CN102112297A - 用于利用微波制造纤维加强复合材料的部件的方法和模具 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于制造部件(1)的方法，该部件(1)具有至少一个层状物(2)，该层状物(2)带有纤维加强复合材料(4)，该方法至少包括下述步骤：a)以外形(5)布置至少一个可聚合纤维加强复合材料(4)制的层状物(2)，其中该外形(5)具有底面(6)和多个突起部(7)；b)定位至少一个模具(8)与至少一个突起部(7)接触，其中该模具(8)至少在接触面(9)中到至少一个突起部(7)处是以微波敏感材料(10)实施的；c)通过利用微波(3)照射至少一个模具(8)而聚合至少一个突起部(7)。特别地，使用有稳定的三维形状(11)的模具，其中该模具(8)具有用于部件(1)的接触面(9)，并且至少接触面(9)是以微波敏感材料(10)形成的。

Description

用于利用微波制造纤维加强复合材料的部件的方法和模具
本发明涉及一种用于制造部件(Bauteil)的方法，该部件具有至少一个层状物，该层状物带有纤维加强复合材料，本发明还涉及一种用于这种方法的工具。特别地，本发明应用于制造飞机的机身和/或较大的流动表面的元件(Komponente)。
考虑到提供未来适应于生态以及制造和运行成本低廉，但又符合最严格的安全规定的飞机的努力，越来越需要寻找主要的基本结构(例如机翼、机身元件、推进器壳体等等)不再由铝，而是利用纤维加强复合材料制造的可能性。特别地，利用这些轻量化技术能够明显减少飞机的重量。在制造这些主要的基本结构时要注意，这些结构具有可观的尺寸，例如襟翼部件就是这样，其延伸有若干米长。此外，这些部件在运行中经受高载荷，并因此为对安全很重要的部件，对于这些部件必须满足特别的质量要求。
这种纤维加强复合材料一般包括两个主要元件，即一方面为纤维，而另一方面为围绕纤维的聚合物基体。该基体包围纤维并通过热加工被硬化(聚合作用)，从而实现三维网连(Vernetzung)。利用该聚合作用实现纤维牢固地相互连接，而这样力能够——即主要通过剪切应力——被导入纤维中。作为纤维，除了碳纤维之外，必要时也考虑玻璃纤维。碳纤维目前仍相对昂贵，其通常至少90％(重量)由碳组成。纤维直径为例如4.5至8μm(微米)。这种碳纤维的属性是各向异性的。与此相反，玻璃纤维具有无定形的结构和各向同性的属性。它们主要由氧化硅组成，其中必要时可以混合更多的氧。玻璃纤维相对便宜，而碳纤维通过它的高强度和高刚度而突出。
现在，在飞机制造中应用所谓预浸技术(Prepreg-Technik)。在该技术中，例如预浸渍的织物或其它纤维成型件(预成型，)在合成树脂中浸湿并仅仅热加工至轻度固化(凝胶化)，使得它们可层状地(lagenweise)处理的。这种预浸材料有一点粘，并因此可以很好地布置在相应的模具中或层状相叠地布置，直到构造成所希望的部件形状。如果所希望的预浸材料层已布置好，它们可以被(热)硬化。目前使用所谓压热器(Autoklav)用于硬化该预浸部件——即烤箱，其必要时必须以超压(高至10bar)经过多个小时被加热，以实现部件的完全硬化。
此外，由DE 10 2005 050 528 A1可知一种微波压热器，提出利用该微波压热器借助微波辐射制造纤维复合部件。那里提出的该装置使微波辐射能够耦合进压热器的压力空间中。在直接利用微波激励对该方法合适的预浸材料时，存在不需要加热位于压热器中的空气或位于其中的保护气的优点，该保护气由于部件的大小而有可观的体积。通过使用微波技术，待硬化的预浸材料自身能够直接被加热，而其余环境区域相应地保持相对较冷。
在DE 103 29 411 A1中描述的微波共振器同样适合进行热加工。该微波共振器通常不在超压下运行。但它能够集成在压力加热器(压热器)中。
在利用微波加热材料时，可以使用下述作用机理：介电性加热(dielektrische
Figure BPA00001279939500021
)和电阻性加热(ohmsche
Figure BPA00001279939500022
