CN102256771B - 用于制造由纤维复合材料制成的构件的方法、系统和模具 - Google Patents

Abstract

在一种用于制造由纤维复合材料制成的构件的方法中，将至少一个占位件插入模具(24)内的凹部(26)中；然后制成(4)半成品；除去(6)所述占位件；将至少一个升降垫插入(8)所述凹部(26)中；并且通过所述升降垫(20)的充气(10)，将所述半成品从所述模具(24)中取出。在用于制造由纤维复合材料制成的构件的系统中，脱模过程通过计算机监视和控制，以便不超过规定的最大构件负荷。通过柔和的脱模过程能够避免在维修或修复时引起的费用。

Description

用于制造由纤维复合材料制成的构件的方法、系统和模具

相关申请

本申请要求2008年12月16日提交的美国临时专利申请No.61/201915和2008年12月16日提交的德国专利申请Nr.10 2008 062 477.2的权益(优先权)。

技术领域

本发明涉及一种用于制造由复合纤维材料制成的构件的方法、一种用于制造由复合纤维材料制成的构件的系统、一种用于由复合纤维材料制成的构件的制造的模具、一种应用以及一种具有借助根据本发明的方法制造的构件的飞机。

背景技术

在借助于模具——不管是阳模还是阴模——制造由纤维增强塑料制成的构件时，在硬化后，不指望部件自行脱离模具。因此需要进行人工脱模过程。在此，“脱模”理解为将经硬化的构件从模子中取出。根据目前的现有技术，这通过在构件边缘借助于楔形工具将构件提升来实现，其中该楔形工具例如能够由木材或由例如聚四氟乙烯的软塑料制造。

此外，在较大的构件的情况下，需要“再推入”楔形工具，直至构件完全地与模具脱离。尤其在例如以机翼、飞机机身外壳、太阳能电池板的形式出现的大面积的外壳部件中，必须沿构件中心的方向预驱动楔形工具，直至构件最终与模具脱离。

在模具有缺陷地或不正确地借助分型剂涂层的情况下，并且在具有差的可达性的非常大的构件尺寸的情况下，需要的是，使用具有较大的提升力作用的附加的机械的辅助机构，以用于分离构件。那么此外，人工地使用这样的机械的辅助机构也需要的是，构件几何形状例如具有轻微的底切。

DE 198 54 735 A示出一种由可热变形的材料制成的套管以及一种用于制造该套管的方法。套管由基本上管形的基体组成，所述基体包括具有基本上恒定的半径的圆柱形外周和沿轴向方向呈锥形地逐渐变细的圆柱形内周。

DE 756 995示出一种用于加工可硬化的合成树脂模压塑料的压模，制成的挤压件可通过压缩空气从所述压模中除去。

具有所谓的“滑动插入件”的模具不能够应用于具有高的表面要求的构件，例如飞行设备的具有高的公差要求的空气动力学面或功能面。其原因例如在于如下事实，即楔形工具能够在构件表面呈现，在基体材料中能够形成所谓的“凸起”，并且在构件硬化期间很难对树脂进行密封。

发明内容

因此，本发明的目的是，提出一种用于制造由纤维复合材料制成的构件的方法，所述方法减少了或完全消除了至少一些上述缺点。目的尤其能够是：提出一种这样的方法，在所述方法中，也能够在不损环构件表面，不形成凸起或者通常不使构件受到非常大的机械负载的情况下将大面积的构件小心地从模具中取出。

该目的能够通过一种用于加工由纤维复合材料制成的构件的方法、一种用于制造由纤维复合材料制成的构件的系统、一种用于加工由纤维复合材料制成的构件的模具、一种这样的模具的使用以及一种具有根据本发明所述的构件的飞机得以实现。本发明的不同的实施例在下文中说明。

根据本发明的用于制造由纤维复合材料制成的构件的方法具有步骤：

-将至少一个占位件插入到模具内的相应至少一个凹部中，其中所述凹部设置在待加工的构件的切边区域内并且从那向外延伸；

-制成半成品；

-除去所述占位件；

-将至少一个升降垫插入到所述至少一个凹部中；以及

-通过所述至少一个升降垫的充气，将所述半成品脱模。

根据本发明的方法的一个重要的方面在于，在通过纤维材料在模具中的敷设和层压而成形的且随后硬化的构件不借助于楔形工具或其它较大地机械地介入的模具，而是借助于可充气的升降垫，从模具中取出。相应地，本发明的特征在于，采用明显可控制的脱模方法。通过使用例如压缩空气控制的升降垫能够控制在脱模时的力或路径，并且因此确保尽可能不损坏地将构件与模具分离。

