CN106457699A - 用于生产复合材料部件的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于制造复合材料部件的方法和装置，在该复合材料部件中放置连续的、导电的纤维的层片（12），以在一个支撑件（11）上形成层片（12）的叠层。根据本发明，至少承载所述叠层的支撑件（11）的表面是电绝缘的，并且执行以下步骤：a）在直接上下放置的至少两个叠层的端部之间，和这些层片（12）的至少两个相对的两侧放置电端子（13、18）；b）当所述纤维干燥时，引入树脂以浸渍纤维；以及c）在电端子（13、18）之间穿过所述层片（12）产生电流，以便通过焦耳效应加热来固化树脂。

Description

用于生产复合材料部件的方法和装置

技术领域

本发明涉及一种方法，用于制造由具有纤维强化物的复合材料制成的部件。

此外本发明涉及实现这一方法的装置。

背景技术

复合材料的技术优点导致其在众多技术领域中得到更多的应用，并且在诸如航空、航天或汽车行业中变得越来越重要。

单纯用于说明，在航空领域中，飞行器的结构元件由复合材料制成，以减少机身重量。

通常，复合材料制成的部件包括纤维增强树脂基质。一般通过在工具层上堆叠预先用树脂浸渍的纤维来获得这些部件。在放置纤维层之后，组合件与其他部分一起被真空袋覆盖，然后组合件被引入到热压罐中，并经历温度和压力循环，从而实现部件的聚合。

在这些聚合步骤中，对于常规部件，温度通常为大约200摄氏度，而对于高温应用材料，例如聚酰亚胺，温度可以达到350摄氏度。

然而，注意到需要大量的能量来加热通常由金属制成的工具，而且从能源消耗的角度来看，所使用的烤炉或热压罐的体积对财务带来不利影响。

此外，由于所需大量的能量和所用构件的高热惯性，加热速度通常限于小于1摄氏度/分钟。

现在，由于生产率变得越来越快，传统上使用的手段将很快受到限制，除了数量的增加从而造成制造成本的显著增加，传统上使用的手段与制造企业的经济利益相矛盾。

电离聚合工艺是一种令人感兴趣的替代方案，因为其提供了聚合和/或交联而不需升高温度。

因此，可以在相对短的时间内、使用相对少的能量获得优质复合材料。

然而，到目前为止还没有产生工业上的应用成果。

因此，迫切需要一种用于固化热固性基体复合部件的方法或用于热塑性基体复合部件的温度固结的方法，该方法成本低，同时可以极大地提高生产速率。

本发明的目的在于通过提出一种用于生产复合材料部件的方法和装置，来克服现有技术的各种缺点，该方法和装置的设计和操作模式简单、成本低，并且为相同的聚合效率提供限制热能的消耗。

发明内容

为此，本发明涉及一种生产复合材料部件的方法，其中放置连续的、导电纤维的层片，以在支撑件上形成层片的叠层。

根据本发明，至少承载该叠层的该支撑件的表面是电绝缘的，执行以下步骤：

a）在直接上下放置的所述至少两个叠层的端部之间，这些电端子需要放置在这些层片的至少两个相对侧；

b）当纤维干燥时，引入树脂以浸渍该纤维；

c）在该电端子之间穿过该层片产生电流，以便通过焦耳加热使树脂固化，或通过焦耳加热使树脂变为液态，以确保树脂固化。

由于纤维是连续的、导电的，通过将电端子放置在叠层的至少两个相对侧上，借助于该纤维建立电路。

因此，电端子可以放置在所有层片之间或者两个、三个或更多个层片之间，这取决于叠层的聚合条件。

当然，本领域技术人员将理解，步骤b）也可包括使用预浸渍纤维的叠层。

优选地，支撑件是电绝缘的，或者至少接收该叠层的支撑件的表面是电绝缘的。

本发明方法应用的复合材料是由树脂和赋予这些材料特性的纤维强化物形成的材料。具体来说，这些复合材料由以叠层的形式呈现的纤维增强物和有机基底形成，这些纤维增强物确保了部件的强度和刚度，并且有机基底确保了纤维层之间的连接。连续并导电的纤维通常由碳制成。

