CN110027225A - 用于在固化纤维增强部件时使用的模具 - Google Patents

用于在固化纤维增强部件时使用的模具 Download PDF

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Abstract

本发明展示并要求保护一种用于在固化纤维增强部件时使用的模具，其中所述模具具有外部包壳，所述包壳由内部结构支持。所述外部包壳具有第一贴靠面，所述第一贴靠面被设置为用于在固化所述部件期间平坦地贴靠所述部件并且局部地预先确定所述部件的形状。所述内部结构和所述外部包壳如此设计，使得在将所述模具从初始温度加热到用于固化所述部件所需的固化温度时，所述模具垂直于所述第一贴靠面膨胀，从而通过所述第一贴靠面向所述部件施加限定的第一压力。此外，要求保护并描述了此类部件的用途。

Description

用于在固化纤维增强部件时使用的模具
技术领域
本发明涉及一种用于在固化纤维增强部件时使用的模具。此外，本发明还涉及此类模具的用途。
背景技术
纤维增强部件是由纤维复合材料形成的部件。后者一般由两种主要成分组成：基质以及嵌入基质中的增强纤维。在飞行器结构中，例如可以使用嵌入到由树脂形成的基质中的碳纤维。为了使由纤维复合材料形成的部件硬化，同时对其施加热和压力。依据材料类型不同，通过热将树脂硬化(由热固性塑料或热固单体形成的树脂或基质，以下简称为热固基质)或加热至其能够固化(由热塑性材料形成的树脂或基质，以下简称热塑性基质)，而通过压力设定了压紧程度(热固性和热塑性基质)。压紧程度进而影响了部件的内部质量(例如树脂分布、纤维体积含量、夹杂空气量、纤维取向的偏移或波动性)。因为成品部件的强度和刚度特性决定性地依赖于纤维-树脂比并且夹杂空气不利地改变强度和刚度，所以必须准确控制压力。在已知的具有热固性塑料树脂(热固性基质)的纤维复合部件中，尤其可以通过成型模具(例如压力模芯(Druckkernen))的热膨胀来产生压力，由此预定部件的形状。
纤维增强部件的广泛使用目前部分受到这些部件的高成本的阻碍。尤其可以通过使用由较廉价的热塑性材料形成的基质来降低这些部件的成本。然而由于热塑性基质只有在比热固性基质硬化的温度明显更高的温度下才能变形并且固化，此类基质的加工变得困难。例如，当前使用的热固性塑料树脂在约120℃-180℃的温度下已经硬化，而适合的热塑性材料只有在约340℃-400℃的固化温度下才能变形并加工。
由于更高的固化温度，因此迄今为止适合用于具有热固性基质的部件的方法仅仅可以有限地转移到具有热塑性基质的部件上。在固化具有热塑性基质的纤维增强部件时，许多材料尤其不能用于在具有热固性基质的纤维增强部件中使用的成型模具。因为当将成型模具加热到400℃而非180℃时，取决于材料，其膨胀强得多。这可能导致在部件中的过度挤压并且还导致制造器件的损坏。
发明内容
因此本发明的目的是，提供在固化纤维增强部件且优选具有由热塑性材料形成的基质的纤维增强部件时能够使用的模具或模芯。
这个目的通过根据权利要求1的模具以及根据权利要求8的本发明模具的用途来实现。本发明的有利改进方案在从属权利要求中描述。
在第一方面，所述目的通过在固化纤维增强部件时使用的模具来实现。所述纤维增强部件优选具有由热塑性材料形成的基质，所述基质也称为热塑性基质。但所述模具也可以用在制造具有由热固性塑料或热固单体形成的基质的纤维增强部件时。此类基质以下称为热固性基质。所述模具具有外部包套，所述包套由内部结构支持。所述外部包套具有第一贴靠面，所述第一贴靠面被设置为用于在固化所述部件期间平坦地贴靠所述部件并且至少局部地预先确定所述部件的形状。所述内部结构和所述外部包套如此设计，使得在将所述模具从初始温度加热到用于固化所述部件所需的固化温度时，所述模具垂直于所述第一贴靠面膨胀，从而通过所述第一贴靠面向所述部件施加限定的第一压力。
