CN103068560A - 用于由纤维加强的塑料制造复合模制件的方法和装置 - Google Patents

Abstract

一种用于由纤维加强的塑料制造复合模制件的方法具有以下步骤：a)提供由利用基体材料(10)预浸的纤维(12)构成的预浸料半成品(1)；b)以柔性的面材料(2;2')包封预浸料半成品(1)，面材料(2;2')具有透气的、但是保持住基体材料的薄膜(20)以及至少一个内部的平的气体引导装置(22)；c)以第一气密包封部(4;4')包封由预浸料半成品(1)和面材料(2,2')形成的内部组件(3)；d)将设有第一气密包封部(4;4')的内部组件(3)定位在第一模具(6)的型面(60)上；e)以第二气密包封部(7)包封设有第一气密包封部(4;4')的内部组件(3)和型面(60)；f)将第一负压施加到内部的面的气体引导装置(22)和第一气密包封部(4;4')的内部上；g)在第一预设温度的作用下加热整个组件第一预设时间；h)将第二负压施加到第二气密包封部(7)的内部上；以及i)在第二预设温度的作用下加热整个组件第二预设时间。

Description

用于由纤维加强的塑料制造复合模制件的方法和装置

技术领域

本发明涉及一种用于由纤维加强的塑料制造复合模制件(Komposit-Formteil)的方法和装置。根据本发明的方法和根据本发明的装置尤其应用在借助于纤维加强的塑料、尤其借助于碳纤维加强的塑料和相应的复合材料制造轻质结构中。

由利用基体材料(Matrixmaterial)预浸的纤维制造所谓的预浸料系统(Prepreg-System)通常在高压釜(Autoklave)中实现，其中，在负压和温度影响下发生成型的预浸料半成品(Prepreg-Halbzeug)的基体材料的硬化过程。然而该方法不适合于执行就地维修(例如在飞机处)，因为可以理解地整个飞机不能被带到高压釜中。因此必须根据其它方法在高压釜外来执行这样的维修。这种所谓的“高压釜外”工艺在现有技术中已知。然而这样的在高压釜之外制造的复合模制件的机械特性和尤其强度明显比在高压釜中硬化的模制件更差。

背景技术

从科学出版物“Out-of-Autoclave Processable Prepregs and Resin Films: An Overview of Recent Developments and Shared Database”, Ridgard C, SAE技术文献系列，Nr. 2006-01-3164中已知在负压-热袋(Wärmebeutel)中硬化由预浸料材料构成的复合构件，例如以便制造原型(Prototyp)。以该方式制造的复合构件的强度不相应于在高压釜中烘烤的构件的强度，但是经常足够用于原型建造。虽然当时可制造预浸料材料，其在其纤维密度和孔隙度方面比得上在高压釜中硬化的预浸料材料，但是它的尤其对于压力载荷或者对于冲击载荷的机械特性比在炉中硬化的预浸料-材料更差，例如因为应用其它塑料作为基体材料。

对于所谓的高压釜外预浸料系统不利的是，它为了获得小孔隙度和高纤维体积含量必须具有小粘度的基体材料。这导致由此制造的产品的机械强度比在高压釜中硬化的产品更小，使得高压釜外工艺不适合于必须获得高的机械负荷能力的维修目的。

并行于开发高压釜外预浸料，也开发用于将基体材料引入干燥的纤维材料中的新方法。这样的新式方法之一是所谓的“真空辅助工艺(VAP)”，其例如在文献源“Principles of the Vacuum Assisted Process and its application for Aerospace components”, Koerwien T., ISCM 06 (“3rd International Symposium on Composites Manufacturing Technology for Aircraft Structures”，2006年五月17至18号)中已知。在该真空辅助工艺的方法中，干燥的纤维材料被覆盖以透气的多微孔的薄膜(其形成对由人造树脂构成的基体材料的障碍)。通过施加负压使基体材料从储备容器被吸入干燥的纤维材料中。文件EP 1 393 883 A1说明了VAP-方法的一种特殊的变体，在其中不仅在薄膜与外真空包(Vakuumsack)之间的风扇空间(Luefterraum)而且在待制造的构件与薄膜之间的喷射空间可分开抽真空。

