层压件制造的制作方法

1.本发明属于制造领域、特别是借助于成型工艺制造任何种类的复合层压件形状，以获得用于制造航空零件的封闭轮廓或复杂几何形状。
2.因此，本发明定义了一种用于制造复合层压件形状的制造系统和方法。


背景技术：

3.目前，层压件的形状可以从层压件铺设和后续的热成型工艺的组合来获得。这种热成型工艺是使用弹性膜进行的，当在弹性膜下施加真空度时，该弹性膜借助于以提供所提及形状的确定的几何形状进行配置的成型工具而迫使层压件形成所需形状。
4.这种工艺对弹性膜具有很强的侵略性，如果此层压件具有侵略性或复杂的形状，那么在层压件的成型工艺期间，该弹性膜会频繁破裂。
5.附加地，在所提及工艺中，在某些区处，弹性膜不能恰当地将层压件压靠在成型工具上，因此在要配置的零件的表面的关键区上可能会出现褶皱和变形。
6.此外，基于压机使层压件成型的成型工艺在现有技术中也是可用的。在所述方法的情况下，可能产生截面的形状的扭曲，因此，由横截面中的任何壁元素定义的轴线的取向在零件的整个长度上是不一样的。
7.然而，这样的方法和系统只能提供笔直成型(即，没有显著曲率)的层压零件。而且，所述笔直零件在其构型中容易出现褶皱，这降低了所制造的零件的所需性质。
8.附加地，已知方法不能在制造层压零件期间提供恒定压力，甚至不能通过保留几何间隙作为唯一保持恒定的参数。


技术实现要素：

9.本发明借助于根据权利要求1所述的制造系统和根据权利要求10所述的制造方法提供了上述问题的解决方案。在从属权利要求中，限定了本发明的优选实施例。
10.在第一发明方面，本发明提供了一种用于制造成形层压件的制造系统，该制造系统包括：
11.至少两个成型工具，该至少两个成型工具沿着纵向方向x延伸、彼此平行定位、并且被配置用于将层压件接纳在该至少两个成型工具之间，
12.至少一个成形工具，该至少一个成形工具沿着纵向方向x以及沿着横向方向z延伸、并且被配置用于将层压件接纳在该至少一个成形工具的外表面上，
13.其中，该至少两个成型工具或该至少一个成形工具可分别相对于该至少一个成形工具或该两个成型工具沿纵向方向x以及沿横向方向z移动。
14.在本文中，应考虑用于制造成形层压件的三个不同方向。所述层压件沿着纵向方向x以及沿着与所述纵向方向x垂直的横向方向z延伸。此外，层压件还沿着也与所提及方向x和方向y垂直的方向y在深度上延伸。
15.根据这样的方向，该至少两个成型工具是沿着纵向方向x延伸的刚性体，并且能够
沿纵向方向x以及沿横向方向z移动，并且还能够沿横向方向z转动以便向定位在该至少两个成型工具之间的层压件施加压力。附加地，所述至少两个成型工具还沿着垂直方向y、以与层压件相同的方式在深度上延伸。层压件的已经被压在该至少两个成型工具之间的部分被释放，从而使层压件的一部分空闲，该一部分可以被施加到该至少一个成形工具上。
16.该至少两个成型工具还向层压件的抵靠在该至少一个成形工具上的所释放部分施加压力，该至少两个成型工具沿纵向方向x和横向方向z的运动学在沿着垂直方向y的不同截面上不同或相同。
17.因此，两个不同的压力借助于由该至少两个成型工具施加的力(优选地，气动力)施加到层压件，第一压力是在层压件被定位在该至少两个成型工具之间时借助于该至少两个成型工具施加的，而第二压力是由这些成型工具中的至少一个施加在该层压件的被支撑在该至少一个成形工具上的这部分上。也就是说，层压件被压在该至少两个成型工具之间以避免褶皱，而该至少两个成型工具中的至少一个将层压件压靠在该至少一个成形工具上。
18.在特定实施例中，所提及的对层压件施加的力是由在制造工艺期间保持恒定的可调整气动力产生的，使得层压件由于压缩和所施加的压力而在厚度上发生的变动、或该至少一个成形工具在形状上的变动可以被吸收并因此得到处理。
