專利名稱：制造用于形成航空器用部件的增強殼體的方法以及用于航空器用部件的殼體的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種制造殼體的方法，特別是機身殼體、機翼殼體、水平 穩定器殼體或垂直穩定器殼體的方法，所述殼體由多個補強元件加強，用 于形成具有高尺寸穩定性的航空器用部件，其中，所述補強元件和殼體表 皮由環氧樹脂制成，所述環氧樹脂來自至少部分固化的碳纖維加強的半成
件(semi-fmished part)。
背景技術：
此外，本發明涉及一種根據本發明方法制造的殼體，特別是機身殼體、 機翼殼體、水平穩定器殼體或垂直穩定器殼體，所述殼體包括應用至殼體 表皮的多個補強元件，用于形成具有高尺寸穩定性的航空器用部件，其中， 所述補強元件和殼體表皮由環氧樹脂制成，所述環氧樹脂來自至少部分固 化的碳纖維加強的半成品部件。
碳纖維加強的環氧樹脂由于它們的低重量和它們的高機械強度而漸增 地用于制造用于航空器用承載部件的殼體，例如機身殼體、機翼、水平穩 定器殼體和垂直穩定器殼體。航空器的這些部件通常由接合在一起的至少 兩個殼體制成。例如，垂直穩定器是由在它們各自的縱向邊緣處接合在一 起的鏡向對稱的殼體(半殼體)制成。
殼體可以通過幾種不同的方法、使用所謂的"預浸體(prepregs)"制造。
術語"預浸體"是指由可固化的和碳纖維增強的環氧樹脂制成的半成件。例 如，這樣的預浸體通常為板形或條形，但是它們還可以是具有L形截面的 型材(section)或異型材(profile)。
在固化之前，預浸體是撓性的，因此可以實際上被制成任意需要的形 狀。僅在固化完成以后，用這些預浸體制造的用于形成航空器用部件的殼
體才獲得它們的特征機械性質，例如與非常低的重量相結合的它們的極高 機械強度。由這些預浸體制成的用于形成部件的殼體的固化通常在高壓釜
中、在120°C-18(TC之間的溫度以及在最高10巴的壓力下進行的。預浸體 的存放時間由于連續發生交聯過程而受到限制，并且在室溫下通常僅為10 和30天之間。在本說明書的其余部分中，使用術語"半成件"代替術語 "預浸體"。
殼體主要由殼體表皮和多個補強元件、以及布置在其上的加強用連接 角件(connecting angle piece)形成。典型地，布置在一個補強元件的整個長 度之上延伸的兩個連接角件，用于連接在每一個補強元件兩側的殼體表 皮。所述殼體表皮、連接角件以及補強元件都由半成件制成。
用于從半成件制造這些殼體的制造處理的數目由以下技術現狀是已知
的
在所謂的"共固化"處理中，用單一真空袋包圍整個殼體，所述的整 個殼體具體包括殼體表皮、補強元件和連接角件。然后將此真空袋放置在
高壓釜中，從而進行整個殼體的固化。因而，在"共固化"處理中，固化 過程在單一處理步驟中發生。
此處理的主要不利之處在于，例如，它在固化處理過程中需要非常精 細的裝置以相對殼體表皮安置和固定補強元件，這導致了不相稱的高成 本，在用于形成復雜部件的大尺寸殼體如機翼的情況下特別如此。
在所謂的"共粘合"處理中，首先，在第一步驟中固化補強元件。隨 后，將尚未固化的殼體表皮放置在該補強元件上。在殼體表皮的最終固化 處理過程中，同時將補強元件與殼體表皮接合。同樣，在"共粘合"處理 的變化中，相反的途徑也是可以的，即，首先固化殼體表皮，然后固化與 殼體表皮一起的尚未固化的補強元件，從而接合它們。總之，固化是在放 置于高壓釜中的真空袋中進行的。根據這些兩種處理方法，以兩個步驟進 行殼體的固化處理。
此方法變體的主要不利之處在于，各自尚未固化的組件，即，補強元 件或殼體表皮，例如遭受質量波動的問題，這是不能忽視的。這些質量波 動可能具體導致樹脂基體中的不利纖維分布、導致翹曲，以及導致孔和截 留的空氣，其主要是由在固化處理過程中的固化組件的定位運動引起的。
根據所謂的"二次粘合"技術，預先將殼體表皮以及補強元件在兩個 分開的步驟中固化，然后通過膠粘接合在一起。
此方法的不利之處特別是包括更大數目的必需處理步驟，以及補強元 件、連接角件和殼體表皮的必需的裝配精密度，這在更大尺寸的殼體的情 況下通常不能保證。
