CN102137791B - 用于以选择性激光熔融法制造的飞机结构构件的支柱 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于高强度的结构构件(2)的长形的支柱(20)，其中所述支柱(20)设计成吸收横向于所述支柱(20)的纵向延伸方向作用的弯曲力。所述支柱(20)具有壁部(26)，所述壁部至少部分地包围所述支柱(20)的长形的空腔(28)。在所述空腔(28)内且横向于所述纵向延伸方向设置加强结构(36；38)，使得所述加强结构(36；38)能够吸收至少部分的弯曲力。所述加强结构(36；38)与所述壁部(26)一体地构成，其中所述壁部(26)和所述加强结构(36；38)由可熔化的材料构成。

Description

用于以选择性激光熔融法制造的飞机结构构件的支柱

技术领域

本发明涉及一种用于例如用于飞机的结构构件的支柱。本发明尤其涉及一种用于高强度的结构构件的长形支柱、一种具有支柱的结构构件、一种结构构件在飞机中的应用、一种用于制造支柱的方法、以及一种用于实施该方法的计算机程序元件和一种相应的计算机可读介质。

背景技术

在当今的商用飞机中，在高强度的位置上使用特殊地构造的结构构件。“机务人员休息舱”的固定可用作用于这样的结构构件的示例，在所述机务人员休息舱中，结构构件一方面与该“室”固定地连接，并且另一方面引入结构构件内的力能够通过拉杆和压杆传递到飞机的隔框上。因此，结构构件能够在力方向变化的情况下将作用在一端上的力传递到另一端上，其中产生在结构构件内占主导地位的弯曲力。这样的结构构件通常由铝合金或钛合金以例如铣削、车削或铸造的传统加工方法制造，其中结构构件一方面能够由例如支柱和保持元件的单件组装而成，所述单件例如能够通过焊接或铆接来连接。另一方面，这样的结构构件也由具有相当高的切削比例的坯件制造。

但是，业已证明，借助于这样的方法仅能够有条件地制出自由面、底切或空腔。因此，借助于例如数字法优化的构件必须构造成，使得这些构件能够在经选择的传统的加工方法中制造。因此导致，由于加工技术的原因，构件不能够通过模拟实现为构件的理想地可看出的几何形状，或者在结构构件的多个位置上留有比用于力传递所需的材料更多的材料。因此导致增加的重量，这恰恰在飞机制造业中是不希望的，因为这在飞行阶段期间导致较高的能量消耗。

发明内容

因此，本发明的目的在于，提供一种结构构件或一种设置在结构构件内的支柱，使得能够有利地吸收和/或以重量优化的方式传递作用在结构构件上的弯曲力。

该目的通过一种用于高强度的结构构件的长形的弯曲的支柱得以实现。另外的实施形式在本文中说明。

根据本发明的一个方面，用于高强度的结构构件的长形的支柱设计成吸收横向于支柱的纵向延伸方向作用的弯曲力。支柱具有壁部，所述壁部至少部分地包围支柱的长形的空腔。在空腔内且横向于纵向延伸方向设置加强结构，使得加强结构提高抗弯刚度。加强结构与壁部一体地构成，其中壁部和加强结构由可熔化的材料构成。

如果借助壁部包围的长形的空心体，例如管状的构造，通过弯曲力加载，那么该空心体趋于弯曲。在弯曲过程中，在弯曲位置上，横截面首先改变。通过在空腔内的加强结构设置在潜在的弯曲位置上达到，为了弯曲，必须在该位置上施加较大的弯曲力。因此，在施加相同的弯曲力的情况下，提高了相对纵向弯曲的安全性。借助该构造也可能的是，在相对纵向弯曲的相同的安全性的情况下，将较大的弯曲力导入根据本发明的支柱内。因为空心体的壁部同样能够吸收一部分弯曲力，所以壁部最好构造成是封闭的。

通过使用可熔化的材料，可能的是，在上下重叠构成的且相互连接的层内形成支柱，如稍后结合根据本发明的制造方法进行说明。为此，每种可熔化的材料都是适合的，例如塑料或金属。

