CN101232992B - 用于制造三维弯曲的纤维复合材料构件的方法 - Google Patents

Abstract

本发明的要点在于，通过对缝制顺序的改变，即通过对与待由纤维复合材料构件的各个区域承受的力相适配的基本纤维非织造织物的有针对性的缝制，首先以平面的方式制造预先制作的纤维非织造织物条带，该纤维非织造织物条带具有不同方向的纤维非织造织物部分区域，且包括单向的纤维条带和例如纤维方向在±45°至±60°的范围内的纤维条带。然后，该预先制作的纤维非织造织物条带按照待制造的纤维复合材料构件的所希望的轮廓被三维地打褶，从而预先制作的纤维非织造织物条带的一部分相对于纤维非织造织物条带的另一区域从工作面弯曲离开，优选单轴向地围绕弯曲轴弯曲，该弯曲轴优选垂直于单向纤维且平行于单向纤维的织带平面延伸。在该三维打褶的形状中，预先制作的纤维非织造织物条带被缝制到载体材料上，用于形成稳固的第一个次纤维非织造织物预型件。

Description

用于制造三维弯曲的纤维复合材料构件的方法

技术领域

本发明涉及一种用于制造三维弯曲的纤维复合材料构件的方法。这种纤维复合材料构件例如用作飞机机翼的翼梁或翼肋、即承载部件。横梁状的翼梁具有承受由空气动力和惯性力导致的横向力和弯曲力矩的功能。翼梁例如还用于诸如风能设备和直升飞机的转动叶片。此外，翼梁、特别是由纤维复合材料构件构成的翼梁，还用在飞机尾翼中。

背景技术

这种翼梁通常主要由两个具有不同功能的部件构成。所谓的缘条承受弯曲力矩的法向力。与缘条连接的抗剪腹板承受横向力并且传导缘条之间的剪力。

就由塑料制成的飞机而言-其中翼梁由纤维复合材料构成，缘条由单向层(简写为UD层)制成。抗剪腹板由织造织物(Gewebe)或例如成45°的非织造织物(Gelege)构成，例如由所谓的AWV45构成。单向层是一种纤维复合材料层的名称，其中所有的纤维都朝向唯一的一个方向，因此也称为0°纤维非织造织物(Fasergelege)，也就是说，这些纤维朝向织带纵向。在此，所述纤维理想地平行且均匀地分布。单向层是横向同性的。

纤维复合材料中所使用的所有纤维半成品，例如织造织物、纤维网(Vliese)、多轴向非织造织物都可由单向层构成。

织造织物是由两个相互偏转90°的UD层构成的交叉复合物。

在作为纤维复合材料构件的翼梁中公知的是，单向层用作承受弯曲力矩的法向力的缘条。除了用于缘条的单向非织造织物外，纤维复合材料构件还具有由织造织物或非织造织物构成的抗剪腹板，其中就织造织物而言，由于编织而使纤维波动，这会导致纤维平行的抗压强度降低。而在通过缝纸或缝旗布(Fahnenheftung)束紧的非织造织物中，纤维理想地平行伸展。

为制造弯曲的纤维复合材料构件的具有三维形状的预型件，公知的是，基于可用的半成品，即被编织成一定的非织造织物的干燥的或者必要时预先浸渍的纤维，采用缝制技术，制造具有最终形状的预型件单件，即具有固定的三维空间形状的分别为三维的预型件单件。这些预型件单件被缝制成三维的预型件。其中缝制过程是三维的。

作为替代方案，可以使用所谓的粘合剂预型件(Binderpreforming)，但利用粘合剂预型件很难将单向织带置入到缘条中。

发明内容

本发明的目的是，提出一种方法，用于制造三维弯曲的纤维复合材料构件，例如制造飞机或直升飞机结构中的翼肋或翼梁，该方法可以实现以较小的制造代价将单向纤维或纤维非织造织物制成三维形状，其中确保在相应的区域中的所希望的纤维方向。

