加固泡沫材料的局部加工和夹层部件的制作方法

专利名称：加固泡沫材料的局部加工和夹层部件的制作方法
技术领域：
本发明涉及复合材料技术领域。特别地，本发明涉及用于包括加固泡 沫材料的结构部件的局部加工的方法。本发明还涉及夹层部件，并涉及具 有这样的夹层部件或具有采用本发明的方法加工出的结构部件的飞机。
虽然它可以应用至任何希望的加固泡沫材料，本发明和它所基于的问 题将关于片状夹层结构进行说明，其中所述片状夹层结构具有由混入树脂 的纤维加固的泡沫芯体，包裹在外层之间。
背景技术：
复合材料，且特别是所谓的夹层结构由于它们的良好的硬度和强度与 密度之比而在飞机构造范围内具有广泛的应用。夹层结构通常具有上部外 层和下部外层，二者之间例如为六角形截面的垂直走向单元的芯体结构， 以增加硬度。
这种蜂巢结构的一种选择为硬质泡沫。它们相对于蜂巢结构和其它结 构在热和声绝缘方面以及在制造夹层结构的工艺技术方面具有优势。这些 泡沫结构的一个缺点是，相同的密度的条件下机械强度低。
为了弥补这种低强度，具有泡沫芯体的夹层结构可以通过在所述芯体
内引入支撑元件而额外加固。特别地，缝合方法(sewing method)提供了 以不同的角度和在整个部件范围内变化的密度引入纤维和细丝以形成支 杆的可能性。技术上可实现的缝合速度(stitching speed)使得所述部件的 快速加固成为可能。在树脂混入工艺之后，所穿透的区域有利于基础泡沫 材料的机械加固。这样的结构已经用在卡车结构中和造船中的夹层结构。 DE 10 2005 024 408 Al公开了一种缝合方法，其中采用针使通孔从一 侧穿入泡沫材料，随后所述针拾起形成在另一侧的纤维束，并将它引入泡 沫材料。由于所述纤维束在很大程度上填充了所述通孔，在后续的混入过 程中仅结合了很少的树脂，这导致所实现的机械强度与所述夹层结构的密度之比得到改善，并使相应的结构适合用在飞机构造中。
在这种情况中，加固效应基于所引入的支杆的拉伸载荷。仅当它们在 两端连接至抗压元件、通常为夹层结构的外层时，才能吸收力。如果它们 在中间被切断或在一端脱落，则它们在机械上是无效的。
由于所述支杆通常相对于外层以不同的限定角度延伸，则存在的问题 是，在以这种方式加固的夹层结构的加工位置处进行局部加工的情况下， 夹层结构的机械强度在所加工的区域之外增加的区域中降低，其中在所加 工的区域中，所述支杆失去它们的机械作用。在所述增加的区域中，所加 固的泡沫材料变成强度决定元件，其具有机械特性局部变化较大的效应， 特别是在轻质泡沫的情况中。'

发明内容
因此，本发明的目标是提供一种加工方法，其允许在围绕加工位置的 扩大区域中，局部加工加固的泡沫材料，而不会引起机械特性的任何恶化。 根据本发明，所述目标是通过利用权利要求1中的技术方案的局部加
工包括加固泡沫材料的泡沫材料的方法以及通过具有权利要求12的特征 的夹层部件而实现的。
本发明所基于的思想是，在进行局部加工的加工位置区域中的支杆连 接区域内，选择性去除泡沫材料，其中暴露最初结合在选择性去除的泡沫 材料中的所述支杆。随后采用填充材料填充所述支杆连接区域，使得支杆 连接区域中的所述支杆随后嵌入所述填充材料。随后，将所述支杆连接至 所述填充材料。
以这种方式，作为局部加工的结果，在加工位置区域中被切断的、一 侧脱落或磨掉从而已经变得机械失效的支杆在一端再次连接至抗压縮元 件，具体地，填充材料填充整个支杆连接区域。如果支杆的另一端位于加 工位置之外，它也不会由于所述局部加工而脱落，从而所述支杆能够再次 吸收拉伸载荷，更具体地，在以非改变的方式连接在加工位置之外的端部 和采用本发明的方法在填充材料中重新连接的端部之间。
因此，在围绕加工位置的区域中的所有支杆的两侧上的连接被恢复， 使得支杆保持它们的完整机械作用，且不会有损于在加工位置周围的结构部件的机械特性，而是保持它们加工之前的机械特性。