)。如果在材料中存在可(自由)运动的偶极子(即带不均匀的电荷分布的分子)，则偶极子在通过微波产生的电磁场中被激励而高频振动。然后偶极子的动能通过内部摩擦转化为热，该热直接在材料中产生(介电性加热)。此外也可以通过感应产生涡电流
Figure BPA00001279939500023
从而材料的电阻最终引起温度升高(电阻性加热)。因此材料能够被加热到例如高于130℃、高于160℃或甚至也高于200℃的温度。该温度水平适于预浸材料的聚合或硬化。
现在这里特别地重要的是飞机元件，该飞机元件具有相对较大的底面和由其突出的突起部。该突起部例如为隔板形式的肋状物，该肋状物特别地有助于提高(装配的)元件的刚度。这种突起部具有例如大约11m(米)的长度，材料厚度在2.5mm至4mm(毫米)的范围中，而高度(其以该高度超过底面而突出)为至少25mm(毫米)。
在通过利用微波照射的硬化来制造这种元件时，重要的是在材料中保证均匀而足够的网连。为此需要使元件的这些“带角的(verwinkelt)”外形能够相应地利用微波辐射加工和/或在部件处达到均匀的温度分布。此外要注意，这里使用的预浸材料自身常常不是形状刚性的，因此必须利用相应的保持工具和/或模具在所希望的位置于微波照射期间固定。由此，之前谈及的问题被进一步扩大。
由此出发，本发明的目的是，至少部分地解决参考现有技术所描述的问题。特别地，应提供一种方法，利用该方法能够以所希望的高的、均匀的纤维加强复合材料网连度简单且过程可靠地制造前述部件。此外应提供一种模具，该模具特别地在微波加工的框架中保证均匀的硬化过程。
该目的利用根据权利要求1的特征的方法以及根据权利要求5的特征的模具实现。本发明的其它优选的实施形式和应用领域在各从属权利要求中给出。要指出的是，在权利要求中单独列示的特征能够以任意的、有技术意义的方式相互组合并示出本发明的进一步的实施方式。说明书联系附图举出本发明的进一步的、特别优选的实施例。
根据本发明的用于制造具有至少一个带纤维加强复合材料的层状物的部件的方法至少包括以下步骤：
a)以一外形布置至少一个可聚合纤维加强复合材料制的层状物，其中该外形具有底面和多个突起部；
b)定位至少一个模具与至少一个突起部接触，其中该模具至少在接触面中到至少一个突起部以微波敏感材料(mikrowellensensibles Material)实施；
c)通过利用微波照射至少一个模具而聚合至少一个突起部。
这里使用的纤维加强复合材料是能够聚合的。即使这里不是首要所需的，该纤维加强复合材料可以也吸收微波。以此特别地是指，所使用的纤维加强复合材料能够被加热并因此能够进行复合材料的(部分)硬化(或聚合作用)，如在引言中所描述的。
对于纤维加强复合材料特别地涉及碳纤维加强复合材料。该碳纤维优选地实施成在最初状态的无端的长纤维，该长纤维层状地以不同的纤维纵向指向布置在部件中。作为树脂特别地考虑下述中的一者：环氧树脂、酚醛树脂、双马来酰亚胺树脂或聚酯树脂。此外也可以使用带有已知的树脂基体材料的玻璃纤维加强复合材料。
为了制造该部件，可以只使用一个可聚合纤维加强复合材料制的层状物，但也可以至少局部地将多个这种层状物相叠地定位，以在必要时能够产生部件的变化的厚度。也可以使用不同的层状物，用来形成更复杂的外形，如这里带有底面和突起部。这里，一个“层状物”特别地为一层预浸材料。
在步骤a)的框架中，例如多个层状物被相叠地和/或相邻地定位在支承件上，从而其形成底面。这里该底面可以具有数平方米的大小，并显示出(轻微地)弯曲的形状。优选地，现在单面地(即与支承件相对而置地)将层状物布置成形成多个突起部。该突起部优选地以肋状物的形式构造成狭长的。优选地，在底面上以层状物形成至少三个、特别优选地形成至少五个或甚至至少十个这种突起部。现在，按该方法特别地构建所希望的飞机的襟翼的元件的外形或其它的流动表面。