所述目的通过一种用于制造三维弯曲的纤维复合材料构件的方法得以实现，该纤维复合材料构件的预定的弯曲载体型材横截面具有至少一个腹板区域和至少一个与所述腹板区域连接的0°纤维的缘条区域，该包括如下步骤：a)提供可在至少一个平面内打褶的平面的纤维非织造织物；b)将具有0°纤维的单向的纤维非织造织带设置在所述已提供的纤维非织造织物的部分区域上，该区域位于所述待制造的纤维复合材料构件的至少一个缘条区域中；c)借助至少一个第一固定接缝通过缝制将所述纤维非织造织带固定在所述纤维非织造织物上，用于构造平面的预先制作的纤维非织造织物条带，其具有含有单向的纤维非织造织带的缘条条带区域和不含有单向的纤维非织造织带的腹板条带区域；d)在一个工作面内提供所述平面的预先制作的纤维非织造织物条带；e)按照所述待制造的三维弯曲的纤维复合材料构件的所希望的轮廓对所述预先制作的纤维非织造织物条带进行打褶，其中所述纤维非织造织物条带的缘条条带区域相对于所述腹板条带区域从所述工作面弯曲离开，并且只是单轴地围绕至少一个弯曲轴弯曲，该弯曲轴垂直于0°纤维且平行于所述单向的纤维非织造织带的织带平面延伸；和所述纤维非织造织物条带的腹板条带区域基本上只在所述工作面内被打褶，其中其纤维结构变形；和f)借助至少一个在所述缘条条带区域和所述腹板条带区域之间的过渡区域上仅仅设置在所述腹板条带区域中的第二固定接缝，将所述预先制作的纤维非织造织物条带缝制到在至少一个平面内被打褶的载体材料上，从而形成与所述待制造的纤维复合材料构件相适配的稳固的三维弯曲的第一个次纤维非织造织物预型件

具体实施方式

本发明的要点在于，通过对缝制顺序的改变，即通过对与待由纤维复合材料构件的各个区域承受的力相适配的基本纤维非织造织物的有针对性的缝制，首先以平面的方式制造预先缝制(vorkonfektionierten)的纤维非织造织物条带，该纤维非织造织物条带具有不同方向的纤维非织造织物部分区域，且包括单向的纤维条带和例如纤维方向在±45°至±60°的范围内的纤维条带。然后，该预先制作的纤维非织造织物条带按照待制造的纤维复合材料构件的所希望的轮廓被三维地打褶(drapiert)，从而预先制作的纤维非织造织物条带的一部分相对于纤维非织造织物条带的另一区域从工作面弯曲离开，优选单轴向地围绕弯曲轴弯曲，该弯曲轴优选垂直于单向纤维且平行于单向纤维的织带平面延伸。在该三维打褶的形状中，预先制作的纤维非织造织物条带被缝制到载体材料上，用于形成稳固的第一个次纤维非织造织物预型件。

对于飞机结构中的应用来说，为了构造纤维复合材料构件，例如形成翼梁的纤维复合材料构件，特别优选的是，基本纤维非织造织物的纤维方向在±30°至±65°的范围内，优选在±45°至±60°的范围内，特别优选为±45°。

根据一种特别优选的实施方式，对预先制作的纤维非织造织物条带进行打褶，其方式为，使次纤维非织造织物预型件(Vorformling)中的单向的0°纤维非织造织物条带构成待制造的纤维复合材料构件的以后的弯曲载体横截面的缘条单元的一部分。

其中为了制造预先制作的纤维非织造织物条带和将其打褶，优选起始于0°纤维非织造织物条带，也就是说，该区域在第一缝制步骤中是平置的，而在缝制到载体上的步骤中则按照所希望的形状来放置。其纤维具有不同方向的基本纤维非织造织物相应地优选在平面内变形(verzerrt)，从而它相应于通过UD织带预先给定的形状。

根据一种特别优选的实施方式，特别是为了将C形翼梁构造为纤维复合材料构件，即为了构造至少一个第二个次纤维非织造织物预型件，第二次执行步骤a)至f)，其中无论第一个还是第二个次纤维非织造织物预型件都基本为L形。第二个次纤维非织造织物预型件通过第一个次纤维非织造织物预型件作为第二层嵌套式地插入到第一个次纤维非织造织物预型件中并与第一个次纤维非织造织物预型件通过缝制相连接。在此，这些次纤维非织造织物预型件优选嵌套式地相互插入，其方式为，将已制造的次纤维非织造织物预型件打褶，从而与一个基本条带(该基本条带的宽度小于其它次纤维非织造织物预型件的其它基本条带)搭叠并通过缝制相连接，由此这些相应的基本条带优选至少局部地搭叠。