發明內容
因此，本發明的一個目的是避免如上所述的己知處理的不利之處，以 及使得能夠用殼體表皮和補強元件簡便地制造殼體。 此目的由具有權利要求1的特征的方法所解決。
根據本發明的一個方面，制造殼體的方法，特別是機身殼體、機翼殼 體、水平穩定器殼體或垂直穩定器殼體的方法包括下列步驟，所述殼體由 多個補強元件加強，用于形成具有高尺寸穩定性的航空器用部件，其中， 所述補強元件和殼體表皮用環氧樹脂從至少部分固化的碳纖維加強的半 成件形成，所述方法包括下述步驟
-在殼體表皮上安置補強元件，
-使連接元件與殼體表皮和補強元件鄰接，和
-固化連接元件以形成殼體。
根據此方法的一個優選實施方案，在固化之前，將粘合劑涂覆至連接
元件上。這導致在殼體表皮和補強元件之間更好的公差補償(tolerance compensation)。此外，實現了補強元件和殼體表皮以及連接元件之間機械 上更牢固的連接。與本發明方法相結合的向連接元件之上涂覆粘合劑是任 選的。典型地，通過連接元件可以實現補強元件至殼體表皮的充分牢固的 連接，所述連接元件是部分固化的，因此是可適用的，并且能夠粘合。
本發明的目的還由根據權利要求8的殼體所解決。
由于補強元件由后來固化的連接元件連接至殼體表皮的事實，因此可 以容易地制造本發明的殼體。因為補強元件以及殼體表皮是至少部分固化 的，并且僅需要完全固化連接元件，所以用于在殼體表皮上安置連接元件 的設備(means)可以簡單。由于至少部分固化的殼體表皮和至少部分固化的 補強元件的高度內在穩定性，因此可以將必需的安置設備或安置裝置布置
在真空袋以外。與已經被固化了的殼體表面和安置元件無關，可以依靠尚 未固化的連接元件來使得公差補償成為可能。此外，采用本發明的殼體， 仍為撓性的連接元件允許了將補強元件放置在包含增厚部分的殼體表皮 的區域中。在此情況下，補強元件應提供有凹部。
在從屬專利權利要求中規定了本發明方法和本發明殼體的優選實施方案。
圖1顯示根據本發明方法的第一實施方案，已經連接有補強元件的殼 體的部分透視圖，
圖2顯示根據補強元件的第一實施方案，殼體的部分截面圖，和 圖3顯示根據補強元件的第二實施方案，殼體的部分截面圖。
具體實施例方式
參考圖1至3，以下為發明方法和本發明殼體的解釋。 圖1顯示根據本發明方法的第一實施方案，已經連接有補強元件的殼 體的部分透視圖。
殼體1包括殼體表皮2、補強元件3，以及連接元件4和5。如表1中 所示，補強元件3具有基本上矩形的截面。然而，補強元件3還可以具有 其它的截面形狀。連接元件4和5是具有基本上L形截面的連接角件。殼 體表皮2、補強元件3和連接元件4和5由多個可固化預浸體形式的半成 件制成。預浸體是用可固化環氧樹脂浸泡或浸漬的碳纖維增強的板狀構 件。在它們的非固化狀態中，實際上可以賦予預浸體任意的幾何形狀。因 而，使用預浸體作為半成件，例如可以形成在兩個空間方向上固化的具有 L形截面的殼體表皮或補強元件。
為了制造根據本發明方法的殼體1，在第一步驟中，優選完全固化殼 體表皮2和補強元件3。備選地，還可以僅部分地固化殼體表皮和補強元 件3，從而使得更大程度的公差補償成為可能。此外，可以使用預制的， 即，已經固化了的殼體表皮2和預制和預切的補強元件3。在此情況下， 所述第一步驟可以不經代替地取消。
在第二步驟中，將補強元件3放置在殼體表皮2上，于是在第三步驟
中，優選使根據本發明僅部分固化的連接元件4和5與補強元件3的兩側 鄰接。由于連接元件4和5根據本發明是至少沒有完全固化的，因此可以 進行殼體表皮2和補強元件3之間的公差補償。如果必要，可以通過輔助 裝置將補強元件3在放置于真空袋之內以前固定，所述輔助設備在圖中未 示出。此后，將整個布置(armngement)放置在真空袋中，將所述真空袋安 置在高壓釜中進行固化。
根據此處理的一個變化，不必將整個布置放置在真空袋中。相反地， 可以為每一補強元件3提供更小容積的單獨的真空袋，從而減少了泄漏的 風險，并且使缺陷產品的綜合險最小化。此外，可以不使用高壓釜來進行 所述布置的固化，這使得可以降低制造成本。例如，固化可以在放置于普 通爐中的真空袋中發生。此外，還可以通過外部加熱到60。C和18(TC之間