预浸料的硬化过程的另一改进方案是所谓的双真空袋方法(DVB)，其例如从文件WO2005/113213A2或者文献源“NASA LAR-16877, Double-Vacuum-Bag Process for Making Resin-Matrix Composites”中已知。在该方法中，将由预浸料材料(其由利用基体材料预浸的纤维构成)构成的复合模制件毛坯放置在两个金属的模板之间并且该组件然后被真空袋(其形成内袋)包围，真空袋密封地固定在模板上。该内袋的内部与真空泵相连接。在该组件之上放置有工具，其具有翻转的穿孔的杯的构形。在该袋之外围绕整个组件放置有另一真空袋作为外真空袋。该外真空袋也以其内部联接到真空泵处。该整个组件然后被放置在热气炉中且经受预设的硬化过程。在此首先将负压施加到外袋上，使得其靠到杯状结构的外部处，由此在内袋之外留下的空间中产生负压。然后将更小的负压施加到内袋的内部上。包围内袋的更强的负压在此阻止内袋压迫(kollabieren)待硬化的模制件。存在于内袋的内部中的负压负责使在硬化过程中产生的气体从预浸料材料离开且不作为气泡在硬化期间被包围在材料中。在预设的持续时间之后，外袋的内部又暴露于环境压力，由此，内袋压迫到模制件上且机械地压缩它。然后接有在更高的温度中预设时间的另一硬化过程。在该方法中不利的是复杂的借助于用于外真空袋的杯状的支撑结构的构造。

双真空袋方法DVB达不到在高压釜中硬化的预浸料具有的高机械强度。

从文件DE 10 2008 006 261 B3中已知一种多层的、柔性的面材料(Flaechenmaterial)，其具有透气的薄膜和在层压在该薄膜上的织物层(其形成气体引导结构)。在织物层的背对薄膜的侧面上，此外可施加不透气的覆层。

文件DE 10 2008 015 070 B3说明了一种用于制造纤维复合构件的方法，其特别设计用于应用在高压釜中。对此，在外部的真空室内存在内部的构件室，其中，这两个室相互连接，使得它们可一起抽真空。在外部压力升高的情况下在构件的硬化阶段期间两室之间的连接自动关闭，从而无浸渍树脂(Infusionsharz)可从构件室离开。

发明内容

因此本发明的目的是说明一种用于由纤维加强的塑料制造复合模制件的方法和装置，其还适合于在高压釜中硬化的复合模制件的维修。

涉及该方法的目的由在权利要求1中所说明的方法来解决。

根据本发明的该方法具有以下步骤：

a)提供由利用基体材料预浸的纤维构成的预浸料半成品；

b)以柔性的面材料包封预浸料半成品，面材料具有透气的、但是保持住基体材料的薄膜以及至少一个内部的平的气体引导装置；

c)以第一气密包封部(Umhuellung)包封由预浸料半成品和面材料形成的内部组件；

d)将设有第一气密包封部的内部组件定位在第一模具的型面上；

e)以第二气密包封部包封设有第一气密包封部的内部组件和型面；

f)将第一负压施加到内部的平的气体引导装置和第一气密包封部的内部上；

g)在第一预设温度的作用下加热整个组件第一预设时间；

h)将第二负压施加到第二气密包封部的内部上；以及

i)在第二预设温度的作用下加热整个组件第二预设时间。

优点

通过根据本发明的该方法获得低孔隙度和高纤维体积含量的高品质的复合模制件。

通过在包封预浸料半成品的薄膜上应用内部的平的气体引导装置，以特别简单的方式在步骤f)和g)中确保在硬化过程期间在预浸料半成品中产生的蒸汽的可靠的析出。在步骤h)中接下来施加第二负压到第二气密包封部的内部上与在步骤i)中加热整个装置一起负责使在复合模制件中获得高纤维体积含量和低孔隙度。