根据另一方面，本发明提供了一种包括泡沫芯体的夹层部件。嵌入部 分至少部分地嵌入所述泡沫芯体，且由填充材料层至少部分地围绕。至少 一个支杆结合在泡沫材料中， 一端固定至所述泡沫芯体的表面，并在另一 端部与所述填充材料层一体形成。嵌入部分使夹层部件的增强功能成为可 能，例如，与不具有嵌入部分的对应的夹层部件相比，紧固元件的固定具 有未削弱的稳定性。
本发明的有利的改进和改善可以在从属权利要求中发现。
根据优选实施例，可固化复合物用作填充材料。在这种情况中，通过 固化填充材料而实现将所述至少一个支杆连接至填充材料。这是特别有利 的，因为在固化之前，可以以简单的方式，如注入，将可固化的复合物引 入难以到达的支杆连接区域，且暴露在支杆连接区域的支杆的端部由所述 复合物包围，并且稳固地一体形成。
根据优选实施例，所述泡沫材料的选择性去除是通过粒子吹洗
(particle blasting)进行的，特别是通过喷砂处理、玻璃颗粒吹洗处理或 塑料颗粒吹洗处理进行的。这是特别有利的，因为粒子吹洗可以从支杆连 接区域轻轻地清除泡沫材料、而不损伤薄的支杆。而且，采用粒子吹洗， 即使在难以到达的位置，也能够特别容易地获得围绕加工位置的均匀深度 的支杆连接区域。
根据优选实施例，提供在所述加工位置的除芯区域中完全去除所述泡 沫材料和所述至少一个支杆的步骤，所述完全去除特别是通过钻孔或铣磨 进行的。这可以产生没有支杆的空间，例如，以便在结构部件中形成开口。 较佳地，选择性去除泡沫材料、同时留下所述至少一个支杆是以支杆连接 区域至少部分地包围除芯区域的方式进行的。结果，在加工之前穿过除芯 区域的支杆的剩余部分沿着除芯区域的界限被牢固地连接。较佳地，选择 支杆连接区域的尺寸，使得沿一个空间方向的所述除芯区域和所述支杆连 接区域的延伸长度(extension)为仅仅所述除芯区域沿同一空间方向的延 伸长度的两倍。
而且，较佳地，提供嵌入部分，该嵌入部分以对应于加工位置的除芯 区域的方式形成，使得嵌入部分的包络面至少部分地填充它。嵌入部分插入加工位置的除芯区域中，并连接至填充材料。这是特别有利的， 一方面， 因为嵌入部分使增强功能成为可能，例如紧固元件的固定。另一方面，因 为它连接至填充材料，嵌入部分承担从除芯区域中完全去除的材料的结构 功能，这使得该方法可以用于修复局部受损的结构部件。
较佳地，膨胀粘附剂用作填充材料，还提供了将膨胀粘附剂涂敷到嵌 入部分的表面上的步骤。支杆连接区域的填充是通过膨胀粘附剂的膨胀而 实现的。因为能够在它插入之前，将膨胀粘附剂涂敷至嵌入部分，则能够 方便地到达嵌入部分的所有表面，这使得在插入嵌入部分时，可以在难以 到达的区域中可靠并完全填充支杆连接区域。
根据优选实施例，还提供了在所述加工位置的区域中去除所述结构部 件的至少一个外层的初始步骤。以这种方式，例如，能够修复其上的外层 已经受损的夹层结构，或者提供开口，所述开口用于以精确的装配方式引 入特别是例如是凸缘的嵌入部分。
根据本发明的夹层部件的优选实施例，所述至少一个支杆具有至少一 个纤维束，所述至少一个纤维束布置在通孔内并且特别渗入有树脂。考虑 到所述支杆的轻质要求，该夹层部件尤其具有有利的机械强度与密度之 比。
根据优选实施例，嵌入部分具有用于将所述夹层部件固定至其它部件 的紧固元件。这使至其它部件的结构连接成为可能。
根据优选实施例，嵌入部分具有至少部分地填充有填充材料的横向凹 陷型面。这是特别有利的，因为所述深度型面与填充材料型面接合，且因 此特别提供了嵌入部分在夹层部件中的牢固的固定。
根据优选实施例，填充材料包括粘附剂，特别包括膨胀粘附剂。嵌入 部分和泡沫材料通过填充材料彼此粘附地结合。这里，通过嵌入部分与泡 沫材料和支杆的粘附结合，实现了特别牢固的固定。


以下将以参照附图的示例性实施例为基础，对本发明进行更加详细的 说明。在附图中
图l示出了以举例方式给出的具有加固泡沫芯体的夹层结构的横截面示意图2A-F示出了采用本发明第一实施例的方法对局部损坏的夹层结构 进行的修复；
图3A-F示出了采用本发明第二实施例的方法对局部损坏的夹层结构 进行的修复；和
