专利名称：用于接合构件的方法和设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于接合构件的方法，这些构件中的至少ー个具有纤维增强的塑料。此外，本发明还涉及ー种用于接合构件的设备。尽管可以采用任何构件，本发明以及基于本发明的问题针对飞机的机身蒙皮构件详细阐述。
背景技术：
在现代飞机建造中，越来越多地采用纤维增强的复合材料、比如碳纤维增强的环氧树脂。用于制造飞机机身的机身分段比如采用蒙皮扇形段制造，其大部分利用纤维增强的复合材料制成。与传统的铝构造不同，在此类复合材料中产生不可避免的制造公差，其比如由硬化大型部件时不能够可靠地复制的蠕变表现引起。虽然在铝构造的情况下也会产生一定的尺寸偏差，但由于所采用的铝合金的可延展特性、比如可以通过压或拉得到均衡。但这种方式在采用复合材料的情况下由于其在实施硬化之后较高的脆性是不可用的。这样， 在将蒙皮扇形段接合成机身分段时以及接着形成完整的飞机机身単元时必须通过接合多个蒙皮扇形段采取其它的均衡措施。为了均衡制造造成的不可避免的尺寸偏差，在待接合的连接件之间进行缝隙填充和公差平衡时通常会采用流体的接合填充剂(英文为liquid shim)。这种流体的接合填充剂通常是可硬化的双组分塑料、比如环氧树脂，其能够可选地与其它填充材料和/或助熔剂混合。迄今为止，填充剂的干燥或硬化通常在室温下实现，从而使得在双组分环氧树脂的情况下需要多个小时(通常在4至9小时之间)的化学-物理过程时间。被置于不可避免的接合缝隙中的接合填充剂的加速硬化分散地通过放置在接合区域中且可电加热的垫子实现。但这些垫子需要较高的能量消耗且导致临近的区域不可控的加热。此外，借助于热垫在缝隙区域中可达到的温度曲线基于热垫的热延迟不能够无滞后地得到控制且热垫的结构需要较高的工作耗费。
发明内容
本发明的目的在干，实现ー种在接合构件时可快速且准确地控制的、流体接合填充剂的硬化。按照本发明，该目的通过具有权利要求1的特征的方法以及具有权利要求12的特征的设备实现。本发明所基于的构思在干，在被用作填充两个或多个构件之间的缝隙区域的流体填充剂(liquid shim)的、可硬化的塑料填充剂中如下分散纳米颗粒，即从外部到达的能量能够在工作现场引入纳米颗粒中，用以硬化塑料。“纳米颗粒”的概念在此被设计为具有大约Inm至IOOnm的直径的固体颗粒。纳米颗粒和引入的能量的形式优选如下相互匹配，即使得通过纳米颗粒的能量吸收较高，而通过构件的能量吸收尽可能小。纳米颗粒较小的尺寸实现了形成通过塑料填充剂的特別稳定的分散作用。通过将能量在工作现场引入在塑料填充剂中分散的纳米颗粒中，实现了空间上精确限定的以及快速的在待接合的构件的缝隙区域中的加热且由此实现了逐点精确的塑料填充剂(比如采用的双组分塑料)在较短的小于30分钟的时间内的硬化。此外，通过对能量引入的合适的控制在时间上精确地限定了热作用。塑料填充剂是比如填充材料和/或密封材料，如双组分的环氧树脂，其能够可选地与其它添加材料混合。作为密封材料可以比如考虑常用的双组分的聚氨酷。本发明的有利的设计和改进在从属权利要求中限定。根据ー个优选的改进，缝隙区域具有0. 3mm至2mm的宽度。根据ー个优选的改进，纳米颗粒、塑料填充剂以及引入的能量的类型如下选择，即塑料填充剂通过在工作现场引入能量有针对性地被加热且通过热的作用加速硬化。优选塑料填充剂被加热到40°C至90°C，用以特别快速且经济地硬化塑料填充剂。根据ー个优选的改进，纳米颗粒、塑料填充剂以及引入的能量的类型如下选择，即额外地或替换加热通过在工作现场引入能量激发由纳米颗粒催化的、在塑料填充剂中的化学反应，用以将塑料填充剂硬化。