在根据本发明的方法的第一思想中使用在将来的构件边缘具有用于升降垫的凹部的模具。在构件在模具中敷设和层压前，为了保护规定的表面，在该凹部中插入占位件，所述占位件完全地填满凹部，并且与模具的表面齐平地封闭。在此，占位件能够构成为一体的或多部分的分层。

根据对构件的表面的要求，凹部应该位于实际的构件外部的区域内，即位于所谓的“切边区域”内。待加工的构件延伸入位于希望最终形状外部的该切边区域内。然后，在构件硬化后且从模具中取出后，在切边区域内进行切边，以用于形成构件的最终的形状。这是特别有意义的，因为在凹部通过占位件填满的情况下不能够确保凹部真正地与模具的表面齐平底封闭，使得在所得到的构件中看不出棱边、弯曲和轻微的波浪形。因为总归在构件上不保留切边区域，所以在该区域内的形状偏差不是严重的。

在模具中的凹部优选从切边区域向外延伸，使得在切边区域和凹部之间存在重叠。这允许当构件敷设、层压和硬化后，将占位件从凹部中取出。

只要构件以毛坯形状——也就是说，未切成最终形状，并且在下面也称为“半成品”——存在于模具中，就能够取出占位件，从而在切边区域的部段的下方形成具有向外的开口的空腔。在该开口内能够插入升降垫，所述升降垫由弹性材料组成，并且通过填充压缩空气或其它适合的介质而膨胀。由此引起与已知的楔形工具相比非常大面积的力导入，从而不导致逐点的一侧的负载导入、局部的弯曲或其它负载峰值。力引入被良好限定，使得尤其是在薄壳的大面积的构件或构件区域中，不会由于脱模而超出在机械强度方面的几何尺寸界限，例如弹性曲线。这导致减少了纤维复合材料的可见的或不可见的损坏，这尤其是在安全性重要的部件中意味着减少了耗费的和附加的检查步骤，以便确保构件的完整性。因此，降低了与构件的制造直接相关的成本。

较大的构件的最终的脱模能够通过其它升降垫的推入和充气来确保。如果首先第一升降垫在凹部内被足够地充气，使得构件从模具中抬升一段，那么能够在构件底部的形成的附加的空腔或中间空间内插入另一升降垫。

由构件几何尺寸能够计算出构件的最大的弹性曲线。由于升降垫的相应的几何尺寸该弹性曲线不会被超过。用于制造由纤维复合材料制成的构件的系统能够优选具有多个升降垫的通过相应地编程计算机或另一个电子设备的自动的控制，所述电子设备控制和监视脱模过程。

根据构件几何形状和要求能够采用用于升降垫的特殊地成形的几何形状。这尤其促进了具有轻微的底切的构件的脱模。

在构件区域内——在所述构件区域内，在另一加工步骤中分离出断裂部或几何区域——能够在构件层压前就已经使用由耐温的材料组成的升降垫。在此确保，模具配有用于在集成的升降垫内导入的介质的预安装的接头，并且升降垫置入模具中，使得没有树脂能够在模具和升降垫之间穿过。通过这样预安装的且分布在待加工的构件的表面上的升降垫能够以批量过程实施全自动的脱模。通过在模具上的中央控制，根据尽可能不受损坏的脱模，能够控制升降垫且给升降垫充气。

除了具有阳模或阴模的开放式模具思想外，根据本发明的方法也能够应用于封闭式模具思想，例如应用于树脂注塑法(“树脂传递模塑”，RTM)。在此能够减少升降垫的尺寸，使得升降垫形成突粒状升降垫或提升突粒。通过控制多个集成的较小的提升突粒，就批量加工而言，构件能够尽可能自动地完全脱模。

