航空器或航天器用纖維增強金屬部件及其生產方法與流程

本發明涉及一種自動生產纖維增強金屬部件的方法，還涉及由該類方法生產的纖維增強金屬部件。本發明具體涉及具有用于航空和航天工業的集成的增強纖維的金屬部件。

背景技術：

雖然根據本發明的纖維增強金屬部件可用于很多不同的用途，但是將以客機為例更詳細地描述本發明和本發明解決的問題。

在現代航空器構造領域，金屬部件常常用作復合結構內的結構部件。因此，航空器的機身蒙皮有時由玻璃纖維增強鋁(“玻璃層積鋁增強環氧樹脂”，)形成，即由具有鋁和玻璃纖維層(玻璃纖維增強塑料)的交替層的層積組件形成。這里，鋁或鋁合金的薄板以層疊加且每一個通過膠粘劑層結合，該膠粘劑層具有至少一個樹脂浸漬、單向玻璃纖維插件。最終，該復合結構使用壓力和溫度來固化以產生薄板層積物。改進的損害容限和優化的沖擊行為、改進的裂縫擴展預防、有效的抗腐蝕性能以及低重量有時表示為優于整體金屬部件的以及這種類型的其他纖維金屬層積物的優點。

在使用這樣的金屬-層積合成物之外，也知道在金屬基體內嵌入玻璃纖維。因此，例如US7,774,912B2和US2005/0133123A1描述了生產玻璃纖維-金屬基體復合物的方法，該復合物可用于航空器部件。在這些方法中，玻璃纖維束被拉伸通過液體金屬浴鍋，該浴鍋結合進熔爐內。之后，滲透有金屬的纖維束通過模具在它們最終冷卻，即固化之前，得到想要的結構。

大體上，所有這些方法常見需要多個復雜的、連續的，有時甚至是手動單獨的步驟以生產這些部件。自動化的缺乏帶來顯著的生產工作以及相應的生產成本。對于高效的小規模和大規模生產，需要如下方法，使用該方法能夠以自動方式以合理數量的工作來生產纖維增強金屬部件，該金屬部件不可能使用傳統方法生產，或至少僅能利用相當大的工作量來生產。

技術實現要素：

鑒于上述情況，本發明的目的在于發現用于纖維增強金屬部件的高效且經濟的生產方法。

根據本發明，上述發明目的是通過具有權利要求1的特征的生產方法、通過具有權利要求9的特征的生產方法、通過具有權利要求13的特征的金屬部件以及通過具有權利要求15的特征的航空器或航天器來實現。

相應地，提供了一種用于生產纖維增強金屬部件的方法。該金屬部件具有滲入有多個增強纖維的金屬基體。該生產方法包括在纖維層內分層沉積增強纖維、在基體材料層內分層沉積并液化金屬模制材料、以及在鄰近沉積基體材料層中分層固化該金屬模制材料以形成纖維增強金屬部件的金屬基體。該金屬部件由交替地沉積的基體材料層和纖維層整體形成。

可選擇地，該生產方法包括向鑄造模具內引入由增強纖維組成的開纖三維纖維織物(open three-dimensional fibrewoven fabric)、將液體金屬模制材料注入鑄造模具中并固化該金屬模制材料以形成纖維增強金屬部件的金屬基體。這里，所述金屬部件由固化的金屬模制材料和增強纖維整體形成。

此外，提供了一種纖維增強金屬部件，其由根據本發明的方法來生產。

此外，提供了一種航空器或航天器，其具有根據本發明的纖維增強金屬部件。

本發明的基本概念是以單一、整體、自動化生產工序形成三維部件，其中增強纖維直接嵌入金屬基體內。在本文中，“三維”是指原則上具有任意想要的形狀的固體金屬部件可一體形成，在其中嵌有由不同有利材料組成的增強纖維。在根據本發明的方法中，該增強纖維在分層制造中全自動地定位。一方面，生產工作和生產成本由此可通過根據本發明的集成自動化生產非常顯著地降低。因此，例如，不需要使用反應釜等裝置的固化工藝，該工藝在纖維-金屬層積物的情況下通常是必要的。