本发明的模具(也称为模芯或压力模芯)包括外部包套或包壳以及内部结构。所述外部包套可以部分或全部封闭。换言之，它以壳体的形式包围所述内部结构。但是它并不需要是完全封闭的，即也可以具有开口。所述内部结构安排在壳体的由所述外部包套构成的内部中。另外，所述内部结构设置为支持所述外部包套，即接收并分散作用在包套上的载荷。
所述外部包套的一部分构成第一贴靠面。通过所述第一贴靠面，在使用所述模具的情况下固化纤维增强部件时，所述部件至少局部成型并且由所述模具向所述部件施加压力。模具可以具有一个或多个贴靠面。
最后，所述模具的外部包壳和内部结构构型为，使得在固化期间所述模具在所述第一贴靠面的方向上准确地膨胀，从而将用于固化所述部件所需的压力施加到所述纤维增强部件上。取决于用于所述纤维增强部件的基质的材料，将硬化温度(热固性基质)或基质可以固化的温度(热塑性基质)称为固化温度。因为初始温度(例如室温)与相应部件的固化温度之间的温度差不能变化，本发明提出，如此匹配所述部件的内部结构和外部包套，使得在加热到所述固化温度时所述模具不会不必要地过强膨胀，从而不会对所述部件施加过大的压力。但是，所述内部结构和外部包套还同时被选择为，使得所述模具足够强地膨胀，以便对所述部件施加足够高的压力。
所述模具的膨胀可以尤其通过对所述模具的内部结构的构型来控制。在此，首先理论上存在如下假设，即，更重的模具更强地膨胀并且因此也产生更高的压力。所需要的压力越小，则部件越容易出现故障。为了仍然提供足够的稳定性，可以例如将内部结构形成为蜂窝状或方格状。还可设想复杂的结构。
所述内部结构优选至少局部由具有不同热膨胀系数的不同材料构成，使得在将所述模具从所述初始温度加热到所述固化温度时，所述模具垂直于所述第一贴靠面的膨胀取决于所述内部结构的不同材料。
例如，所述结构可以局部地由具有高热膨胀系数的材料构成并且局部地由具有低热膨胀系数的材料构成。通过在所述内部结构处这两种材料之比可以控制所述内部结构的膨胀并因此控制由模具施加到部件上的压力。因为所述内部结构与所述外部包壳的垂直于所述第一贴靠面的厚度相关地具有较大尺寸，所以通过选择适合的材料的比例尤其可以设定压力的数量级。
替代地或附加地优选的是，所述外部包壳在所述第一贴靠面的区域中由平行于所述贴靠面延伸的多个层构成，其中所述多个层中的至少两个层由具有不同热膨胀系数的不同材料构成，使得在将所述模具从所述初始温度加热到所述固化温度时，所述模具垂直于所述第一贴靠面的膨胀取决于所述外部包壳的不同材料和所述层的垂直于所述第一贴靠面的厚度。
其优点是，可以直接在包壳中改变所述模具的膨胀率并且尤其适合于准确地设定压力，因为所述外部包壳垂直于所述第一贴靠面的厚度通常小于所述内部结构的尺寸。另外可以通过整个贴靠面来设定和改变压力。
在一个优选实施方式中，所述外部包壳具有第二贴靠面，所述第二贴靠面被设置为用于在固化所述部件期间平坦地贴靠所述部件并且局部地预先确定所述部件的形状，其中所述内部结构和所述外部包套如此设计，使得在将所述模具从所述初始温度加热到所述固化温度时，所述模具垂直于所述第二贴靠面膨胀，从而通过所述第二贴靠面向所述部件施加限定的第二压力，其中所述第一压力和所述第二压力大小不同。同样可行的是，在模具处设置多于两个贴靠面，其中在加热到固化温度时每个贴靠面将另一个压力施加到所述部件上。
