CN102015274A - 生产用于航空和航天旅行的复合纤维组件的方法和成形装置 - Google Patents

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Abstract

在一种生产用于航空和航天的增强型纤维复合组件(1)的方法中，提供了具有预定义的模具部分(3)的成形工具(2)。借助于所述成形工具(2)的所述模具部分(3)而模制成形/支撑元件(4)。然后使半成品纤维产物(5)至少部分地沉积于所述成形的成形/支撑元件(4)上。借助于所述成形/支撑元件(4)而使所述沉积的半成品纤维产物(5)变形以形成至少一个增强部分(7、8、9)。然后将所述成形/支撑元件(4)连同形成在此元件上的所述增强部分(7、8、9)一起从所述成形工具(2)中移除，接着是通过以所述成形/支撑元件(4)支撑而相对于关联的纤维复合组件部分(12)对如此形成的所述增强部分(7、8、9)进行界定的定位。使所述增强部分(7、8、9)固化以形成所述增强型纤维复合组件(1)。成形装置具备固持成形/支撑元件(4)使得其可被移除的预定义的模具部分(3)。

Description

生产用于航空和航天旅行的复合纤维组件的方法和成形装置
技术领域
本发明涉及一种生产用于航空和航天的纤维复合组件的方法，且本发明涉及一种用于借助于此类方法而生产此类纤维复合组件的成形装置。
尽管其可与任何纤维复合组件一起使用，但下文参考片状纵材增强型(sheet-like，stringer-reinforced)碳纤维塑料材料(carbon fibre plastics material，CFRP)组件(例如，飞机蒙皮外壳)较详细地阐释了本发明和本发明潜在的问题。
背景技术
为了以尽可能少的额外重量承受航空领域中产生的高负载而用CFRP纵材增强CFRP蒙皮外壳的技术是众所周知的。为了此目的使用了不同类型的纵材，例如T纵材和Ω纵材。
T纵材的横截面由基座和腹板组成。基座是连接到蒙皮外壳的表面。T纵材增强型蒙皮外壳的使用在飞机构造中非常普遍。
举例来说，具有纵材的蒙皮外壳是使用浸出工艺(infusion process)来并入呈半成品纤维产物的基质(例如环氧树脂)而生产的。半成品纤维产物包括织物、非织物和纤维毡。这些产物配备有基质且然后在(例如)高压釜中固化。浸出工艺可比生产纤维复合组件的其它已知方法(例如预浸工艺)更经济，因为这准许使用更经济的半成品纤维产物。
在开发新的航空和航天飞行器组件时，常常存在很多迭代阶段直到发现最佳的组件几何形状为止。这对制造装备的几何形状有影响，结果是，对成品系列工具的修改不可避免。
按照现状来看，由于所使用的材料和生产工艺，用于生产CFRP组件的制造设备和工具的生产常常是极为耗时和昂贵的。这将通过考虑一实例而变得明确。在开发和生产新的纵材增强型面板(例如，舵单元外壳)时，可能由于高负载将不得不修改基座蒙皮或纵材的层压厚度。如果纵材中存在任何斜坡，则由于(例如，在基座蒙皮中)不同的层压厚度也必须修改这些斜坡。因此也有必要修改用以制造所述纵材的工具。
在制造纵材(例如，使用所谓的HotForm工艺)且随后在面板上用定型和固化工艺处理纵材时，目前针对每一工艺而使用个别的工具，这相应地导致了对时间、部件和成本的高需求。
文献DE 600 09 259 T2描述一种用于复合材料组件的制造工艺，其中借助于结构粘结剂使至少一个未固化的支柱粘附到硬化的基座组件。这种粘结通过使用特别为此目的而设计的工具来成形和施加压力而产生，因此可能控制和保持树脂和高压釜循环期间所产生的粘结剂的流量。
文献DE 601 04 046 T2描述一种用于由纤维增强型复合材料生产中间产物的方法。此方法包括由包含用热固化树脂浸渍的增强纤维的纤维增强型复合材料生产具有1到50％的硬度等级的半固化中间产物。
发明内容
考虑到以上情况，本发明的目标是提供一种生产用于航空和航天的纤维复合组件的较经济的方法和较经济的成形装置。
根据本发明，通过具有权利要求1的特征的方法和/或具有权利要求11的特征的成形装置实现了此目标。