此外，可减少加工时间和工艺温度。在维修过程中产生废品的危险利用根据本发明的方法也明显降低。对于硬化过程不需要高的压力且所获得的机械特性可与在高压釜中的硬化中所获得的相比。由此由于更小的加工压力还获得更低的能耗和更低的工具成本。

根据本发明的方法因此特别适合于就地维修。

在权利要求2至5中说明了根据本发明的方法的另外的有利的实施方案。

在根据本发明的方法的优选的改进方案中在步骤b)之后执行以下方法步骤：

b')将至少一个气体引导结构布置在薄膜的至少一个表面区域的外侧处、优选地在侧向的棱边处。

在内部的气体引导装置的至少一个表面区域的外侧处设置内部的气体引导结构负责使通过气体引导装置从预浸料半成品离开的气体可快速且均匀地通过施加到气体引导结构上的真空离开。在此特别应考虑的是，在预浸料中所包围的空气通常主要处于各个层之间。通过气体引导结构在预浸料半成品的边缘或者棱边处的布置实现抽吸，其确保可水平地在各个预浸料层之间且在预浸料半成品的边缘或者棱边上抽吸所包围的空气。除了在水平方向上的该抽吸外，也可平地穿过薄膜(即在竖直方向上)抽吸逃脱的成分。

在根据本发明的方法的又一优选的实施形式中，在步骤d)之后执行以下步骤：

d')将至少一个第二气体引导结构布置在第一气密包封部的至少一个表面区域的外侧处。

在第一气密包封部的至少一个表面区域的外侧处布置至少一个外部的平的气体引导元件负责使在步骤h)中在施加第二负压的情况下可实现第二气密包封部的内部的均匀的抽真空，这导致预浸料半成品的均匀的压缩。

进一步优选地，在步骤c)之前，将带有型面的第二模具布置在内部装置的背对第一模具的侧面上。带有其型面的该第二模具与第一模具的型面一起负责使在步骤h)中在压缩预浸料半成品时布置在这两个型面之间的预浸料半成品采用由型面预先确定的形状。

当步骤b)和步骤c)通过应用已设有气密包封部的面材料被综合在一起时，是特别有利的。由此显著提高加工速度。

该任务的对准组件的部分通过根据权利要求6的用于按照根据本发明的方法由纤维加强的塑料制造复合模制件的装置来解决。

根据本发明的该装置设有：具有型面的第一模具；可放置在型面上的内部组件，其由预浸料半成品(其由利用基体材料预浸的纤维构成)和包封预浸料半成品的面材料形成，面材料具有透气的、但是保持住基体材料的薄膜以及至少一个内部的平的气体引导装置，其中，内部组件由第一气密包封部包围；与第一包封部的内部有效连接的第一负压源；第二气密包封部，其包围设有第一气密包封部的内部组件；与第二包封部的内部有效连接的第二负压源；和至少部分地包围整个组件的加热装置。

根据本发明的该装置的构造比在现有技术的DVB工艺中明显更紧凑且更简单，因为不必设置杯状的支撑体。由于该原因，可从根据本发明的组件且一致地还利用根据本发明的方法以直到现在在高压釜之外不能获得的质量来制造几乎任意形状和大小的复合模制件。

当在负压连接管路中设置有相应的转换阀(其将第一气密包封部的内部和/或第二气密包封部的内部选择性地与负压源相连接)时，第一负压源和第二负压源也可由唯一的负压源、例如真空泵形成。

在权利要求7至10中说明了根据本发明的装置的有利的改进方案。这些改进方案具有优点，其相应于根据权利要求2至5的相应的方法步骤的优点。

在装置的一优选的改进方案中，在内部的平的气体引导装置的至少一个表面区域的外侧处、优选地在侧向的棱边处设置有至少一个内部的气体引导结构，其与内部的平的气体引导装置且与第一负压源处于流体连接。