根据本发明的一个优选的实施形式，加强结构构成为圆盘状。在此，限定加强结构或圆盘的边缘能够整面地与空心体的壁部连接。圆盘与支柱一体地构造。通过该构造，在施加弯曲力的情况下，空心体在潜在弯曲位置上的横截面完全地或至少尽可能完全地保持不变。因此，与在可能没有这样的圆盘相比，明显更大的弯曲力能够导入支柱内，并且通过支柱传递。另外的支撑构件最好不作用在圆盘本身上。

根据本发明的另一个优选的实施形式，空腔具有至少一个开口，所述开口使空腔与围绕支柱的媒介连通。因此该媒介，例如空气，能够渗入空腔内，并且提供压力平衡。因此，这样的支柱能够在高空或深水中使用，因为在媒介和空腔之间能够不形成压差。这样的压差将导致在支柱内的应力，所述应力将附加地使支柱受到负载。因此，可通过加载有应力的支柱传递的弯曲力能够比在不加载有应力的支柱的情况下小。

有利的是，支柱具有至少一个开口，所述开口的尺寸确定为，使得能够从空腔去除用于制造支柱所需的粒料，该粒料由可熔化的材料组成。如上所述，支柱能够以再生层构法制造。在这种情况下，由可熔化的材料组成的粉末或粒料被涂覆成层，其中激光使支柱的轮廓最好完全地熔化。因为通过该加工方法有条件地使未经熔化的粒料在基底板上保持不变，直至制成支柱，所以在制造空腔时，在该空腔内装入该粒料。至少基于重量原因和成本原因，值得期望的是，该粒料尽可能无剩余地从空腔内去除。这能够通过至少一个这样的开口来实现。

根据本发明的一个有利的实施形式，这样的开口设置在支柱内且设置在加强结构内。并且在那里，开口最好沿着弯曲线设置，支柱在加载有弯曲力时沿着所述弯曲线弯曲。因此，开口设置在通过弯曲力产生的应力或拉力和推力具有它们的最低值且因此具有对结构构件强度的最小的影响的位置上。即使多个加强结构将空腔分成多个腔室，通过这些开口也确保腔室相互地且朝外地连接，而不必为此打穿支柱的壁部。

根据本发明的另一个优选的实施形式，支柱的壁部至少在部分区域内弯曲。特别是考虑到能够导致支柱突然折断的弯曲力，有利的是，支柱在静态未承载的状态下以弯曲的形式构成。为此四分之一弯曲或S形弯曲能够用作示例。通过支柱的这个几何构造发生导入的力的在支柱内的限定的分布。因此也可能的是，通过支柱的壁部的相应的弯曲，有针对性地降低所谓的事故载荷。在这种情况下，支柱的形状能够适应静态的和/或动态的要求。例如也可设想支柱的作为逐渐变细的管或作为具有变化的横截面的支柱的设计，其中变化的横截面不但可理解为尺寸，例如小的直径到大的直径，而且也可理解为形状，例如圆到椭圆。

根据本发明的另一个有利的实施方式，在支柱中，壁部的壁厚发生改变。因此，壁厚能够适应于待通过支柱吸收的力。因为随着与施加的力的距离的增加，在支柱内的应力变大，所以这些应力能够通过增加壁厚来补偿。例如也能够通过壁厚的局部变化来吸收与第一个力具有一定距离地施加的且产生在支柱内的附加的应力的第二个力。因此，支柱的壁部的壁厚在支柱的纵向延伸上和在外周上变化。因此，支柱的壁厚与实际产生的负载相适应。

根据本发明的另一个适宜的实施方式，支柱由可熔化的材料制成，其中可熔化的材料具有选自如下材料组中的至少一种材料，所述材料组包括不锈钢、工具钢、钛、铝、钴、镍和这些材料的合金以及混合物。通过使用这些最好不使用粘合剂添加物的材料，可作为粉末使用的材料的完全的熔化是可能的。因此能够获得大约100％构件密度，使得能够制成机械特征值尽可能相当于材料的规格的支柱。这意味着，例如在由钛合金制成的支柱中，以相应的钛合金为基础的特征值，例如弹性，也能够构成支柱的基础。