以这种方式能够实现特別短的硬化时间。根据ー个优选的改进，在工作现场引入能量通过借助于声波、优选超声波激励纳米颗粒实现。根据ー个优选的改进，在工作现场引入能量通过借助于电磁辐射激励纳米颗粒实现。优选的电磁辐射类型是比如光辐射、红外线辐射和/或微波辐射。根据ー个优选的改进，在工作现场引入能量通过借助于电磁感应场激励纳米颗粒实现。根据ー个优选的改进，在工作现场引入能量穿过第一和/或第二构件实现。以这种方式还可以在从外部较困难或者甚至完全不能接近的缝隙中硬化塑料填充材料。根据ー个优选的改进，固体颗粒具有Inm至IOOnm的颗粒尺寸。此类颗粒通常被称作纳米颗粒或纳米微粒。根据ー个优选的改进，纳米颗粒具有导电的、比如金属的材料，从而能够通过在エ 作现场引入能量在塑料填充剂内部产生电流。优选该材料具有较小的密度，用以实现接合的构件的较小的最终重量。根据ー个优选的改进，纳米颗粒具有导热性优选高于塑料填充剂的导热性的材料。以这种方式使得通过在工作现场引入能量在纳米颗粒中产生的热量特別快速地到达颗粒表面且由此特別快速地到达塑料填充剂。根据ー个优选的改进，纳米颗粒具有铁氧体和/或波美石作为材料。按照本发明的设备能够可选地仅具有一个能量引入装置或具有多个能量引入装置。在仅采用一个能量引入装置吋，其可以在各加工的分段或区域实现硬化后被置于相邻的分段中，由此提高了工作耗费。为了避免不完全硬化的区域，通常需要重叠的工作方式， 由此进ー步提高了工作耗费。与此相反，具有多个同时作用的能量引入装置的设备虽然实现了同时硬化大面积的缝隙区域，但需要更高的设计上的耗费。
下面借助于实施例參照附图详细阐述本发明。其中，
图1示出了根据本发明的一个实施方式接合两个构件的设备的示意图；以及图2示出了根据另ー个实施方式用于在待接合的蒙皮扇形段之间同时硬化完全的横向接合区域的设备的透视原理图。在附图中，相同的附图标记表示相同或功能相同的部件，只要没有给出反例。
具体实施例方式图1示出了用于接合两个构件3、4的设备1的原理性构造图，这两个构件在此比如形成飞机机身结构的外皮的一部分。两个构件3、4都基本上利用层8、9构成，这些层分别具有碳纤维增强的环氧树脂。示例性示出的、对于当前的设备的功能不是必要的包覆物 10、11(特别是以铜织物、铜包覆物或铜网形式)主要被用作飞机的防雷电装置。在构件3、 4之间，在缝隙区域2中至少局部地置入塑料5、比如密封材料或填充材料。塑料5混合有大量纳米颗粒，在这些纳米颗粒中，一个颗粒12代表性地配有附图标记。这些纳米颗粒以大约Inm至IOOnm的直径形成。在当前的实施方式中，比如采用由具有较好的导热性的导电材料、比如铁氧体制成的颗粒。塑料5本身或者包围纳米颗粒12 的母体比如以可热硬化的双组分(Zweikomponenten)环氧树脂系统形成。在第一构件3上方存在在当前的实施方式中示例性地被设计为微波辐射源的能量引入装置6，用于在工作现场将能量引入到固体颗粒12中。在可替换的实施方式中，能量引入装置6比如可以被设计为用于产生感应场的感应器、超声波源、用于可见光和/或红外线的光源、太拉赫辐射源或其它形式传输能量的源，其中，能量引入装置的类型和纳米颗粒的组成分别如下相互匹配，即在工作中由能量引入装置射出的能量能够由纳米颗粒在工作现场接收。优选还鉴于构件3、4的材料和结构以及需要时存在的包覆物10、11如下选择能量引入装置6的类型，即发射的能量的足够的部分至少穿过构件3、4的位于能量引入装置 6与缝隙区域2之间的分段。