專利名稱：制備航空和航空航天用纖維復合材料部件的方法及由此得到的纖維復合材料部件的制作方法
制備航空和航空航天用纖維復合材料部件的方法及由此得到的纖維復合
材料部件
本發明涉及一種制備纖維復合材料部件、尤其是航空航天用纖維復合 材料部件的方法，涉及用于制備這樣的纖維復合材料部件的模塑芯，以及 涉及由這樣的模塑芯和/或這樣的方法制備出的、具有至少一個縱梁
(stringer)的纖維復合材料部件。
盡管它可以被應用于任何所需的纖維復合材料部件，但是本發明及其 所基于的問題在下文中根據平坦的縱梁-補強的碳纖維增強塑料(CRP)部 件，例如航空器的外殼進行更詳細地說明。
通常己知的是，可以使用CFP縱梁來補強CFP外殼，以用盡可能低 的額外重量承受在航空器部件中的高負載。在這種情況下，在于兩種類型 的縱梁T形縱梁和D形縱梁之間基本上劃出區別。
T形縱梁的橫截面由基底部和莖部構成。基底部形成對于外殼的連接 表面。航空器構造中，T形縱梁補強的外殼的使用是廣泛的。
Q形縱梁具有近似于大視帽形狀的外形，它的末端與外殼連接。Q形 縱梁當其自身處于固化狀態時可以被粘合劑粘合到同樣固化的殼上，或可 以使用濕-濕(wet-in-wet)法使它們與殼同時進行固化。后者是適宜的，因為 它從工藝技術觀點考慮更好。然而，對于用。形縱梁補強的外殼的濕-中-濕的制備，必需有支撐芯或模塑芯，以在該制備工藝過程中固定和支撐該 處于所需的Q形狀的二維不穩定的纖維半成品。帶有Q形縱梁的外殼相對 于T形縱梁的優點在于在將基質例如環氧樹脂引入到纖維半成品中的浸 漬法過程中的滲透能力更好。例如，相比于其它己知的制備纖維復合材料 部件的方法比如預浸漬料坯法，浸漬法可能是更成本有效的，因為這種方 法允許使用更低成本的纖維半成品。
然而，在Q形縱梁的制備中所存在的一個問題是當前用于支撐芯或 模塑芯的材料是昂貴的，并且在形成Q形縱梁之后不能在沒有困難的情況 下移出，導致殘留在縱梁中的材料對航空器的總重量產生了不利的貢獻。在這種背景下，本發明基于的目的是提供一種更低成本和更輕的纖維 復合材料部件，尤其是航空航天用纖維復合材料部件。
根據本發明，這個目的通過具有專利權利要求l的特征的方法、具有 專利權利要求12的特征的模塑芯和/或通過具有專利權利要求23的特征 的纖維復合材料部件得以實現。
因此，提供用于制備纖維復合材料部件、尤其是航空和航天用纖維復 合材料部件的方法，所述方法具有下列方法步驟形成模塑芯，所述模塑 芯具有預定數量的空心體以限定所述模塑芯的外部幾何形狀，并且所述中 空體被設計成它們在所述模塑芯的縱向方向上延伸并且可以至少在它們
的橫向方向上彈性膨脹；至少在所形成的模塑芯(4)的適當位置上放置至 少一個纖維半成品(3)，以使待制備的所述纖維復合材料部件(l)的至少一 個模塑部分(14)造型；以及對所述至少一個模塑部分(14)施加熱和/或壓 力，以產生纖維復合材料部件(1)。
當以適當方式使用模塑芯時，這些中空體具有施加給它們的內壓，其 結果是它們在橫向方向上膨脹并且形成具有外部幾何形狀的模塑芯。為了 從模制品中移出，改變內壓，使得例如模塑芯的橫截面再次減小。這樣有 利地允許容易地移出模塑芯。另外的優點在于所述模塑芯是可再使用的。
此外，模塑芯被提供用于制備纖維復合材料部件，尤其在基底部件上 的縱梁，所述模塑芯具有由塑料構成的芯材料并且具有預定數量的中空 體，所述中空體在模塑芯的縱向方向上延伸并且具有至少在它們的橫向方 向上彈性膨脹的能力。 .