根据本发明的另一个方面，结构构件与支柱一体地构成。结构构件具有至少两个吸收部，其中在一个吸收部上能够出现力，所述力在支柱上产生弯曲力的情况下被传递到另一个吸收部上。通过一体的构造，结构构件能够完全地由一种材料组成。最好没有需要随后插入结构构件内的单件。通过将根据本发明的支柱合并到结构构件内，现在能够在利用在前面的段落中所述的优点的情况下，以重量优化的方式传递导入结构构件内的力。

在本发明的另一个有利的实施形式中，结构构件根据仿生学的观点以拓扑的方式优化。这样的优化意味着，能够提供自由结构，所述自由结构在机械的、热的、电的、声的、过滤的和有关表面的性质方面满足要求。在这种情况下，该设计能够结合和尽可能模仿来自自然界的范例，例如其设计为长骨的形式。

在本发明的另一个有利的实施形式中，结构构件借助支柱构成。在这种情况下，附加的结构支承件与支柱的壁部连接。加强结构在支柱的空腔内设置成，使得加强结构将在支柱中出现的弯曲力导入支承件内，以致通过加强结构使支柱的弯折变得困难。

根据本发明的另一个方面，如上所述，在飞机中使用结构构件。

根据本发明的另一个方面，支柱通过再生层构法，尤其是通过选择性激光熔融法制造。在这种情况下，构成至少部分地包围支柱的长形的空腔的壁部。此外，构成加强结构，该加强结构在空腔内且横向于支柱的纵向延伸方向，使得加强结构能够吸收至少部分的作用在支柱上的弯曲力。附加地，加强结构与壁部一体地构成，其中壁部和加强结构由可熔化的材料借助于层构法构成。

在这种情况下，支柱能够一层一层地构造，其中由粉末状的材料组成的层分别涂覆在支柱的已经处理过的部分上，并且然后能够局部地被熔化，使得层在随后的凝固时能够与该部分连接。例如借助激光束能够制出也带有底切的任意的三维的几何形状。因此能够制出在传统的机械或铸造技术的加工中不能够制造的支柱。通常，为了制造产品需要的是，该产品的几何数据以三维的形式存在并且作为层数据加工。由构件的已有的CAD数据，通过所谓的“分层”制出很多的层。

根据本发明的另一个方面，当在用于实施再生层构法的计算机控制装置上执行计算机程序元件时，计算机程序元件设计成实施用于制造支柱的上述方法。

根据本发明的另一个方面，使用计算机可读介质来实施用于制造支柱的再生层构法，所述介质具有存储在其上的计算机程序元件。

附图说明

结合借助于附图详细阐述的实施例的说明，由本文中获得本发明的另外的细节和优点。

图1示出具有根据本发明的长形的支柱的结构构件的三维视图；

图2示出图1中的具有根据本发明的长形的支柱的部分剖面的结构构件的侧视图；以及

图3示出从外侧观察的具有根据本发明的结构构件的“机务人员休息舱”的顶部的一部分。

具体实施方式

预先应该提及的是，在图中相同的部件具有相同的附图标记，并且附图只是示意性的且不必是按比例的。

图1示出结构构件2，所述结构构件基本上由角撑架4和吊耳6组成。角撑架4由两个相互垂直的支腿8、10形成，所述支腿设有紧固孔12。借助于通过紧固孔12插入的合适的紧固材料将角撑架4固定在“机务人员休息舱”52上(参见图3)。

吊耳6具有两个相互平行的平面侧14、16。垂直于平面侧14、16，吊耳6具有贯通孔18，在所述贯通孔内安置有未示出的防震安装元件，所述防震安装元件与拉压杆19(参见图3)铰接地连接。吊耳6相对于角撑架4设置成，使得平面侧14、16沿着方向F相对于角撑架4的支腿10平面平行地延伸，并且横向于方向F构成大约10°的角。

