塑料以及硬质体可附加地设置有粗化纤维。
在下文中术语"芯结构层"例如可以被理解为泡沫或硬质泡沫层、预 浸渍材料或者干纤维以及它们的任意组合。"自支撑"芯结构被理解为不需 要辅助就具有自身稳定性的芯结构。
使用如上所述的芯结构以及使用这种芯结构的制造方法，可以提供芯 复合物，代替作为支撑材料的泡沫，该芯复合物具有腔体。只有加强元件
(诸如销或者细杆状加强元件)穿过该腔体并且将两个芯结构层间隔开， 即它们使第一芯结构层和第二芯结构层以规定的间距被保持。加强元件使
芯元件具有高机械性能，例如，同时能够实现小于30kg/m3的密度。现有 技术中已知的具有实心芯的芯结构不会排掉湿气，诸如冷凝水。使用设置 在芯结构中的腔体，由此具有排水能力，而不^、发生湿气聚集。如果^^用 硬质泡沫和/或柔性材料作为芯结构层，那么在造型上的设计自由度会得以 提兩。
芯结构层的厚度可以针对部件灵活地、具体得设立。与现有技术中公 知的框架结构或蜂窝结构相比，芯结构形成了水平支撑装置，由此部件制 造被极大地简化。例如，可以使用通过粘结剂固定到薄泡沫层上的任意材 料的干纤维来制成上部和/或第一以及下部和/或第二芯结构层。由此形成的 层的特征在于易于被穿透的能力以及特定固有刚度，这使得能够更加容易 地引入加强元件。包括泡沫和预浸渍坯料的组合可被用作芯结构层。优选 地，具有预浸渍坯料的泡沫在最初就经受温度-压力循环，从而使得二者永 久J^波此粘结，并且所使用的预浸渍坯料基材获得了例如60%-70%的部分 交联状态。通过芯结构层充分的预先交联，随后的固化可通过常压调温来 进行，借此制造工作显著地减少。所述规定的间距可以选自5 mm到15 mm、 15 mm到25 mm或者25 mm到35 mm的范围(mm =毫米)。
根据另一个示例性实施例，第一芯结构层的第一加温区域被局部地加 热并且第二芯结构层的第二加温区域也被局部地加热。换句话说，第一和 第二芯结构层被局部地加热，从而形成第一和第二加温区域。优选地，加 温区域以由所引入的加强元件相连接的方式彼此相对设置。确切的说，在 硬质芯结构层中，该层中纤维嵌入到具有高交联度的基材中，加强元件无 法在没有发生损坏的情况下刺穿这样的硬质基材。通过对加强元件被导引 穿过的加温区域进行加热，芯结构层在第一加温区域和/或第二加温区域软 化，从而使得加强元件可以被更容易地引入。该制造方法由此得以加速且 更容易进行。
才艮据另一个示例性实施例，间隔元件将第一芯结构层与第二芯结构层 例如以规定的间距间隔开。间隔元件可永久地或者暂时地设置在芯结构中。 引入的间隔元件的特征在于在暂时结合情况下它们容易被再次移除，从 而产生根据上述定义的中空结构。如果间隔元件保留在随后的芯结构中， 那么它们不M碍结构的连续性。例如，如果间隔元件被永久地设置，那 么可以实现极小的芯结构以及极复杂的形状。这样，例如，芯结构层可借 助成型元件而被改装，从而提供了第一几何形状。在将间隔元件附连到第 一芯结构层之后，可将第二芯结构层以规定的间距放置。随后，例如，可 以引AJ^强元件，从而提供了自支撑芯结构。间隔元件可以在加强元件引 入之后保留在芯结构中，从而使得加强元件不必以复杂方式移除。由此更 容易设计复杂几何形状。
例如，间隔元件可表现为泡沫或者所谓的泡沫肋或者包括实心加强半 成品。
才艮据另一个示例性实施例，第一芯结构层和第二芯结构层具有延伸方 向。间隔元件可以在延伸方向上移动。加强元件可被引入到间隔元件后面。
例如，术语"延伸方向"被理解为芯结构层的最长侧边和/或纵向延伸。 间隔元件可沿着该延伸方向移动。在该方法中间隔元件可形成前部和/或加 强前部，所述前部具有相对于芯结构层在延伸方向的方向上的前部区域以 及在延伸方向的反方向上的后部区域，由于芯复合层的间距在后部区域处 是恒定的，加强元件可以逐步地被引入到后部区域中。可移动的间隔元件由此支撑第一芯结构层以及第二芯结构层。例如，
