CN106103068A - 用于制造相互交叉的中空加固结构的方法 - Google Patents

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Abstract

一种制造用于板件(P)或航空结构件的多个中空加固结构(3)的方法。所述方法包括以下连续的步骤：a)对应于待制造的每个中空结构(3)，在板件(P)表面上布置至少一个芯轴(2)；b)在每个芯轴(2)上层压至少一个复合材料层(4)；c)使其上施加有所述至少一个复合材料层(4)的所述板件(P)聚合；d)从所述中空结构(3)移除所述至少一个芯轴(2)。所述中空加固结构(3)中的至少两个相互交叉，针对所有中空加固结构(3)提供单个聚合步骤b)。

Description

用于制造相互交叉的中空加固结构的方法
本发明涉及优选地在航空领域中一种用于制造加固结构的方法，例如，该加固结构被设计为对板件或结构件进行加强。根据本发明的加固结构是由复合材料制成并且内部是中空的。根据本发明的加固结构尤其适用于同样是由复合材料制成的板件或航空结构件。根据本发明的方法允许制造相互交叉的结构，以获得所述板件或航空结构件中期望的刚度特性。
通常，航空领域的板件或结构要求较高的结构效率。需要在减少重量的同时确保高质量的机械特性，随着时间的推移已经导致了越来越优化的配置和材料的发展和使用。
已知一种夹层板件，其包括两片薄的外层压面板，所述外层压面板由复合材料制成并且被由轻质材料(比如蜂窝结构或发泡材料等)制成的核心间隔开。
航空结构件通常能够表示为由复合材料制成的表层或层压板的装配件。使用复合材料来制造板件允许建造者获得较高的性能，尤其是承受板件经受的负载的性能。
此外，已知由复合材料制成的并且不使用由轻质材料制成的中间层的板件或结构件。这种类型的板件或航空结构件的必要刚度是通过局部和分立的加固件获得的。这些加固件由复合材料制成，其包括借助于聚合过程(尤其是共固化或同步聚合过程)获得的表层和加强件，其中，作为板件或结构件的一部分的所有部件的复合材料经历该聚合过程。这将建造者的注意力带到对可用于制造这些加固件的技术的一些硬性限制。加固件通常例如相对于由所述板件或航空结构件限定的平面沿着一个单一的方向布置，即纵向或横向。
通过由复合材料制成的中空结构制造的加固件是已知的。
为制造这些中空结构而执行的过程使用层压芯轴。这些芯轴布置在板件或结构件上，以便被决定所述板件或结构件的刚度的、通常由碳制成的层压板覆盖。在执行聚合步骤以加强中空结构以后，必须移除芯轴。
通常，用于制造中空加固结构的方法包括制造沿着互相平行的方向的所述中空结构的步骤。
相互交叉的加固或加强结构能够用以下方法制造，其中：在第一步骤期间，制造沿着特定方向布置的中空结构，并且随后使其固化或聚合；在第一步骤之后，制造通常在垂直于第一方向的方向上布置的中空结构，并且随后执行第二聚合步骤，在该第二聚合步骤期间，使该结构固化以便对新的中空结构进行加强。
由于不能同时制造沿着相互不同的方向的中空加固或加强结构，尤其是会聚的和/或交叉的，因此通过现有技术实施的制造方法几乎不能自动进行。
取决于芯轴的形状，所述中空结构具有能够有不同形状的横截面。
芯轴本身的形状能够提高或降低制造相互交叉的中空加固或加强结构件的可能性。公知的是，具有梯形或“Ω”形横截面的中空加固或加强结构的交叉会使得最终非常难以进行制造，这是因为这需要进一步的制造力来例如对交叉点进行层压。该制造力导致了制造成本的增加。
由现有技术提出的解决方案引起的另一个技术问题涉及：在中空结构已经被制造之后，特别是在聚合步骤之后移除(例如取出)芯轴的可能性。在例如加固或加强结构的其他中空结构已经被制造后，制造的中空加固或加强结构的存在使得在聚合步骤之后取出芯轴很困难。
本发明的目的在于通过实施新的方法来制造互相不平行的，例如相互交叉的中空加固或加强结构来解决上面提及的问题。
本发明的一个方面涉及制造具有在所附权利要求1中提出的特征的中空加固或加强结构。