19.在特定实施例中，并且除了通过施加到层压件的压力而获得的上述力之外，由该至少两个成型工具和/或由该至少一个成形工具沿横向方向z移动，以便渐进地将层压件释放在该至少一个成形工具之上。优选地，所述移动是通过电动致动器提供的，借助于这些电动致动器，该至少两个成型工具和/或该至少一个成形工具的移动的可调整且恒定的速度得以实现。
20.此外，为了适形于成形层压零件的不同几何形状，成形工具可以有利地交换，同时维持相同的成型工具。这允许在制造工艺期间节省成本，因为不同的零件可以用共同的设备来制造。
21.有利地，该至少两个成型工具的运动学被简化，从而避免了复杂的工具加工制造公差，这在目前的制造工艺中是需要的，因为在所述制造工艺期间，要求几何形状间隙需要保持恒定。
22.也就是说，借助于所提及的施加压力以及具有允许层压件更准确成形的制造系统的工具，可以从扁平形状的层压件获得复杂几何形状的层压零件，比如带纵梁的c形冀梁、或鼻部几何形状的前缘。
23.特别地，在该至少两个成型工具与该至少一个成形工具之间获得的相对移动允许获得用于指导移动并因此用于层压件成形的母线。在特定实施例中，特别是由该至少两个成型工具和该至少一个成形工具的边缘形成的此母线可以是笔直的线或曲状的，所述工具(这些成型工具中的至少一个和该至少一个成形工具)的截面，即边缘，沿垂直y方向相等或类似。
24.在优选实施例中，第一压力或第二压力或两者是恒定的。
25.这样的压力产生了以恰当厚度成形的层压件，从而起初的复合层压件包括较高的厚度和预定的层数。
26.在实施例中，每个成型工具是板。
27.在实施例中，成型工具是金属的。
28.在优选实施例中，该至少两个成型工具是扁平形状，该扁平形状允许更好地将所提及压力施加在定位在该至少两个成型工具之间的层压件上。
29.在特定实施例中，制造系统包括气动装置，该气动装置被配置成借助于该至少两个成型工具向层压件施加压力。
30.在特定实施例中，制造系统包括加热装置，该加热装置被配置成向层压件施加热量。
31.这种气动装置允许在层压件上施加第一压力和/或第二压力。此外，加热装置允许层压件上的温度较高，较高的温度与所施加的压力协作，以便使层压零件以所需构型成形。
32.对层压件的恰当加热是指加热达到了适宜温度以使存在于复合层压件中的树脂处于半液体状态，从而允许层压件的不同层在内部滑动，使得层压件更好地适配于该至少一个成形工具。
33.在特定实施例中，制造系统进一步包括至少一个电动致动器，该至少一个电动致动器被配置成致动该至少两个成型工具和/或该至少一个成形工具。这种电动致动器允许所提及工具根据获得成形层压件的要求而沿着纵向方向x或横向方向z移动。
34.在特定实施例中，该至少两个成型工具或该至少一个成形工具是固定的。
35.这有利地允许制造工具之一进行移动，因而能够提供工具相对于成型工具或相对于成形工具沿着纵向方向x和横向方向z进行移动的动力学。通过将制造工具中的一者保持固定，制造工艺的准确性提高。
36.在优选实施例中，两个成型工具中的至少一个沿垂直方向y的截面和该至少一个成形工具的外表面沿该垂直方向的截面沿着与纵向方向x和横向方向z垂直的方向y具有相同的几何形状。
37.有利地，在恒定厚度的层压件的情况下，互补工具的这种吻合成形允许所制造的层压零件的曲状部分更好地成形，从而允许适当的压紧并避免出现褶皱。
38.在优选实施例中，制造系统进一步包括至少一个指状件，该至少一个指状件被定位在该至少两个成型工具之一上，并且可相对于该至少一个成形工具沿纵向方向x以及沿横向方向z移动，该指状件被配置成根据纵向方向x对层压件施加压力。
39.特别地，这种至少一个指状件遵循由该至少两个成型工具所限定的移动(即，动力学)。在所述至少两个成型工具是固定的情况下，该至少一个指状件也将是固定的，该至少一个成形工具是相对于所提及的固定工具移动的工具。