另一方面，根據本發明的方案的重要優勢因此是具有彈性布置的、集成纖維的固體金屬部件可使用相當簡單的裝置經濟地且高效地生產。金屬-纖維復合部件常規上由金屬和纖維薄層的交替層制造，這些層使用環氧樹脂和其他結合材料結合在一起。這里，特別地，該纖維薄層通常包括合成樹脂基體。根據本發明的方法，增強纖維，例如，玻璃纖維、碳纖維等現在直接嵌入到金屬基體內，不使用額外的、根本地結構上更弱的材料。根據本發明的纖維-增強金屬部件因此通過高(張緊)強度和高硬度(即高彈性模量)與纖維-金屬層積物區分開。完全避免薄片結構的基本缺點，例如分層，即當單獨的層分開或撕裂。增強纖維的高強度和高彈性模量直接且最優地并入已經形成的金屬部件的強度和硬度。根據本發明的金屬部件在這個意義上是多功能的，即纖維可為了不同的目的集成到金屬部件中。如在金屬部件的情況下，為了增強的目的或為了其他結構-改善的目的，纖維可設置在層疊物復合結構中。

參考附圖，在進一步的從屬權利要求和說明書中可發現有利的實施方式和改進。

根據一個改進，分層沉積并液化金屬模制材料可包括以金屬粉末、金屬帶和/或金屬絲等形式沉積金屬模制材料。

分層沉積并液化金屬模制材料可包括使用激光器液化金屬模制材料。相應地，金屬模制材料可通過激光器液化，例如該模制材料可以粉末的形式或以條或絲沉積且然后通過激光器熔化。在該改進中，所述生產方法可包括，例如，激光燒結方法或激光熔化方法或類似的方法。在選擇性激光燒結(SLS)和選擇性激光熔化(SLM)中，粉狀材料以薄層逐漸施加，然后通過激光束熔化或燒結且然后固化。這里，一旦冷卻，沉積的材料和前面施加的材料結合起來并固化，由此形成集成物體。本領域技術人員根據本文可推斷出也可使用其他提供相似結果的方法。例如，作為對激光方法的替代，金屬模制材料也可使用電子束來液化，例如，以電子束熔化(EBM)或電子束燒結(EBS)意義上的液化。

根據可選擇的改進，分層沉積并液化金屬模制材料可包括通過電阻熔化來液化金屬模制材料。在該改進中，金屬模制材料的電阻可用于通過引入電流加熱所述材料直到其熔化或液化。

為此，增強纖維可涂敷或覆蓋金屬材料或金屬合金，例如銅、鋁或其他合適的材料。在該有利的改進中，用于加熱金屬模制材料的電流可經由已經沉積的增強纖維直接引入。例如，該增強纖維可通過兩個或多個壓輥施加，在壓輥上可設置合適的裝置以經由壓輥將電流引到增強纖維上。增強纖維的導電性涂敷層或覆蓋物傳導電流，作為其結果，已經沉積的增強纖維和/或金屬模制材料被加熱。金屬模制材料液化并包裹沉積的增強纖維，由此產生具有嵌入增強纖維的固體金屬部件。

根據一個改進，分層沉積和液化金屬模制材料可包括擠出金屬模制材料。擠出方法是分層施加金屬模制材料的另一替代的有利選擇，其允許金屬層特別光滑且均勻的施加。例如，該生產方法可包括熔化沉積模制方法。熔化沉積模制(FDM)包括材料層通過擠出加熱的自由流動的材料來沉積的方法。這里，一旦冷卻，沉積的材料和之前施加的材料結合并固化，由此形成集成物品。此外，原則上可使用從金屬3D打印方法知道的其他方法，即，所有生成和添加的生產方法，其中，在幾何模具的基礎上，預定形狀的物品由無定形的材料生產，例如，液體和粉末或中間形式半成品，例如帶狀或絲狀材料，通過特定生成制造系統的化學和/或物理工藝。