在这个优选实施方式中，因此可以对于两个贴靠面来不同地设定由所述模具施加到所述部件上的压力。这种设定优选可以通过所述内部结构的构造和构型来进行。因此，尤其能够实现用一个模芯或模具在一个部件中产生不同的压力。因此还能以不同的载荷能力以及不同的厚度来制造部件的不同区域，由此降低了所述部件的总重量，因为不再是所述部件的最稳健的区段预先确定所述压力。
所述外部包套在所述第一贴靠面的区域中优选具有垂直于所述第一贴靠面的厚度，所述厚度与所述外部包套在所述第二贴靠面的区域中垂直于所述第二贴靠面的厚度不同，使得由于所述外部包套在所述第一和第二贴靠面的区域中的不同厚度，在从所述初始温度加热到所述固化温度时，所述模具垂直于所述第一贴靠面与垂直于所述第二贴靠面相比以不同强度膨胀。与所述模具的平行于所述第一和第二贴靠面中具有较大厚度的贴靠面的膨胀相比，在此优选能够以更小的耗费阻挡所述模具的平行于所述第一和第二贴靠面中具有较小厚度的贴靠面的膨胀。
因此，替代于或附加于所述内部结构的构造，还可行的是所述第一和第二贴靠面以不同厚度制造。在其他方面相同的材料(或材料混合物)的情况下，可以通过包壳的厚度来控制热膨胀并因此控制所述压力。
还优选的是，所述内部结构由具有不同热膨胀系数的不同材料构成，使得由于具有不同热膨胀系数的所述材料，在从所述初始温度加热到所述固化温度时，所述模具垂直于所述第一贴靠面与垂直于所述第二贴靠面相比以不同强度膨胀。同样可行的是，所述内部结构局部地由具有不同热膨胀系数的材料构成并且因此控制由不同贴靠面施加的压力。
在一个优选实施方式中，所述内部结构和/或所述外部包套用增材制造方法来制造。例如，所述模具或所述模具的至少一部分用3D打印方法制造。
在第二方面，本发明的基本目的通过在固化纤维增强部件时使用根据上述实施方式之一的模具来实现。优选所述模具在固化具有热塑性材料形成的基质的纤维增强部件时使用。本发明用途的优点对应于该用途所采用的模具的优点。
附图说明
下面借助于示出实施例的附图来详细解说本发明，其中
图1a示出本发明模具的多个实施方式，
图1b示出本发明模具的多个实施方式，这些实施方式用于固化纤维增强部件，
图1c示出在使用图1b的模具的情况下制造的纤维增强部件，
图2a至2d示出本发明模具的实施方式的截面图，并且
图3a至3c示出本发明模具的内部结构的示例性实施方式。
具体实施方式
图1a示出模具或模芯1的多个示例性实施方式，所述模具或模芯可以用在固化纤维增强部件中，即由纤维复合材料形成的部件。在所有附图中相同的元件用相同的附图标记标识。
在图1b中示出在固化由纤维复合材料形成的部件3时使用图1a的模具1以及多个另外的模具1。纤维复合材料是由其中嵌入增强纤维的基质构成。在图3中展示的实例中的基质由例如能够在400℃的温度下固化的热塑性塑料构成。此类基质在此也称为热塑性基质。
模具1分别具有至少一个第一贴靠面，通过所述第一贴靠面，所述模具贴靠待固化的部件。以下参照图2a至2d和3a至3c来详细说明模具的构造的细节，其中展示了本发明模具的示例性实施方式和示例性的内部结构。
最后在图1c中展示了在固化之后的图1b的部件3。示例性的部件3为用于在飞行器机身中的门开口的增强件。
图2a至2d示出模具1的四个不同实施方式的截面图，所述模具分别设置为用于在固化由具有热塑性基质的纤维复合材料形成的部件时使用。然而，模具1理论上还可以用于安排在固化由具有热固性基质的纤维复合材料形成的部件的情况下。
在图2a中示出的模具1包括外部包壳5(也称为外部包套5)。外部包壳5具有第一接触面7。在固化由纤维增强材料形成的部件期间第一接触面7平坦地贴靠所述部件并且至少部分预先确定所述部件的形状。换言之，在固化期间所述部件的外部构型至少部分与所述第一接触面7的形状匹配。