40.借助于该至少一个指状件施加的另外的压力在被施加到该至少一个成形工具时允许层压件的所释放部分更好地成形，并且因此降低了成形层压零件出现褶皱或变形的风险。
41.有利地，例如当层压件在成型前的厚度或要获得的成型层压零件的厚度是可变时，所述至少一个指状件允许该至少两个成型工具和该至少一个成形工具更好地适配于层压件的所需形状。
42.层压件的起初成形或最终成形中的这种厚度变动将需要针对每种几何形状的另外的成型或成形工具，这借助于所提及的至少一个指状件得以有利地避免，因而使所述工具仍足以用于成形层压件所需的各种几何形状。
43.在优选实施例中，该至少一个指状件是由复合层压件可以在其上滑动的材料、优选地铁氟龙(teflon)制成的。这种材料允许层压件的要抵靠在该至少一个成形工具上成形的部分更快速释放。
44.在优选实施例中，制造系统进一步包括固定工具，该固定工具被配置成将层压件的第一端部固定到该至少一个成形工具。
45.也就是说，层压件的释放部分可以借助于该固定工具附接到该至少一个成形工具，使得层压零件更易于借助于该至少两个成型工具成形，因为层压件不能随着任何移动或施加在其中的压力而移动或位移，即层压件相对于该层压件搁置于其上的该至少一个成形工具的表面的任何相对位移。
46.因此，这种固定工具向层压件的一部分提供了恒定压力，并且因此提供了如所提及的有助于将层压件定位在该至少一个成形工具上的力。
47.在优选实施例中，层压件是复合层压件、特别是由碳纤维增强塑料(cfrp)制成的。
48.在优选实施例中，借助于根据第一发明方面的制造系统获得的成形层压件后续可以与另外的层压件(其也可以是成形层压件)组合，以便获得最终零件，即借助于另外的程序，比如若干个层压件的共粘合或共固化。
49.在第二发明方面，本发明提供了一种用于借助于根据第一发明方面的制造系统制造成形层压件的制造方法，该方法包括以下步骤：
50.a)提供扁平的层压件，并将该扁平的层压件定位在该至少两个成型工具之间，
51.b)通过借助于该至少两个成型工具向所述扁平的层压件施加压力来压缩该扁平的层压件，
52.c)使层压件的第一压缩部分从该至少两个成型工具上滑出，
53.d)将所述层压件的第一压缩部分施加在该至少一个成形工具的外表面之上，
54.e)通过该至少两个成型工具与该至少一个成形工具之间的相对移动来释放层压件的后续压缩部分，以及
55.f)根据该至少一个成形工具的周边形状的至少一部分获得成形层压件。
56.扁平的层压件(先前铺设的)以及优选地cfrp层压件(其借助于先前所描述的制造系统在形状上进行配置)被捕获在该至少两个成型工具之间，以便使层压件被定位成使得所述至少两个成型工具可以施加步骤b)中所指示的压力。
57.层压件在所述至少两个成型工具之间的定位使得层压件能够从其位置滑出，层压件的一部分从该至少两个成型工具中释放。也就是说，步骤b)中所施加的压力使得层压件被压缩在所述工具之间，但不足以在层压件已经被压和/或被加热(如果制造系统包括加热装置的话)时避免该层压件的后续部分的滑动。
58.因此，层压件部分在该至少两个成型工具或该至少一个成形工具相对于彼此移动时释放，使得步骤e)中的所释放部分被施加到该至少一个成形工具的外表面并且压靠在该外表面上，因此在步骤f)中，根据该外表面的轮廓对所释放部分进行配置。
59.在进行所提及步骤之后，在优选实施例中，成形层压件围绕该至少一个成形工具转动180
°
。在另外的实施例中，如果在该至少一个成形工具的截面的左侧和右侧施加相同的成型工艺，则可以实现360
°
层压件成型工艺。
60.在特定实施例中，在步骤b)中对层压件所施加的压力是借助于向该至少两个成型