根据步骤b)，进一步定位至少一个模具与至少一个突起部接触。从而该模具以它的接触面直接或间接地(必要时通过常用的薄膜等等)靠在至少一个突起部(单面和/或双面)上。现在该模具至少在包括接触面的区域中以微波敏感材料实施。这特别地意味着，当利用微波加工或照射时，该材料被加热，其中，特别地产生介电性加热和/或电阻性加热效应。现在，模具(必要时部分地)以这种方式通过微波照射被加热，其中该热量现在被传导至可聚合纤维加强复合材料制的层状物上。这里优选地使用自身不可聚合的材料，即至少经过大量这种微波加工仍保留它的关于形状稳定性、多孔性、产生热量的能力等等的属性。为此可以使用例如下述材料(单独的或部分相互组合)：带多种以不同的混合比例填充的添加剂的、微波可透材料(mikrowellentransparentes Material)，例如硅树脂、PTFE、PP、EP、PET、玻璃陶瓷、氧化铝、石英玻璃等等。添加剂可以是：(碾压的)碳短纤维(例如长度为0.1至0.25mm)、炭黑、活性炭、纳米结构——例如CNT(Carbon Nano Tubes，碳纳米管)、硅酸盐、溶胶凝胶材料等等。其它材料为(必要时也为填充的)橡胶以及带有至少一个聚合基体材料或热塑基体材料的纤维复合材料。
现在，在将这种模具相应地定位在底面上并接触到至少一个突起部之后，可以开始步骤c)。这里可聚合纤维加强复合材料层状物和模具的装置利用微波被处理，从而这些全部被暴露在高频电磁场下。因为现在该模具至少部分地阻止微波直接作用于可聚合的加强复合材料制的层状物上，所以不利用微波直接加工层状物，而(只)加工模具。通过模具的放置，现在该聚合作用在层状物中或特别地在被接触的突起部以及突起部和底面之间的过渡区域中均匀地发生，该模具由于微波照射而被加热。这样在这些复杂的层状物过渡处也能够将温度均匀而充足地带入层状物中，从而确保有足够的网连度的均匀的网连。以此模具不仅用作加热器，同时还用作热量分配结构。
根据该方法的进一步的构造提出，在步骤b)中定位至少一个模具与两个相邻的突起部接触。优选地，在该情况下，模具例如实施成U形剖面的形式并从而定位在两个相邻的突起部之间(并位于底面上)。完全特别优选的是，在部件的所有相邻的突起部之间布置这种模具。从而实际上带突起部的底面的整个表面通过模具而被覆盖。该模具(其自身构造成形状刚性并且有三维形状的)因此也用作用于突起部的保持元件或支持元件。因此能够实现特别高的关于突起部彼此的相对位置和/或突起部相对于底面的位置的形状公差。此外，尽管部件的外形相对复杂，也能够均匀地带入热量而遍及整个部件。
同样视为有利的是，在步骤b)中将多个突起部利用多个彼此共同起作用的模具固定。对此特别地是指，该模具自身直接或通过突起部彼此共同起作用。这样模具和/或突起部必要时也能够相对于彼此被夹紧，由此可靠地确保层状物在聚合作用之前和在聚合作用期间的固定。由此也特别地简化了准备硬化的层状物的处理或运输。
该方法的进一步构造的结果是作为步骤d)而去除至少一个模具。原则上当步骤c)完全结束时(即部件中所希望的网连度至少大部分实现)进行步骤d)。但在特别的应用情况中也可以在聚合作用还没有完全结束时，就已经去除模具的至少一部分。这特别地涉及当可聚合纤维加强复合材料制的层状物自身对微波敏感时的情况。
根据本发明的另一方面也提出一种模具，该模具用于制造具有至少一个层状物的部件，该部件带有纤维加强复合材料，其中该模具以三维形状实施，并且该模具进一步具有用于该部件的接触面，且至少该接触面以微波敏感材料形成。
该模具特别地用于进行这里根据本发明描述的方法。
这里该模具有利地这样形成：例如设有形状刚性的承载结构，该承载结构容纳微波敏感材料。但同样该微波敏感材料也可以自身是形状刚性的，并因此(至少部分地)独立形成该工具的三维形状。利用三维形状特别地表示，这里不涉及不稳定的薄膜等等，而特别地其截面形成例如L形、U形或相似的形式，并且在升高的环境压力(例如至10bar)下也不失去这些形状。通常，模具在围绕模具外表面的区域中形成接触面。同样优选的是，接触面只在外表面(即之后朝向部件的表面)上以微波敏感材料形成。该微波敏感材料则通过热技术与该接触面相连接，以能够在这里将热量导入部件中。
此外，视为有利的是，该模具具有用于部件的接触面，并且至少一个在接触面之外的区域是以微波可透材料形成的。通常，在与接触面相对而置的外表面利用微波加工模具。现在为了尽可能完全而针对性地在模具中靠近接触面而产生热量并同时实现对于模具的形状刚度的高要求，有意义的是，这两个功能同样在材料方面也相互分开。这里例如通过微波可透材料提供形状稳定性，该材料让微波“通过”，然而仍能够使能量几乎完全进入微波敏感材料。这种微波可透材料的例子有硅树脂、PTFE、PP、EP、PET、玻璃陶瓷、氧化铝、石英玻璃等等。
