CN101959671B - 在两个纤维复合部件之间进行公差补偿的方法 - Google Patents

在两个纤维复合部件之间进行公差补偿的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于在飞机的两个纤维复合部件(1，3)之间进行公差补偿的方法。为了以简单的方法和方式在两个需要接合的纤维复合部件之间进行公差补偿，根据本发明的方法具有的步骤是：a)制造第一纤维复合部件(1)，其中，装配面(2)可以具有容许偏差；b)根据装配面(2)的表面几何形状制造模具插件(7)；c)借助于模具插件(7)制造第二纤维复合部件(3)，其中，第二纤维复合部件(3)的接触面(9)的表面几何形状基本上与装配面(2)的表面几何形状对应；以及d)在装配面(2)和接触面(9)的区域中将第一纤维复合部件(1)和第二纤维复合部件(3)接合在一起。

Description

在两个纤维复合部件之间进行公差补偿的方法
技术领域
本发明涉及一种用于在飞机的两个纤维复合部件之间进行公差补偿的方法。
背景技术
常规的飞机机舱现在大多利用铝合金制造而成。主要是为了实现重量的减轻，纤维复合部件、特别是CFK-部件在整个机舱结构以及也在其他结构组件中的份额逐渐提高。
为了制造纤维复合部件要将分散的纤维或纤维束和/或纤维半成品合成在一起并将其制成所希望的几何形状。在此，可以事先已经将增强纤维利用基体系统(Matrixsystem)浸透(所谓的预浸料)或在后续工序(注入工序或喷入工序)中将纤维利用形成基体的塑料材料来浸渍，也就是将增强纤维优选地在塑料基体中被全面包围。这两个工序可以在封闭的模具或敞开的装置中实施。在形成基体的塑料材料(可以是热固性的或热塑性的塑料材料)硬化之后，便可以将制成的纤维复合部件从模具中取出，在一定条件下进行机械的修整和最终的装配。
由于无法避免的制造公差，例如纤维半成品的材料强度的不稳定、在脱模-和装饰工序中的偏差，以及由于以收缩现象、改变的注入或喷入压力、不稳定的浸渍温度、不恒定的硬化温度和变化的热压器压力的形式的工序参数偏差决定了硬化的纤维复合部件的几何形状相对于金属部件来讲并不稳定。纤维复合部件的公差范围主要取决于所使用的生产工序、所应用的材料以及部件的几何形状。
因此，以在简易的、敞开的装置中成型的预浸料部件为例，材料强度的容许偏差可能直至±10％。在利用纤维复合材料制造的、用于机舱的蒙皮外壳中在蒙皮厚度假设例如为10mm时因此产生的在舱门区域内的在材料强度方面的波动范围直至±1mm。
对此相反地，在使用封闭的、至少分为两部分的成型模具来实施RTM-工艺(所谓的“树脂传递模塑成型”工艺或树脂喷入工艺)的情况下使公差范围明显减小。
在这种RTM-工艺中，具有合适的几何形状的增强纤维预成型件(必要时在添加其它的增强半成品的条件下)被插入到优选为金属的模具中并且然后利用塑料材料、例如可硬化的环氧树脂进行浸渍。通过制造真空，使得树脂喷入工序加速并且避免在树脂基体中产生气泡。如果需要的话可以附加地在压力下将树脂注入模具中。在通过应用压力和/或温度使得纤维复合部件完全硬化之后可以将制成的纤维复合部件自成型模具中取出。通过一般至少分成两部分的金属(钢-)成型模具来确定在RTM-工艺或树脂喷入工艺中制造的部件的外轮廓，该外轮廓具有高精度和极好的可再生产性。
在敞开的装置或模具的情况下，尽管部件的朝向模具的侧面具有相对精确的、与模具相应的上表面几何形状。然而基于前述的那些误差影响，在与此背离的侧面上仍然会产生明显的几何形状偏差，也就是说特别是无法限定的厚度偏差。为了克服这个问题，纤维复合部件的朝向模具的侧面一般作为装配面或也在装配整体结构时作为外表面使用。
