CN103221200B - 制造圆柱形大型结构的方法和设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种由纤维增强的塑料制造圆柱形的大型结构或大型模制件（F）、特别是用于飞机制造的机身件的方法，其中在位于圆柱形的内模（1）与圆柱形的外模（2）之间的模腔（3）中装入纤维、优选一个或多个纤维半成品（4）和可时效硬化的塑料材料（5）。该方法的特征在于，圆柱形的内模（1）由多个沿圆周分布的内扇形件（1a）组成，并且外模（2）由多个沿圆周分布的外扇形件（2a）组成，并且利用一个或多个围绕外扇形件（2）卷绕的拉紧绳（8）在外扇形件和内模之间设置纤维或纤维半成品（4）的情况下将外扇形件（2a）向内模（1）夹紧。

Description

制造圆柱形大型结构的方法和设备
技术领域
本发明涉及一种方法用于由纤维增强的塑料制造圆柱形的大型结构或大型模制件、特别是用于飞机制造的机身件，其中在圆柱形的内模和圆柱形的外模之间的模腔中装入多根纤维、优选一个或多个纤维半成品并且引入可时效硬化的塑料材料。紧接着时效硬化塑料材料。塑料材料一般是用于制造纤维增强的塑料和因此纤维复合材料的热固性塑料材料。对此将各纤维埋入塑料基体中。纤维可以例如是玻璃纤维和/或碳纤维，但也可以是其它的纤维类型。各纤维可以零散地存在、但优选以半成品的形式作为纤维垫或类似件存在。大型结构或大型模制件特别指的是直径至少2m、优选至少3m的圆柱形模制件。大型结构或大型模制件可以特别优选是用于飞机制造的机身件。
背景技术
已知，在飞机机身的制造中分别预制特别是管形的、特别是桶形的各机身段并且在紧接着的最终装配中组装成完成的飞机机身。作为材料日益使用纤维复合材料、例如碳纤维增强的塑料（CFK）。按这种方式可以制造具有高稳定性和同时小的重量的飞机机身。
由DE 10 2007 060 029 A1已知一种用于制造管形结构构件的方法，其中提供管形的模具，它具有与结构构件的外表面相对应成形的内模具表面。内模具表面由可膨胀的载体构成，其这样成形，即它在未膨胀的状态下在保留支承面到模具表面的扩展间距的情况下将模具塞满。载体设置在模具中并且通过载体的膨胀将纤维芯压到模具表面上。紧接着利用可时效硬化的基体浸渍纤维芯。
为了自动化制造例如飞机制造的机身件，此外建议使用自动化的用于纤维半成品的绕线机（参见US 7 048 024 B2）。
由容器技术的领域在储压器中、例如用于核技术设备的储压器中还已知，在储压器上在外部安装预紧装置，在预紧装置上用卷绕装置卷绕以绳形式的各预紧元件（参见DE 27 16 020），这样的开发对例如飞机制造的机身件的结构没有影响。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种方法，借其可以由纤维增强的塑料按经济的方式以高的质量制造大型结构或大型模制件、特别是用于飞机制造的机身件。
为了达到该目的，在同一种用于制造大型结构或大型模制件的方法中本发明主张，圆柱形的内模由多个沿圆周分布的内扇形件组成并且外模由多个沿圆周分布的外扇形件组成，并且利用一个或多个围绕外扇形件卷绕的拉紧绳在外扇形件和内模之间设置纤维或纤维半成品的情况下将外扇形件向内模夹紧。
对此本发明首次从这样的见解出发，即如果内模由多个内扇形件组成，从而将它们可以按简单的方式“向内”移除，则可以按简单的方式在成型以后取出完成的大型结构或大型模制件。这特别是在具有负温度系数的材料（其在时效硬化的过程中收缩）的情况下具有优点，即实现构件的简单的脱模。但外模也由多个沿圆周分布的外扇形件组成，从而再实现改善的操纵。在这样的实施形式中仍然可以按简单的方式接纳在成型或时效硬化过程中产生的大的力，因为外模借助于绕外模卷绕的拉紧绳被朝向内模夹紧。由此实现模具的简单的结构、模具的简单的制造和特别是也模具的简单的取出或完成的构件的简单的脱模。