吊耳6基本上通过支柱20与角撑架4固定地连接。在这种情况下，支柱20的下边缘22邻接角撑架4的支腿8，并且支柱的上边缘24邻接吊耳6。支柱20具有壁部26，所述壁部包围空腔28(参见图2)。支柱20类似锥形的弯曲的管，其中最大的直径位于下边缘22上，并且最小的直径位于上边缘24上。支柱20与角撑架4的支腿8构成一个锐角。支柱20在其底部的部分内朝吊耳6的方向略微弯曲，以便在顶部的部分内朝着吊耳6增强曲率。

构成为直管的支承件30借助其下边缘32支撑在角撑架4的支腿8上。支承件的上边缘34与支柱20的壁部26的指向角撑架4的部分固定地连接。

支柱20的壁部26在其厚度35方面设计成，从下边缘22到上边缘24连续地减少。附加地，空腔28通过具有下圆盘36和上圆盘38的形式的两个加强结构分成三个腔室39。两个圆盘36、38横向于支柱20的纵向延伸方向设置。在这种情况下，圆盘36、38具有整面地且一体地与壁部28的内侧42连接的边缘40。圆盘36、38附加地具有开口44，所述开口沿着支柱的弯曲线延伸。腔室39通过这些开口44相互连接。此外，在下边缘22内的支腿8具有穿孔46，通过所述穿孔，支柱20的空腔28与围绕支柱20的媒介连接。构成为管的支承件30也在其下边缘32内具有在支腿8内的穿孔48。

在吊耳6上沿方向F引导的拉力或压力在支柱20上施加弯曲力，所述弯曲力表现为横向于支柱20的纵向延伸方向出现的横向力。该横向力能够导致支柱20弯折，并且因此导致结构构件2失效。例如横截面变化发生在管的弯折前。因此，在弯折位置上保持横截面不变意味着，在相同的横向力引入的情况下该管不会弯折，或者必须增加横向力的引入，以便使管弯折。因此，上圆盘38相对于支承件30定位成，使得上圆盘38在最容易受到弯折的位置上保持支柱20的横截面。因此在支柱20的重量优化的设计中能够吸收和传递引入的横向力。

结构构件2的制造通过选择性激光熔融法(SLM法)进行。在这种情况下，通过基于已有的CAD数据的所谓的“分层”借助于很多的层制出结构构件2。因此整个结构构件2一体地制成。

粉末或粒料借助于例如刮板以大约0.001至大约0.2mm的厚度整面地涂覆。通过根据支柱的被分层的轮廓控制激光束，这些层逐步地在粉末底层内熔化。那么，结构板形状略微地下降，并且新的层熔化。粉末通过粉末板形状的上升或作为在刮板内的储备来提供。层沿竖直方向构成。由激光供给的能量由粉末吸收，并且导致颗粒的局部受限的熔化。

因为SLM法导致各个层通过激光束的控制在粉末底层内熔化，所以粉末保留在空腔内，并且在完成加工后通过相应的开口去除。在结构构件2内，为了将粉末无剩余地从空腔28或空室39内去除，为此设有开口44或穿孔46、48。

例如能够使用钛合金TiAl6V4作为用于制造结构构件2的原材料。

图3示出从外部观察到的“机务人员休息舱”52的顶部的一部分。在隔框50之间安装有两个结构构件2，“机务人员休息舱”52固定在所述结构构件的角撑架4上。结构构件2通过吊耳6与拉压杆19的一端连接。另一端与隔框50铰接地连接。

补充地指出，“包括”不排除其它的元件或步骤，并且“一个”不排除多个。此外指出，参考上述实施例中的一个说明的特征或步骤也能够应用于与上述其它实施例的其它特征或步骤的组合。在权利要求中的附图标记不视为是限制的。