总而言之，相对于具有常用的人工脱模过程的已知的方法，根据本发明的用于加工由纤维复合材料制成的构件的方法提供了一些优点。例如能够控制在脱模过程中的路径和力，使得能够避免不必要的构件弯曲应力。同样也降低了构件在脱模时损坏的风险，因为能够遵循预先限定的最大弹性曲线。因此降低了对在脱模过程期间损坏的构件进行的必需的维修的次数。尤其是因为在脱模时不出现逐点的负载导入，所以特别关键的部件，例如卫星的太阳能电池板，能够通过所提出的方法柔和地脱模。在脱模时的表面负载能够通过升降垫的具体设计适配于特有的构件几何形状。为了节省成本和时间，自动化是可能的。如果待脱模的构件非常牢固或非常硬，那么通过根据本发明的方法在脱模时导入比在目前已知的人工的脱模过程中对应地明显更大的力。通过平行连接升降垫，最终也可能同时抬升多个构件区域，使得也因此减少局部的弯曲负载。

本发明的目的同样通过一种用于制造由纤维复合材料制成的构件的模具得以实现，所述模具具有凹部和用于所述凹部的占位件，其中所述占位件完全地填满所述凹部，与所述模具的表面齐平地封闭并且当所处理的半成品存在于所述模具上时，所述占位件能够从所述凹部中取出，其中在待加工的所述构件下方插入至少一个升降垫，并且其中所述凹部设置在所述待加工的构件的切边区域内并且从那向外延伸。这种模具的使用以及一种具有至少一个通过根据本发明的方法制造的构件的飞机可视为用于该目的的其它解决方案。

应指出的是，本发明的特征和附加效果借助参考本发明的不同的实施形式说明。本发明的其它特征、优点和应用可能性可由实施例的下面的说明以及附图获得。在此，所有所述的和/或图示的特征与它们的在各个权利要求或与这些权利要求相关的权利要求中的组成无关地，自身地和组合地形成本发明的主题。

附图说明

在附图中相同的附图标记表示相同的或类似的对象。

图1a示出根据本发明的方法的第一变形方案的示意的概览；

图1b示出根据本发明的方法的第二变形方案的示意的概览；

图2示出根据本发明的系统的示意图；

图3示出根据本发明的模具的示意图；以及

图4示出具有通过根据本发明的方法制造的构件的飞机。

具体实施方式

在图1a中示出根据本发明的加工方法的第一思想。在该实施例中，根据本发明的方法以占位件在模具的相应的凹部中的插入2的步骤开始。然后接着是半成品的制成4的步骤。该步骤通常由各个过程，即敷设、层压和硬化组成，但是在这里不对顺序的完整性和正确性体提出要求。在现有技术中存在用于制成由纤维复合材料组成的半成品的大量不同的方式，例如同样包括由手进行的纤维敷设、由手进行的层压、以及紧接着的硬化，例如也包括机器操作的敷设方法和树脂注塑法。

在制成半成品后，去除6占位件。如在发明内容中已经提及，在去除6占位件后，在模具内且在切边区域的下方存在凹部。升降垫能够插入8该凹部内，所述升降垫紧接着被充气10。充气10应该优选以可控制的方式进行，使得能够避免过度的构件弯曲负载。特别优选的是，升降垫逐渐地充气10，并且在因此形成的位于构件和模具之间的中间空间内，再推入12其它升降垫且同样被充气10。通过这个连续的方式，构件可不受损坏地从模具中取出。

在图1b中示出根据本发明的方法的第二实施例。能够可替代地或除了在图1a中示出的方法外实施图1b中的方法。例如，较大的构件能够在使用图1a中的方法的情况下局部地制造，当例如断裂仅出现在构件的区域内时，在另外的区域内使用根据图1b的方法制造。

在这里，升降垫在制成4半成品之前就已经例如插入8模具的形成断裂几何形状或其它几何形状断裂的区域内。这意味着，升降垫位于如下区域内，在所述区域内随后不存在表面，使得与此相应地可能的弯折、折叠、波动等不重要。在这种情况下特别重要的是要注意，插入的升降垫具有耐温性，所述耐温性允许将构件和模具之间的升降垫带入硬化装置内。硬化例如能够在略低于200℃的温度下进行，使得用于如第二实施例的根据本发明的方法的升降垫必须具有相应地高的耐温性。此外在这种情况下应注意，模具具有用于将输送到介质升降垫内的接头，例如压缩空气接头。

在制成4半成品后，升降垫充气10，在构件和模具之间的相应的中间空间或空腔内能够再推入12另外的升降垫，所述升降垫然后同样被充气10。因此也实现在图1a中示出的通过经充气的升降垫的连续的提升行为。