本发明潜在的一个概念需要提供用于使成形/支撑元件成形的具有模具部分的成形工具，所述成形/支撑元件用以形成增强部分或增强元件，且在从成形工具中移除时、定位时和固化时与增强部分一起留下且支撑增强部分。
因此，本发明提供一种生产用于航空和航天的纤维复合组件的方法，首先提供一种具有预定义模具部分的成形工具。上面沉积有或至少在其部分上沉积有半成品纤维产物的成形/支撑元件借助于成形工具的模具部分而成形。沉积的半成品纤维产物借助于成形/支撑元件而形成以形成至少一个增强部分，在此之后从成形工具中移除成形/支撑元件和在此元件上形成的增强部分。然后以界定的方式相对于由成形/支撑元件所支撑的相关联的纤维复合组件部分而定位如此形成的增强部分。然后使增强部分固化以形成增强型纤维复合组件。
用于航空和航天的此类纤维复合组件的成形装置也具备成形工具，所述成形工具具有预定义的模具部分和成形/支撑元件，所述成形/支撑元件固持于成形工具的模具部分中使得其可被移除。
因此本发明比上文所提及的方法具有优势：用以形成增强部分或纵材的模(die)(例如，在HotForm工艺中)，即成形/支撑元件，同时也可用于随后的定型和固化工艺中。因此这节约了时间和开支。
在附属权利要求中描述了本发明的有利的实施例和改进。
根据增强元件或部分(例如，纵材)、成形/支撑元件(例如，薄片)的几何数据产生成形工具，所述成形工具再产生随后组件(例如，纵材)的几何形状。在此工艺中，研磨可(例如)由木材制成的成形工具直到获得用于使成形/支撑元件变形的模具部分为止。然后所得的薄片具有可能为(例如)L形或U形型材的型材。薄片可(例如)由钢或铝制成，但也可由纤维复合材料或上文所提及的材料的组合物制成。
所得的成形的成形/支撑元件现在可同时用作随后的HotForm工艺中的增强部分的成形表面。在此操作期间，其可留在成形工具上。也可能不仅使用成形/支撑元件，还使用成形工具(例如，其表面的一部分)来用于沉积半成品纤维产物。
在进行增强部分的热成形之后，将成形/支撑元件连同元件上的增强部分一起从成形工具中移除，其中成形/支撑元件充当用于增强部分定型工艺以及用于随后的固化工艺的支撑元件。然后将成形/支撑元件从固化的增强部分移除并重新放置在成形工具的模具部分上，这样准许再次使用成形/支撑元件。
在沉积的半成品纤维产物的成形工艺期间，也可能在待沉积的半成品纤维产物之下、在成形/支撑元件上、且也在为此目的而使用的成形工具的表面上涂覆随后的固化工艺所需要的真空膜，从而产生能够使模制/支撑元件和成形工具与增强部分分离的分离元件。
这也使成形/支撑元件可能在固化工艺期间留在真空区域之外。此程序的结果是，此处可使用经济的金属薄片(钢、铝)。金属型材在纵向方向上的热膨胀在此情况下对增强部分或纵材的几何形状并没有负面影响，因为成形/支撑元件可自由移动。因此在此例中不需要例如Ni-36等昂贵的工具材料。
另外的分离元件(例如，相应的涂层)当然也可用以实现分离，且此类涂层也可在没有分离膜的情况下使用。
举例来说，如果现在为了静止的原因需要修改半成品纤维产物或层压结构，则增强元件(即，成形/支撑元件)的几何轮廓发生改变。因此，作为用于半成品纤维产物的成形工具的压型(profiled)薄片或成形/支撑元件的几何形状以及原始模具的几何形状(即，用于成形/支撑元件的成形和形成的成形工具的几何形状)必须重新修改以适于每一个别情况，即再造。
可由经济的材料(例如，柳安木)制造成形工具，因为压型薄片需要(例如)简单的薄片成形。同样的工具材料也可用以由CFRP构成成形和固化工具，即成形/支撑元件。由于其具有与待固化的材料(即，在此情况下为纵材或增强部分)相同的热膨胀特性，所以此类CFRP工具具有的优势为，其也可用于难处理的几何形状(例如，斜坡、底切)。另一方面，薄片金属型材仅可用于简单的几何形状(无斜坡或仅有较小的斜坡)。
在本发明的一个实施例中为了形成复合增强型材经构型部件，以成形工具形成的成形/支撑元件也可接合到使用另一成形工具而形成的另一成形/支撑元件。如果(例如)所形成的单个成形/支撑元件具有L形型材，那么可将其接合以形成具有T形型材的纵材，其中成形工具还充当支撑件和压力工具。