装置的另一优选的构造特征在于，在第一气密包封部的至少一个表面区域的外侧处设置有至少一个外部的平的气体引导元件，其与第二负压源处于流体连接。

在根据本发明的装置的又一优选的实施形式中，在内部组件的背对第一模具的侧面上布置有带有型面的第二模具。由此获得已说明的用于复合模制件的三维造型。

当面材料在它的背对薄膜的外侧处与气密包封部连接时也是有利的。通过该本身从现有技术已知的面材料可显著加速加工过程。

接下来参考附图更详细地说明和阐述带有附加的设计细节和其它优点的本发明的优选的实施例。

附图说明

其中：

图1以示意性的横截面视图显示了根据本发明的装置的第一实施形式；

图2以示意性的横截面视图显示了根据本发明的装置的第二实施形式；

图3显示了图1中的细节III的放大的复现以及

图4在修改的实施形式中显示了细节III的放大的复现。

具体实施方式

在图1中且作为细节在图3中显示了根据本发明的用于由纤维增强的塑料制造复合模制件的装置的第一实施形式。预浸料半成品1由利用基体材料10预浸的纤维12构成。纤维12在此可形成纺织品、编织物或者任意的配置(Gelege)。预浸料半成品1以柔性的面材料2来包封，面材料2具有透气的、但是保持住基体材料的薄膜20以及至少一个内部的平的气体引导装置22，如在根据图3的放大的图示中可辨识出的那样。薄膜20面对预浸料半成品1并且使之成为可能，即气体可从由薄膜20所包围的内部空间24中逸出到气体引导装置22中,而基体材料10本身不进入气体引导装置22中且设置在那里的气体引导通道(所吸收的气体通过其可流动通过面材料)不被堵塞。预浸料半成品1和包围它的面材料2是内部组件3的组成部分。

在由面材料2包封的预浸料半成品1的相对的侧面处，在面材料2之外相应设置有侧向的气体引导结构30、32，其由由多孔的材料构成的杆状体(其在预浸料半成品1的纵向上、即垂直于图1的图画平面延伸并且在其长度上与面材料2的气体引导装置22处于接触中，使得在面材料2的气体引导装置22中运输的气体可进入相应的气体引导结构30、32中)构成。侧向的气体引导结构30、32例如可由三维的针织物(Gewirk)构成。

由预浸料半成品1、面材料2和两个气体引导结构30、32构成的内部组件3被本身封闭的第一气密包封部4包围。该气密包封部是柔性的并且优选地构造为可关闭的袋。

相应与第一内部气体引导结构30或第二内部气体引导结构32相连接的负压管路31、33密封地被引导穿过气密包封部4并且联接到第一负压源5处。

设有第一气密包封部4的整个内部组件3定位在第一模具6的型面60上并且放置在那里。型面60模制为待形成的复合模制件的阴模并且同样具有气体引导结构61，其阻止在第一气密包封部4与型面60之间形成气垫。

第二气密包封部7包围设有第一气密包封部4的内部组件3和型面60且密封地安装在第一模具6处。备选地，第二气密包封部7也可一起包围整个第一模具6。

在包围内部组件3的第一气密包封部4的背对第一模具6的侧面上安装有外部的平的气体引导元件8，其基本上在至少预浸料半成品1的整个宽度和长度上延伸。该外部的平的气体引导元件8经由密封地从第二气密包封部7引出的负压管路80与第二负压源82相连接。

整个在图1中示出的组件可被放置在(未示出的)加热炉中或者利用合适的(未示出的)加热盖(Heizdecke)来包围或者覆盖。炉或者加热盖那么形成在图1中仅示意性地表示的加热装置9。

在图2中示出的装置原则上对应于在图1中示出的装置，从而图1的说明也适用于图2的装置。与图1中的图示不同，在图2的实施形式中设置有第二模具62，其在第一气密包封部4的内部中布置在利用面材料2包封的预浸料半成品1的背对第一模具6的侧面上。第二模具62具有与第一模具6的型面60相匹配的型面64，其确定待制造的复合模制件的另一表面侧的阴模。