然而，当在纤维复合部件的两个侧面上都要求较小的制造公差时，这特别是在多个纤维复合部件之间由螺栓连接进行安装的情况下，这种解决方法就行不通了。例如，在配有CFK-蒙皮的机舱中安装CFK-隔框。当例如使用在其内表面上放置或构造了连接部件的空心圆柱体来用于制造CFK-蒙皮时，蒙皮一般都具有足够平滑的上表面几何形状，该上表面几何形状与作为模具被插入的空心圆柱体的内表面相应并具有高的尺寸精度。在至少局部地显示出用于需要安装的CFK-隔框的装配面的CFK-蒙皮的内侧的区域中仍然出现了取决于生产条件无法避免的高度偏差。在这种CFK-机舱中安装CFK-环形隔框时，在CFK-蒙皮的内表面和一般在RTM-工艺中尺寸精度较高地制造出的CFK-环形隔框的外表面之间的容许偏差的范围可以为±1mm。这种尺寸的偏差则导致出现了装配缝隙，为了确保在机械上可充分负载的连接而将该装配缝隙利用固体或液体的、可硬化的填充物(“薄垫片”)进行填充。这样部分地控制CFK-环形隔框和/或CFK-飞机蒙皮的生产工序，即产生结构上的最小缝隙宽度，以便在任何情况下都避免尺寸过大。
通过安装填充物一方面导致超重，并且另一方面填充物在螺栓连接中引起疲劳强度减小。此外，安装填充物明显增加了装配消耗，这是因为必须对缝隙进行测量以及将例如糊状的填充物局部地涂覆在准确限定的膜层厚度中并使其硬化。接着将需要固定的部件进行最终装配。此外，机舱结构中存在在其中不允许使用具有填充物的螺栓连接的区域。
可替代的是，例如可以在装配面的区域中对需要安装的部件后续进行加工，以便达到足够的配合精度。然而，由于增强纤维层和/或基体材料的损耗，即使当为这种材料损失设置了附加的层、即所谓的消耗层(Opferlagen)时，也仍然会使结构减弱或使结构特性产生不可控的变化。
另外可考虑的是，将在未硬化的状态中的需要固定的部件带到安装位置上并且随后才使该部件硬化。然而这种方法的缺点在于低的可达到的自动化程度并且总体上高的工序消耗，这是因为在装配状态下的硬化例如必须在难以安装和密封在安装位置上的真空袋之内进行。
在现有技术中由DE 10 2006 041 653 A1公开了一种连接结构以及制造这种连接结构的方法，该连接结构具有一个由纤维复合材料制成的第一部件和另一个由具有热塑性的基体的纤维复合材料制成的部件，其中第二部件具有支承区域和横向于支承区域的连接区域，以及通过连接区域将第二部件固定在第一部件处，并且在连接区域和第一部件之间布置了由短纤维增强材料制成的层面。
DE 602 07 191 T2公开了制造一种具有三维织造的、预成型的连接件的结构布置，其中，在制造过程中复合的结构部分利用预成型的结构来构成。胶黏剂被带到已预成型的结构和还未固定的纺织的预成型件之间。然后借助于热量和/或压力将已预成型的结构和还未固定的、用树脂浸渍过的三维的织造的纺织品固定在一起，从而构成更大的复合的结构。
发明内容
因此，本发明的目的在于实现一种用于在两个需要接合的纤维复合部件之间进行公差补偿的简化的方法。
该目的通过根据权利要求1所述的方法结合下述步骤实现：
a)制造第一纤维复合部件，其中，装配面具有容许偏差；
b)根据装配面的表面几何形状制造模具插件(Werkzeugeinsatz)；
c)借助于模具插件制造第二纤维复合部件，其中，第二纤维复合部件的接触面的表面几何形状基本上与装配面的表面几何形状对应；以及
d)在装配面和接触面的区域中将第一纤维复合部件和第二纤维复合部件接合在一起。
在第一方法步骤中以常规的方法生产一种纤维复合部件，该部件例如可以是飞机机舱的CFK-蒙皮的外壳区段。可以例如通过自内侧去除空心圆柱体形的“母”-模型上的或区段部分上的预浸料来制造上述纤维复合部件。在环氧树脂基体硬化之后，在中间步骤中进行扫描，也就是对用于安装例如CFK-环形隔框而设置的装配面进行测量技术上的检测。