工具提供恒定压力的恒定力提供的。优选地，这种力是借助于作为制造系统的一部分的气动装置施加在该至少两个成型工具上的。
61.在特定实施例中，在步骤d)之后，层压件的第一端部固定到该至少一个成形工具。因此，层压件保持抵靠该至少一个成形工具，以避免层压件在本方法的后续步骤期间沿纵向方向x和竖直方向z的任何可能的移动，即层压件相对于该层压件搁置于其上的该至少一个成形工具的表面的任何相对位移。
62.在特定实施例中，所提及的将层压件的第一端部固定到该至少一个成形工具是由固定工具提供的。这种固定工具向层压件的第一端部提供恒定压力，并且因此提供如所提及的有助于将层压件定位在该至少一个成形工具上的力。
63.在制造系统包括至少一个指状件的特定实施例中，并且与步骤e)同时，该至少一个指状件根据该至少两个成型工具的移动而移动、同时沿纵向方向x向层压件的所释放的压缩部分施加另外的压力，以便实现恰当的几何形状、同时适配于层压件的厚度变动。
64.在特定实施例中，该至少两个成型工具的移动限定沿着该至少一个成形工具的完整周边表面的路径或母线。
65.特别地，在该至少两个成型工具与该至少一个成形工具之间获得的相对移动允许获得用于指导移动并因此用于层压件成形的母线。特别是由该至少两个成型工具和该至少一个成形工具的边缘形成的此母线可以是笔直的线或曲状的，所述工具(该至少两个成型工具和该至少一个成形工具)的截面相等或类似。
66.在特定实施例中，并且在步骤f)之前，盖形成于层压件的所释放的压缩部分中，该盖被配置用于成形层压件的后续附接。特别地，所提及盖可以用于促进在安装成形层压零件时与相邻层压件的后续共粘合或共固化工艺。
67.本说明书(包括权利要求、描述和附图)中描述的所有特征和/或所描述的方法的所有步骤可以以任何组合进行组合，除了这些互斥的特征和/或步骤的组合。
附图说明
68.参考附图，鉴于本发明的详细描述，将清楚地理解本发明的这些和其他特性和优点，这些特征和优点从本发明的仅作为示例给出并且并不受其所限的优选实施例中变得显而易见。
69.图1此附图示出了第一发明方面的制造系统的实施例的截面。
70.图2此附图示出了第一发明方面的制造系统的另一实施例的截面。
71.图3此附图示出了第一发明方面的制造系统的实施例的立体图。
72.图4此附图示出了图3的实施例的平面图。
73.图5此附图示出了层压零件的构型的示例的截面。
74.图6本附图示出了层压零件的构型的另一示例的截面、以及该层压零件的安装。
75.图7此附图示出了第一发明方面的制造系统的该至少一个成形工具的实施例以及另外的固定装置的示意图。
具体实施方式
76.图1示出了根据本发明的制造系统(1)的实施例。制造系统(1)包括两个成型工具
(2.1，2.2)和成形工具(3)。成型工具(2.1，2.2)沿着纵向方向x延伸，彼此平行定位，并且被配置用于将层压件(4)接纳在这两个成型工具之间。成形工具(3)沿着纵向方向x以及沿着横向方向z延伸，并且被配置用于将层压件(4)接纳在该成形工具的外表面上。成形工具(3)的形状对应于要获得的成形层压件的期望形状。
77.根据本发明，制造系统(1)被配置成允许成型工具(2.1，2.2)与成形工具(3)之间沿纵向方向x以及沿横向方向z进行相对移动。这可以通过成型工具(2.1，2.2)可相对于成形工具(3)移动和/或通过成型工具(3)可相对于成型工具(2.1，2.2)移动来实现。成型工具(2.1，2.2)和成形工具(3)均可以是可移动的，以提高制造系统的通用性并且使该制造系统适配于要获得的成形零件的复杂几何形状。
78.也就是说，成型工具(2.1，2.2)将层压件(4)压在这两个成型工具之间，从而避免在制造工艺期间形成褶皱，而成型工具(2.1，2.2)之一将已经在两个成型工具(2.1，2.2)之间压缩的成型层压件(4)压靠在成形工具(3)上。