此外，纖維復合材料部件被提供有至少一個縱梁，尤其是航空和航天 用縱梁，所述纖維復合材料部件是通過根據本發明的模塑芯和/或根據本發 明的方法制備的。
因此，本發明相對于最初提及的方法具有的優點在于可以通過低成
本的模塑芯制備出所述纖維復合材料部件。能夠有利地使用可再使用的模 塑芯來代替被殘留在部件中的通常昂貴的芯材料，所述可再使用的模塑芯 的形狀通過應用內壓可以以簡易方式改變，因而它可以容易地從模具中移 出。結果，模塑芯不再對部件重量有貢獻。
可以在從屬權利要求和在結合有附圖的描述中可以找到本發明有利的改進、發展和改善。
在比如這樣的模塑芯的情況下，優選中空體被彼此固定，并且以這種 方式形成的模塑芯被設置有撓性外層，以使模塑芯的外表面的輪廓平滑。 這樣有利地使得模塑芯的外表面平滑。外層的撓性意味著中空體可以以簡 易的方式在橫向方向上撓性地膨脹和收縮。
一個備選實施方案規定:涂敷外層，使得它可以完全包圍中空體7， 并且形成中空體彼此的固定。
在一個優選實施方案中，模塑芯被芯套管完全包圍，所述的芯套管通 過從模制品中移出，導致模塑部分和模塑芯的表面之間的有利分離。此外， 如果小管發生任何泄漏，則芯套管使壓力介質例如空氣不能夠逃逸進入到 纖維復合材料部件中。同時，這樣防止了對模塑芯的損害和不利的作用， 由此確保它能夠被再使用。
根據本發明的一個優選實施方案，增強裝置被安置在芯套管的內側或 外側中、在將要形成的模塑芯的外部幾何形狀中必須形成有銳邊的過渡區 域中。這些增強裝置，尤其是拐角型坯部件，具有的優點在于它們形成 銳邊和拐角，并且所述模塑芯在這種區域中可以被設置有容易被制備的圓 形區域。
分離層優選被涂敷于芯套管上，并且防止了纖維半成品和/或基質對芯 套管的粘合。這樣使得，在通過所述模塑芯制備的纖維復合材料部件的所 述部分至少部分固化之后，更容易地移出所述芯套管。
纖維半成品包括織物、薄紗(tissue)和纖維氈。這些都被提供有基質， 例如環氧樹脂，然后例如在高壓釜中進行固化。
根據本發明的進一步優選的方案(devdopment)，模塑芯被安置在由纖 維復合材料半成品構成的基底部件上，和/或至少部分地被纖維半成品包 圍，以形成所述纖維復合材料部件的至少一個模塑部分。這樣有利地允許 基底部件例如外殼、壓力杯等上形成有D形縱梁。備選地或另外地，還可 以制備出分開的纖維復合材料部件，這樣的纖維復合材料部件是在它們的 形狀完全由模塑芯限定的情況下制備的。
在Q形縱梁的制備過程中，例如，當芯套管從模具中移出時，其從縱 梁的縱向方向上從模具中移出。因此，所述芯不再對航空器的總重量有貢獻。
本發明將在下文中參考示例性實施方案作更詳細說明，所述示例性實 施方案在附圖的示意圖中示出，在所述的附圖中
圖1顯示了在使用根據本發明的一種方法的制備過程中，纖維復合材 料部件的第一示例性實施方案的示意性透視圖2顯示了用于圖1所示纖維復合材料部件的模塑芯的示意性總截面
圖3顯示了用于圖1所示纖維復合材料部件的根據本發明的第一模塑 芯的示意性截面圖；'
圖4顯示了用于圖1所示纖維復合材料部件的根據本發明的第二模塑 芯的示意性截面圖5顯示了如圖3或4所示的根據本發明的第一或第二模塑芯的示意 性側視圖；禾口
圖6顯示如圖1所示的成品纖維復合材料部件在移出模塑芯之后的示 意性透視圖。
在附圖的所有圖中，相同和功能上相同的元件都用相同的附圖標記表 示，除非有相反的說明。
圖1顯示了在使用根據本發明的一種方法的制備過程中，纖維復合材 料部件1的第一示例性實施方案的示意性透視圖。
本實例具有兩個模塑芯4，但是數量并不限于這樣。這兩個模塑芯4
