专利名称：用于制造纤维复合构件的方法
技术领域：
本发明涉及一种用于制造纤维复合构件的方法，该方法具有步骤(a)将由纤维 和母体材料构成的前体置入到成形工具中，其中，该前体具有环绕的前体边缘，以及(b)用 微波辐射该前体，由此形成纤维复合构件。
背景技术：
用纤维增强的塑料制成的纤维复合构件是由两种组分即(增强)纤维和母体材料 构成的革新材料。尤其是高科技工业部门如航空和航天以及汽车制造中的越来越多的构件 不再用金属而是用例如碳纤维增强的热塑性塑料或热固性塑料来制造。为了制造纤维复合构件，通常使用热能。在将用纤维和母体材料制成的前体置入 到成形工具中之后，将该前体和该成形工具加热。由此引起母体材料的聚合并且纤维和母 体材料彼此粘结，由此产生纤维复合构件。例如可通过对流来加热。作为替换方案，为了加热前体可使用微波场。通过与微 波场的相互作用使母体材料的偶极分子振动，由此，母体材料变热。已经证实，在用微波辐 射时在前体中形成强的温度梯度。最高温度在前体的或正在形成的纤维复合构件的边缘上 确定。这样的温度梯度不是期望的并且迄今为止这样来减弱在前体的边缘上固定金属膜， 这些金属膜屏蔽微波辐射。其缺点是在施加金属膜时高的手动投入以及由于带有误差地施 加金属膜而在正在形成的纤维复合构件中引起误差的风险。由DE 103 60 743 Al公知了一种用于用纤维复合塑料制造结构构件的方法，该方 法包括两个方法步骤，即预成形和成形。没有探讨环绕的边缘在成形工具中的布置。由DE 197 31 903 Al公知了一种用于制造车辆用的顶棚模块或滑动式顶棚的方 法。在此，用浸渍环氧树脂的纤维垫全侧包围一个泡沫板并且将该泡沫板借助于多层膜或 借助于织物对挤压模具绝缘地置入到挤压模具中。接着将这种多层的结构挤压成顶棚模 块。由于用多层膜或织物蒙住而不能产生电弧。
发明内容
本发明的任务在于，克服现有技术中的缺点。本发明通过所述类型的方法来解决 问题，在该方法中，将前体这样置入到成形工具中，使得前体至少区段地、但优选基本上完 全地与成形工具接触。本发明的优点在于，在用微波辐射时前体中的温度梯度的形成减弱。由此可制造 高品质的纤维复合构件。另一个优点在于，手动的准备工作在很大程度上变得多余，由此， 该方法很好地适用于自动化。由此可实现在品质可再现的同时进行成本低廉的加工。此外，有利的是，本发明可容易地执行。因此，本发明仅仅需要新的成形工具或改型现有成形工具，所述现有成形工具然后原则上可任意频繁地使用。如果前体涉及基本上长方六面体状的构件，则对于前体边缘理解为其窄侧的全 部。
前体尤其是均勻的。在此尤其是应理解为前体的结构与位置无关。尤其是前体 不是由原则上独立的子体构成。例如前体无接合部位。如果根据有利实施形式的前体涉及 母体材料-纤维系统，则前体优选仅仅由纤维和母体材料构成。所述构件优选涉及扁平构件。对此尤其是应理解为构件在加工结束之后无侧凹 或者仅仅在其边缘上具有裁切部之一。例如扁平构件涉及飞机的一部分。例如扁平构件是 机身、机翼或尾翼的一部分。优选这样构造成形工具，使得微波在辐射时直接投射到前体上。这就是说，成形工 具优选关于微波源无侧凹，该微波源用于用微波辐射前体。在一个优选实施形式中，将前体基本上完全地以前体边缘与成形工具接触。对于 前体基本上完全地接触这一特征应理解为不需要使前体在严格数学意义上完全接触。而 足够的是，该前体在一些较小的区段上与成形工具不具有接触。其优点在于，前体基本上在 其整个边缘上经历足够小的温度梯度，以便实现纤维复合构件的高品质。在成形工具与前体边缘接触的部位上，该成形工具优选具有这样的厚度或深度， 所述厚度或深度选择得足够大，以致成形工具由于其热容而可这种程度地吸收在前体边缘 的周围环境中产生的热量，使得在预给定的微波功率下纤维复合构件的任何部位上的预给 定的温度都不被超过。