定的间距被保持，例如，〗吏得芯结构层保持它们的位置并且不会由于它们 本身的重量而发生变形。此外，未明确规定的间距会导致未明确规定的机 械特性，同时另一方面恒定的间距允许明确规定出机械特性。如果可移动 的支撑的实施例是可以实施于各种高度的类型，那么芯结构层的间距可以 不必是恒定的。
才艮据另一个示例性实施例，第一芯结构层和第二芯结构层通过多个间 隔元件间隔开。多个间隔元件形成了框架结构。框架结构被理解为间隔元 件在节点处的连接，力可以通过所述节点进行传递。间隔元件不再必须单 独地安置，而是可以作为整体应用，例如以框架结构的形式应用，并且可 以用芯结构层覆盖。由此，制造方法可被简化并加快。
才艮据另一个示例性实施例，加强元件具有相对于第一芯结构层的第一 角度。此外，加强元件具有相对于第二芯结构层的第二角度。加强元件能 够以预定的第一角度或者预定的第二角度引入。由此，芯结构的特定^ 性能能够使用预先规定和/或预定的第一角度和第二角度以目标方式设定。 芯结构层由此能够以目标方式设定成特定的负载情况，借此，由于负载情 况的目标的定制，可以节省更多的材料和重量。
根据另一个示例性实施例，使用密封剂密封第一芯结构层和第二芯结 构层。密封剂可选自包括漆和树脂的组。例如，加强元件引入到芯结构层 时形成的孔可通过第一和第二芯层的密封而封闭。由此，在加强元件引入 到芯结构层之后，可以对由此得到的芯结构元件进行进一步处理，例如， 可施加内部压力或者产生真空环境。此外，加强元件可通过密封剂而被额 外地固定而防止滑动。
才艮据另一个示例性实施例，可将喷射单元一体结合到间隔元件中。由 此，例如，芯结构层可以在间隔元件沿着延伸方向移动期间同时被密封。 该方法可通过一体结合的喷射单元而被加快。
根据另一个示例性实施例，可以将加强元件以加强元件穿过第一芯结 构层和第二芯结构层的方式引入到腔体中。加强元件具有位于第一芯结构 层外部的第一突起。此外，加强元件具有位于第二芯结构层外部的第二突 起。笫一突起和第二突起可以折叠起来。加强元件可以通过折叠起来而被固定以免滑动。由此，不需要额外的紧固件并且获得了高度的结构稳定性。
根据另 一个示例性实施例，第一突起和第二突起在施加一定温度和压 力的情况下折叠起来。由此，由易碎或者已固化材料制成的加强元件(诸 如局部交联的半成品)可以同样被折叠起来，而不会在材料中引起破裂。 如果较轻的压力和温度被额外地施加到表面，那么突起可以祐^斤叠到芯结 构层中，从而使得能够获得加强元件到芯结构层的特别良好的结合。
根据本发明的另 一个示例性实施例，将覆盖层施加到第一芯结构和第 二芯结构至少其中之一上。在上下文中，覆盖层被理解为补充所形成的芯 结构以制造芯复合物的平面系统。例如，可以施加另一芯结构层或具有不 同机械性能的其他材料作为覆盖层。如果覆盖层已经完全地或部分地施加 到芯结构层上，那么引入到芯结构中的加强元件在第三个维度上附加地加 强覆盖层。例如，如果覆盖层被完全穿透，那么折叠起来的加强元件可以
被省去o
根据本发明的另 一个示例性实施例，将所形成的芯复合物的第 一芯结 构层和第二芯结构层固化。如果^^用杆覆盖层半成品，那么纤维在规定的 压力下、于规定的温度循环中嵌入到树脂基体中，i^进行交联。如果所 使用的覆盖层为使用粘合膜结合到所形成的芯结构的处于非交联状态或部 分交联状态下的预浸渍坯料系统或是已经固化的覆盖层，那么必须将树脂 《1入到织物中的渗透循环可以被省去，而仅仅需要压力和温度。