在另一步骤中，优选这些次纤维非织造织物预型件共同地，也就是说，在与纤维非织造织物预型件的连接状态下被浸渍有可硬化的树脂，并且树脂硬化。

根据一种优选的实施方式，可以在浸渍树脂之前将载体材料去除。作为替代方案，载体材料同样可以被浸渍树脂。

在将预先制作的纤维非织造织物条带缝制到载体材料上的过程中，为了制造三维弯曲的纤维非织造织物预型件，与腹板条带区域相应的预先制作的纤维非织造织物条带优选被进给并同时旋转，从而在缝制过程中实现纤维结构的变形，并实现三维空间形状以及所希望的弯曲。为此，可以优选通过使用在平面内的模板(Schablone)来辅助缝制过程。其中在模板中画上模缝线，这些模缝线用于单向非织造织物与例如构成腹板的多向非织造织物的变形。

下面借助实例C形翼梁来说明根据本发明利用纤维非织造织物预型件制造纤维复合材料构件。

在此，C形翼梁的缘条区域可由单向织带(所谓的0°纤维)构成，而腹板区域则由可在平面内打褶的基本纤维非织造织物或者由必要时的织造织物制成。基本纤维非织造织物优选是±45°的纤维非织造织物，即其纤维以相对于织带纵向的+45°或-45°的角伸展的织带材料。也可以使用具有其它纤维方向的其它基本纤维非织造织物。

在已裁剪基本纤维非织造织物和单向织带之后，将单向织带定位在基本纤维非织造织物上。其中单向纤维非织造织带无需置于整个基本纤维非织造织物上，而是只需在该基本纤维非织造织物的部分区域上延伸。另一方面，单向纤维非织造织带也可以根据需要在基本纤维非织造织物的整个长度上延伸。

接下来将单向纤维非织造织带固定在基本纤维非织造织物上。此点平面地、即在一个平面内进行，而无需使单向的纤维非织造织带和基本纤维非织造织物相互三维对准的模制件。例如，纤维非织造织带可以通过垂直于单向的纤维非织造织带的纤维方向伸展的固定接缝被固定在基本纤维非织造织物上。由此产生平面的、预先制作的纤维非织造织物条带，其具有：含有单向的纤维非织造织带的缘条条带区域；和无单向的纤维非织造织带的腹板条带区域，在本实例中该区域的纤维方向为±45°。在工作面上，例如在缝制台板上提供其纤维方向为0°的纤维非织造织带和其纤维方向适配于以后希望的荷载的纤维非织造织带的组合。对于该缝制过程来说，所述台板上的模板或所述面上的自动控制装置还可以预先给定缝制位置。在这种情况下，织带部分不必变形。

接下来按照翼梁或翼肋的轮廓对其纤维方向为0°和±45°的结构进行打褶，并将其缝到形状足够固定的载体材料上。其中优选单向织带围绕基本平行于单向织带的纤维方向的轴弯曲离开工作面，从而由单向织带形成翼梁的缘条(C的对边)。相反，由基本纤维非织造织物条带构成的腹板条带区域则保持在工作面中，但由于缘条区域的三维打褶(该区域不变形)，基本纤维非织造织物的纤维结构以平面内的不同于单向的方向变形。为此在打褶过程中和接下来的与载体材料的缝制过程中，优选使得单向的纤维材料相对于基本纤维非织造织物条带进给并同时进行导致变形的旋转。该缝制过程也可以是自动的或者使用平面的模板。

该L形打褶的纤维非织造织物条带被打褶到形状固定的载体材料上并通过第二个固定接缝固定，从而形成三维弯曲的适配于待制造的纤维复合材料构件、即翼梁的第一个次纤维非织造织物预型件，特别是形成由缘条和至少一部分抗剪腹板构成的L形预型件。在与载体材料缝制时，在缘条条带区域和腹板条带区域之间的过渡区域上只在腹板条带区域中设置固定接缝，从而腹板条带区域的变形关于腹板条带的纤维方向被固定。载体材料主要用于固定腹板条带区域的变形，从而载体材料也只能设置在该区域中。

接下来以同样的方式制造第二个次非织造织物预型件，其同样为L形并形成一个缘条和一部分抗剪腹板。

两个次纤维非织造织物预型件相互连接成一个纤维预型件，其方式为，它们的相应的腹板区域至少部分地搭叠和嵌套式地相互插入。该结构通过其它接缝被固定。所产生的结构接着被浸渍有可硬化的树脂，其中该结构既可以通过缝制过程又可以通过载体材料实现形状固定，从而即使在树脂已硬化之后仍然保持纤维复合材料构件的所希望的形状。视被缝制的结构的强度而定，也可以在浸渍树脂之前将载体材料去除。