根據一個改進，分層沉積增強纖維可包括由一個或多個纖維束給料增強纖維。此外，分層沉積增強纖維可包括通過一個或多個壓輥沉積增強纖維。分層沉積增強纖維也可包括通過舒展輥等裝置分散開增強纖維。例如，來自一個或多個纖維束的單獨增強纖維可由合適的進料輥供應，通過舒展輥等裝置分散開、分配并以平面的形式布置，并最終通過壓輥施加。在該改進中，包括多個鄰近布置的增強纖維的纖維層可以高效且精準的方式施加。

根據一個改進，增強纖維的平均熔點可高于金屬模制材料的平均熔點。相應地，金屬模制材料和增強纖維的材料可有利地彼此適應，這樣金屬模制材料的液化不影響已經沉積的增強纖維的纖維層。

根據一個改進，所述金屬模制材料選自由鋁、鈦和其合金等組成的組。

根據一個改進，所述增強纖維可選自由玻璃纖維、碳纖維、芳族聚酸胺纖維和硼纖維等組成的組。因此，根據使用和要求，可使用金屬模制材料，即金屬基體的材料，和增強纖維的不同組合。例如，碳纖維可嵌入由鈦或鈦合金制成的金屬基體中。例如，該改進特別地抗腐蝕。此外，碳纖維可特別地耐需要的金屬熔化溫度。因此，碳纖維可容易地耐高于3000℃的溫度，盡管鈦例如在1700℃的范圍內熔化或固化。此外，碳纖維具有高達5000MPa以上的特別高的抗張強度以及高達500GPa以上的彈性模量。受增強纖維的布置和定向限制，以這種方式增強且具有鈦金屬基體和嵌在其內的碳纖維的金屬部件可獲得1000MPa量級的張緊強度和約50GPa的彈性模量。然而可替代地，也可結合例如具有鋁基體或鈦基體或其合金基體的玻璃纖維。原則上，本領域技術人員清楚這些和其他材料的其他可能的有利組合。

根據一個改進，纖維增強金屬部件可形成為用于增強航空器和航天器機身的結構部件。相應地，該金屬部件可形成為，例如，梁、框架、梁部分或框架部分或梁連接或框架連接等。原則上，根據本發明，其也可能將金屬部件形成為蒙皮或蒙皮的一部分。一般地，通過使用該類型的部件，其能夠提高航空器的結構特征，例如，關于硬度和強度，也關于損害容限和沖擊行為等等。

上述實施例和改進可以任意想要的有利方式結合在一起。本發明的其他可能的實施例、改進和實施(盡管未明確提出)還包括之前已經描述的或在下面關于實施例描述的本發明特征的組合。特別地，本領域技術人員也將以對本發明特定基本形式的改進或增加，增加單獨的特征。

附圖說明

下面，將基于示意性附圖中呈現的實施方式，更詳細地描述本發明。

圖1為根據本發明實施方式的纖維增強金屬部件的示意性透視圖；

圖2為集成有圖1的金屬部件的航空器的示意性側視圖；

圖3a、3b為根據本發明另一實施方式的用于生產圖1的纖維增強金屬部件的方法的兩個示意性流程圖；

圖4為用于實施根據圖3a的方法的設備的示意性透視圖；

圖5a、5b為實施根據圖3a的替代生產方法的裝置的示意性透視圖和示意性側視圖；

圖6為實施根據圖3b的生產方法的裝置的示意性透視圖。

附圖標記說明：

1 纖維增強金屬部件

2 金屬基體

3 增強纖維

4 金屬模制材料

5 基體材料層

6 纖維層

7 纖維束

8 壓輥

9 舒展輥

10 激光器

11 纖維織物

12 鑄造模具

13 電壓源

100 航空器

M 生產方法

M1 方法步驟

M2 方法步驟

M3 方法步驟

M′ 生產方法

M1′ 方法步驟

M2′ 方法步驟

M3′ 方法步驟

具體實施方式

附圖用于提供對本發明實施例的更好理解。它們示出了各實施方式，且與說明書一起用于解釋本發明的原理和概念。通過附圖，其他實施方式和很多提到的優點將是很明顯的。附圖的元件不必須相對于彼此以真實比例示出。