根据另一个示例性实施例，功能元件被引入到腔体中。功能元件例如 可具有隔音和隔热特性、特定的机械特性、排水能力或者导电性能。例如， 电线可被用作功能元件，或者保温的绝热毛织品。由此，除了能够以目标 方式设定及提高的机械特性之外，还可以设定其它所希望的特性，从而提 供多功能芯结构。
制造方法的实施例同样应用于芯结构、装置、应用以及航空器，反之 亦然。
接下来，通过参照附图更为详细地描述示例性实施例，以便进一步 说明以及更好地理解本发明。图1显示了根据本发明示例性实施例的芯结合结构的示意性图示；
图2显示了根据本发明示例性实施例的具有可移动间隔元件的芯结 构的示意性图示；
图3显示了根据本发明示例性实施例的位于工具中的芯结构的示意 性图示。
具体实施例方式
不同附图中的相同或类似部件采用相同的附图标记。附图中的图例是 示意性的且并非^_按比例的。
图1显示了芯结构的示例性实施例。芯结构包括第一芯结构层1和第 二芯结构层2。此外，显示了加强元件3，该加强元件3 4吏第一芯结构1 和第二芯结构2间隔开规定的间距A。第一芯结构层1和第二芯结构层2 以可以提供腔体4的方式间隔开。加强元件3、第一芯结构层1和第二芯 结构层2形成自支撑芯结构10。
例如，芯结构10制造成首先将第一芯结构层1和第二芯结构层2固 定并以规定的间距A定位。加强元件3i殳置在芯结构层l、 2之间。加强 元件3刺穿第一芯结构层1、穿过腔体4并且穿过第二芯结构层2。可以通 过使用间隔元件5来获得第一芯结构层1和第二芯结构层2间的规定的间 距A。加强元件3以此方式产生芯结构10的预定机械特性。
加强元件3可以额外地附连有第一突起7和第二突起8。通过折起第 一突起7，和8，，可以将加强元件3固定而防止在第一芯结构层和第二芯结 构层2上滑动。例如，可以施加温度和压力以折起加强元件3。
例如，可以将覆盖层9或者局部覆盖层施加到第一芯结构层1和第二 芯结构层2。在另一个实施例中，例如，加强元件3还可刺穿覆盖层9并 且利用突起7、 8与覆盖层9固定在一起。
图2显示了另一个示例性实施例，其中间隔元件5位于第一芯结构层 l与第二芯结构层2之间。间隔元件5使芯结构层1， 2间隔开，从而不会 导致由于芯结构层l、 2自身重量而引起的芯结构层l， 2彼此之间的间距 A的不希望的改变或者变形。间隔元件5可以在加强元件引入之后从芯结构10上再次去除或者永久 地保留在部件或者芯结构IO中。这样，例如可制造出复杂几何形状，而不 必在加强元件3的引入之后再次去除间隔元件5。
图2还显示了第一和第二芯结构层1， 2的延伸方向B，间隔元件5沿 着该延伸方向B向前移动。间隔元件5形成加强前部，该加强前部的前部 区域形成在延伸方向B上且后部区域形成在延伸方向B的反方向上。通过 移动间隔元件5，芯结构层l、 2由于它们自身重量而可能在前部区域发生 的下垂或变形可以在后部区域得到补偿，从而能够在该处提衞现定的间距 A。加强元件3可被引入在该后部区域中。利用该示例性实施例，可以持 续进行此制造方法，从而使得芯结构能够极iSil且极具成本效率地形成。
如图2所示，间隔元件5可额外地具有喷射单元6，第一芯结构层1 和第二芯结构层2的内部可在该喷射单元6中进行密封。由此，通过喷射 诸如树脂或漆的密封剂，芯结构层1和2中由加强元件3导致的孔可净皮封 闭。此外，还可以以使得芯结构层1和2免受诸如酸或温度等外部影响的 方式密封芯结构层1和2。
此外，可引入多个间隔元件5，间隔元件5能够被实施为杆形。间隔 元件5可以釆用框架形式实施。这意味着间隔元件5彼此形成节点，力可 通过节点在间隔元件之间传递。由此，根据示例性实施例，由间隔元件5 制成的框架可首先使第一芯结构层1和第二芯结构层2间隔开规定的间距 A。随后，例如，可以引入加强元件3，以由此调整芯结构的机械性能。