的溫度來實現固化。
在本發明方法的第四步驟中，在高壓釜中完全固化連接元件4和5。 在高壓釜中完全固化連接元件4和5以后，根據本發明方法完成了殼體1。 這里，真空袋完全包圍殼體表皮2、補強元件3和連接元件4和5。由于 真空袋中的負壓，通過環境氣壓或高壓釜中的高正壓，將連接元件4和5 牢固地壓制到補強元件3和殼體表皮2上。高壓釜中的固化是在12(TC和 180。C之間的溫度和最大10巴的壓力下進行的。與連接元件4和5的固化 同時地，進行未解決的(unresolvable)連接，即，補強元件3、連接元件4 和5以及殼體表皮2之間的交聯。在固化處理過程中，應當通過在圖示中 未示出的保持裝置或夾持裝置將殼體表皮2和補強元件3相對彼此保持在 預定位置。
典型地，為了將補強元件3安置和固定在殼體表皮2上，圖示中未示 出的保持裝置或夾持裝置是必須的。與本領域中已知的制造方法相比，所 述保持裝置在結構上可以較不精細并且重量更輕，因為殼體表皮2和補強 元件3已被固化，從而僅需將它們保持在它們的相對位置，而不必在固化 處理過程中保持這些組件的預定幾何形狀。此外，因為在固化處理開始時 還沒有完全固化的連接元件由已經固化的補強元件3所支撐，從而在包圍 殼體表皮2和補強元件3的真空袋之中，保持裝置不是必需的。由于根據
本發明方法所典型必需的保持裝置的輕重量，因此減少了將在高壓釜中加 熱的質量，這導致了時間和能量的額外節省。
然而，歸因于所述尚未完全固化的連接元件4和5，因此本發明方法 允許補強元件3和殼體表皮2之間的充分公差補償，從而形成了具有高尺 寸穩定性的殼體1，這不能通過固化的補強元件3對殼體表皮2僅僅膠粘 ("二次粘合")而獲得。由于保持裝置在真空袋之外的布置，所述處理變 得更簡單和更短，這對于預浸體和半成件的有限存放時間是有利的，在大 的殼體如機翼殼體等的情況尤其如此。
保持裝置可以例如是棒狀元件，所述棒狀元件設置有凹部，以容納由 真空袋包圍的補強元件3。通過將保持元件放置到具有補強元件3的真空 袋中的殼體2上，在連接元件4和5在高壓釜中的固化處理過程中，避免 了補強元件3相對于殼體表皮2的傾斜。這里，連接元件4和5由真空袋 壓制到補強元件3和殼體表皮2上，從而使得牢固的交聯和連接成為可能。 由于殼體表皮2已經固化，僅需要提供輕的支撐裝置來支撐殼體表皮2。 此支撐裝置優選適于殼體表皮2的幾何形狀，因此可以在最多兩個空間方 向上被彎曲。保持裝置和/或支撐裝置的備選實施方案也是可能的，并且由 本發明的基本原理所包含。
由于補強元件3優選已經完全固化的事實，因此典型充分的是，僅在 補強元件3的開始區域和結束區域中提供保持裝置。然后，為了固化，用 夾持元件如螺絲夾將用于補強元件3的保持裝置夾至用于殼體表皮2的支
撐裝置上。由于可以將保持裝置或支撐裝置放置在真空袋之外的事實，因 此可以更簡單的方式來設計真空袋，這降低了泄漏的可能性。
如果殼體表皮2包括更大數量的補強元件3，則應當在保持裝置的棒 形元件中提供相應數量的凹部，以接受以彼此適宜的間距放置的補強元 件。此外，必要的是，例如，使棒狀元件在棒狀元件落在殼體表皮2上的 情況下的輪廓與可以在兩個空間方向上彎曲的殼體表皮2的表面幾何形狀 相適應。此外，可以在凹部的兩側提供鄰接角件(abutting angle piece),以 增大相對于補強元件的鄰接區域。此外，保持裝置可以例如通過撐條(stays) 或腹板(webs)等彼此連接。
與圖1中所示的平面構造不同，殼體表皮2還可以在至少一個或兩個 空間方向上是部分彎曲的。此外，在殼體表皮2上實際上可以以任意的幾
何布置和/或以不同的長度來布置多個補強元件3。