的制備在下面進一步說明，它們被提供有近似為梯形的橫截面，并且它們 的底部5保持在基底部件2上。
纖維半成品3被向下放置在模塑芯4上。在這種情況下的纖維半成品 3的中心部分位于模塑芯4的外表面上，并且它們的末端在基底部件2 上，例如在航空器的外殼上。由此，形成了纖維復合材料部件1的兩個模 塑部分14。
可以使用各種制備方法來處理纖維復合材料。優選選擇所謂的浸漬法， 以將基質即例如環氧樹脂引入到纖維半成品中。然而，在這種情況下，也 可以使用預浸漬料坯法。
形成纖維復合材料部件1的另一個步驟在于在加熱和壓力的作用下，利用不再更詳細說明的固化周期，使基底部件2以及模塑芯4和纖維 半成品3—起在高壓釜或烘箱中固化，由此制備出完整的纖維復合材料部 件1。
首先，將參考圖2至4描述模塑芯4的制備。
圖2顯示了用于如在圖1中所示纖維復合材料部件1的根據本發明的 模塑芯4的橫截面形式的示意性總截面圖。
模塑芯4的構造將在下面進一步詳細地論述，它具有橫截面6，該橫 截面6被引入到模具8中并且在該模具中改變為所需形狀，在此情況下是 近似梯形形狀。在這個實例中，模塑芯4被芯套管9包圍，芯套管9完 全包封模塑芯4并且在溫度和壓力方面適合于其制備方法及其進一步處 理和加工。芯套管9由塑料、尤其是聚酰胺和/或PTFE塑料制備。其內 側11直接位于模塑芯4的表面上，在這個實例中，其外側IO被涂布有分 離(脫模)層(未顯示)，該芯套管9也可以包含另外的套管。在從模具中移 出過程中，該分離層被用于使模塑芯4從模塑部分14中正確地分離。
如圖3所示，模塑芯4由獨立的中空體7構成。在這個實例中，中空 體7分別為具有近似圓形橫截面的小管，優選為薄膜形式，這些小管在橫 向方向上即在徑向方向上具有撓性。中空體7形成對于模塑芯4的橫截 面6而言，最初有點粗糙的結構。它們在例如合適粘合劑粘合的幫助下， 彼此固定在縱向方向上的接觸線上。在這種情況下，在它們之間保持有中 間間隔15。彼此橫靠著并且一個在另一個之上的小管的數量以及它們的直 徑可以在一定的范圍內自由地選擇，以達到所需的橫截面。在此實例中， 唯一的特征在于所述拐角被設定為60°。
然后，由獨立中空體7形成的模塑芯4的外側設置外層16，這有助 于使其輪廓平滑；并且例如使用模具8形成模塑芯4的平滑表面(圖2)。 這種外層16填充了中空體7之間的外部凹槽。
在圖3中，在下面拐角處使用型坯形式的增強裝置13，例如由金屬或 塑料構成的帶材。通過在單獨的模具中制造出增強裝置13，模塑芯4可 以以這種方式被提供有成形特別良好的拐角區域。它們可以被安置在芯套 管9的內部(圖3中未顯示)或被安置在芯套管9的外側。
外層16由足夠撓性的材料例如合適彈性的塑料構成，這樣的材料將可靠地經受所出現的加工溫度。
外層可以在分區中被涂敷得更厚，使得固定的60。的拐角可以在一定 的范圍內變化。
還可以涂敷外層16使得它完全包圍中空體7并且形成它們的彼此固
定。在圖4中顯示了比如這種方案的芯的一個實例，這種芯同時具有除60° 之外的拐角。
以這種方式制備出的模塑芯4從模具8中移出，并且按如上所述被應 用到基底部件2上。這種狀態示出在圖3和4中。在這種未加壓的狀態中， 模塑芯起初具有稍微小的橫截面。然后，對中空體7施加內壓，使得模塑 芯4表現出所需的外部幾何形狀。這將在下面進一步更詳細地說明。然后， 如上所述，模塑芯4上涂布纖維半成品3以形成模塑部分14。
在固化周期之后制備的纖維復合材料部件1下面將不再詳細描述，以 將模塑芯4從模具中移出之后的相應視圖形式示出在圖6中，所述纖維復 合材料部件1具有縱梁20形式的模塑部分14。