在图4中显示了面材料2'的一备选的设计形式(其原则上相应于结合图3所说明的构造)，但是其在其外侧处已设有气密包封部4'。由第一负压源5所施加的负压在该组件中可被直接施加到内部的平的气体引导装置22。

接下来根据图1的图示来详细说明在根据本发明的用于由纤维加强的塑料制造复合模制件的方法中的操作方式。

首先利用柔性的面材料2来包封预浸料半成品1(其在附图中所示的示例中由两个相叠的板构成，但是其也可由一个或者多个板构成)，面材料2例如构造为可关闭的袋。在此，面材料2的薄膜20面对预浸料半成品1。然后该由预浸料半成品1和面材料2构成的内部组件3首先被临时放置在第一模具6的型面60上。接下来将柔性的面材料2的内部的平的气体引导装置22(其例如由织物组成)直接(图4)或者间接经由内侧的气体引导结构30、32(图1至图3)带到与第一负压源5成流体连接。

接下来还可(图2的实施方案)将第二模具62放置在由预浸料半成品1和面材料2构成的内部组件3的背对第一模具6的侧面上。

接下来利用第一气密包封部4密封地包围由预浸料半成品1、面材料2、必要时第二模具62和必要时侧向的内部的气体引导结构30、32构成的内部组件3。仅负压管路31和33从第一气密包封部4中引出。

现在将设有第一气密包封部4的内部组件3最终放置在第一模具6的型面60上。

现在在内部的气密包封部4的背对第一模具6的侧面上定位外部的平的气体引导元件8，并且接下来整个组件由另一气密包封部、即第二气密包封部7(其还至少部分地一起包围第一模具6)包围。

外部的平的气体引导元件8和在第一模具6的型面60中的气体引导结构61借助于负压管路80被联接到第二负压源82处。

现在利用由此提供的构造来执行以下方法步骤：

阶段1

首先由第一负压源5将第一负压施加到内部的平的气体引导装置22和第一气密包封部4的内部上。同时借助于加热装置9将整个组件加热到第一预设温度(典型的温度是例如60℃)。在此维持在第一气密包封部4的内部中的负压。在该第一阶段中在该构造的边缘处抽吸所包围的空气。

阶段2

接下来借助于第二负压源82将比第一负压更高的第二负压施加到第二气密包封部7的内部上。在第二阶段中维持第一预设温度。随后还可降低存在于第一气密包封部4的内部中的负压。第一预设温度在该第2阶段中继续保持维持。该阶段的特征在于，首先基体系统达到其最小粘度，且第二，第一包封部4不再压缩层结构，因为其被第二包封部7拉紧。因此确保所包围的空气可水平地在各个预浸料层之间且在预浸料半成品的棱边上被抽吸。附加地，逃脱的成分也平地穿过薄膜被抽吸。

阶段3

接下来借助于第一负压源5在第一气密包封部4的内部中提高真空。第二包封部7的内部被从第二负压源82解下并且暴露于环境压力。整个组件在该阶段中借助于加热装置9被带到第二预设温度并且保持在那里，其中，第二预设温度比第一预设温度更高。以该方式，在该阶段中预浸料半成品1通过作用于预浸料半成品的负压来压缩并且在第二预设温度的作用下硬化。因为预浸料半成品1在该第四方法步骤期间被压迫性的第二气密包封部7压向第一模具6的型面60，其呈现型面60的形状。

当如在图2的情况中还设置第二模具62时，该第二模具62被压迫性的第二气密包封部7压向预浸料半成品1，使得预浸料半成品1以及包围它的柔性的面材料2挤入两个型面60与64之间。以该方式，预浸料半成品在第三方法步骤中采用由两个型面60、64所确定的构形并且在硬化之后、即在第三阶段结束之后保持该构形。