优选首先由多个内扇形件组成内模，紧接着将纤维或至少一个纤维半成品加设在内模上、例如卷绕到内模上。接着放置或者说装配外模并借助于拉紧绳将外模夹紧。最后将成型材料加入、例如注射入模腔中。对此符合目的的是，在成型之前和/或过程中调节模具的温度、优选加热。接着成型材料在纤维嵌入的情况下时效硬化。
考虑到这样的事实，即例如飞机的机身一般设有多个加固元件，本发明在优选的进一步构成中建议，在外模组装之前并优选也在加设纤维或纤维半成品之前将多个加固元件例如加强筋、肋条或类似件安装到内模上。为此内模在其面向外模的外表面上并因此在成型面上一般具有多个凹槽作为用于加固元件的容纳部。加固元件例如可以是弯曲的肋条和/或沿纵向方向延伸的加强筋。按上述方式这些加固元件（其在飞机制造中是常见的）可以按简单的方式整合在按照本发明的制造过程中。
为了从模具中取出完成的模制件，本发明进一步建议，首先去除内模，其方式为优选沿径向方向收拢各单个内扇形件。为此符合目的的是，将各内扇形件在其相互贴靠的端面上彼此分离并且接着在一定程度上向内翻转。各内扇形件（或多个内扇形件）可以可选地相互可偏转地连接，但也可以由多个零件构成。在此优选这样构成各个扇形件的相互贴靠的端面或对接面，使得在组装的状态下形成一个稳定的结构，其承受得住被夹紧的外模的压力。为此可以符合目的的是，在内模的组装过程中在最后装入的各内扇形件之间装入稳定构件、例如稳定楔、稳定嵌条等。在脱模过程中首先将稳定构件去除，从而接着可以简单地向内翻转各内扇形件。
在一改变的实施形式中存在这样的可能性，即，将各单个内扇形件共同固定在一个自动化的收拢装置上，借助于该收拢装置经由一个或多个适合的驱动装置同时或依次地沿径向方向向内牵拉各单个内扇形件。这样的收拢装置可以例如具有中心的支架或中心的轮毂，各内扇形件通过在其与中心的支架或中心的轮毂之间布置的连接杆与中心的支架或中心的轮毂铰接地连接。然后通过中心的支架的转动经由各连接杆可以向内牵拉各单个内扇形件。经由在制造过程中沿径向方向定向的各连接杆，也可以承受较大的力。
在本发明的范围内特别是将上述的拉紧绳、例如钢绳卷绕到组装的外模上。为此通常设置卷绕装置。特别优选组装的模具为了卷绕拉紧绳自身转动，并且同时从一个绳绞盘或从多个绳绞盘上展开拉紧绳。按这种方式避免了将重的绳绞盘绕静止的模具输送大的位移。然而绳绞盘可以位置固定地设置。代之借助于适合的驱动装置使模具处于转动，从而拉紧绳被退绕和卷绕。
本发明的目标也是一种设备，其用于借助一种上述类型的方法制造圆柱形的大型结构或大型模制件、特别是用于飞机制造的机身件。该设备在本发明的范围内具有由多个内扇形件组成的内模和由多个外扇形件组成的外模。还设置卷绕装置用于给外模卷绕拉紧绳。卷绕装置优选具有一个或多个绳绞盘，从其上退绕或展开绳。同时卷绕装置优选具有用于模具的旋转支柱，其中将模具固定到或固定在该旋转支柱上并且支柱构成有旋转驱动装置用于在钢绳的退绕过程中转动模具。
为了便于将绳卷绕到外模或外扇形件上并且确保均匀的夹紧，本发明在优选的进一步构成中建议，外模或其各外扇形件在外侧具有至少一个成螺旋形环绕的凹槽或沟纹，拉紧绳在卷绕过程中嵌入所述凹槽或沟纹中或拉紧绳在凹槽或沟纹中引导。
内模和/或外模或它们的各扇形件优选构成有多个加热通道和/或多个冷却通道，用于在时效硬化之前和/或期间中调节模具的温度。此外模具构成有多个适合的供给通道，经由供给通道可以将可时效硬化的成型材料引入例如注射到模腔中。特别优选经由内模实现成型材料的供给。为此可以在内模中制出多个沿径向方向定向的供给通道，它们通入模腔。这些供给通道连接于相应的混合头或喷头，这些混合头或喷头在内侧可以安置在内模上。