此外提出，该模具具有用于部件的接触面和与接触面相对而置的外表面，并且靠近外表面设有用于热隔离的器件。这里特别地也由此出发：该用于热隔离的器件包括微波可透材料。利用该热隔离导致，在微波敏感材料中产生的热量首要地只到部件而不被送至环境中。以这种方式能够进一步提高效率。为了热隔离可以使用例如玻璃棉或类似的矿物棉。
根据模具的进一步的构造，其实施成带有至少一个空腔(Holhraum)。该空腔可以实施成例如对于环境空气是可流通和/或可填充的。因此该空腔也能够特别地用于热隔离。必要时也可以设有多个这种空腔，其中该空腔也可以用作不同材料(微波可透过的和/或对微波敏感的)的储存器。
此外还提出，该模具至少部分地可与主动冷却系统相连接。该主动冷却系统与热隔离相似，布置在模具的背向接触面的一侧，由此能够进一步针对性地并且在必要时只局部地抑制热量排出至环境。这种“主动”冷却系统特别地涉及可调整的冷却系统，其中冷媒流经模具。冷媒特别地为冷的环境空气、冷的气体和/或冷的流体，其温度低于40℃或甚至低于0℃。
此外，视为有利的是，该模具实施成带有至少一个暴露的微波导入结构，该微波导入结构与微波敏感材料制的接触面共同作用。对此特别地是指，在远离接触面的区域中布置有微波敏感材料，该微波敏感材料实施成与接触面导热地接触。特别地，以此也可以实现从模具处微波辐射能够特别好地到达的位置到接触面的“内部”热传导。
完全特别优选地，这里提出的方法或这里提出的模具用于制造包括这种部件的飞机的机身和/或外部流动表面的元件。该元件特别地涉及来自下述组别的元件：襟翼、襟翼导轨粱、鼻部件、方向舵组、升降舵组，扰流器、顶部元件、喷口壳体、悬臂、结构框架。本发明同样能够用于其它飞行器的部件，例如直升飞机。
下面进一步借助附图阐述本发明以及技术领域。要指出的是，附图示出了本发明的特别优选的实施形式，但本发明不局限于此。其中：
图1示意性地显示了用于实施该方法的装置，
图2示意性地显示了模具的第一实施形式，
图3示意性地显示了模具的第二实施形式，而
图4示意性地显示了飞机。
在图1中图示了用于进行这里根据本发明所描述的方法的装置23。在该装置中可以涉及例如导言中所述的微波压热器。现在，在其中设有支承件24，在该支承件24上显示了待硬化的部件1(这里为襟翼的一部分)的截面。该部件1在两个支撑面25之间固定在支承件24上，并具有明显弯曲的底面6和多个朝上的、肋状物形式的突起部7。
为了靠近现场地(ortsnah)产生热源并为了保证突起部7彼此准确地对齐，这里多个模具8定位在部件1的背向支承件24的一侧上。模具8在这里共同起作用。这样它们特别地相互在两个支撑面25之间夹紧。模具8这样覆盖可聚合纤维加强复合材料4制的部件1的整个自由的外表面。
尽管部件的外形5相对复杂，现在为了保证均匀的聚合，模具具有微波敏感材料，该微波敏感材料由于利用在装置23内部的微波3的照射而靠近现场地在部件1处被加热。这样能够特别地在部件处达到至少可靠地达130℃或甚至180℃的温度。
模具8的一个实施形式的细节在图2中示出。下面首先部分地显示了部件，该部件由多个可聚合纤维加强复合材料制的层状物2形成(多层预浸材料)。这里存在外形5，其中设有两个基本垂直于底面6而延伸的突起部7。
现在，在这两个突起部7之间定位有这里基本构造成U形的模具8。该模具8完全覆盖这两个相邻的突起部7之间的部件的外表面并相应地到两个突起部7和位于其之间的底面6处构造成接触面9。现在正是模具8的该接触面9以微波敏感材料10形成。这里，该微波敏感材料10不延伸于模具8的整个厚度26，而只在外部区域12到外表面18设有微波可透材料13，这也在模具8的重复的应用中保证例如三维的、类似U形的形状(Form)11。因此微波3首先利用微波可透材料13透过区域12，然后在接触面9的区域中产生微波敏感材料10的介电性加热。
在图2中也可以看到，模具8的类似U形的形状11的侧面的壁段超出突起部7。该超出的壁段特别地也用作用于相邻的模具的支撑面25，使得模具8相对于彼此对齐或夹紧并从而能够准确地保持突起部的位置。