在所附从属权利要求中提出了进一步的附加特征。
本发明的另一方面涉及根据权利要求10所述的板件，在其上制造有中空加固结构。
在参照附图阅读以下详细描述之后，能够最佳地理解用于制造中空加固或加强结构的方法的特征和优点，其中，所述附图示出了：
●图1A和图1B示出能够在其上制造中空加固结构的板件或航空结构件；特别地，图1A仅示出在一个特定实施例中的不是平坦的而是弯曲的、不具有加固结构的板件，而图1B示出具有例如相互垂直布置的加固结构的图1A的板件；
●图2示出了相互垂直布置的且在图1B中示出的两个中空加固结构的交叉点的细节；
●图3A和3B示出包含中空加固结构的板件的横截面；特别地，图3A示出了中空加固结构，并且图3B示出两个中空加固结构之间的交叉点；
●图4示出根据本发明的方法中使用的芯轴的实施例。
●图5A和图5B示出不同的板件实施例的俯视图，例如，其中加固结构以不同的角度相互交叉的平坦板件。
参照以上提及的图，制造用于板件“P”或航空结构件的多个中空加固结构3的方法包括优选连续的以下步骤：
a)对应于待制造的每个中空结构3，在板件“P”表面上放置至少一个芯轴2；
b)在每个芯轴2上层压至少一个复合材料层4；
c)使其上施加有所述至少一个复合材料层4的所述板件“P”聚合；
d)从中空结构3移除所述至少一个芯轴2。
所述至少一个芯轴2的布置和/或形状使得所述中空加固结构3中的至少两个不是互相平行的，例如，是会聚的，优选地是交叉的。
为了本发明的目的，术语板件“P”表示在根据本发明的中空结构3之下的结构或航空结构件，例如表层。所述板件“P”本身为元件，在其上制造有根据本发明的中空结构3。图1A示出板件“P”的示例性实施例。
至少两个中空加固结构3的交叉限定了交叉点31。
在一个示例性而非限制性实施例中，例如在图1B中所示，至少两个中空结构3以垂直的方式相互交叉。
图5A和图5B示出加固结构3的等效实施例，其中，两个或更多个结构3在交叉点31以非垂直的方式相互交叉。特别地，所述中空结构3具有不同的交叉角。对两个或更多个中空结构3之间的交叉角的选择取决于针对具体的板件“P”或航空结构件所要求的加固和加强条件。
板件“P”或航空结构件通常包括：外表面，当板件或航空结构件被布置在例如飞机或其一部分上时，该外表面基本上是可见的；以及内表面，当所述板件或航空结构件被布置在例如飞机或其一部分上时，该内表面是不可见的。板件“P”能够与根据本发明的多个中空加固结构3相关联。
板件“P”或航空结构件能够例如图5A和图5B所示是平的，或例如图1A和图1B所示是弯曲的。
为了在所述板件“P”上制造相互交叉的中空结构3，根据本发明的方法包括使所述板件“P”聚合以使所有中空加固或加强结构3聚合的单个步骤b)，该步骤优选地针对布置在每个板件“P”或航空结构件上的所有中空结构3而进行。
在板件“P”上制造的中空结构3能够借助于多个芯轴2来制造，将芯轴2适当地进行布置以便制造相互交叉的中空结构3。在一个替代实施例中，在板件“P”上制造的中空结构3能够借助于单个芯轴2来制造，芯轴2被成形以制造相互交叉的多于一个的中空结构3。在后一实施例中，芯轴2被成形以创建多于一个的中空结构3，例如必须在所述板件“P”或航空结构件上(例如在单个板件“P”或航空结构件)上制造的所有中空结构3。图1B示出一种板件，其上制造有相互交叉的中空结构3，特别是水平布置的三个中空结构和垂直布置的三个中空结构，垂直布置的中空结构被布置为与水平布置的三个中空结构相垂直。例如图1B、图5A和图5B中所示的中空结构3能够借助于多个芯轴2或借助于单个芯轴2来制造。
此外，芯轴2决定了中空结构3的横截面的形状。
中空结构3具有限定开口30的横截面。
芯轴2的横截面允许中空结构3被制造为具有带有期望形状的开口30。
在示例性而非限制性实施例中，所述中空结构3的横截面限定了具有梯形形状的开口。为了制造具有梯形开口30的中空结构3，使用了同样具有基本上梯形形状的横截面的芯轴2。
总之，中空结构3的限定开口30的截面具有取决于所用芯轴形状的形状。能够使用具有圆形截面或具有多边形截面的芯轴2。