在附圖的圖中，相同的、功能相同的以及相同操作元件、特征和部件分別設置相同的附圖標記，除非特殊說明。

圖1為根據本發明一個實施方式的纖維增強金屬部件的示意性透視圖。

圖1中，附圖標記1指纖維增強金屬部件。該金屬部件1為單一部件，即具有由金屬模制材料4組成的金屬基體2的整體部件，例如，鈦或鋁或相應的合金，多個增強纖維3穿過該整體部件。金屬部件1可以為，例如，航空器或航天器100的結構部件，例如，梁或框架。圖2為航空器100的示意性側視圖，圖1的金屬部件以梁集成在航空器100中。然而，原則上，本發明可以應用于任意其他金屬部件，該金屬部件為不同目的設置在航空器100內。原則上，根據本發明的金屬部件1也可為復合部件等的金屬部件。在這種意義上，圖1的金屬部件1被認為是純示意性。例如，其可形成為具有任意想要形狀橫截面的梁或框架，即，例如Z-、L-或Ω-形橫截面。

圖1的增強纖維3可以為，例如，碳纖維或玻璃纖維，其已經引入金屬部件1內以改進其結構，例如，以提高金屬部件1在沖擊或類似情況下的損害容限，或以改善其燒穿行為。這些增強纖維3在金屬部件1的縱向上彼此平行地布置。這個結構僅用作示意性說明。原則上，其他結構在結構優化的意義上也可是有利的。

圖3a為根據本發明的另一實施方式的用于生產圖1的纖維增強金屬部件的方法M的示意性流程圖。

圖3a中的生產方法M包括在步驟M1中，在纖維層6內分層沉積增強纖維3。此外，生產方法M包括在步驟M2中，在基體材料層5中分層沉積并液化金屬模制材料4。此外，生產方法M包括在步驟M3中，在基體模制層5內分層固化金屬模制材料4以形成纖維增強金屬部件1的金屬基體2。這里，金屬部件1由交替沉積的基體材料層5和纖維層6整體形成。

圖4為用于實施根據圖3a的可能生產方法M的裝置的示意性透視圖。圖5a和5b為用于實施根據圖3a的替代實施方式的裝置的示意性透視圖和示意性側視圖。

在圖4中，單獨的增強纖維3通過合適的進料輥由一個或多個纖維束7供應。然后增強纖維3通過輥9等分散開、分配以及在以平面的方式彼此相鄰地布置。之后，增強纖維3通過壓輥8施加到基體材料層5，其已經施加，由金屬模制材料4制成。然后另外的基體材料層5沉積在以這種方式沉積的增強纖維3的纖維層6上。為此，鋪設頭(圖4中未示出)具有用于金屬模制材料4的供應。在該實施方式中，以金屬粉末的形式提供金屬模制材料4。鋪設頭還具有激光器10，其熔化并液化金屬粉末。其結果是，沉積的金屬模制材料4通過完全圍繞或嵌纖維層6的增強纖維3的液化的金屬模制材料4與位于纖維層6下方的基體材料層5結合成一體。兩個基體材料層5因此高效熔合，形成的金屬基體2由此內嵌多個增強纖維3。生產方法M的各步驟M1、M2、M3一層一層地重復。當如此做時，增強纖維3可不同地布置和/或定向，例如。相似地，各層的厚度，即基體材料5和纖維層6的厚度可變化。原則上，生產方法M使其能夠生產并優化多個具有用于不同用途的不同設計的纖維增強金屬部件1。因此，生產方法M以完全自動的方式由被多個增強纖維3滲透的固體金屬基體2生產集成金屬部件。