总体上在本发明的范围内按简单的方式经济地以高质量由纤维增强的塑料制造大型结构或大型模制件、特别是用于飞机制造的机身件。
附图说明
以下借助只示出一个实施例的附图更详细地说明本发明。其中：
图1  部分地示出用于制造用于飞机制造的机身件的内模，包括插入的分配组，
图2  图1的物体，具有插入的多个加固元件和加设的纤维半成品，
图3  具有多个加固元件的完整的内模在卷绕纤维半成品的过程中，
图4  按图2的物体，具有安装的外模和部分绕上的钢绳，
图5  整个的模具以及部分绕上的钢绳（对应于图4），
图6  按图5的物体在去除内模的开始时的端视图，
图7  按图6的物体在去除内模的过程中的端视图，
图8  按图7的物体在去除外模的过程中的透视图，
图9  卷绕装置的第一视图，
图10 卷绕装置的第二视图，以及
图11a、b、c 本发明的一改变的实施形式（局部图）。
具体实施方式
利用图中所示的方法或利用图中所示的设备可以由纤维增强的塑料制造圆柱形的大型结构、例如飞机制造的机身件。
用于制造这样的大型结构的模具包括内模1和外模2，其中在内模与外模之间形成模腔3。在模腔3内设置纤维半成品4并且为了制造模制件接着将可时效硬化的塑料材料5作为基体装入模腔3中。
按照本发明的内模1由多个沿圆周分布的内扇形件1a组成并且外模2由多个沿圆周分布的外扇形件2a组成。
借助图1至5的比较的观察可以说明模具的组装和模制件的制造。
图1首先只部分地示出内模1或者说在透视的剖面内示出一个内扇形件1a。可看出该内扇形件设有多个凹槽6，在其中可插入加固元件7a、7b。加固元件一方面是沿圆柱体的纵向方面延伸的加强筋7a并且另一方面是弯曲的且因此沿圆周方向延伸的肋条7b。
在各加固元件7a、7b插入各凹槽6中以后，加设且优选卷绕上纤维半成品4。这由图2和3的比较的观察表明。
在纤维半成品4完全卷绕以后，安装外模2，其由多个外扇形件2a组成。接着绕外模2卷绕多个拉紧绳8，亦即借助于各拉紧绳在外模和内模之间布置纤维半成品4的情况下将外模2向内模1夹紧。图4和5在此在不同的视图中示出包括内模1和外模2的模具以及部分卷绕上的拉紧绳8。
在完全向内模1夹紧外模2以后可以将塑料成型材料5注射到模腔3中。这通过箭头5表示。
可看出，为了引入成型材料，内模1设有多个（径向定向的）通道9，它们又连接于各喷头或各混合头10。喷头或混合头10同时在内侧安置在内模1上。
在成型材料时效硬化之前和/或期间，调节内模1和/或外模2的温度。为此不仅内模1而且外模2设有多个加热通道11，它们在该实施例中沿圆柱体的纵向方向延伸。只示出用于内模1的加热通道。通过温度调节，成型材料5在纤维或纤维半成品4嵌入的情况下时效硬化，从而形成待制造的大型模制件例如机身件。
为了可以从模具中取出完成的模制件F，优选首先去除内模1。这由图6至8的比较的观察看出。
图6中可看出，首先在两个邻接的内扇形件1a的两个对接点之间取出锁定楔或锁定嵌条12，其也可以称为顶端块或锁闭石，从而在一定程度上径向向内折叠内模并可以将其取出（图7）。紧接着上翻外模2（参见图8），其在该实施例中由两个扇形件2a组成，从而可以取出完成的模制件F。
拉紧绳8的卷绕在本发明的范围内具有特别的重要性。为此本发明在一优选的改进中提供卷绕装置13用以将钢绳卷绕到外模2上。在所示的实施例中该卷绕装置具有两个绳绞盘14，从其上展开钢绳8。此外卷绕装置13具有用于模具的旋转装置15，该模具由内模1和外模2组成。该旋转装置15或旋转支柱设有旋转驱动装置16。因此为了将钢绳8卷绕到外模2上，借助于旋转装置15转动模具1、2，从而从各绳绞盘14上退绕钢绳8（特别参见图9和10）。
为了确保将钢绳无缺点地卷绕到外模2上，外模2设有多个凹槽或沟纹17，其在该实施例中是螺旋形在外模2的外圆周上设置的沟纹17。在此各绳绞盘14可沿模具的纵向方向L移动，以便可以逐步地卷绕拉紧绳。