所述外部包壳5构成壳体，内部结构9安排在其中。在图2a中展示的实施例中，内部结构9由多个彼此平行延伸的柱形圆棒11构成。在图2a中所示的圆棒11中只有两个用附图标记11标识，以免由此使得对实施方式的展示变得难以辨认。圆棒11基本上垂直于第一贴靠面7延伸。在图2a中的模具1的内部结构9构型为，在将模具1从室温(例如作为初始温度)加热到固化温度(例如400℃)时首先垂直于第一贴靠面7膨胀。因此可以将限定的第一压力施加到所述部件或所述部件的贴靠第一贴靠面7的区段上。通过内部结构9的这种构型以及尤其通过使用基本上垂直于第一贴靠面7延伸的内部接口9，主要在第一贴靠面7的方向上施加压力。
除了第一贴靠面7之外，模具1还具有第二贴靠面13，所述第二贴靠面同样设置为用于贴靠待固化部件的区段。如在图2a中可以看出的，与外部包壳5相反具有较小厚度17的第二贴靠面13的区域中相比，外部包壳5在第一贴靠面7的区域中具有垂直于贴靠面7的较大的厚度15。模具1因此被适配为，与通过第二贴靠面13相比，通过第一贴靠面7将更大的压力施加到待固化的部件上。不仅由于内部结构9，而且还由于在第一贴靠面7的区域中更大的厚度15，模具1垂直于第一贴靠面7比垂直于第二贴靠面13更强地膨胀。相反，较薄的外部包壳5作用于第二贴靠面13的区域中，使得在加热到固化温度时，与第一贴靠面7相比，第二贴靠面13将明显更小的压力施加到所述部件上。
由此，在图2a中展示的实施方式具有以下优点：通过内部结构9能够准确设定由第一贴靠面7施加的压力，并且由于内部结构9和在相应贴靠面7的区域中外部包壳5的不同厚度15、17，通过第一和第二贴靠面同样能够施加不同的压力。
图2b示出根据本发明的模具1的第二实施例。这个模具1也包括外部包壳5和内部结构9。如在图2a中所示的实施例，来自图2b的模具1除了第一贴靠面7之外还具有第二贴靠面13，所述第二贴靠面同样设置为用于贴靠由纤维复合材料形成的待固化部件的区段。外部包壳5不仅在第一贴靠面7的区域中还在第二贴靠面13的区域中分别包括由具有不同热膨胀系数的材料形成的两个层19、21。例如第一层19的材料具有比第二层21的材料更大的热膨胀系数。然而，外部包壳5在第一和第二贴靠面7、13的区域中的区别在于第一和第二层19、21在外部包壳5的厚度15、17中所占据的比例。通过具有不同热膨胀系数的材料的不同比例，能够以有利的方式设定外部包壳5的膨胀并且因此设定由相应贴靠面7、13施加的压力。
在图2b中展示的实施例的内部结构9是格栅状的并且提供了压力通过第一和第二贴靠面7、13向待固化部件的均匀分布。
本发明模具1的另一个实施方式展示在图2c中。这个实施方式与图2a中展示的实施方式的不同之处在于内部结构9的构型。图2a中使用了规则结构，而图2c中的模具1包括仿生学的内部结构9，通过所述内部结构能够在将模具1从初始温度加热到固化温度时通过第一贴靠面7和第二贴靠面13向待固化的部件施加复杂的压力分布。
最后，在图2d中展示了本发明模具1的第四实施例。这个实施例与在图2a和2b中展示的实施方式的区别同样在于内部结构9。这个内部结构由具有球23、25的球填充物组成，其中所述球要么是第一球类型(球23)要么是第二球类型(球25)。为避免使得图2b中的展示变得难以辨认，内部结构9的球23、25中的仅仅两个(各自为一种球类型)设置有附图标记。