在一个优选实施形式中，用微波无遮蔽地辐射前体。对此尤其是应理解为成形工 具无侧凹或者微波可从敞开的全部侧达到前体。尤其是在前体上不安置金属膜。为了除热接触之外还在前体与成形工具之间建立特别好的电接触，特别优选使用 导电的成形工具、尤其是金属的成形工具。该成形工具例如可用钢和/或镍合金制成。如 果例如在成形工具的与前体边缘接触的部位上期望特别高的导热能力和/或导电能力，则 优选使用尤其能导热或能导电的金属、例如铜或银。特别优选将前体这样置入到成形工具中，使得前体以前体边缘与成形工具处于电 接触。在此情况下使得在一方面纤维或母体材料与另一方面成形工具之间小电弧的形成得 到减弱或完全得到避免。这种小电弧的形成也被称为电弧放电。优选为了辐射而使用具有这样选择的强度的微波，使得电弧形成刚好基本上被抑 制。对于电弧形成基本上被抑制这一特征应理解为有利的是——但不是必需的，电弧的形 成完全被抑制。可在对正在形成的纤维复合构件的后来的可使用性不产生决定性影响的范 围内容忍电弧的形成。为了特别有效地抑制边缘上的温度梯度，在一个优选实施形式中提出，将前体安 置到冷却的、尤其是主动冷却的成形工具中，其中，成形工具尤其是在与前体边缘处于接触 的部位上被冷却。作为替换方案，成形工具也可在完全与前体外部区域处于接触的部位上 冷却。如果在前体的边缘区域中产生温度梯度，则可通过主动冷却来抵抗该温度梯度。优选所述纤维包括碳纤维。由于碳纤维的导电能力，用碳纤维和母体材料制成的 前体对于电弧的形成以及对于边缘区域中的温度梯度特别敏感。特别优选所述母体材料可 通过聚合硬化，尤其是通过热感应的聚合硬化。热量引入可以是唯一的引起聚合的过程，但 不必是。
下面借助于实施例对本发明进行详细描述。附图表示图1 一个示意性视图，该示意性视图在前体的空间延展上绘制了在用微波辐射时 前体中的温度，图2根据现有技术的成形工具，图3纤维复合构件制造设备的示意性视图，图4a部分地根据现有技术并且部分地根据本发明构造的试验装置，图4b沿着图4a的剖面Z_Z的横剖面视图，
图4c四个温度曲线，这些温度曲线绘制了在边缘区域中图4a的试验装置的温度 关于时间的关系，其中，两个曲线表示用于现有技术的成形工具的温度发展，两个曲线表示 用于纤维复合构件制造设备的成形工具的温度发展。
具体实施例方式图1示意性地示出了一个成形工具10，该成形工具用金属制成，在当前情况下用 钢制成，呈用纤维和母体材料制成的层合体形式的前体12安置在该成形工具上。前体12 基本上是长方六面体状，具有支承面14、与支承面14对置的辐射面16和设置在支承面14 与辐射面16之间的前体边缘18。在用微波源20的微波辐射前体12时，前体12变热并且 出现所示的温度变化曲线T(X)。可以看到，温度T在前体12的边缘区域22中比在芯区域 24中明显高。边缘区域22从前体边缘18向内一直延伸到前体12的延展的大约10%。合 成的温度梯度、即温度随着到前体边缘18的距离的增大所发生的变化不是期望的。图2示出了根据现有技术的成形工具10，该成形工具具有屏蔽装置26. 1、26. 2。屏 蔽装置26. 1,26. 2使得源自微波源20的微波28通过具有横截面Q的侧凹而被遮蔽，由此 使图1中所示的温度梯度的形成减弱。横截面Q的平均深度T优选小于80mm。高度H优选 小于50mmο图3示出了根据本发明的纤维复合构件制造设备30，用于用前体12制造纤维复合 构件。成形工具10是纤维复合构件制造设备30的一部分，该成形工具用金属制成并且具 有一个基面32，该基面在工作时与前体12的支承面14处于接触并且在当前情况下基本上 是平的。但基面32不必绝对是平的，而是原则上可具有任意形状。为了不遮蔽微波28，基 面32无侧凹。这就是说，存在一个用于微波源20的位置，从该位置起，微波28可在直接的 路径上到达基面的任意点。基面32出于加工技术原因也有利地无侧凹。对于很多应用而 言，基面是凸面的或凹面的或者由彼此邻接的凸面或凹面的部分面构成。两个用金属制成的侧面元件34. 1,34. 2从基面32基本上垂直向上延伸。这些侧 面元件可拆卸地固定在一个基体36上。作为替换方案，侧面元件34. 1、34.2—体地构造在 基体36上。侧面元件34. 1,34. 2具有对应的工具边缘38. 1,38. 2，这些工具边缘朝向前体 12的前体边缘18并且这些工具边缘贴靠在前体边缘18上。工具边缘38. 1、38.2无侧凹地 处于基面32上，这就是说，如果由前体12产生的纤维复合构件是理想刚性的，则该纤维复 合构件然后也可从成形工具10取出。为此不必移开侧面元件34. 1,34. 2。这尤其是当工具 边缘38. 1,38.2在基面32上的投影处于支承面14之外时才实现。在一个作为替换方案的 实施形式中，一个侧面元件或两个侧面元件34. 1,34. 2可以可拆卸并且可移动地与基体36连接。