U形型材也是如此，其彼此间可接合。
或者，为了创造两个L形型材，也可能将如此形成的一个U形型材沿其在成形工具上的长度而分开。
还建议应将成形/支撑元件连同在此元件上形成的增强部分一起从成形工具中移除，且应借助于处理装置来界定位置。成形/支撑元件可经设计为与处理装置(例如，与啮合装置)相互作用。举例来说，所述处理装置可替代地具有吸入夹持器。
附图说明
下文基于实施例且参考附图中的图式较详细地阐释本发明。
图1a到图1b示出了具有模具部分的成形工具的实施例；
图2a到图2b示出了按照图1b的以成形工具形成成形/支撑元件的实施例；
图3示出了由具有L形型材的两个增强部分形成T形型材的实施例；
图4示出了由具有U形型材的两个增强部分制成的复合增强部分的形成的另一实施例；
图5示出了具有分离元件的图3的实施例；
图6示出了具有分离元件的图4的实施例；以及
图7a到图7h是展示生产用于航空和航天的纤维复合组件的根据本发明的方法和根据本发明的成形装置的实施例中的阶段的示意图。
图中的所有图式中，除非另有说明，否则相同的元件或发挥相同功能的元件以相同的参考标号展示。
具体实施方式
图1a和图1b示出了具有模具部分3的成形工具2的实施例。在此实例中，成形工具2为由木材制成的具有界定的长度和矩形横截面的部分(仅展示了横截面)。成形工具2也可由不同的材料(例如，钢)制成。使用例如研磨(也可想象出其它方法，如铸造方法)等机械加工方法，使成形工具2的一个边缘(或更多边缘)具备凹座，这些凹座形成在成形工具2的部分或整个长度上延伸的模具部分3。
在模具部分3的帮助下，如箭头所示，以合适的方式使成形/支撑元件4变形使得其呈现模具部分3的形状。为此，图2a展示处于其最初位置的成形/支撑元件4，且图2b展示其位于经变形的位置。在此实例中，成形/支撑元件4为金属薄片，其在厚度上对应于模具部分3中凹座的深度，结果是变形的成形/支撑元件4的表面与成形工具2的相应表面大体上相齐平地延伸。变形的成形/支撑元件4在此实例中具有L形型材横截面。
现在同时参看图7a到图7h，这些图表示生产用于航空和航天的纤维复合组件1的根据本发明的方法和根据本发明的成形装置的实施例中的阶段的示意说明。
成形的成形/支撑元件4留在成形工具2的模具部分3中且形成用于半成品纤维产物5的成形工具(参见图3和图7a、7b)。在随后的阶段中，以使得半成品纤维产物5围绕成形/支撑元件4且适应成形/支撑元件4的形状(图7c)的方式将半成品纤维产物5沉积并成形在成形/支撑元件4上。
多种制造方法(例如HotForm工艺)可用以处理半成品纤维产物5中的复合纤维材料。在此例中优选地选择所谓的真空浸出工艺。然而，预浸工艺在此处也同样适用。
在此工艺中，具有位于在此模具上的模具部分3中的成形/支撑元件4(半成品纤维产物5沉积于此元件上)的成形工具2在真空膜装置17之下(例如在高压釜中)在固化循环中的热效应(参见图7d中的太阳符号)和压力效应下被固化，从而产生增强部分7(图7e)。
如下文较详细描述，在此实例中此增强部分7具有L形型材且可用作L形纵材来增强纤维复合组件1。
为此，图3描述展示具有T形型材的复合增强部分9的形成的实施例，所述T形型材由具有L形型材的两个增强部分7制成。
图3以部分截面展示两个成形工具2。成形工具2使其纵向侧面面向彼此(参见图7f)且各自的模具部分3中的每一个中固持有一个成形/支撑元件4，这分别被用以使沉积的半成品纤维产物5成形和以L形型材形成增强部分7(参见图7c到7f)。在此实例中，增强部分7位于顶部侧面(L形型材的较长的侧面)，不但位于成形/支撑元件4上，而且也位于成形工具2的表面的一部分上。此实例中，具有L形型材的连接部分7的较短的侧面面向彼此，其中刀片位于其间以获得额外的增强(图7f中并未提供刀片)。
通过一起按压成形工具2的纵向侧面，使具有L形型材的增强部分7的较短的侧面以合适的方式接合在一起，因此形成具有T形型材的增强部分9，增强部分9的基座由具有L形型材的单个增强部分7的较长侧面组成且是颠倒的。