如果更详细地考察为制造中空结构3而执行的步骤，在板件“P”的表面上布置至少一个芯轴2的步骤a)确切地包括在板件“P”的表面上布置一个或更多个芯轴2。
优选地，所述芯轴2布置在板件“P”或航空结构件的内表面的表面上。
所使用的芯轴2的数量取决于待制造的中空结构3的数量和形状。例如，在小尺寸的板件“P”或航空结构件(必要时具有较小数量的交叉点31)的情况下，能够用单个芯轴2制造所期望的形状。
所述至少一个芯轴2布置在板件“P”上的将要制造具有开口30的中空结构3的位置中。特别地，所述至少一个芯轴2布置在板件“P”或航空结构件需要结构加固的位置中。
在所述至少一个芯轴2已经被布置在将要制造中空结构3的位置中以后，能够继续进行后续步骤b)：在每个芯轴2上层压至少一个复合材料层4。
该复合材料层被铺设在芯轴2的顶部，还与板件“P”接触，并且被层压以获得尽可能线性的表面。
层压持续进行直至达到所期望的厚度和/或用于制造中空结构3的所有芯轴2都被覆盖。
出于本说明书的目的，术语“线性表面”表示不具有不期望的褶皱的表面，甚至曲面。
在层压结束时获得包括引导其几何尺寸的调整过的芯轴的板件。
在布置了一个或更多个复合材料层4以覆盖所述至少一个芯轴2和板件“P”本身需要加固处的板件“P”之后，能够继续进行后续步骤c)：使所述板件“P”聚合。
该聚合通过固化过程而发生，例如，通过对铺设有所述至少一个复合材料层4处的板件“P”进行加热。
更优选地，聚合步骤c)借助于共固化过程执行，优选地在高压釜(autoclave)中执行。
优选地通过所使用的复合材料的基质的特定温压循环对板件“P”或航空结构件进行聚合。所述温压循环优选地通过使用高压釜实现，使得所述至少一个复合材料层4正确地粘附至板件“P”并且硬化。
如有必要，在所述步骤c)期间，在加热使复合材料层4硬化前，芯轴2能够膨胀以使中空结构3的开口30的尺寸变宽，总之保持在制造数据表中所指示的尺寸。芯轴2的可能的膨胀受层压的复合材料层4的硬化的限制，从而决定了中空结构3的开口30的尺寸。
有利的是，提供了后续的中间冷却步骤，该冷却步骤在聚合步骤c)之后发生并且导致所述芯轴2的收缩。
在聚合步骤c)结束时，能够继续进行步骤d)：从中空结构3移除所述至少一个芯轴2。
通常，根据本发明的方法使用水溶性芯轴2。这些水溶性芯轴能够在聚合步骤期间不经受结构的变化。例如，所述芯轴2由惰性材料，优选地由具有水溶性粘合剂的粉末制成。
一般而言，不考虑上面提及的技术特征，使用由水溶性材料制成的所述至少一个芯轴2有助于通过单个聚合步骤b)实施用于制造例如相互交叉的中空结构3的方法，优选地，该方法针对所有相互交叉的中空结构3而进行。
在该方法的优选实施例中，在移除芯轴2的步骤d)之前，存在另一步骤d0)：对中空加固结构3进行打孔。利用所述打孔步骤d0)，能够制造使得允许在没有出口孔的情况下将所述芯轴2移除或取出的开口。
水溶性芯轴2的使用使得建造者制造具有直径比芯轴2的初始直径小得多的孔。通过中空结构3中的这些孔，能够移除溶解的芯轴，例如倾倒和/或溢出在合适的储存容器中。
在移除步骤d)之后，该方法包括另一步骤，在该步骤中，对板件“P”或航空结构件进行适当的修整。在修整步骤之后，向板件提供垫片以便允许将板件“P”或航空结构件布置在例如飞机上。
制造中空加固结构3的该方法能够稳定实施，而且非常简单，因为与现有技术中实施的方法相比，其不需要使用另外的设备。
制造相互交叉的中空结构3的方法能够以具有任意形状(平的和弯曲)的、任意类型的板件“P”或航空结构件(例如包括拐点或鞍点)来实施。
此外，根据本发明的方法使得制造商减少生产成本，这是因为所有的中空结构都在一个单个步骤中制造，从而减少层压和聚合步骤并且消除了中空结构3的清洗和芯轴的移除。
具体地，根据本发明的方法能够通过执行一个单个层压步骤b)和一个单个聚合步骤c)来制造板件“P”的所有的中空加固结构3。