此外，纤维复合构件制造设备30包括微波源20和未绘入的壳体，该壳体反射微波 28并且防止微波28辐射到壳体另一侧的周围环境中。图4a示出了一个纤维复合构件制造设备30，该纤维复合构件制造设备包括未绘入的高温计，该高温计在用A'和B'标记的部位上测量前体12的温度T。微波源20 (比较 图3)于是可通过一个电控制装置这样控制，使得前体12上的预给定的温度梯度或预给定 的最大温度不被超过。如果温度梯度和/或温度变得过高，则电控制装置下调微波源的功 率，由此，温度差通过热量引导到成形工具10中的过程而被找平或者过高的温度通过热量 引导到成形工具10的侧面元件34中而下降。附加地，在边缘区域22中可嵌入冷却通道， 这些冷却通道抵抗前体12的过度变热或者过陡的温度梯度的形成。图4a示出了一个前体12，该前体置入到一个成形工具10中，该成形工具在其在 图4a中所示的左侧上如根据图3的成形工具那样并且在其右侧上如根据图2的成形工具 那样来构造。在用A或B标记的部位上，温度通过热电元件测量。在用虚线圆所示的区域 A'和B'中，前体12的温度通过高温计测量。图4b示出了沿着Z-Z的横剖面。图4c中在时间上绘制了所测取的温度曲线，在 该时间期间，在tBeginn开始并且在tEnde结束用800W微波功率辐射前体12。可以看到，所测 得的温度在左侧比在右侧上升得明显小。因为每单位面积总地辐射的能量恒定，所以这表 明前体12较均勻变热——当使用根据本发明的成形工具时。前体12具有大约300mm的宽 度、小于20mm例如小于IOmm的高度。此外，该前体具有大约120mm的深度。参考标号清单10成形工具12前体14支承面16辐射面18前体边缘20微波源22边缘区域24芯区域26. 1、26. 2 屏蔽装置28微波30纤维复合构件制造设备32基面34. 1、34. 2 侧面元件36基体38. 1、38. 2 工具边缘
权利要求
用于制造纤维复合构件的方法，该方法具有步骤(a)将由纤维和母体材料构成的前体(12)置入到成形工具(10)中，其中，该前体(12)具有环绕的前体边缘(18)，以及(b)用微波(28)辐射该前体(12)，由此形成纤维复合构件，其特征在于(c)将该前体(12)这样置入到该成形工具(10)中，使得该前体边缘(18)至少区段地与该成形工具(10)接触。
2.根据权利要求1的方法，其特征在于将该前体(12)基本上完全地以该前体边缘 (18)与该成形工具(10)接触。
3.根据上述权利要求之一的方法，其特征在于用微波(28)无遮蔽地辐射该前体 (12)。
4.根据上述权利要求之一的方法，其特征在于将该前体(12)置入到导电的成形工具 (10)、尤其是金属的成形工具(10)中。
5.根据权利要求4的方法，其特征在于将该前体(12)这样置入到该成形工具(10) 中，使得该前体(12)以该前体边缘(18)与该成形工具(10)处于电接触。
6.根据上述权利要求之一的方法，其特征在于为了辐射而使用具有选择得这样小的 强度的微波(28)，使得电弧形成基本上被抑制。
7.根据上述权利要求之一的方法，其特征在于将该前体(12)置入到冷却的、尤其是 主动冷却的成形工具(10)中，其中，该成形工具(10)尤其是在与该前体边缘(18)处于接 触的部位上被冷却。
8.根据上述权利要求之一的方法，其特征在于所述纤维包括碳纤维。
9.根据上述权利要求之一的方法，其特征在于所述母体材料可通过聚合硬化。
10.根据上述权利要求之一的方法，其特征在于后面的工作步骤，尤其是变形、成形、弯 曲、涂装、清洁、切削、抛光、磨削、腐蚀、涂层和/或安装。
全文摘要
本发明涉及一种用于制造纤维复合构件的方法，该方法具有步骤将由纤维和母体材料构成的前体(12)置入到成形工具(10)中，其中，该前体(12)具有环绕的前体边缘(18)；用微波(28)辐射该前体(12)，由此形成纤维复合构件。根据本发明提出，将该前体(12)这样置入到该成形工具(10)中，使得该前体边缘(18)至少区段地与该成形工具(10)接触。
文档编号B29C70/30GK101821076SQ200880110366
公开日2010年9月1日 申请日期2008年9月25日 优先权日2007年10月18日
发明者L·赫贝克, M·波德科维特夫, M·迈尔, R·格雷贝尔 申请人:空中客车营运有限公司