圖5顯示了示意性說明的模塑部分14的側視圖。安置模塑芯4使得 芯套管9的兩端由其開口 12從模塑部分14中突出。這樣具有的有利之 處在于如果存在任何的來自中空體7的泄漏，則逃逸的空氣不能進入到 被固化的纖維半成品3中，而是通過芯套管9被傳輸到外部。中空體7 的所有末端同樣在模塑部分14兩個末端上突出。
在這個實例中，模塑體7的右手端被封閉件19所封閉，而中空體7 的另一個相反的末端連接到連接設備17上。這種連接可以被構造成所述 連接被插入到中空體7的末端上，或如圖5所示，被插入到它們之內。在 此實例中，連接設備n包含具有分支末端的管線18，該分支末端通向各 個中空體7并且連接到中空體7上。
然后將芯套管9推到(pushover)模塑芯4上，該芯套管9的外周比模 塑芯4的外周稍大。
通過連接設備17將內壓施加給中空體7，使得中空體7在它們的橫 向方向上膨脹，由此形成模塑芯4的所需外部幾何形狀。如上所述，這是 在模塑部分14的制備之前進行的。所產生的外周的增大導致它被緊緊地 繞著模塑芯4布置。芯套管9通過在模塑芯4的膨脹過程中施加的內壓夾緊。
這種方法的操作受下列恰當組合的控制高內壓，例如10巴，但是， 這樣的高內壓仍然允許中空體7在例如180。C的固化溫度下的彈性可逆 的縱向膨脹；以及中空體7的足夠小的壁厚，例如為0.05mm。在此情況 下的另一關鍵因素是材料，所述材料在彈性模量、在固化溫度的低蠕動趨 勢與隨時間的良好電阻性質、以及足夠良好的延展性之間的適當平衡。在 此情況下的可能材料尤其包括來自芳族聚硫化物和聚砜的組的熱塑性材 料，比如PSU、 PPS或PES。這些材料提供了良好的長時期的耐溫性，以 及在比如這些的溫度時小的蠕動趨勢。
在此實例中，使用35個中空體7，每一個中空體7都具有5mm的 直徑。在上述引用的數據實例的情況下，可以達到在模塑芯的高度和寬度 方面的2和3%之間的可逆膨脹。每一個中空體7都可以具有壓力連接和 封閉件。壓力連接(連接設備17)在兩側也是可以的。
圖6顯示了圖l所示的成品纖維復合材料部件l在移出模塑芯4之后 的示意性透視圖，該成品纖維復合材料部件1具有縱梁20形式的模塑部 分14。
在從模具中移出過程中，中空體7具有經由連接設備17施加給它們 的內壓，因而中空體7返回到它們的開始程度，即，它們縮回，并且與壁 分離且與單獨的撓性管分離。還可以施加負壓，負壓導致芯的進一步縮回， 其中甚至進一步使單獨的小管坍塌，并且例如坍塌使得它們成為扁平的。 這樣使得能夠非常大地減小橫截面。
己經以這種方式縮小(shrunkdo額)的模塑芯4可以從固化的模塑部分 14中移出，并且可以被再使用。然后，芯套管9可以同樣地移出，并且 這樣可以特別有利地容易進行，并且當存在分離層時，也是如此。現在， 可以進一步加工纖維復合材料部件1。如果存在增強裝置13，則這些也 可以同樣被移出，或殘留在纖維復合材料部件l中。
因此，提供了用于制備纖維復合材料部件的方法、相應的模塑芯和相 應的纖維復合材料部件，它們與具有殘留芯材料的現有技術相比，能夠實 現材料成本的顯著降低。模塑芯可以被完全移出，由此使得纖維復合材料 部件的重量能夠相比于現有技術得到降低。本發明并不限于在圖中所示的用于制備航空航天用纖維復合材料部件 的特定方法。
例如，本發明的構思還可以被應用于在運動裝備或賽車運動(motor sports)中的纖維復合材料部件。
此外，模塑芯的幾何形狀、尤其是小管的壁厚和直徑以及它們的配置 可以以各種方式進行改變。