此外多部分的内模1在本发明的范围内具有特别的重要性，因为通过内模1的收拢可以实现构件的简单的脱模。借助图6至8已说明第一实施形式。图11a、11b、11c示出改变的实施形式。
在该实施形式中各内扇形件1a连接于一自动化的收拢装置18。该收拢装置具有一中心的支架或中心的轮毂19，各内扇形件1a通过在其与中心的支架或中心的轮毂之间布置的连接杆20与中心的支架或中心的轮毂铰接地连接。图11a、11b、11c的比较的观察表明，通过中心的轮毂19的转动可以自动地拉回各内扇形件1a。
利用描述的方法和描述的设备优选制造直径大于3m、特别优选大于4m的大型结构。在这样的情况下内模和/或外模优选具有大于50mm、优选大于80mm例如为100mm或更大的壁厚。拉紧绳优选是钢绳，其可以具有大于10mm、优选大于20mm例如为30mm或更大的直径。

Claims (12)

1.一种由纤维增强的塑料制造圆柱形的大型结构或大型模制件(F)的方法，其中在位于圆柱形的内模(1)与圆柱形的外模(2)之间的模腔(3)中装入纤维和可时效硬化的塑料材料(5)；其特征在于，圆柱形的内模(1)由多个沿圆周分布的内扇形件(1a)组成，并且外模(2)由多个沿圆周分布的外扇形件(2a)组成，并且利用一个或多个围绕外扇形件(2)卷绕的拉紧绳(8)在外扇形件和内模之间设置纤维或纤维半成品(4)的情况下将外扇形件(2a)向内模(1)夹紧。
2.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，首先由多个内扇形件(1a)组成内模(1)，紧接着将纤维或至少一个纤维半成品(4)加设在内模(1)上，接着组装外模(2)并且借助于拉紧绳(8)将外模夹紧，并且最后将成型材料(5)装入模腔(3)中。
3.按照权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在外模(2)组装之前将多个加固元件(7a、7b)安置到内模(1)上。
4.按照权利要求1或2所述的方法，其特征在于，为了使完成的模制件(5)脱模，首先将内模(1)沿径向方向收拢，其方式为将各个内扇形件(1a)彼此分离和/或彼此相对偏转。
5.按照权利要求1或2所述的方法，其特征在于，为了卷绕和张紧拉紧绳(8)，转动组装的模具(1、2)并且同时从至少一个绳绞盘(14)上退绕拉紧绳(8)。
6.按照权利要求1或2所述的方法，其特征在于，大型结构或大型模制件(F)是用于飞机制造的机身件。
7.一种按照如权利要求1至6之一项所述的方法由纤维增强的塑料制造圆柱形的大型结构或大型模制件的设备，包括由多个内扇形件(1a)组成的内模(1)和由多个外扇形件(2a)组成的外模(2)，并且包括卷绕装置(13)用于以拉紧绳(8)卷绕外模(2)。
8.按照权利要求7所述的设备，其特征在于，卷绕装置(13)具有一个或多个绳绞盘(14)，从该绳绞盘上能够退绕拉紧绳(8)。
9.按照权利要求7或8所述的设备，其特征在于，卷绕装置(13)具有用于模具(1、2)的旋转支柱(15)，其中在旋转支柱(15)上连接旋转驱动装置(16)用以转动模具(1、2)。
10.按照权利要求7或8所述的设备，其特征在于，外模(2)或其各扇形件(2a)在外侧具有至少一个成螺旋形环绕的凹槽或沟纹(17)，在卷绕过程中拉紧绳(8)嵌入所述凹槽或沟纹中。
11.按照权利要求7或8所述的设备，其特征在于，内模(1)和/或外模(2)设有多个加热通道和/或冷却通道。
12.按照权利要求7或8所述的设备，其特征在于，内模设有自动化的收拢装置(18)，内扇形件(1a)借助于该收拢装置能够被收拢以用于构件的脱模。
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