為了在補強元件3和連接元件4與5之間，或在連接元件4與5和殼 體表皮2之間獲得更牢固的交聯，并且因而獲得機械上更強的接合，可能 必須至少在鄰接區域6和7或連接元件4和5的至少兩個部分上額外地涂 覆粘合劑。作為用于此情形的粘合劑，優選使用與用于浸泡或浸漬半成件 或預浸體的環氧樹脂相同類型的可固化環氧樹脂。然而，通常，由于半成 件或預浸體的浸泡而總是存在于上面之上的過量環氧樹脂足以在補強元 件3和殼體表皮2之間制造在機械上充分強的接合處。
圖2顯示了具有根據第一實施方案補強元件的殼體的部分截面。 殼體8由殼體表皮9、補強元件10和連接元件11和12制成。補強元 件IO具有基本上矩形的截面。補強元件IO還可以具有不同的截面形狀。 連接元件11和12具有基本上L形的截面，連接元件11和12的支腳(leg) 具有基本上相同的長度。連接元件11和12由碳纖維13和14增強。碳纖 維13和14基本上平行于補強元件10的表面或殼體表皮9的表面。為了 防止連接元件4和5在結束區域15至18中剝離，在結束區域15至18中， 碳纖維13, 14不平行于補強元件10的表面或殼體表皮9的表面，而是相 對于這些表面呈5。至90。的角度終止。顯示在圖示中的碳纖維13, 14僅是 許多碳纖維的代表，它們近似地與紙平面平行，并且與其它的沒有與紙平 面平行延碳纖維相一起構成增強用于形成連接元件11， 12的半成件或預浸 體的碳纖維。
在連接元件11禾n 12的扭結區域(kink area)19、 20中提供有角撐板 (gusset)21和22。在角撐板21， 22的區域中，連接元件11, 12和殼體表皮 9或補強元件10之間沒有連接。為了避免角撐板21和22中的腐蝕作用和 /或壓縮作用，在完成本發明方法以后，用適宜的合成原料填充該角撐板， 所述合成原料可以額外地提供有纖維。此合成材料不必具有任何特定的機 械性質，因為角撐板21和22典型地不履行傳送力的功能。
備選地，角撐板可以由可固化合成材料形成，并且特別是由環氧樹脂、 聚酯樹脂等形成，在所述可固化合成材料中包埋有額外的補強(armature) 用加強纖維("粗紗")，使得角撐板21和22至少在某種程度上可以接受
機械力。
在一些區域中，殼體表皮9還可以提供有用于加強的加厚部分。在此
情況下，補強元件10應當在相應的位置提供有凹部，使得補強元件io連 續地并且以它的全部表面落在殼體表皮9的上面上。關于連接元件11和 12，在加厚的部分區域中應用補強元件的過程中需要采用特別的措施，原 因在于連接元件11和12在處理過程中之前仍具有充分的撓性，這確保了 在加厚的部分區域中與殼體表皮9的上面連續地和基本上全表面接觸。
圖3顯示了根據第二實施方案，其上放置有補強元件的殼體的部分截 面圖。
殼體23提供有殼體表皮24，向所述殼體表皮24上，根據本發明方法 連接有的至少一個補強元件25，其中連接元件26和27布置在任一側。與 補強元件10相比，補強元件25不具有矩形的截面。在下部區域28中， 補強元件25具有矩形形狀，然而在上部區域29中，它提供有加寬部分30。 該加寬部分30賦予補強元件25以更高的抗撓剛度。由于布置在上部區域 29中的加寬部分30，可能必須使連接元件26， 29的支腳31, 32短于支腳 33, 34。圖3的其它細節相應于圖2中所示的細節，所以省略了對它們的 進一步描述。
根據本發明方法的一個方面，通過以下方法形成了用于形成航空器用 部件的殼體將己經固化了的補強元件放置、安置和固定在也固化了的殼 體上；依靠連接元件的最終固化將補強元件與至少尚未完全固化的連接元 件連接至殼體表皮上。
與本領域中已知的制造方法比較，本發明方法允許了以顯著降低的成 本制造非常大的尺寸的殼體。
附圖標記清單 1殼體
2殼體表皮
3補強元件
4連接元件
5連接元件
6鄰接表面
7鄰接表面
8殼體
9殼體表皮
IO補強元件
ll連接元件
12連接元件
13碳纖維
14碳纖維
15結束區域
16結束區域
17結束區域
18結束區域
19扭結區域
20扭結區域
21角撐板
22角撐板
23殼體
24殼體表皮
25補強元件
26連接元件
27連接元件
28下部區域
29上部區域
30加寬部分 31支腳 32支腳 33支腳 34支腳
權利要求