79.在两个成型工具(2.1，2.2)之间对层压件(4)产生压力的力是可调整气动力，本发明附图中未示出。这样的力在制造工艺期间保持恒定，使得层压件(4)在被压入所述两个成型工具(2.1，2.2)内时在厚度上发生的变动被吸收。两个成型工具(2.1，2.2)的形状或成形工具(3)的形状的变化也可以借助于所提及的可调整气动力来吸收。
80.如所指示的，成型工具(2.1，2.2)和成形工具(3)允许沿横向方向z进行相对移动，该相对移动是由成型工具(2.1，2.2)和/或成形工具(3)(这取决于它们之中的哪一个保持固定)借助于对所提及工具(2.1，2.2，3)进行致动的电动致动器进行的。
81.这样的电动致动器(本发明附图中未示出)向受到影响的工具提供可调整且恒定的速度，而两个成型工具(2.1，2.2)在制造工艺进行时将层压件(4)的部分释放在成形工具(3)之上。
82.在图1中，示出了制造系统在使用中，其中，扁平的层压件(4)被定位在两个成型工具(2.1，2.2)之间，这两个成型工具是扁平的且彼此平行。
83.成型工具(2.1，2.2)、成形工具(3)以及层压件沿着与方向x和方向y垂直的方向y在深度上延伸。
84.在制造成形层压零件期间，如所示出的层压件(4)是通过将层压件(4)施加在成形工具(3)的外表面上而成形的。在所示出的实施例中，这种层压件(4)从成形工具(3)的上部延伸，并且从成型工具(2.1，2.2)之间被释放并压靠在所述成形工具(3)上，以便根据所述成形工具(3)的外表面进行构型。
85.如本附图所示出的，两个成型工具(2.1，2.2)相对于成形工具(3)移动，使得层压件(4)被释放并从成形工具(3)的上端部向下附接至该成形工具的外表面，成形工具(3)是固定的。
86.具体地，附图所示出的上成型工具(2.1)将层压件(4)压靠在成形工具(3)上，而两个成型工具(2.1，2.2)将层压件(4)压在这两个成型工具之间。
87.图2示出了相同的制造系统(1)，其在此实施例中进一步包括定位在上成型工具(2.1)的顶部上的指状件(5)。
88.这种指状件(5)向抵靠在成形工具(3)上的层压件(4)提供另外的压力，从而有助于层压件(4)采用成形工具(3)的外表面的曲状构型。
89.如本附图所示出的指状件(5)与成型工具(2.1，2.2)遵循相同的路径，从而作为整合体(尽管是单独的零件)一起移动。
90.尽管图2的实施例中示出了单个指状件(5)，但制造系统可以包括如图3和图4(这两个附图分别示出了立体图和平面图)的实施例中所描绘的沿着垂直方向y布置的多个指状件(5)。附加地，多个指状件(5)能够沿纵向方向x移动。
91.提供一个或多个指状件(5)允许更好地适配于最终零件的厚度变化和/或斜面，而无需修改制造系统(1)的其他元件。
92.在图3和图4的实施例中，多个指状件(5)被布置在上成型工具(2.1)上，在此实施例中，该上成型工具是通过也包含在制造系统(1)中的加热装置进行加热的金属板。优选地，指状件(5)是由允许层压件(4)在其上滑动的材料(比如铁氟龙)制成、或者覆盖有该材料。
93.指状件(5)彼此独立，使得每个指状件可以沿方向x在不同的位置，以便改进根据成形工具(3)的外表面进行调整。这在图4中可见，该附图示意性地示出了最终零件在附图中标记为a和b的区域之间的厚度变化。具体地，区域b中的零件厚度大于区域a中的零件厚度。在此实施例中，上成型工具(2.1)具有笔直边缘，并且指状件(5)压紧层压件(1)厚度最小的部分(即，区域a)。
94.通过提供多个指状件(5)，层压件可以被均匀地压紧在成形工具(3)之上并且适配于沿方向y的小变化(比如小斜面或厚度变化)，具有不与成形工具(3)的形状相适配的边缘的平板(2.1，2.2)不可能适配成准确遵循这些小斜面或厚度变化。