图4描绘展示由具有U形型材的两个增强部分8制成的复合增强部分的形成的另一实施例。U形型材通过在成形工具2和成形/支撑元件4的表面上沉积半成品纤维产物(图7c)且相应地使其变形而形成，在此实例中，固持于模具部分3中的并入在成形工具2的两个相对纵向边缘上。在图4中，增强部分8如图3下所描述而变形。图4(和图7f)展示当一起按压成形工具时，具有U形型材的增强部分8的较短侧面被接合在一起，且在此例中还提供了刀片6。这样接合的两个或两个以上U形型材可被用以形成纤维复合组件。
然而，具有U形型材的增强部分8也可能在其纵向方向上分开，导致各具有一L形型材的两个增强部分7，其可如上文所阐释接合在一起以成为具有T形型材的增强型材部件9(参见图7g、7h)。相应型材侧面的长度可由成形工具2以及相应成形/支撑元件4的型材的宽度决定。
如在图5中的类似于图3的实施例中所示，还可能将分离元件15定位在半成品纤维产物5与成形成形/支撑元件4或成形工具2之间。在此例中的分离元件15为真空膜，这使得有可能在定型和固化工艺(参见下文)中的随后的固化(图7h)期间使成形/支撑元件4与增强部分7、8、9分离且因此准许其留在真空区域之外。因此，如上所述，这使得有可能避免使用昂贵的工具材料。
分离元件15被应用到每一成形工具2且在此实例中借助于密封剂16(例如，密封油灰)以密封的方式彼此连接。
图6展示在具有类似于图4的U形型材的增强部分8的情况下分离元件15的使用。对图5的阐释也适用于此。
图7a到图7h是展示生产用于航空和航天的纤维复合组件1的根据本发明的方法和根据本发明的成形装置的实施例中的阶段的示意说明。
成形装置具有上文所述的成形工具2，所述成形工具2具有上文所述的模具部分3。
在此实例中，成形工具2示为在图7a到图7h中其纵向延伸的透视。此处，成形工具2被固持在具有相互作用的型材(例如，鸠尾型材或类似型材)的支撑元件11上。在图7b中，模具部分3具备变形的成形/支撑元件4。在图7c中将半成品纤维产物5应用到成形/支撑元件4(且如有必要也应用到成形工具2的表面)。在此工艺中成形/支撑元件4充当用于半成品纤维产物5的成形元件以形成增强部分7。
图7d为固化或预固化增强部分7的HotForm工艺的示意说明。为此，将具有附接的成形/支撑元件4和如此成形的半成品纤维产物5的成形工具2以支撑元件11定位在真空膜装置17之下的基座板10上。太阳符号旨在展示固化或预固化增强部分7的热的效应。
如图7e所示，如此固化的增强部分7留在具有成形/支撑元件4的成形工具2上。在此实例中，为了形成具有T形型材的增强部分9，现在将如上文所述制备的具有增强部分7的两个成形工具2定位在基座板10上，其中增强部分7具有面向彼此的L形型材(在此情况中，L形型材的较长的侧面面向彼此)。如上文所阐释，具有T形型材的复合增强部分9(图7f)通过被按压在一起而创造。
以适当的方式将如此形成的增强部分9连同成形/支撑元件4(其现也充当支撑元件)一起从成形工具2中移除，这并未以任何更详细的方式展示，且转而使用处理装置13，在图7g和图7h中仅示意性地说明处理装置13与夹持器元件14。然后开始运输增强部分9和在其两个纵向侧面上的成形/支撑元件4以用于定位在待增强的纤维复合组件1上，如图7h中示意性地说明。具有T形型材的其它增强部分9已定位在纤维复合组件1上，例如用于航空或航天的舵单元的外壳组件。其他增强部分也由发挥支撑元件功能的相应成形/支撑元件4支撑。这种所谓的定型工艺之后是固化工艺(未说明)，例如类似于图7d所示的工艺。
在分离元件15(参见图5和图6)的情况下，这些元件以密封方式连接在一起，其中成形/支撑元件4如上文所述被定位在此真空区域之外。
在使如此增强的纤维复合组件1固化之后，在处理装置的帮助下将成形/支撑元件4移除且重新插入于用以准许对其重新使用的成形工具2的模具部分3中。
本发明并不限于图中所示的生产用于航空和航天的纤维复合组件1的特定方法和成形装置。
举例来说，本发明概念也可应用于运动装备或赛车运动领域中的纤维复合组件。
增强部分7、8和9还可制造为其它型材形状。
成形工具2还可由铸造材料制成。