在当前的实施方式中，通过采用导电的纳米颗粒12，在工作中从能量引入装置6 出发的微波辐射7的作用下在塑料填充材料中分散的纳米颗粒12中产生涡流，这些涡流如下提高塑料5中的温度，即塑料5通过加热被硬化。由能量引入装置6发出的能量辐射的強度(在当前的实施方式中借助于被用于供给能量引入装置6的供给电流的电流强度I)如下选择，即在待硬化的塑料5中在最大一小时的时间段上在40°C与90°C之间调节温度。所采用的塑料5是比如Dexter Hyssol 公司产品名称为EA9394A/B的、Hexcel ·公司产品名称为870A/B、DeXter Hyssol 公司产品名称为EA9394. 2或Vantico 公司产品名称为Epibondl590-3A/B的热固性塑料。可替换的是， 塑料5还可以是密封材料或密封剂、比如双组分的聚氨酯塑料。因此，在用于加速硬化的密封剂的区域中一般为大约50°C的温度是足够的。在采用能量引入装置6吋，特别是在大面积的、不会由发射的能量(在当前的情况下为微波发射源6的微波辐射7)同时穿透的缝隙区域2的情况下，采用定位装置是有利的，借助于定位装置可自动地在定义的轨道曲线中经过缝隙区域2引导能量引入装置6。为此，设置能量引入装置6在缝隙区域2上足够的停留时间，用以产生塑料5足够的热硬化。 可替换的是，能量引入装置6 (如在图1中以由点組成的轮廓示出)还具有把手、比如手柄， 其实现了能量引入装置6的手动应用。因此，能量引入装置6优选具有激光目标装置，用以将由能量引入装置6发生的能量辐射7的空间作用区域对于使用者来说无接触地在视觉上在构件3、4上看到。因此确保了塑料5的完全硬化。图2示出了一种设备的实施变型，利用该设备实现了引入机身分段的环围的横向接合区域的塑料填充剂的同时硬化。在作为第一构件的机舱尾机身分段20上连接另ー个、未详细示出的作为第二构件的机身分段。设备19包括环状的能量引入装置22，其外径(除去用于平衡公差的间隙) 大致与在横向接合区域中的机身分段20横截面尺寸或横截面几何形状相匹配。能量引入装置22在图2所示的实施例中以具有三个相互连接的120°扇形段23至25的环状的微波辐射源形式构建。在一种可替换的实施方式中，环状的能量引入装置22被设计为比如用于超声波、可见光和/或红外线、用于太拉赫辐射和/或微波辐射或传递其它形式的能量的辐射的环状感应器、环状源，如參照图1所描述的那样。由于根据飞机类型能够达到最大25米的内圆周且需要具有近似相应的外圆周的环状能量引入装置22的、待接合的机身分段的通常较大的横截面尺寸，可能需要将能量引入装置划分成如三个示例性示出的扇形段23至25那样的扇形段或更高数量的扇形段。此外，通过较高数量的扇形段可以在设计上简化各单个的扇形段必要时所需的水冷却，这是因为针对每ー个扇形段来说，更小直径的一个输入管道以及ー个输出管道就已足够。通过将能量引入装置22分成扇形段还减小了供给各单个的扇形段所需的供给功率且简化了比如通过功率电子设备控制的扇形段精细分级的调节。此外，将能量引入装置22 分成扇形段还允许与在横向接合区域21中相互连接的机身分段的工作现场不同大小的曲度的匹配以及此外还允许与积木原理(Baukastenprinzip)中不同的实际情况的匹配。积木原理通过从限定的标准化扇形段的库存中选择能量引入装置扇形段的組合实现了灵活地组建环状的能量引入装置22，其能够以简单的方式和方法与机身分段的不同横截面几何形状以及横截面尺寸相匹配。各单个的扇形段可以借助于插接系统相互连接，其中，可以存在可选的锁定系统。在横向接合区域21中可以在机身分段20内侧设置用于布置、对齐以及暂时固定能量引入装置扇形段的设备。