此外，為了形成被纖維復合材料氈包圍的模塑芯，還可以使用多個模 塑芯。在這種情況下的目的是通過模塑芯的多樣性來產生更復雜的幾何形 狀。這樣可以制備出更復雜的纖維復合材料部件。
一個備選實施方案規定外層在分區中被涂敷得更厚，因而能夠使固定
的60。的芯角在一定的范圍內變化。
中空體7的橫截面當處于未加壓狀態時不一定需要是圓形的。它們的 直徑也可以不同，目的在于以這種方式制備出不同的拐角半徑。
必需調節內壓，以確保可重復的橫截面膨脹。
中空體7的壁厚也可以不同。1纖維復合材料部件
2基板
3纖維半成品
4模塑芯
5模塑芯的基底部
6穿過模塑芯的橫截面
7中空體
8模具
9芯套管
10芯套管的外側
11芯套管的內側
12芯套管的開口
13增強裝置
14模塑部分
15中間間隔
16外層
17連接設備
18管線
19封閉件
20縱梁列表
1纖維復合材料部件
權利要求
1. 用于制備纖維復合材料部件(1)、尤其是航空航天用纖維復合材料部件(1)的方法，所述方法包括下列方法步驟-形成包含預定數量的中空體(7)的模塑芯(4)，所述中空體(7)用于限定所述模塑芯(4)的外部幾何形狀，所述中空體(7)被設計成它們在所述模塑芯(4)的縱向方向上延伸并且至少在它們的橫向方向上可彈性膨脹，并且被彼此固定，形成的模塑芯(4)具有用于使其外表面的輪廓平滑的撓性外層(16)以及圍繞所述模塑芯(4)的芯套管(9)，所述芯套管(9)用于使所述模塑芯(4)與待制備的所述纖維復合材料部件(1)隔離；-至少在已經形成的所述模塑芯(4)上的適當位置上，放置至少一個纖維半成品(3)，以使待制備的所述纖維復合材料部件(1)的至少一個模塑部分(14)造型；以及-對所述至少一個模塑部分(14)施加熱和/或壓力，以制備所述纖維復合材料部件(1)。
2. 根據權利要求1所述的方法， 其特征在于所述中空體(7)被彼此固定在它們的接觸線上。
3. 根據權利要求2所述的方法， 其特征在于所述中空體(7)的末端在一側閉合，而在另一側上設置有連接設備(17)， 以應用壓力介質，或者在兩側都設置有連接設備(17)。
4. 根據前述權利要求中至少一項所述的方法， 其特征在于所述芯套管(9)是撓性管。
5. 根據前述權利要求中至少一項所述的方法， 其特征在于將分離層涂敷到所述模塑芯(4)的芯套管(9)上，并且分離層防止纖維半 成品(3)和成基質對套管的粘附。
6. 根據前述權利要求中至少一項所述的方法，其特征在于在將至少一個纖維半成品(3)向下至少放置在適當的位置的情況下，所 述模塑芯(4)被安置在由纖維復合材料半成品構成的基底部件(2)上，和/或至少部分地被纖維半成品(3)包圍，以形成所述纖維復合材料部件(1)的所述 至少一個模塑部分(14)，所述模塑芯(4)的所述中空體(7)具有通過它們的末 端施加給它們的可調內壓。
7. 根據權利要求6所述的方法， 其特征在于當向下至少放置在適當位置時，所述芯套管(9)的末端和所述模塑芯(4) 的所述中空體(7)的末端被安置在所述模塑部分(14)的外側。
8. 根據前述權利要求中至少一項所述的方法， 其特征在于將基質引入到所述至少一個具有模塑芯(4)的纖維半成品(3)中，然后至 少部分地通過壓力和/或加熱將基質固化。
9. 根據前述權利要求中至少一項所述的方法， 其特征在于在應用加熱和/或壓力之后，在所述中空體(7)中的內壓通過它們的末 端而變化，使得所述模塑芯(4)收縮，以從所述模塑部分(14)移出。
10. 根據權利要求9所述的方法， 其特征在于所述中空體(7)的內壓通過應用大氣壓或真空而變^:。
11. 根據前述權利要求中至少一項所述的方法， 其特征在于 用于制備所述纖維復合材料部件(l)的方法是手工層壓、預浸漬料坯 法、注塑和/或真空浸漬法。