附图标记列表

2     结构构件

4     角撑架

6     吊耳

8     支腿

10    支腿

12    紧固孔

14    吊耳的平面侧

16    吊耳的平面侧

18    贯通孔

19    拉压杆

20    支柱

22    支柱的下边缘

24    支柱的上边缘

26    壁部

28    空腔

30    支承件

32    支承件的下边缘

34    支承件的上边缘

35    厚度

36    下圆盘

38    上圆盘

39    腔室

40    边缘

42    内侧

44    开口

46    穿孔

48    穿孔

50    隔框

52    机务人员休息舱

F     方向

Claims (14)

1.一种用于高强度的结构构件(2)的长形的弯曲的支柱(20)，其中所述支柱(20)设计成吸收横向于所述支柱(20)的纵向延伸方向作用的弯曲力，其中所述支柱(20)具有：

壁部(26)，所述壁部(26)至少部分地包围所述支柱(20)的长形的空腔(28)并且所述壁部形成管状的构造；

圆盘状的加强结构(36；38)，其中所述加强结构(36；38)设置在所述空腔(28)内且横向于所述纵向延伸方向，以便提高抗弯刚度，

其中所述加强结构(36；38)与所述壁部(26)一体地构成，

其中所述壁部(26)和所述加强结构(36；38)由能熔化的材料构成。

2.如权利要求1所述的支柱(20)，其中限定所述圆盘状的加强结构(36；38)的边缘能够整面地与所述壁部(26)连接。

3.如权利要求1或2所述的支柱(20)，其中所述空腔(28)具有至少一个开口(44；46)，所述开口(44；46)使所述空腔与围绕所述支柱(20)的媒介连通。

4.如权利要求3所述的支柱(20)，其中所述至少一个开口(44；46)的尺寸确定为，使得能够从所述空腔(28)中去除用于制造所述支柱(20)所需的粒料，所述粒料由能熔化的材料组成。

5.如权利要求3所述的支柱(20)，其中所述至少一个开口(44；46)设置在所述加强结构(36；38)内。

6.如权利要求1和2中任一项所述的支柱(20)，其中所述壁部(26)至少在部分区域内弯曲。

7.如权利要求1和2中任一项所述的支柱(20)，其中所述壁部(26)的壁厚(35)局部地变化。

8.如权利要求1和2中任一项所述的支柱(20)，其中所述能熔化的材料具有选自如下材料组中的至少一种材料，所述材料组包括不锈钢、工具钢、钛、铝、钴、镍和这些材料的合金以及混合物。

9.一种具有如权利要求1至8中任一项所述的支柱(20)的结构构件(2)，其中所述结构构件(2)与所述支柱(20)一体地构成，并且其中所述结构构件(2)具有至少两个吸收部(4；6)，其中在所述一个吸收部(6)上能够出现力，所述力在所述支柱(20)上产生弯曲力的情况下被传递到所述另一个吸收部(4)上。

10.如权利要求9所述的结构构件(2)，其中所述结构构件(2)根据仿生学的观点以拓扑的方式优化。

11.如权利要求9或10所述的结构构件(2)，其中支承件(30)与所述支柱(20)的所述壁部(26)连接，并且其中所述加强结构(38)在所述支柱(20)的所述空腔(28)内设置成，使得所述加强结构(38)将在所述支柱(20)中出现的弯曲力导入所述支承件(30)内，使得通过所述加强结构(38)使所述支柱的弯折变得困难。

12.一种如权利要求9至11中任一项所述的结构构件(2)在飞机中的应用。

13.一种用于通过再生层构法制造支柱(20)的方法，其中所述方法具有：

构成至少部分地包围所述支柱(20)的长形的弯曲的空腔(28)的壁部(26)，所述壁部形成管状的构造；

构成圆盘状的加强结构(36；38)，所述加强结构(36；38)在所述空腔(28)内且横向于所述支柱(20)的纵向延伸方向，使得所述加强结构(36；38)能够吸收至少部分的作用在所述支柱(20)上的弯曲力，其中所述加强结构(36；38)与所述壁部(26)一体地构成，以及

其中所述壁部和所述加强结构(36；38)由能熔化的材料借助于层构法构成。

14.如权利要求13所述的方法，其中所述再生层构法是选择性激光熔融法。

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