1.一種制造殼體(1，8，23)的方法，所述殼體特別是機身殼體，機翼殼體，水平穩定器殼體或垂直穩定器殼體，所述殼體由多個補強元件(3，10，25)加強，用于形成具有高尺寸穩定性的航空器用部件，其中，所述補強元件(3，10，25)和殼體表皮(2，9，24)用環氧樹脂從至少部分固化的碳纖維加強的半成件制成，所述方法包括下列步驟-在所述殼體表皮(2，9，24)上安置所述補強元件(3，10，25)；-使連接元件(4，5，11，12，26，27)相對所述殼體表皮(2，9，24)和所述補強元件(3，10，25)鄰接；和-固化所述連接元件(4，5，11，12，26，27)以形成所述殼體(1，8，23)。
2. 按照權利要求1所述的方法，其特征在于，在它的所述固化之前， 將粘合劑涂覆至所述連接元件(4， 5, 11, 12, 26, 27)。
3. 按照權利要求1或2所述的方法，其特征在于，在高壓釜中，所述 連接元件(4, 5, 11, 12, 26, 27)優選在真空袋中與所述殼體表皮(2， 9, 24)和所 述補強元件(3， 10,25)—起固化，其中特別是，所述補強元件(3, 10,25)通過 優選位于所述真空袋之外的保持裝置相對所述殼體表皮(2， 9, 24)安置和固 定。
4. 按照權利要求1至3中任一項所述的方法，其特征在于，在固化過 程中，所述殼體表皮(2，9,24)由支撐裝置支撐。
5. 按照權利要求1至4中任一項所述的方法，其特征在于，所述連接 元件(4，5, 11, 12,26,27)是角型材，特別是具有L形截面的角型材。
6. 按照權利要求1至5中任一項所述的方法，其特征在于，所述一個 連接元件(4, 5, 11， 12, 26, 27)或多個連接元件(4， 5， 11, 12, 26, 27)由半成件 制成。
7. 按照權利要求1至6中任一項所述的方法，其特征在于，所述半成 件由纖維增強的和可固化的合成材料制成，特別是由碳纖維增強的環氧樹 脂制成。
8. —種根據權利要求1至7中任一項制造的殼體(1，8，23)，特別是機 身殼體，機翼殼體，水平穩定器殼體或垂直穩定器殼體，用于形成具有高尺寸穩定性的航空器用部件，所述殼體包括多個應用至殼體表皮(2, 9, 24) 的補強元件(3, 10,25)，其中，所述補強元件(3， 10,25)和所述殼體表皮(2，9, 24)由環氧樹脂從至少部分固化的碳纖維加強的半成件制成，其特征在于， 所述補強元件(3, 10， 25)通過后來固化的連接元件(4， 5， 11, 12, 26, 27)連接 至所述殼體表皮(2，9, 24)。
9. 按照權利要求8所述的殼體(1,8，23)，其特征在于，將粘合劑涂覆到所述連接元件的至少部分區域。
10. 按照權利要求8或9所述的殼體(1，8,23)，其特征在于，所述連接 元件(4， 5, 11, 12, 26， 27)是角型材，特別是具有L形截面的角型材。
11. 按照權利要求8至10中任一項所述的殼體(l, 8, 23)，其特征在于， 所述連接元件(4, 5， 11, 12，26,27)由半成件制成。
12. 按照權利要求8至11中任一項所述的殼體(l, 8,23)，其特征在于， 所述半成件由纖維增強的和可固化的合成材料制成，特別是由碳纖維增強 的環氧樹脂制成。
全文摘要
本發明涉及一種制造殼體的方法，特別是機身殼體、機翼殼體、水平穩定器殼體或垂直穩定器殼體的方法，所述殼體由多個補強元件加強，用于形成具有高尺寸穩定性的航空器用部件，其中，所述補強元件和殼體表皮由環氧樹脂制成，所述環氧樹脂來自至少部分固化的碳纖維加強的半成件，所述方法包括下列步驟在殼體表皮上安置補強元件；使連接元件與殼體表皮和補強元件鄰接；和固化連接元件以形成殼體。本發明還涉及一種根據本發明方法制造的殼體，特別是機身殼體、機翼殼體、水平穩定器殼體或垂直穩定器殼體。
文檔編號B29C70/84GK101189118SQ200680019810
公開日2008年5月28日 申請日期2006年6月7日 優先權日2005年6月7日
發明者貝恩德·雷克爾斯 申請人:空中客車德國有限公司