根据本发明的方法能够借助于自动化系统以自动的方式实施。例如，借助于用于在板件“P”上布置所述至少一个芯轴2的系统和借助于自动化系统来铺设和层压复合材料层4。
由于能够借助于该过程的单个步骤，特别是借助于单个聚合步骤c)来制造相互交叉的中空结构3，所述方法能够在很大程度上自动化。根据本发明的方法使得要在板件“P”或航空结构件上制造的所有中空结构3都在一个单个制造步骤中进行制造，而不需要重复本方法的步骤。
例如，本方法的自动化借助于自动化的纤维铺放系统(也称为AFP系统)来实施，以在层压模具上布置复合材料。在所述层压模具上安装有一个或更多个芯轴2，所述芯轴优选为水溶性的。所述芯轴2是专用的，因为它们具有这样的几何尺寸和一致性以允许以自动的方式将复合材料层4铺设在其上。对复合材料层4的自动层压持续进行，直至达到预定的厚度和/或所有可用的芯轴都被覆盖为止。
当层压结束时获得包括引导其几何尺寸的调整过的芯轴的板件，并且该板件已为在高压釜中的单个循环做好准备。
当对板件“P”或航空结构件上可用的所有中空结构3的同步聚合之后，借助于机床对板件进行打孔，并且移除芯轴。在优选实施例中，芯轴2的移除通过其溶解而进行。
再次，适当修整板件“P”或航空结构件并施加垫片，以允许将板件“P”或航空结构件布置在例如飞机上。
此外，使用水溶性芯轴2制造中空结构3使得能够以期望的形状制造芯轴2。使用现有技术的芯轴来制造交叉的中空结构3将导致操作者不能以简单的方式从中空结构移除芯轴。
根据本发明的方法尤其适用于生产用于飞机的板件的中空加固结构。
这种集成的加固几何体还能够用于需要加强的短舱板件或飞机板件。
根据本发明的方法使得建造者以特别高效的方式制造加强的板件。特别地，本文中描述的配置被设想为满足航空领域的需要。
附图标记：
板件 P
芯轴 2
中空结构 3
开口 30
交叉点 31
复合材料层 4

Claims (10)

1.一种制造用于板件(P)或航空结构件的多个中空加固结构(3)的方法；
所述方法包括以下连续的步骤：
a)对应于待制造的每个中空结构(3)，在板件(P)表面上布置至少一个芯轴(2)；
b)在每个芯轴(2)上层压至少一个复合材料层(4)；
c)使其上施加有所述至少一个复合材料层(4)的所述板件(P)聚合；
d)从所述中空结构(3)移除所述至少一个芯轴(2)；
所述方法的特征在于：
所述中空加固结构(3)中的至少两个相互交叉；并且特征在于
针对所有所述中空加固结构(3)提供单个聚合步骤b)。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，提供单个芯轴(2)，其被成形以制造相互交叉的中空结构(3)。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述芯轴(2)是水溶性的。
4.根据权利要求1或3所述的方法，其中，在移除所述芯轴(2)的步骤d)之前，存在对所述中空加固结构(3)打孔的步骤d0)。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，提供单个层压步骤b)。
6.根据权利要求1所述的方法，其中，所述方法是借助于自动化系统以自动化的方式实施的。
7.根据权利要求1所述的方法，其中，所述聚合步骤是借助于在高压釜中的共固化过程执行的。
8.根据权利要求1所述的方法，其中，所述中空结构(3)具有限定开口(30)的横截面，所述横截面的形状取决于使用的所述芯轴(2)的形状。
9.根据权利要求4所述的方法，其中，提供后续的中间冷却步骤，所述冷却步骤在所述聚合步骤c)之后发生并且导致所述芯轴(2)的收缩。
10.一种板件或航空结构件(P)，包括：
-外表面，当所述板件或航空结构件被布置在例如飞机上时，该外表面是可见的；和
-内表面，当所述板件或航空结构件被布置在例如飞机上时，该内表面是不可见的；
所述板件(P)与根据权利要求1至9的方法制造的多个中空加固结构(3)相关联。
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