在第二个方法步骤中，根据由测量装置测定的、装配面的实际的表面几何形状数据来制造模具插件，该模具插件随后被插入优选地至少分成两部分的成型模具中，该成型模具用于制造第二纤维复合部件。第二纤维复合部件例如可以是CFK-环形隔框或区段部段，该第二纤维复合部件以高制造精度在至少分成两部分的、封闭的成型模具中优选地在RTM-工序中制造。模具插件例如可以利用各种可考虑的常规的加工装置，例如CNC-控制铣床、电火花加工机床或类似物进行制造。然而优选地通过在所谓的“快速-成形”工艺中制造模具插件，在此工艺中通过连续地、分层地建立和/或拆除金属合金、陶瓷化合物、塑料材料或前述材料的任意组合来制造模具插件。结果是模具插件的一个侧面相应于装配面的精确的实际表面几何形状。
在第三个方法步骤中，以已知的方式优选地借助于RTM-工序在应用在第二个方法步骤中制成的模具插件的情况下来制造第二部件。由此实现第二部件的接触面与第一部件的装配面在理想情况下完全对应(互补)，由此在第四个方法步骤中可以例如借助于螺栓连接使第一部件的装配面和第二部件的接触面尽可能地无缝隙地接合在一起。
可替代的是(尤其是在精度要求更低的时候)，可以在简单的敞开的模型或敞开的模具中制造第二部件，从而不使用RTM-工艺和该工艺所必需的至少分成两部分的封闭的成型模具。
通过根据本发明的方法形成的、在两个部件之间的几乎没有缝隙的连接使接合位置获得了最佳的机械承受力。此外，该方法可以实现高的自动化程度并且因此良好地适用于工业化的生产工序。
该方法的另一个改进方式提出，借助于测量装置对装配面进行扫描，用于测定装配面的表面几何形状的测量数据，并根据该测量数据制造模具插件。
测量装置优选地是无接触地工作的激光-测量系统，该测量系统能够以高的分辨率、精度和速度通过其总的平面延伸对为第二部件设置的装配面(xy-平面)的实际表面几何形状进行确定。结果是测定出装配面的完整的高度轮廓。可替代的是，也可以借助于机械的测量装置进行测量。
由激光-测量装置测定的测量数据优选地以数字化的形式实时地传输给相邻的加工装置，在该加工装置中根据已传输的、装配面的实际表面几何形状的测量数据来制造用于第二个需要安装的部件的、后续的RTM-生产工序的模具插件。
本方法的另一个有利的改进方式提出，根据在制模装置、特别是快速-成形-装置(Rapid-Prototyping-Einrichtung)中的测量数据，借助于金属合金、陶瓷化合物、塑料材料或前述材料的任意组合来制造模具插件。
使用所谓的快速-成形-工艺能够实现基于由测量装置测定的、装配面的实际表面几何形状的测量数据，在最短时间内、也就是一般在明显小于一小时的情况下制造模具插件。这种情况具有很重要的意义，这是因为对于每个需要固定的部件必须重新测量各个装配面，以便可以制造对此专门匹配的模具插件。如果部件例如是与CFK-机舱蒙皮相连的CFK-环形隔框区段，那么因此就需要借助于根据本发明的方法专门为每个装配位置都制造各自的环形隔框，或同时通过应用专门的模具插件以便匹配于RTM-工序。模具插件可以在快速-成形-工艺中利用任意的金属合金，尤其是铝合金材料、充分固化和耐热的塑料材料、陶瓷材料，在某些情况下甚至可以利用硬木或前述材料的任意组合来制成。材料的选择没有重要的意义，这是因为每个模具插件只能应用一次并且该模具插件因此无需具备较高的耐用度。
由于在为了RTM-生产工序附加地插入的模具插件而可能需要的是，对为了第二部件的生产而进行标准化设置的增强纤维结构或对所应用的纤维预成型件进行细微的改动，这例如可以通过附加地引入增强纤维和/或纤维半成品来实现。
不调整增强纤维结构的方法也是可以考虑的。当在敞开的模具中制造第二部件时具有足够的灵活性，从而一般使第二部件的纤维体积含量都能无变动地匹配于给定的装配面。与此相反，如果模具是闭合的(例如为了实施RTM-工序)，那么因此也可能需要在模具中设置一个或多个灵活的元件，这些元件在几何形状发生变化时也确保了纤维体积含量恒定。这种灵活的或弹性的元件例如可以利用所谓的Aircast