在权利要求、说明书和附图中的附图标记仅用于本发明的更好的理解而不应限制保护范围。

附图标记清单

1 预浸料半成品

2 面材料

3 内部组件

4; 4' 第一气密包封部

5 第一负压源

6 第一模具

7 第二气密包封部

8 外部的平的气体引导元件

9 加热装置

10 基体材料

12 纤维

20 薄膜

22 内部的平的气体引导装置

24 内部空间

30, 32 内侧的气体引导结构

31 负压管路

33 负压管路

60 型面

61 气体引导结构

62 第二模具

64 型面

80 负压管路

82 第二负压源。

Claims (10)

1.一种用于由纤维加强的塑料制造复合模制件的方法，其带有以下步骤：

a)提供由利用基体材料(10)预浸的纤维(12)构成的预浸料半成品(1)；

b)以柔性的面材料(2; 2')包封预浸料半成品(1)，所述面材料(2; 2')具有透气的、但是保持住所述基体材料的薄膜(20)以及至少一个内部的平的气体引导装置(22)；

c)以第一气密包封部(4、4')包封由预浸料半成品(1)和面材料(2; 2')形成的内部组件(3)；

d)将设有所述第一气密包封部(4; 4')的所述内部组件(3)定位在第一模具(6)的型面(60)上；

e)以第二气密包封部(7)包封设有所述第一气密包封部(4; 4')的所述内部组件(3)和所述型面(60)；

f)将第一负压施加到所述内部的平的气体引导装置(22)和所述第一气密包封部(4; 4')的内部上；

g)在第一预设温度的作用下加热整个组件第一预设时间；

h)将第二负压施加到所述第二气密包封部(7)的内部上；以及

i)在第二预设温度的作用下加热整个所述组件第二预设时间。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤b)之后执行以下方法步骤：

b')将至少一个内部的气体引导结构(30; 32)布置在所述内部的平的气体引导装置(22)的至少一个表面区域的外侧处、优选地在侧向的棱边处。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在步骤d)之后执行以下步骤：

d')将至少一个外部的平的气体引导元件(8)布置在所述第一气密包封部(4)的至少一个表面区域的外侧处。

4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，在步骤c)之前，将带有型面(64)的第二模具(62)布置在所述内部组件(3)的背对所述第一模具(6)的侧面上。

5.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于，步骤b)和c)通过应用已设有气密包封部(4')的面材料(2')被综合在一起。

6.一种根据按照前述权利要求中任一项所述的方法由纤维加强的塑料来制造复合模制件的装置，其带有：

- 具有型面(60)的第一模具(6)；

- 能够放置在所述型面(60)上的内部组件(3)，其由由利用基体材料(10)预浸的纤维(12)构成的预浸料半成品(1)和包封所述预浸料半成品(1)的柔性的面材料(2; 2')构成，所述面材料(2; 2')具有透气的、但是保持住所述基体材料的薄膜(20)以及至少一个内部的平的气体引导装置(22)，其中，所述内部组件(3)由第一气密包封部(4、4')包围；

- 与所述第一包封部(4; 4')的内部有效连接的第一负压源(5)；

- 第二气密包封部(7)，其包围设有所述第一气密包封部(4; 4')的所述内部组件(3)；

- 与所述第二包封部(7)的内部有效连接的第二负压源(9)；以及

- 至少部分地包围整个组件的加热装置(100)。

7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，在所述内部的平的气体引导装置(22)的至少一个表面区域的外侧处、优选地在侧向的棱边处设置有至少一个内部的气体引导结构(30; 32)，其与所述内部的平的气体引导装置(22)并且与所述第一负压源(5)处于流体连接。

8.根据权利要求6或7所述的装置，其特征在于，在所述第一气密包封部(4; 4')的至少一个表面区域的外侧处设置有至少一个外部的平的气体引导元件(8)，其与所述第二负压源(9)处于流体连接。

9.根据权利要求6、7或8所述的装置，其特征在于，在所述内部组件(3)的背对所述第一模具(6)的侧面上布置有带有型面(64)的第二模具(62)。

10.根据权利要求6至8中任一项所述的装置，其特征在于，所述面材料(2')在它的背对所述薄膜(20)的外侧处与气密包封部(4')相连接。

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