环状的能量引入装置22还可以具有可选的中心固定装置沈，其通过总共3个在中心点27上相交的支撑杆观至30形成，用以使得机身分段20的定位更加容易。在中心点 27的区域中设置定位装置31或基板(Sockelplatte)，其被用于在机身分段20的内部区域 32内对齐且架起环状的能量引入装置22。作为针对设备19的应用的准备，在可考虑的变型中首先将流体的塑料填充剂与纳米颗粒混合，纳米颗粒的材料与由能量引入装置释放的能量的形式相匹配。在当前的情况下，比如如图1的实施例中那样采用由铁氧体构成的纳米颗粒。具有在其中分散的纳米颗粒的塑料填充剂被引入用于在待接合的构件之间填充缝隙和/或平衡公差的、机身分段 20的横向接合区域21中，比如通过具有随后的接合的表面涂布或通过在导向孔中的喷入。随后，整个安装好的环状能量引入装置22借助于定位装置31在箭头33的方向上驶入ー侧还敞开的机身分段20内部区域32，从而使得整个横向接合区域21尽可能完全地被环状能量引入装置22的射出的能量穿透，即在当前的情况下被微波发射源的微波辐射穿透。最后，待接合的机身分段相对于机身分段20对齐或与机身分段20 —起行驶且与机身分段20比如通过在使用横向接合鱼尾板的情况下通过对接螺栓连接和/或铆接到一起。可替换的是，还可以在没有横向接合鱼尾板的情况下实现叠合连接。在接合进程至少部分地结束之后，即机身分段至少为了实现足够的位置固定暂时接合，可以借助于环状能量引入装置22将事先在机身分段之间的缝隙区域中置入的塑料硬化。最后，环状能量引入装置22可以再次被分解成其3个扇形段23至25且最终将定位装置31和支撑杆观至30从接合好的机身分段中拆下。针对待接合的机身分段既在置入且硬化填充缝隙所需的塑料(接合填充剂)之前也在之后必须再次相互驶离的情況，能量引入装置22还可以安装到已经相互定位且对齐的机身分段中。因为机身分段在此时间点已经配有乘客地板和货物地板，获得了针对各单个扇形段或整个环状能量引入装置22的支撑、安装或放置可能性。具有定位装置31和支撑杆观至30或基板的中心固定装置沈在机身分段在横向接合区域21具有用于暂时固定能量引入装置扇形段的辅助设备(比如用于能量引入装置扇形段的舱壁保持装置)时可以取消。尽管本发明借助于优选的实施例如上描述，其不限于此，而是可以以任意的方式进行改动。比如与工作现场引入的能量相匹配可以采用由非导电的材料制成的纳米颗粒或由多种材料非均勻地组合成的纳米颗粒。附图标记列表
1、19设备
2縫隙区域
3第一构件
4第二构件
5塑料填充剂
6、22能量引入装置
7磁场
8层(CFK材料)
9层(CFK材料)
10包覆物
11包覆物
12内米颗粒
20机身分段
21横向接合区域
23120°扇形段
24120°扇形段
25120°扇形段
26中心固定装置
27中心点
28支撑杆
29支撑杆
30支撑杆
31定位装置32内部区域(机身分段)33箭头
权利要求
1.一种用于接合第一构件(3)和第二构件的方法，所述第一构件和第二构件中的至少ー个构件C3)具有纤维增强的塑料材料，所述方法具有下列步骤布置所述第一构件和第二构件(3、4)，其中在所述第一构件(3)与所述第二构件(4)之间留出缝隙区域O)；至少在某些分段中以未硬化的塑料填充剂( 填充所述缝隙区域O)，在所述塑料填充剂中分散有纳米颗粒(12)；以及在工作现场将能量引入所述纳米颗粒(1 中，用以硬化所述塑料填充剂(5)。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在干，所述缝隙区域00)具有0.3mm至2mm的宽度。