95.沿方向x施加在每个指状件中的力可以具有恒定值。以此方式，可以用在纵向方向y上均匀的力将层压件压紧在成形工具(3)之上。
96.图5示出了层压件(4)的构型的第一示例，其中，已从成形工具(3)的外表面获得曲状构型。这种构型借助于盖(4.1)在成形工具(3)的下部处终止，该盖因此成为要成形的层压件(4)的端部。
97.图6示出了层压件(4)的构型的另一个示例，在这种情况下，该层压件在周边包围成形工具(3)的整个外表面，因此借助于两个盖(4.1)(每个端部各一个)开始和终止于成形工具(3)的下部。
98.此外，成形层压件(4)特别借助于如所示出的所述盖(4.1)附接至相邻零件(6)。
99.图7示出了制造层压件(4)的示意图，特别地，所述层压件(4)在周边包围成形工具(3)的整个外表面。根据本附图的视图，所述层压件(4)搁置在所提及表面上，并且借助于固定工具(7)被压靠在成形工具(3)上，该固定工具定位在成形工具(3)的顶部上。
100.因此，固定工具(7)将层压件(4)压靠在成形工具(3)上、在该成形工具的端部之一上(在这种情况下，在上端部上)，使得层压件(4)保持处于限定位置，从而避免相对于成形工具(3)的表面的任何相对位移。
101.固定工具(7)借助于恒定压力向抵靠在成形工具(3)的表面上的层压件(4)提供压缩力。
102.示例1
103.在本发明的情况下，成形层压件的若干种复杂构型可以从扁平的层压件获得。特别地，披露了厚度恒定的成形层压件构型的第一示例。
104.在此示例中，层压件(4)的厚度是恒定的，并且因此在制造工艺期间，成型工具(2.1，2.2)中的至少一个的截面或边缘的构型与成形工具(3)的截面相等或类似。
105.所使用的工具(成型工具(2.1，2.2)和成形工具(3))的轮廓满足这种条件，以便获得成型工具(2.1，2.2)与正抵靠在成形工具(3)上成形的层压件(4)之间的准确接触。
106.层压件(4)与成型工具(2.1，2.2)之间的接触是恒定的，使得压力以均匀的方式施加在层压件(4)上，并且因此，层压件(4)被适当压紧，并且避免在所述层压件(4)的表面上出现褶皱和变形。
107.图1示出了这种构型示例。
108.此外，如果最终零件需要沿垂直方向y具有恒定的层压件厚度和斜面，则成型工具(2.1，2.2)中的至少一个的截面或边缘与成形工具(3)的截面相等或类似。在这种情况下，确定所使用的工具(成型工具(2.1，2.2)和成形工具(3))的轮廓的形状以便获得这样的斜面，从而使两个轮廓含有在成形层压件(4)中形成斜面所需的倾斜度。
109.示例2
110.在成形层压件不具有恒定厚度(即，成形层压件沿垂直方向y具有几种不同的截面)的情况下使用不同的制造系统(1)构型。
111.成形层压件上的这样的厚度变动是借助于成形工具(3)轮廓或成型工具(2.1，2.2)轮廓、以及借助于由成型工具(2.1，2.2)施加在层压件(4)上并因此施加在成形工具(3)上的压力获得的。特别地，成型工具(2.1，2.2)的截面的构型与成形工具(3)的截面不相等，这种不相等在成形工具(3)和成型工具(2.1，2.2)的不同轮廓构型上有所反映。
112.有助于成型工具(2.1，2.2)中的至少一个以及层压件(4)恰当接触的另外的元件是至少一个指状件(5)，该至少一个指状件允许在维持相同的成型工具(2.1，2.2)和成形工具(3)的同时使成形层压件的构型产生厚度变化或斜面。
113.这些指状件(5)沿垂直方向y的大小受限，因此只覆盖要成形的层压件(4)的一部分。借助于指状件(5)，层压件(4)适配于表面沿着垂直方向y的小的厚度变化，层压件(4)因此以沿着垂直方向y的均匀力被压紧在成形工具(3)之上。