圖5a和5b中示意性示出的生產方法M基本上包括與圖4相同的方法步驟M1、M2、M3。然而，與圖4不同，在這里不設置具有激光器10的鋪設頭。可替代的，沉積的金屬粉末通過電阻熔融來液化。為此，提供了兩個空間分開的壓輥8，其將增強纖維3壓到下面的基體金屬層5上。然后電路通過兩個壓輥8在位于兩個壓輥8之間的沉積表面上方接通。為此，增強纖維3可涂敷或覆蓋，例如，金屬材料或金屬合金。然后當來自連接到壓輥8電壓源13的電流引導進該沉積表面時，金屬模制材料4的沉積的金屬粉末被加熱直到其液化并圍繞下面的纖維層6。最后，中斷電流使得金屬模制材料4冷卻并固化，作為其結果，其與位于纖維層6下方的基體材料層5一起固化。如圖4中那樣，該工藝提供了整體金屬基體2，其完全圍繞或內嵌纖維層6的增強纖維3。然后這些方法步驟M1、M2、M3為每一層材料重復直到生成一體形成的金屬部件1，其具有纖維增強金屬基體2。

圖3b為根據本發明另一實施方式的用于生產圖1的纖維增強金屬部件1的替代方法M′的示意性流程圖。

生產方法M′包括在步驟M1′中將由增強纖維3組成的開纖三維纖維織物11引入鑄造模具12內。此外，生產方法M′包括在M2′中將液體金屬模制材料4傾倒進鑄造模具12內。此外，生產方法M′包括在步驟M3′中使金屬模制材料4固化以形成纖維增強金屬部件1的金屬基體2。由此，金屬部件1由固化的金屬模制材料4和增強纖維3一體形成。

圖6為用于實施根據圖3b的生產方法M′的裝置的示意性透視圖。

在該實施方式中，生產方法M′與塑料模制的轉送模制基本上相似，例如，與環氧樹脂模制的轉送模制(“樹脂轉送模制”，RTM)相似。三維纖維織物11定位于鑄造模具12內。這個纖維織物可具有，例如，由單獨單一方向纖維層6形成的層狀結構。然而，原則上，也可提供增強纖維3的更復雜的三維結構，其中，增強纖維3也可在在不同的方向上蔓延到層平面之外。纖維織物11以開纖的形式形成，使得已經被引入鑄造模具12內的金屬模制材料4完全圍繞并內嵌增強纖維3，即其可在某種程度上延伸在纖維織物11的增強纖維3之間。在將纖維織物11引入鑄造模具12(M1′)之后，模具關閉。然后金屬模制材料4液化并隨后通過一個或多個分配通道噴射入鑄造模具12內部，或以一些其他的方式引入，并在其內分布。在固化M3′并冷卻金屬模制材料4之后，可從鑄造模具12內移走已經形成的金屬部件1。可替代地，此處也可使用從加工塑料模塑物中知道的其他生產方法M′，例如壓模等(“樹脂壓模”)。

上述方法可用于運輸工業的所有領域，例如用于公路車輛、軌道車輛或用于船只，但也一般地用于工程以及用于機械工程或用于其他部門，例如用于建筑、用于結構以及市政工程等。此外，原則上，上述生產方法可不僅用于纖維增強金屬部件，也可用于纖維增強的塑料部件，例如由芳族聚酸胺纖維增強的塑料部件。此外，上述方法的一些也適于修復或增強已經形成的纖維增強金屬部件。例如，由增強纖維和金屬構成的額外層可用于損害金屬部件的“原位”修復，例如以延長纖維增強金屬部件的服務壽命，該額外的層與金屬部件結合成一體。

在上面詳細的說明書中，不同的特征已經合并進一個或多個實例以提高說明書的說服力。然而，在這方面，應當清楚上述說明書僅為示意性的原理，而不在任意方面限制。其用于包括不同特征和實施例的所有的替代、改進和等同物。考慮到上述說明書，對本領域技術人員而言，基于其專業知識，很多其他的實例將立刻且直接地變得明顯。

已經選擇并描述了實施例以能夠呈現本發明的基本原理和其在實際中以最佳方式使用的可能性。結果，本技術領域的專家可選擇性地改進并使用本發明和其關于想要的用途的不同實施例。在權利要求書和說明書中，術語“包含”和“具有”用作相應術語“由...組成”的語言學中立概念。此外，術語“一個”、“一個”以及“一個”原則上不排除以這種方式描述的特征和部件的復數。