图4A-E示出了采用本发明第三实施例的方法将凸缘插入夹层结构的过程。
在附图中，只要没有指定相反的指示，则相同的附图标记表示相同或 功能相同的部件。
具体实施例方式
图1在横截面视图中详细示出了夹层部件100的实施例，该夹层部件 100包括包裹在两个外层108、 108'之间的芯体结构102。芯体结构102大致 包括泡沫材料106，例如便于在航空领域使用的高级PMI硬质泡沫。然而， 理所当然的，也可以采用例如由聚四氟乙烯或聚亚安酯组成的其它泡沫材 料。
用在芯体结构102中的泡沬材料106由多个支杆104加固，所述支杆穿 过两个外层108、 108'之间的泡沫材料106，并且在此以举例的方式示出其 中的单个支杆104。
为了形成支杆104，已经采用缝合方法将通孔引入泡沫芯体102中，并 且己经在其中结合了纤维束。随后，树脂(未示出)渗入所述通孔。
在所有的情况下，支杆104的两个端部112、 114抵靠着外层108、 108' 中一个放置，并且例如在渗入树脂期间被固定。以举例的方式， 一个端部 112显示出纤维束可以嵌入外层108'和泡沫材料之间，而另一端部114显示 出纤维束110可以抵靠着外层108的外侧设置。其它的固定形式也是可能 的。
以举例的方式，支杆104与外层108、 108'形成角度。固定支杆104的两 个端部112和114具有这样的作用，即在夹层结构100的相应弯曲情况下， 支杆104承受拉伸载荷。在夹层结构的不同载荷下分别承受拉伸载荷的多 个类似支杆可以已经在任何希望的角位置处引入泡沫材料中。同样地，图2A以横截面示意图详细示出了所说明的类型的夹层部件
100，其中多个支杆104相对于外层108、 108'以约45。的角度在两个不同的 方向以固定的间隔分别设置，以加固泡沫芯体。上部外层108'和设置它下 面的泡沫芯体102在位置200处被损坏。随后将以图2B至2F为基础，对用于 修复所述损坏的夹层结构100的本发明的方法的实施例的应用进行说明。
在图2B，在第一方法步骤中，在位置200处的除芯区域206中，芯体结 构102和外层108'的所述损坏部分已经从图2A的所述损坏的夹层结构上 去除。所述去除是采用现有方法进行的，例如研磨。在加工位置200周围 的区域，这产生了仅在一侧具有连接且因此机械失效的支杆104、 104'。例 如，支杆104在一侧己经被研磨掉，而支杆104'在中间已经被切断，这从两 个分离的半截中的每一个产生了仅在一侧连接的机械失效的支杆。
为了在自由侧牢固地重新连接所述支杆，如图2C所示，泡沫材料从区 域202中选择性去除，其中区域202靠近除芯区域206，并在各侧围绕它， 且处于向下的方向，使得支杆的端部210从泡沫材料106的表面突出。用于 所述步骤的简便方法是采用喷砂处理或其它粒子吹洗处理装置，如微粒或 玻璃细粒吹洗装置，其能够移除泡沫106而保留支杆104。
为了实际修复芯体结构，以各种方式填充除芯区域206和支杆连接区 域202。在其中己经完全去除芯体结构102的除芯区域206中，嵌入部分208 作为对应的替换结构设置，如图2D所示。为了用作初始存在于除芯区域206 中的加固泡沬材料的机械等同替换物，有利的是采用具有足够机械特性的 嵌入部分208，例如，具有对应于去除的加固泡沬材料的强度的未加固强 度的蜂窝状结构或泡沫材料。
在其中设置支杆104、 104'的自由端210的支杆连接区域202中，在下一 个步骤中形成实心连接层202。如图2D所示，在它插入之前，嵌入部分208 在面对支杆连接区域202的侧面包裹有作为填充材料的膨胀粘附剂204。取 决于所选择的膨胀粘附剂204的类型，例如，它在热效应下膨胀，其中所 述热可以由合适的加热装置在加工位置200处局部提供。
图2E示出了膨胀粘附剂204膨胀后的状态，所述膨胀粘附剂204在其 膨胀期间已经填充支杆连接区域202，并与支杆104、 104'先前的自由端210 一体形成。该步骤后产生的结果是， 一方面，支杆104， 104'能够在此吸收力；另一方面，嵌入部分208连接至夹层结构100的未损坏区域。作为所示 出的膨胀粘附剂204的替换，还可以采用可浇注的或可注入的粘附剂和树 脂。