有利的是，用于产生复合材料部件的本方法可以生产与传统固结或聚合部件类似的复合部件，但是具有更好的受控能量成本和更快的生产速率。

本发明方法在使用复合部件的领域中应用，例如航天、航空、汽车、航海等。

在该方法的各种特定实施方式中，各实施方式具有特定的优点，可用于许多可能的技术组合：

-由于该叠层沿该部件的纵轴和横轴中的至少一根轴的方向上具有更大的尺寸，在步骤c）中获得的固化组合件根据待生产的部件的尺寸被切割；

因此，将所获得的组合件切割成待制造部件的最终尺寸。有利的是，所获得的组合件可以与该组合件中放置每个电端子的端部对齐地切割；

-在步骤a）中，至少在直接上下放置的两个叠层的端部之间的该电端子被引入叠层的中心，以便在中心处加热该叠层；

-放置该叠层中的至少一些层片，使得这些叠层的纤维相对于该叠层的主轴呈现不同的方向；

通过具有不同方向的纤维，在叠层中能获得了更好的热分布；

仅用于说明目的，由于每个层片由单向纤维形成，第一层片相对于叠层的纵轴呈0度的夹角，立即放置在第一层片的顶部上的层片相对于纵轴呈45度的夹角，而直接放置在第二层片上方的第三层片相对于该纵轴呈现90度的夹角；

-在该叠层中引入至少一个温度传感器，或者在该叠层的外表面上放置至少一个温度传感器，并且根据所需的温度条件来控制电功率，

-在步骤b）中，该层片用热固性或热塑性树脂浸渍；

通过低压手段进行树脂浸渍；

-该纤维层片是单向纤维层片或编织层片，编织层片即在同一层片中呈现90度的两个纤维方向。

本发明还涉及一种装置，用于实施如上文描述的制造复合材料部件的方法。

根据本发明，该装置包括：

-一个模具，至少用于支撑该叠层的表面是电绝缘的，

-至少两个电端子，

-一个电源，以及

-一个电源电路，用于将该电端子连接到该电源。

当然，当在步骤c）之前需要引入热固性或热塑性树脂以浸渍该叠层的层片时，该装置包括注射设备。

可以控制该注射设备的温度，以在模具中保存待注射的材料，并在防止其聚合的温度下在注射后使材料保存在设备中。

在该装置的各种特定实施方式中，各实施方式具有特定的优点，可用于许多可能的技术组合：

-该电端子是金属线或金属箔；

-该装置包括在聚合相期间在该叠层上施加压力的挤压构件；

该挤压构件具有引起收缩的效果，收缩的目的在于在聚合步骤期间排出在层片之间的空气和纤维周围的空气。因此，降低了孔隙率，并且在聚合步骤期间排出了空气和溶剂；

-该模具由电绝缘材料制成，例如基于玻璃纤维或经处理的木材或任何其他非导电材料的复合材料；

该模具可以包括固定的半模，其外表面用于承载该叠层，以及用于覆盖至少该叠层以便聚合的密封袋；

-该装置包括连接到控制单元的一个或多个温度传感器，以根据所需的温度条件来控制由该电源提供的电功率。

附图说明

本发明的其他特定优点、目的和特征将在下文结合参考附图的用于解释而不具任何限制性的说明中进行描述，其中附图：

图1示意性地表示根据本发明的一种实施方式的用于制造复合材料部件的装置的剖面正视图；

图2示出了根据本发明方法的另一种实施方式从层片的叠层的上方观察的局部视图，在该实施方式中电端子布置在两个连续层片的边缘之间。

具体实施方式

首先，应注意各图不是按比例绘制的。

图1示意性地表示根据本发明的特定实施方式用于制造复合材料部件的装置10的剖面正视图。

该部件在此处通过在平面形半模11上堆叠用树脂预浸渍的纤维12来制造。当然，根据该部件所需的最终形状，工具11可以呈现不平坦的形状，例如凸形。在这种情况下，半模11由如基于玻璃纤维的复合材料等电绝缘材料制成。

在这种情况下，每个层片12由连续且导电的单向纤维（例如碳纤维）形成，例如使用悬垂成型机（图中未示出）放置这些层片。

两个金属箔13放置在由此制造的叠层的两个连续层片12之间，其设置于层片12的两个相对侧，并且与由这些层片的单向纤维方向限定的方向相切或基本相切。

金属箔13连接到由电流源14作为电源的供电电路，这些金属箔13形成电端子，藉由层片的纤维将电流引入待聚合部件中，这些层片的纤维将不同侧的这些电端子13电连接。这些金属箔13可以例如是矩形的铜板。

尽管通常放置的层片12的数量取决于待制造的部件的厚度，但也要同时考虑在聚合相中压实之后叠层厚度减小的系数，每个层片的纵向和横向尺寸中的至少一个要大于待制造的部件相对应的尺寸，以便接收这些电端子。

在放置预浸渍的纤维层片12和金属箔13之后，组合件与其他部分一起由真空袋15覆盖，真空袋15既能使电源电路的电连接元件16（例如电线）通过，又能保证真空袋15自身的密封。