12. 用于制備纖維復合材料部件(1)的模塑芯(4)、尤其是用于制備在航 空航天用基底部件(2)上的縱梁(20)的模塑芯(4)，所述模塑芯(4)具有預定數 量的中空體(7)，所述中空體(7)在所述模塑芯(4)的縱向方向上延伸并且至 少在它們的橫向方向上可彈性膨脹，所述中空體(7)被彼此固定，并且所述 模塑芯(4)包含撓性外層(I6)以使其外表面的輪廓平滑，以及包含圍繞所述模塑芯(4)的芯套管(9)，以使所述模塑芯(4)與待制備的所述纖維復合材料 部件(l)隔離。
13. 根據權利要求12所述的模塑芯(4)，其特征在于所述中空體(7)被彼此固定在它們的接觸線上。
14. 根據權利要求12或13所述的模塑芯(4)， 其特征在于所述外層(16)向內擴展，以使所述模塑芯(4)的外表面的輪廓平滑，并 且還填充中間間隔(15)，從而為所述中空體(7)提供固定。
15. 根據權利要求12至14中至少一項所述的模塑芯(4)， 其特征在于所述中空體(7)各自具有近似圓形的橫截面。
16. 根據權利要求12至15中至少一項所述的模塑芯(4)， 其特征在于所述中空體(7)各自都由來自芳族聚硫化物和/或聚砜的組中的熱塑性 材料構成。
17. 根據權利要求12至16中至少一項所述的模塑芯(4)， 其特征在于所述芯套管(9)是撓性管。
18. 根據權利要求12至17中至少一項所述的模塑芯(4)， 其特征在于所述芯套管(9)具有分離層，所述分離層形成所述模塑芯(4)的外表面。
19. 根據權利要求17或18所述的模塑芯(4)， 其特征在于所述模塑芯(4)由塑料、尤其是由聚酰胺和/或PTFE塑料形成。
20. 根據權利要求12至19中至少一項所述的模塑芯(4)， 其特征在于增強裝置(13)被安置在所述模塑芯(4)中、在其外部幾何形狀中必須形成有銳邊的過渡區域中。
21. 根據權利要求20所述的模塑芯(4)，其特征在于所述增強裝置(13)是由金屬和/或塑料構成的拐角型坯部件。
22. 根據權利要求12至22中至少一項所述的模塑芯(4)， 其特征在于所述模塑芯(4)是Q-形、梯形、三角形、環形和/或波浪形。
23. 具有至少一個縱梁(20)的纖維復合材料部件(1)，尤其是航空航天 用具有至少一個縱梁(20)的纖維復合材料部件(1)，其是通過根據權利要求 12至22中至少一項所述的模塑芯(4)和/或根據權利要求1至11中至少一 項所述的方法制備的。
全文摘要
本發明公開了用于制備纖維復合材料部件(1)、尤其是航空航天用纖維復合材料部件(1)的方法和模塑芯，所述方法包括下列方法步驟形成包含預定數量的中空體(7)的模塑芯(4)，所述中空體(7)用于限定模塑芯(4)的外部幾何形狀，中空體(7)被設計成它們在模塑芯(4)的縱向上延伸并且在至少在它們的橫向上可彈性膨脹，并且被彼此固定，形成的模塑芯(4)具有用于使其外表面的輪廓平滑的撓性外層(16)以及圍繞模塑芯(4)的芯套管(9)，用于使模塑芯(4)與纖維復合材料部件(1)隔離；至少在已經形成的模塑芯(4)上的適當位置上，放置至少一個纖維半成品(3)，以使待制備的纖維復合材料部件(1)的至少一個模塑部分(14)造型；以及對所述至少一個模塑部分(14)施加熱和/或壓力，以產生纖維復合材料部件(1)。
文檔編號B29C33/50GK101484290SQ200780025635
公開日2009年7月15日 申請日期2007年7月5日 優先權日2006年7月6日
發明者托爾本·雅各布, 約阿希姆·皮彭布洛克 申請人:空中客車德國有限公司