在最后一个步骤中，如图2F所示，采用现有方法在加工位置200处在 此密封夹层结构的外层108'。
图3A-F示出了采用本发明方法的第二实施例修复类似受损的夹层结 构100的过程。它与图2A-F示出的实施例不同之处在于，在受损位置200 完全去除芯体结构102，如从图3B所能看到的。结果，如图3C所示，支杆 连接区域202被限制至除芯区域206的侧边缘。如图3D所示，相应地，嵌入 部分208仅侧向设置有膨胀粘附剂204，且当它插入除芯区域中时，采用非 膨胀粘附剂(未示出)黏附地结合至下部外层108。图3E和3F所示出的最后 步骤与上述实施例的图2E和2F所示的步骤相同。
图4A-E示出了采用本发明第三实施例的方法将作为嵌入部分的凸缘 208插入夹层结构的过程。作为与上述涉及的实施例不同之处，图4A所示 的初始状态是具有芯体结构102的未受损夹层部件，其中该芯体结构102包 括由支杆104加固的泡沫材料106以及上部外层108'和下部外层108。
如箭头408所示，首先，形成如图4B所示并具有将被插入的凸缘208 的直径的孔410。代替所示出的通孔410，也可以为足够深的盲孔。这产生 了仅在一侧连接至外层108、 108'并因此不传递任何力的支杆104'。
如图4C所示，随后，在设置在孔410周围的支杆连接区域202中，选择 性地去除泡沫材料，例如采用喷沙处理。如图4D所示，凸缘208插入该孑L。 由于孔410形成为与凸缘208的直径匹配，则后者的包络面400非常精确地 配合通过外层中的孔410。在图4E所示的该步骤中，最后，粘附剂注入包 围支杆连接区域202的凸缘208周围的空腔。在粘附剂变硬之后，它包裹加 固元件的端部。结果， 一方面，它们能够再次传递力；另一方面，凸缘特 别稳固地连接至芯体结构102。图4D中所标记的凸缘的深度型面406用来进 一步改善固定，并另外节省重量。所示出的凸缘208带有紧固元件402，通 过该紧固元件402，夹层结构可以连接至其它部件。
虽然已经在较佳的示例性实施例为基础的现有情况中描述了本发明， 但是不限于这些实施例，可以以各种方式对这些实施例进行修改。例如，所示出的方法可以用于通过将切削到应有的尺寸的片状夹层结 构锯开而密封边缘区域的目的，其中该夹层结构具有加固泡沫材料的芯体 结构，并具有采用喷沙处理沿着切割边缘形成的支杆连接区域，以在边缘 密封过程中连接暴露的支杆端部，并因此形成稳固的切割边缘。附图标记列表
100夹层结构 102芯体 104支杆 106泡沫材料 108, 108' 外层 110纤维束 112,114支杆端部 200加工位置 202支杆连接区域 204填充材料 206除芯区域 208嵌入部分 210自由支杆端 400包络面 402紧固元件 406深度型面 408钻孔操作 410通孔
A 初始位置
B 泡沫材料和支杆的完全移除
C 泡沫材料的选择性移除
D 嵌入部分的插入
E 支杆连接区域的填充
F 外层的密封
权利要求
1.一种用于在加工位置处对结构部件进行局部加工的方法，所述结构部件包括由至少一个支杆加固的泡沫材料，所述至少一个支杆延伸穿过所述泡沫材料，所述支杆包括渗入树脂的纤维束，该方法包括步骤在所述加工位置区域中的支杆连接区域内，选择性去除所述泡沫材料，同时留下所述至少一个支杆；采用填充材料填充所述支杆连接区域；以及在所述支杆连接区域中，将所述至少一个支杆连接至所述填充材料。
2. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，可固化的复合物用作所 述填充材料，且所述至少一个支杆至所述填充材料的连接是通过所述填充 材料的固化而完成的。
3. 根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述泡沫材料的选择 性去除是通过粒子吹洗进行的，特别是通过喷砂处理、玻璃颗粒吹洗处理 或塑料颗粒吹洗处理进行的。