此外，在聚合步骤期间由挤压构件（图中未示出）对叠层施加压力。该挤压构件可以包括例如沿着竖直导轨移动的一个或多个滑杆。

由于焦耳效应，直接置于待聚合材料的核心处的热源使材料的温度升高，与聚合具有相同聚合效率的部件所需的能量相比，这种方法其中热源直接置于待聚合材料的核心处有利地减少了具备相同聚合效率的情况下所需的能量。

通过将一个或多个温度传感器（图中未示出）置于由此获得的组合件中，例如直接置于待聚合的材料中，可以根据所需的温度条件来控制由电流源14传递的电功率。

有利的是，对于厚度薄的部件或反应放热低的材料来说，温度上升的速度不受工具及现有加热构件的热惯性的限制。

一旦聚合步骤完成，将由此获得的固化组合件切割成待制造部件的最终尺寸。当进行切割时，组合件的一些部分被除去，被除去的这些部分是位于金属箔片13上的部分。

图2是在本发明的方法的另一个实施方式中实施的从层片的叠层上方观察的局部俯视图。图2中与图1中具有相同的附图标记的元件表示相同的对象，在下文不再说明。

通过放置编织层片17，即在纤维相互呈90度的层片中，获得这些层片的叠层。此外，电端子13、18位于由两个编织层片17限定的各侧的两个编织层片17之间。

当然，第一端子13也可以放置在两个第一层片17之间的与这些第一层片相对的两个第一边缘处，第一端子13与第二端子18交替放置，第二端子18放置在两个第二层片17之间的与这些第二层片相对的两个第二边缘处。优选地，这两个第一和两个第二层片具有共同的编织层片17，使得它们构成具有三个连续层片的叠层。

据此，确保了在叠层中对焦耳效应产生的能量进行更好的分布。

Claims (13)

1.一种用于制造一种复合材料部件的方法，其中在该复合材料部件中放置连续的、导电的纤维的层片（12），以在一个支撑件（11）上形成层片（12）的叠层，

其特征在于，至少承载所述叠层的所述支撑件（11）的表面是电绝缘的，所述方法执行以下步骤：

a）在直接上下放置的所述至少两个叠层的端部之间放置电端子（13、18），这些电端子（13、18）需要放置在这些层片（12）的至少两个相对侧；

b）当所述纤维干燥时，引入一种树脂以浸渍所述纤维；

c）在所述电端子（13、18）之间形成穿过所述层片（12）的电流，以便通过焦耳效应加热使所述树脂固化，或通过焦耳效应加热使所述树脂变为液态，以确保所述树脂固化。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，根据待制造的部件的尺寸加工在所述步骤c）获得的固化组合件的廓形，因为沿所述部件的纵轴和横轴的至少一个轴的方向上，所述叠层具有大于所述部件的尺寸。

3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在所述步骤a）中，将至少所述电端子（13、18）引入到直接上下放置的两个所述层片（12）的端部之间的所述叠层的中心，以便在中心处加热所述叠层。

4.如权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于，放置所述叠层中的至少一些所述层片（12），使得这些层片（12）的所述纤维相对于所述叠层的一条主轴呈不同的方向。

5.如权利要求1至4中任一项所述的方法，其特征在于，在所述叠层中引入至少一个温度传感器，或者在所述叠层的外表面上放置至少一个温度传感器，并且根据所需的温度条件来控制电功率。

6.如权利要求1至5中任一项所述的方法，其特征在于，在所述步骤b）中，用热固性或热塑性树脂浸渍所述层片（12）。

7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，通过低压手段对所述树脂进行浸渍。

8.如权利要求1至7中任一项所述的方法，其特征在于，纤维的所述层片（12、17）是单向纤维的层片（12）或编织层片（17）。

9.一种装置，用于实现如权利要求1至8任意一项所述的用于制造一个复合材料部件的方法，其特征在于，所述装置包括：

一个模具（11、15），其至少用于支撑所述叠层的表面是电绝缘的；

至少两个电端子（13、18）；

一个电源（14）；以及

一个电源电路，用于将所述电端子（13、18）连接至所述电源。

10.如权利要求9所述的装置，其特征在于，所述电端子（13、18）是金属线或金属箔片。

11.如权利要求9或10所述的装置，其特征在于，所述装置包括在聚合相期间在所述叠层上施加压力的一个挤压构件。

12.如权利要求9至11中任一项所述的装置，其特征在于，所述模具（11、15）由一种电绝缘材料制成。

13.如权利要求9至12中任一项所述的装置，其特征在于，所述装置包括连接到一个控制单元的一个或多个温度传感器，以根据所需的温度条件来控制由所述电源（14）提供的电功率。