图3显示了模具8的另一实施形式。这里该模具8不仅在接触面9的区域中，而且在超过突起部7而突出的壁段中以微波敏感材料10实施。该段例如用作暴露的微波导入结构，从该微波导入结构能够产生热流(这里以箭头表示)到接触面9。这样特别地也防止在接触面9的边缘区域构造所不希望的冷位置。
此外，模具8在这里形成有多个微波可透材料13制的区域，其中这里在外表面18的区域中设有热隔离19(例如由玻璃棉制成)。在角区域中附加地形成空腔20，该空腔20例如可连接至主动冷却系统21。这样例如能够通过该空腔20导引凉的环境空气穿过。
现在图4还图示了飞机17的机身或流动表面16的元件14，该元件14能够以按照这里根据本发明描述的方法的部件来制造。可以看到，飞机17的大面积的、基本的结构部件已经能够以所提出的方法制造，其中同样地能够明显减少飞机17的重量。随之而来的更低燃料消耗和/或更高的载重量是本发明的显著优点。
附图标记清单
1.部件
2.第一层状物
3.微波
4.复合材料
5.外形
6.底面
7.突起部
8.模具
9.接触面
10.微波敏感材料
11.形状
12.范围
13.微波可透材料
14.元件
15.机身
16.流动表面
17.飞机
18.外表面
19.热隔离
20.空腔
21.冷却系统
22.微波导入结构
23.装置
24.支承件
25.支撑面
26.厚度

Claims (11)

1.一种用于制造部件(1)的方法，所述部件(1)具有至少一个层状物(2)，所述层状物(2)带有纤维加强复合材料(4)，所述方法至少包括下述步骤：
a)以外形(5)布置由可聚合纤维加强复合材料(4)制的至少一个所述层状物(2)，其中所述外形(5)具有底面(6)和多个突起部(7)；
b)把至少一个模具(8)定位成与至少一个所述突起部(7)接触，其中所述模具(8)至少在接触面(9)中到至少一个所述突起部(7)处是以微波敏感材料(10)实施的；
c)通过利用微波(3)照射至少一个所述模具(8)而聚合至少一个所述突起部(7)。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤b)中把至少一个所述模具(8)定位成与两个相邻的所述突起部(7)接触。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在步骤b)中多个所述突起部(7)利用多个彼此共同起作用的所述模具(8)固定。
4.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，作为步骤d)，至少一个所述模具(8)被去除。
5.一种用于制造部件(1)的模具(8)，所述部件(1)具有至少一个层状物(2)，所述层状物(2)带有纤维加强复合材料(4)，所述部件(1)具有三维形状(11)，所述模具(8)具有用于所述部件(1)的接触面(9)，并且至少所述接触面(9)以微波敏感材料(10)形成。
6.根据权利要求5所述的模具(8)，其特征在于，所述模具(8)具有用于所述部件(1)的接触面(9)，并且至少一个在所述接触面(9)之外的区域(12)以微波可透材料(13)形成。
7.根据权利要求5或6所述的模具(8)，其特征在于，所述模具(8)具有用于所述部件(1)的接触面(9)，并且具有与所述接触面(9)相对而置的外表面(18)，且靠近外表面(18)设有用于热隔离的器件(19)。
8.根据权利要求5至7中任一项所述的模具(8)，其特征在于，所述模具(8)具有至少一个空腔(20)。
9.根据权利要求5至8中任一项所述的模具(8)，其特征在于，所述模具(8)能够至少部分地与主动冷却系统(21)连接。
10.根据权利要求5至9中任一项所述的模具(8)，其特征在于，所述模具(8)实施成带有至少一个暴露的微波导入结构(22)，所述微波导入结构(22)与微波敏感材料(10)制的所述接触面(9)共同起作用。
11.飞机(17)的机身(15)或外流动表面(16)的一种元件(14)，所述元件(14)具有至少一个部件(1)，其按照根据权利要求1至4中任一项所述的方法和根据权利要求5至10中任一项所述的模具(8)制造。
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