3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在干，具有以下步骤通过在工作现场引入能量来加热所述塑料填充剂(5)，特別是加热到40°C至90°C，用以硬化所述塑料填充剂(5)。
4.如前述权利要求中至少ー项所述的方法，其特征在干，具有以下步骤通过在工作现场引入能量激发由所述纳米颗粒(1 催化的、在所述塑料填充剂(5)中的化学反应，用以硬化所述塑料填充剂(5)。
5.如前述权利要求中至少ー项所述的方法，其特征在干，在工作现场引入能量通过借助于声波、特别是超声波激励所述纳米颗粒(12)实现。
6.如前述权利要求中至少ー项所述的方法，其特征在干，在工作现场引入能量通过借助于电磁辐射、特別是光辐射、红外线辐射和/或微波辐射激励所述纳米颗粒(12)实现。
7.如前述权利要求中至少ー项所述的方法，其特征在干，在工作现场引入能量通过借助于电磁感应场(7)激励所述纳米颗粒(12)实现。
8.如前述权利要求中至少ー项所述的方法，其特征在干，在工作现场引入能量穿过所述第一构件(3)和/或所述第二构件(4)实现。
9.如前述权利要求中至少ー项所述的方法，其特征在干，所述纳米颗粒(12)具有导电材料。
10.如前述权利要求中至少ー项所述的方法，其特征在干，所述纳米颗粒(12)具有导热性高于所述塑料填充剂(5)的导热性的材料。
11.如前述权利要求中至少ー项所述的方法，其特征在干，所述纳米颗粒(12)具有铁氧体和/或波美石。
12.一种用于接合两个构件(3、4)的设备(1、19)，所述构件中的至少ー个构件具有纤维增强的塑料材料，其中，在所述构件(3、4)之间的缝隙区域( 中至少在某些区域引入未硬化的塑料填充剂(5)，在所述塑料填充剂中分散有纳米颗粒(1 ；所述设备具有在工作现场将能量引入所述纳米颗粒中的能量引入装置(6、22)，用以硬化所述塑料填充剂(5)。
13.如权利要求12所述的设备(1、19)，其特征在干，所述能量引入装置(6、22)具有电磁辐射源、特別是光辐射源、红外线辐射源和/或微波辐射源。
14.如权利要求12或13所述的设备(1、19)，其特征在干，所述能量引入装置(6、22) 具有声波源、特别是超声波源。
15.如权利要求12至14中至少ー项所述的设备(1、19)，其特征在干，所述能量引入装置(6、22)具有用于产生电磁感应场(7)的感应器。
16.如权利要求12至15中至少ー项所述的设备(1、19)，其特征在干，所述能量引入装置(6、22)以多个扇形区(23-25)构建，用以特别是实现在用于制造飞机机身単元的ー个机身分段00)与待接合到所述机身分段上的另ー个机身分段之间的横向接合区域01)中对所述塑料填充剂(5)同时进行硬化。
全文摘要
本发明涉及一种用于接合第一构件(3)和第二构件(4)的方法，所述第一构件和第二构件中的至少一个构件具有纤维增强的塑料材料。构件之间如下设置，在所述第一构件(3)与所述第二构件(4)之间留出缝隙区域(2)。至少在某些分段中以未硬化的塑料填充剂(5)填充所述缝隙区域(2)，在所述塑料填充剂中分散有纳米颗粒(12)。在工作现场将能量引入所述纳米颗粒(12)中，用以硬化所述塑料填充剂(5)。本发明还涉及一种用于接合两个构件的设备。
文档编号B29C65/14GK102574329SQ201080046785
公开日2012年7月11日 申请日期2010年7月30日 优先权日2009年8月18日
发明者克劳斯·埃德曼, 卡斯滕·利曾伯格, 赖讷·希尔特, 马提亚斯·施魏姆 申请人:空中客车运营有限公司