成形/支撑元件4还可由复合纤维材料(例如，CFRP)构成。
在用于生产用于航空和航天的增强型纤维复合组件1的方法中提供具有预定义的模具部分3的成形工具2。借助于成形工具2的模具部分3来模制成形/支撑元件4。然后使半成品纤维产物5至少部分地沉积于成形的成形/支撑元件4上。使沉积的半成品纤维产物5借助于成形/支撑元件4而变形以形成至少一个增强部分7、8、9。然后将成形/支撑元件4连同形成在此元件上的增强部分7、8、9一起从成形工具2中移除，接着通过以成形/支撑元件4支撑而相对于相关联的纤维复合组件部分12对如此形成的增强部分7、8、9进行界定的定位。增强部分7、8经固化以形成增强型纤维复合组件1。成形装置具备固持成形/支撑元件4使得其可被移除的预定义的模具部分3。

Claims (11)

1.一种生产用于航空和航天的增强型纤维复合组件(1)的方法，其具有以下步骤：
(i)提供具有预定义的模具部分(3)的成形工具(2)；
(ii)借助于所述成形工具(2)的所述模具部分(3)而模制成形/支撑元件(4)；
(iii)将半成品纤维产物(5)至少部分地沉积在成形的所述成形/支撑元件(4)上；
(iV)借助于所述成形/支撑元件(4)而模制沉积的所述半成品纤维产物(5)以形成至少一个增强部分(7、8、9)；
(V)将所述成形/支撑元件(4)连同形成在此元件上的所述增强部分(7、8、9)一起从所述成形工具(2)中移除；
(Vi)通过以所述成形/支撑元件(4)支撑而相对于相关联的纤维复合组件部分(12)对如此形成的所述增强部分(7、8、9)进行界定的定位；以及
(Vii)将所述增强部分(7、8、9)固化以形成所述增强型纤维复合组件(1)。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，
所述半成品纤维产物(5)至少部分地沉积在形成的所述成形/支撑元件(4)上以及所述成形工具(2)上。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，
在部分沉积至少一个所述半成品纤维产物(5)之前，将分离元件(15)应用于所述半成品纤维产物(5)之下。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，
所述分离元件(15)为真空膜。
5.根据前述权利要求中至少一项权利要求所述的方法，其特征在于，将至少两个增强部分(7、8)接合在一起以在使所述沉积的半成品纤维产物(5)变形之后形成至少一个复合增强部分(9)。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，
将增强部分(8)在纵向方向上分开以形成两个单个的增强部分(7)。
7.根据权利要求5或6所述的方法，其特征在于
所述至少两个增强部分(7、8)连同所述成形/支撑元件(4)一起在所述接合工艺期间留在所述相应成形工具(2)上且通过一起按压所述成形工具(2)而接合。
8.根据前述权利要求中至少一项权利要求所述的方法，其特征在于，
将所述成形/支撑元件(4)连同形成在此元件上的所述增强部分(7、8、9)一起从所述成形工具(2)中移除且借助于处理装置(13)而界定位置。
9.根据前述权利要求中至少一项权利要求所述的方法，其特征在于，
在形成所述增强型纤维复合组件(1)之后将所述成形/支撑元件(4)移除且重新放置在所述成形工具(2)的所述模具部分(3)上以便对其重新使用。
10.根据前述权利要求中至少一项权利要求所述的方法，其特征在于，
所述成形/支撑模(4)包含金属材料和/或复合材料。
11.一种生产用于航空和航天的增强型纤维复合组件(1)的成形装置，其具有：
成形工具(2)，其具有预定义的模具部分(3)；以及
成形/支撑元件(4)，其固持在所述成形工具(2)的所述模具部分(3)中使得其可被移除，所述成形工具(2)的所述预定义的模具部分(3)经配置以使所述成形/支撑元件(4)成形。
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