具有在工作面内的缝制步骤和随后在单向的纤维非织造织带和平面的基本纤维非织造织物之间的矫平(Aufrichten)步骤的本发明的方法也可用于其它纤维复合材料构件或翼梁，例如I形梁或箱式梁，其中相应地进行单向的和多向的纤维非织造织物之间的连接。

在接缝固定过程中，优选沿着按构想伸展的接缝的上面画有轮廓的图纸进行缝制。为了引导单向织带部件，可以在缝制头上对固定在腹板上的单向织带进行导向，从而在平面内对多向的非织造织物进行自动打褶。

Claims (10)

1.用于制造三维弯曲的纤维复合材料构件的方法，该纤维复合材料构件的预定的弯曲载体型材横截面具有至少一个腹板区域和至少一个与所述腹板区域连接的0°纤维的缘条区域，包括如下步骤：

a)提供可在至少一个平面内打褶的平面的纤维非织造织物；

b)将具有0°纤维的单向的纤维非织造织带设置在所述已提供的纤维非织造织物的部分区域上，该区域位于所述待制造的纤维复合材料构件的至少一个缘条区域中；

c)借助至少一个第一固定接缝通过缝制将所述纤维非织造织带固定在所述纤维非织造织物上，用于构造平面的预先制作的纤维非织造织物条带，其具有含有单向的纤维非织造织带的缘条条带区域和不含有单向的纤维非织造织带的腹板条带区域；

d)在一个工作面内提供所述平面的预先制作的纤维非织造织物条带；

e)按照所述待制造的三维弯曲的纤维复合材料构件的所希望的轮廓对所述预先制作的纤维非织造织物条带进行打褶，其中所述纤维非织造织物条带的缘条条带区域相对于所述腹板条带区域从所述工作面弯曲离开，并且只是单轴地围绕至少一个弯曲轴弯曲，该弯曲轴垂直于0°纤维且平行于所述单向的纤维非织造织带的织带平面延伸；和所述纤维非织造织物条带的腹板条带区域基本上只在所述工作面内被打褶，其中其纤维结构变形；和

f)借助至少一个在所述缘条条带区域和所述腹板条带区域之间的过渡区域上仅仅设置在所述腹板条带区域中的第二固定接缝，将所述预先制作的纤维非织造织物条带缝制到在至少一个平面内被打褶的载体材料上，从而形成与所述待制造的纤维复合材料构件相适配的稳固的三维弯曲的第一个次纤维非织造织物预型件。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述在步骤a)中已提供的纤维非织造织物的纤维方向在±30°至±65°的范围内。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述在步骤a)中已提供的纤维非织造织物的纤维方向在±45°至±60°的范围内。

4.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述在步骤a)中已提供的纤维非织造织物的纤维方向在±45°的范围内。

5.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在步骤e)中将所述纤维非织造织物条带用作对所述预先制作的纤维非织造织物条带进行打褶和固定的基准，其中在所述纤维非织造织物条带上所述单向的纤维非织造织带以0°定向。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，重新执行步骤a)至f)，用于形成第二个次纤维非织造织物预型件，该第二个次纤维非织造织物预型件作为第二层嵌套式地插入到所述第一个次纤维非织造织物预型件中并通过缝制与该第一个次纤维非织造织物预型件连接成一个纤维预型件。

7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述第一个次纤维非织造织物预型件和所述第二个次纤维非织造织物预型件分别为L形，并且所述第一个次纤维非织造织物预型件的和所述第二个次纤维非织造织物预型件的不含有所述单向的纤维非织造织带的腹板条带区域相互连接成一个纤维预型件，从而该纤维预型件呈C形。

8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤g)中为所述次纤维非织造织物预型件或所述纤维预型件浸渍一种可硬化的树脂并使该树脂硬化。

9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，在步骤g)之前将所述载体材料从所述纤维预型件和/或所述次纤维非织造织物预型件中去除。

10.如权利要求8所述的方法，其特征在于，在步骤g)中将所述载体材料与所述次纤维非织造织物预型件或所述纤维预型件一起用树脂浸渍。