图3显示了另一个示例性实施例，其中芯结构10利用第一装夹装置 12和第二装夹装置13而^L保持。例如，加强元件3可以以预定的第一角 度oc和预定的第二角度P引入到第一芯结构层l和第二芯结构层2中。第 一芯结构层1与第二芯结构层2之间的腔体4可由功能元件11填充。这些 功能元件ll例如可选自包括电线、管、绝缘材料或者其它功能材料的组。 这样，例如可加入隔音或隔热装置。此外，如果管或者线放置在腔体4中， 那么芯结构就不必由于槽或者其它凹口的铣削而受到破坏，而是可以在已 有腔体4中进行放置。结构整体性由此不会被破坏并且可以获得高刚度的 芯结构10。
第一芯结构层1和第二芯结构层2可利用装夹装置12和13保持。例 如，可移动间隔元件5可沿着延伸方向B移动，以由此允许芯结构10的此外，可将覆盖层9施加到第一芯结构层1和第二芯结构层2。
成品芯结构10由此包括三个区域。如可以从图1中所看到的，上部与 下部或第一与第二芯结构层1和2例如由薄泡沫和/或纤维复合层形成。在 它们之间形成具有间距A的腔体4。例如，销或者加强元件3穿过包括泡 沫和/或纤维复合物的芯结构层l和2，并JLJ^过腔体4。加强元件3被永 久地结合在芯结构层1和2中。第一和第二芯结构层1和2的构造例如可 以实现多重泡沫和/或纤维复合物层。
例如，如果将泡沫用作芯结构层1和2,那么它的厚度可针对部件而 特别地定型并且使芯具有水平接触表面。加强元件3或者销承担所有的机 械特性。此外，任何部件几何外形都是可以的。这样，例如，泡沫和/或第 一或第二芯结构层1、2可放置在可以实现的任何几何外形之上并且芯结构 层2可利用间隔元件5覆盖。
由此得到期望的几何外形，该外形通过引入加强元件而被定型并且机 械地加强。
第一芯结构层和第二芯结构层例如可具有小于0.5 mm、 1 mm、 1，5 mm 或者2mm以及更大的厚度。
此外，应当指出的是"包括"并非排除其它元件或者步骤，并且"一 种"或"一个"并非排除多个。此外，应当指出的是，参照上述示例性实 施例之一所描述的特征或步骤还可用来与上述其它示例性实施例中的其它 特征或步船目结合。权利要求中的附图标记不应被看作是限制。
附图标记列表
1. 第一芯结构层
2. 第二芯结构层 3， 加强元件
4. 腔体5. 间隔元件
6. 喷射单元
7. 第一突起
8. 第二突起
9. 覆盖层
10. 芯结构
11. 功能元件
12. 第一装夹装置
13. 第二装夹装置
a间距
b延伸方向
a第一角度 P第二角度
权利要求
1.一种制造芯结构的方法，所述方法包括固定第一芯结构层(1)；固定第二芯结构层(2)；将第一芯结构层(1)和第二芯结构层(2)以规定的间距(a)定位；将加强元件(3)引入到位于第一芯结构层(1)和第二芯结构层(2)之间的腔体(4)中；其中，所述加强元件(3)、第一芯结构层(1)以及第二芯结构层(2)形成自支撑芯结构(10)。
2. 如权利要求l所述的制造方法，还包括 对第一芯结构层(1)的第一加温区域进行局部加热； 对第二芯结构层(2)的第二加温区域进行局部加热； 将加强元件(3)引入到第一加温区域和第二加温区域中。
3. 如权利要求1或2所述的制造方法，还包括使用间隔元件(5)将所述第一芯结构层(1)与所述第二芯结构层 (2)间隔开。
4. 如权利要求3所述的制造方法，还包括其中，所述第一芯结构层(1)和所述第二芯结构层(2)具有延伸 方向(b);在所述延伸方向(b)的方向上移动所述间隔元件(5); 将所述加强元件(3)引入到所述间隔元件(5)后面。
5. 如权利要求2所述的制造方法，还包括使用多个间隔元件(5)将所述第一芯结构层(1)与所述第二芯结构层(2)间隔开；其中，所述多个间隔元件(5)形成框架结构。