在图2中提出一种根据本发明的用于制造由纤维复合材料14制成的构件的系统，所述系统具有为压缩机16的形式的流体源，所述压缩机通过阀18与升降垫20连接。通过调节各个阀18的流阻等能够可选地为各个升降垫或由所示升降垫20组成的组合充气。图2中的图示示例地说明，能够使用任何数量的升降垫20或在发明内容中所述的提升突粒，这单独地通过所制造的构件的尺寸、构件的复杂性和底切等来确定。为了达到尽可能有效的构件保护，可设想使用计算机22，所述计算机监视和控制整个脱模过程。因此，计算机22能够各自相互无关地控制各个升降垫20的充气，以便因此自动地不超过构件的最大的规定的弹性曲线。

在图3中示例地示出模具24，所述模具例如具有用于插入升降垫20的凹部26。对于本领域技术人员而言清楚的是，模具24能够具有明显更多数量的凹部26。在图3中示出的虚线区域28为所谓的切边区域，经制造的构件在所述切边区域内延伸，但是在构件硬化后将所述切边区域切除，以便提供给构件最终的形状。明显的是，当构件仍然齐平地置于模具24的表面30上时，升降垫能够插入凹部26内。通过在凹部26内的升降垫的充气，在凹部26内的构件的一部分能够与模具24的表面30分离，使得能够将另外的升降垫插入模具24的表面30和构件之间。

在图4中示例地示出飞机32，所述飞机具有多个构件34，所述构件借助根据本发明的方法，在根据本发明的模具24上且在使用根据本发明的系统14的情况下制造。

应补充指出的是，“具有”不排出其它元件或步骤，并且“一个”不排除多个。

附图标记说明

2   插入占位件

4   制成半成品(敷设、层压、硬化)

6   去除占位件

8   插入升降垫

10  给升降垫充气

12  再推入升降垫

14  根据本发明的系统

16  压缩机

18  阀

20  升降垫

22  计算机

24  模具

26  凹部

28  切边区域

30  模具的表面

32  飞机

34  构件

Claims (9)

1.一种用于制造由纤维复合材料制成的构件的方法，具有步骤：

-将至少一个占位件插入(2)到模具(24)内的相应至少一个凹部(26)中，其中所述凹部设置在待加工的构件的切边区域内并且从那向外延伸；

-制成(4)半成品；

-除去(6)所述占位件；

-将至少一个升降垫(20)插入(8)到所述至少一个凹部(26)中；以及

-通过所述至少一个升降垫(20)的充气(10)，将所述半成品脱模。

2.如权利要求1所述的方法，其具有另外的步骤，即在引入所述至少一个升降垫之后再推入(12)至少一个另外的升降垫(20)并且给所述至少一个另外的升降垫(20)充气(10)。

3.如权利要求1或2所述的方法，其中在制成(4)所述半成品前插入(8)所述至少一个升降垫(20)。

4.如权利要求1所述的方法，其中所述至少一个升降垫(20)仅被充气(10)到如此程度，使得所述半成品的弹性曲线不超过规定的允许的弹性曲线。

5.如权利要求1所述的方法，其中计算机(22)借助于多个阀(18)控制多个升降垫(20)的充气(10)。

6.如权利要求5所述的方法，其中所述计算机(22)依据所述半成品的弹性曲线控制所述升降垫(20)的充气(10)。

7.一种用于制造(4)由纤维复合材料制成的构件的模具(24)，具有凹部(26)和用于所述凹部(26)的占位件，其中所述占位件完全地填满所述凹部，与所述模具的表面齐平地封闭并且当所处理的半成品存在于所述模具上时，所述占位件能够从所述凹部(26)中取出，其中在待加工的所述构件下方插入至少一个升降垫(20)，并且其中所述凹部(26)设置在待加工的所述构件的切边区域(28)内并且从那向外延伸。

8.一种用于根据权利要求1至6中任一项来制造由纤维复合材料制成的构件的系统(14)，具有至少一个如权利要求7所述的模具(24)，所述模具具有用于插入至少一个升降垫(20)的至少一个凹部(26)，此外所述系统具有：至少一个用于给所述至少一个升降垫(20)充气(10)的流体源；至少一个用于所述至少一个升降垫(20)的阀(18)；以及至少一个用于控制至少一个所述阀(18)的计算机(22)。

9.如权利要求8所述的系统(14)，其中所述计算机(22)设置成控制至少一个升降垫(20)，使得所述半成品的最大的规定的弹性曲线不会被超过。