4. 根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其特征在于，提供在所 述加工位置的除芯区域中完全去除所述泡沫材料和所述至少一个支杆的 步骤，所述完全去除特别是通过钻孔或铣磨进行的。
5. 根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述泡沫材料的选择性 去除是沿着所述除芯区域的界限进行的，使得所述支杆连接区域至少部分 地包围所述除芯区域。
6. 根据权利要求5所述的方法，其特征在于，通过沿着所述除芯区域 的界限进行所述泡沫材料的选择性去除，所述除芯区域和所述支杆连接区 域沿一个空间方向的延伸长度为仅仅所述除芯区域沿同一空间方向的延 伸长度的两倍。
7. 根据权利要求4至6中的任一项所述的方法，其特征在于，还提供了 下述步骤提供嵌入部分，所述嵌入部分形成为对应于所述加工位置的所述除芯 区域，使得所述嵌入部分的包络面至少部分地填充所述除芯区域； 将所述嵌入部分插入所述加工位置的所述除芯区域中；以及将所述嵌入部分连接至所述填充材料。
8. 根据权利要求7所述的方法，其特征在于，膨胀粘附剂用作所述填 充材料，还提供了将所述膨胀粘附剂涂敷至所述嵌入部分的表面上的步 骤，并且所述支杆连接区域的填充是通过所述膨胀粘附剂的膨胀而完成 的。
9. 根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其特征在于，还提供了 在所述加工位置的区域中去除所述结构部件的至少一个外层的初始步骤。
10. —种根据前述权利要求中的任一项的方法修复局部受损的结构部件的用途。
11. 一种根据权利要求1至9中的任一项的方法将紧固元件插入结构部件中的用途。
12. —种夹层部件，包括-泡沫芯体，具有至少一个表面； 嵌入部分，至少部分地嵌入所述泡沫芯体； 填充材料层，至少部分地围绕所述嵌入部分；和 包括渗入树脂的纤维束的至少一个支杆，所述至少一个支杆一端紧固至所述泡沫芯体的所述表面，延伸穿过所述泡沫材料，并在另一端与所述 填充材料层一体形成。
13. 根据权利要求12所述的夹层部件，其特征在于，所述嵌入部分具 有用于将所述夹层部件紧固至其它部件的紧固元件。
14. 根据权利要求12或13所述的夹层部件，其特征在于，所述嵌入部 分具有横向凹陷型面，所述横向凹陷型面至少部分地由所述填充材料填 充。
15. 根据权利要求12至14中的任一项所述的夹层部件，其特征在于， 所述填充材料包括粘附剂，特别包括膨胀粘附剂，并且所述嵌入部分和所 述泡沫材料通过所述填充材料彼此粘附地结合。
16. 根据权利要求12至15中的任一项所述的夹层部件，其特征在于， 所述夹层部件采用权利要求1至9中的任一项的方法制造。
17. 飞机或宇宙飞船，具有权利要求12至15中的任一项的夹层部件， 或具有已经采用权利要求1至9中的任一项的方法加工的结构部件。
全文摘要
本发明提供了一种用于对结构部件进行局部加工的方法，所述结构部件包括由加工位置处的至少一个支杆加固的泡沫材料。首先，在所述加工位置区域中的支杆连接区域内，选择性去除所述泡沫材料，同时留下所述至少一个支杆。随后，采用填充材料填充所述支杆连接区域，并且，在所述支杆连接区域中，将所述至少一个支杆连接至所述填充材料。根据另一个方面，提供了一种夹层部件。嵌入部分至少部分地嵌入所述泡沫芯体，并且至少部分地由填充材料层围绕所述嵌入部分。至少一个支杆结合在泡沫材料中，一端固定至所述泡沫芯体的表面，并在另一端与所述填充材料层一体形成。
文档编号B29C70/86GK101588915SQ200880002924
公开日2009年11月25日 申请日期2008年1月22日 优先权日2007年1月23日
发明者格雷戈·克里斯蒂安·恩德雷斯, 汉斯-于尔根·韦伯 申请人:空中客车运营有限公司