6. 如权利要求1至5中的一项所述的制造方法；其中，所述加强元件(3)与所述第一芯结构层(1)形成第一角度 (oc );所述加强元件与所述第二芯结构层(2)形成第二角度(P );以预定的第一角度(oc )或预定的第二角度(P )引入所述加强元 件(3)。
7. 如权利要求1至6中的一项所述的制造方法；使用密封剂密封所述第一芯结构层(1)和所述第二芯结构层(2 )。
8. 如权利要求7所述的制造方法，其中，所述密封剂选自包括漆和树脂的组。
9. 如权利要求7或8所述的制造方法， 使用喷射单元(6 )喷射所述密封剂。
10. 如权利要求9所述的制造方法；其中，喷射单元(6) —体结合在所述间隔元件(5)中。
11. 如权利要求1至10中的一项所述的制造方法；其中，以所述加强元件(3)刺穿所述第一芯结构层(1)和所述第 二芯结构层(2)的方式将所述加强元件(3)引入到所述腔体(4)中；所述加强元件(3)包括位于所述第一芯结构层(1)外部的第一突 起(7);所述加强元件(3)包括位于所述第二芯结构层(2)外部的第二突 起(8);以及折起所述第一突起(7)和第二突起(8)。
12. 如权利要求11所述的制造方法，在施加一定温度和压力的情况下折起所述第一突起(7)和所述第 二突起(8)。
13. 如权利要求1至12中的一项所述的制造方法，将覆盖层(9)附连到所述第一芯结构层(1)和所述第二芯结构层 (2)中的至少一个。
14. 如权利要求1至13中的一项所述的制造方法， 将所述第一芯结构层(1)和所述第二芯结构层(2)固化。
15. 如权利要求1至14中的一项所述的制造方法， 将功能元件(11)引入到所述腔体(4)中。
16. —种芯结构，包括 第一芯结构层(1); 第二芯结构层(2); 加强元件(3);其中，所述加强元件(3)适于将所述第一芯结构层(1)与所述第 二芯结构层(2)以规定的间距(a)间隔开；所述第一芯结构层(1)和所述笫二芯结构层(2)适于间隔开以便 提供腔体(4);所述加强元件(3)、第一芯结构层(1)和第二芯结构层(2)适于 形成自支撑芯结构(10)。
17. 如权利要求16所述的芯结构；其中，所述芯结构(10)使用如权利要求1至15其中之一所述的 制造方法制造。
18. —种制造芯结构的装置，所述装置包括 第一装夹装置(12)，用于装夹第一芯结构层(1); 第二装夹装置(13)，用于装夹第二芯结构层(2); 间隔元件(5);引入装置；其中，所述第一装夹装置(12)、第二装夹装置(13)以及间隔元 件(5)适于将所述第一芯结构层(1)与第二芯结构层(2)以规定的 间距(a)装夹并保持；其中，所述引入装置适于将加强元件(3)引入到位于所述第一芯 结构层(1)与所述第二芯结构层(2)之间的腔体(4)中。
19. 一种如权利要求16或17所述的芯结构(10)在航空器中的应用。
20. —种具有如权利要求16或17所述的芯结构(10)的航空器。
全文摘要
本发明涉及一种制造芯结构的方法。首先，固定第一芯结构(1)和第二芯结构(2)。将第一芯结构(1)和第二芯结构(2)以规定的间距(A)定位。将加强元件(3)引入到位于第一芯结构层(1)与第二芯结构层(2)之间的腔体(4)中。加强元件(3)、第一芯结构层(1)以及第二芯结构层(2)形成自支撑芯结构(10)。本发明涉及制造芯结构的方法、芯结构、制造芯结构的装置以及芯结构在航空器中的应用和具有芯结构的航空器。
文档编号B29C70/24GK101616786SQ200780044074
公开日2009年12月30日 申请日期2007年11月29日 优先权日2006年11月30日
发明者格列戈尔·克里斯蒂安·恩德雷斯, 汉斯-于尔根·韦伯 申请人:空中客车德国有限公司