Figure BPA00001211991300071
-模型材料或造型材料构成，并且例如具有带形的、多角形的或圆形的，优选为平坦的造型。可替代的是，也可以一同地嵌入条形元件。利用Aircast-造型材料制成的部件或元件具有可与人造橡胶、例如橡胶或硅树脂相比较的变形能力。
本方法的另一个设计方案提出，根据借助于装配面的印模料制成的印痕来制造模具插件。
在该变体中不必使用成本高昂的测量装置、尤其是激光-测量系统。但是必须借助于印痕在另外的中间步骤中首先制造装配面的表面几何形状的正面-印痕，然后其又作为用于在后续RTM-工序中使用的成型模具的模具插件以用于制造或调整第二个待安装的部件。基本上各个可迅速硬化的、确保印痕的足够的细节精度的材料都可以作为造型材料应用。
附图说明
本方法的其它的有利的设计方案在另外的、下面的附图说明中示出。
图中示出：
图1为方法流程的示意图。
具体实施方式
第一纤维复合部件1(在示出的实施例中是CFK-机舱蒙皮的外壳或区段)具有用于装配第二部件3的装配面2。第二纤维复合部件是件数更多的、在所谓的RTM-工序中以较高尺寸精度制成的CFK-环形隔框区段。无论是CFK-机舱蒙皮还是CFK-环形隔框区段都分别具有利用环氧树脂系统浸透的碳纤维增强纤维结构。
在第一方法步骤中首先借助于测量装置4扫描装配面2的实际表面几何形状，该测量装置优选地是无接触的、并以高速工作的激光测量系统。可替代地也可以用纯机械地工作的扫描系统代替无接触地工作的激光测量系统。由测量装置4测定的、装配面2的实际表面几何形状的测量数据被数字化地并且借助于数据导线6实时地传输给常规的制模装置5、特别是所谓的“快速-成形-装置”。
在制模装置5中根据第二方法步骤，通过分层地或连续地清除和/或涂覆材料的方式在装配面2的实际表面几何形状的测量数据的基础上在少于一个小时内制成模具插件7。在此，模具插件面8具有的表面几何形状与第一纤维复合部件的装配面2的表面几何形状完全相同。此外，该模具插件面8以较高的精度与后面的接触面9对应，该接触面属于在后续的RTM-生产工序中制成的第二纤维复合部件3，其中第二纤维复合部件示范性地是CFK-环形隔框。
在第三方法步骤中，这样制成的模具插件7被插入如实施例中所示的分为两部分的、即由上模具11和下模具12构成的成型模具10中。在插入了用于第二纤维复合部件的、具有适合的几何形状外形的纤维预成型件之后，在分为两部分的成型模具10中利用可硬化的塑料材料、例如利用可硬化的环氧树脂，在同时应用压力和温度的条件下优选地在RTM-工序中浸渍该纤维预成型件。在完全硬化之后，可以通过将上模具11和下模具12在白色箭头所指的相反方向上分开和将模具插件7分离而使第二纤维复合部件3脱模并将其取出。基于前述的方法，第二纤维复合部件3的接触面9具有与第一纤维复合部件1的装配面2完全相同的表面几何形状。
在第四个也是最后一个方法步骤中，两个纤维复合部件1，3，也就是CFK-环形隔框区段与CFK-机舱蒙皮的区段最终构成一体。
根据本发明的方法确保了两个纤维复合部件1，3在装配面2或接触面9的区域中无缝隙地进行连接，这是因为在理想情况下在这两个所述的面之间几乎是完全“形状配合”的。由此，在两个纤维复合部件1，3之间能够在同时具有良好的疲劳保险时形成具有强度值特别高的螺栓连接，否则这种螺栓连接在两个待连接的纤维复合部件之间的接触面或装配面并不是这样相互完全协调配合时可能无法实现。借助于根据本发明的方法完全可以补偿第一纤维复合部件在装配面2的区域中的无法避免的制造公差。
因此例如可以考虑，在所谓的“母”-成型模具上通过将可硬化的预浸料分层地自内侧去除的方法来制成在所述的实施例中表现为CFK-机舱蒙皮(CFK-蒙皮外壳)的第一纤维复合部件1，从而尽管由于在成型模具上的限定好的设备，能够使壳状的CFK-机舱蒙皮的外表面具有足够高的、并且也可在工业生产工序中充分重复的尺寸精度，然而装配面的区域中的内表面相对于理想的标准表面几何形状(例如几何的完全的圆柱形外壳内表面)仍具有明显的、取决于生产条件的高度或厚度的偏差，可是借助于本发明的方法可几乎完全补偿这种偏差，从而特别是能够在两个纤维复合部件1，3之间实现最佳的螺栓连接和/或铆接和/或粘接。由此，在实施例中是CFK-环形隔框区段的第二纤维复合部件3以理想的方式与CFK-机舱蒙皮接合在一起。
用来实施根据本发明的方法的生产装置至少具有一个合适的、特别是足够精确和迅速的测量装置4以及一个用于快速制成模具插件7的制模装置5。此外，该生产装置还具有用于常规的RTM-生产工序的、具有至少分为两部分的成型模具10的装置以及未示出的、大范围的控制和调节装置，用于优选地全自动地控制在工业标准下运作的方法。
参考标号表
1第一纤维复合部件
2装配面
3第二纤维复合部件
4测量装置
5制模装置
6数据导线
7模具插件
8模具插件面
9接触面(第二纤维复合部件)
10成型模具(RTM-工序)
11上模具
12下模具

Claims (8)

1.一种用于在飞机的两个纤维复合部件(1，3)之间进行公差补偿的方法，包含以下步骤：
a)制造第一纤维复合部件(1)，其中，装配面(2)可以具有容许偏差；
b)根据所述装配面(2)的表面几何形状制造模具插件(7)；
c)借助于所述模具插件(7)制造第二纤维复合部件(3)，其中，所述第二纤维复合部件(3)的接触面(9)的表面几何形状基本上与所述装配面(2)的表面几何形状对应；以及
d)在所述装配面(2)和所述接触面(9)的区域中将所述第一纤维复合部件(1)和所述第二纤维复合部件(3)接合在一起。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，借助于测量装置(4)对所述装配面(2)进行扫描，用于测定所述装配面(2)的表面几何形状的测量数据，并根据所述测量数据制造所述模具插件(7)。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，根据在制模装置(5)、特别是在快速-成形-装置中的所述测量数据，借助于金属合金、陶瓷化合物、塑料材料或前述材料的任意组合来制造所述模具插件(7)。
4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，根据借助于所述装配面(2)的印模料制成的印痕来制造所述模具插件(7)。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其特征在于，对所述装配面(2)进行机械地或无接触地扫描。
6.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其特征在于，所述第二纤维复合部件(3)在封闭的成型模具(10)中利用所述模具插件(7)制成。
7.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其特征在于，所述纤维复合部件(1，3)利用纤维增强的、热固性的塑料材料，尤其是利用碳纤维增强的环氧树脂制成。
8.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其特征在于，为了制造所述第二纤维复合部件(3)，在所述封闭的成型模具(10)中插入至少一个用于维持纤维体积分数不变的弹性件。
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