第一和第二球类型的球23、25的区别一方面在于尺寸但另一方面还在于其构成材料。例如第一球类型的球23可以由具有比第二球类型的球25更大的热膨胀系数的材料构成。换言之，图2d中的模具1的内部结构9由两种不同材料构成，其中这两种不同材料分别具有不同的热膨胀系数。通过安排球23、25可以改变压力，所述压力通过第一贴靠面7和第二贴靠面13施加到待固化的部件上。尤其可以通过第一贴靠面7向所述部件施加与第二贴靠面13不同的压力，因为第一球类型的球23在加热到固化温度时与第二球类型的球25以不同强度膨胀。
最后，在图3a、3b和3c中展示了模具1的内部结构9的三个不同的实例，其中内部结构9可以多次但还可以仅部分地包括相应展示的实例。图3a示出第一实施方式，其中内部结构9具有三个交差的圆棒27、29、31。这个实施方式具有以下优点：首先沿着中央圆棒29的延伸方向建立压力，但同时还可以通过倾斜的圆棒27、31来产生垂直于延伸方向的压力。但由于倾斜的圆棒27、31相对于中央圆棒29的倾斜度，这个压力是较小的。
图3b示出图2a的内部结构9的局部，其中多个圆棒11彼此平行地延伸。在此同样仅标识了圆棒11中的几个。通过这个内部结构9仅仅在一个方向上产生压力。
最后，图3c示出一个实施方式，其中内部结构9包括三个彼此平行安排的长方体33。长方体33在从初始温度加热到固化温度时也膨胀。因为膨胀分别取决于长方体33的材料厚度，所以可以通过这个内部结构9在三个方向上向贴靠在对应贴靠面处的部件施加不同大小的压力。
模具1(包括内部结构9和外部包壳5)优选用增材式层构造方法(例如3D打印)来制造。

Claims (10)

1.一种用于在固化纤维增强部件(3)时使用的模具(1)，
其中所述模具(1)具有外部包壳(5)，所述包壳由内部结构(9)支持，
其中所述外部包壳(5)具有第一贴靠面(7)，所述第一贴靠面被设置为用于在固化所述部件(3)期间平坦地贴靠所述部件(3)并且局部地预先确定所述部件(3)的形状，
其中所述内部结构(9)和所述外部包壳(5)如此设计，使得在将所述模具(1)从初始温度加热到用于固化所述部件(3)所需的固化温度时，所述模具(1)垂直于所述第一贴靠面(7)膨胀，从而通过所述第一贴靠面(7)向所述部件(3)施加限定的第一压力。
2.根据权利要求1所述的模具(1)，其中所述内部结构(9)至少局部由具有不同热膨胀系数的不同材料构成，其中在将所述模具(1)从所述初始温度加热到所述固化温度时，所述模具(1)垂直于所述第一贴靠面(7)的膨胀取决于所述内部结构(9)的所述不同的材料。
3.根据权利要求1或2所述的模具(1)，其中所述外部包壳(5)在所述第一贴靠面(7)的区域中由多个层(19，21)构成，所述多个层平行于所述贴靠面(7)延伸，其中所述多个层(19，21)中的至少两个层由具有不同热膨胀系数的不同材料构成，使得在将所述模具(1)从所述初始温度加热到所述固化温度时，所述模具(1)垂直于所述第一贴靠面(7)的膨胀取决于所述外部包壳(5)的不同材料和所述层(19，21)的垂直于所述第一贴靠面(7)的厚度。
4.根据权利要求1或2所述的模具(1)，其中所述外部包壳(5)具有第二贴靠面(13)，所述第二贴靠面被设置为用于在固化所述部件(3)期间平坦地贴靠所述部件(3)并且局部地预先确定所述部件(3)的形状，
其中所述内部结构(9)和所述外部包壳(5)如此设计，使得在将所述模具(1)从所述初始温度加热到所述固化温度时，所述模具(1)垂直于所述第二贴靠面(7)膨胀，从而通过所述第二贴靠面(13)向所述部件(3)施加限定的第二压力，其中所述第一压力和所述第二压力大小不同。
5.根据权利要求4所述的模具(1)，其中所述外部包壳(5)在所述第一贴靠面(7)的区域中具有垂直于所述第一贴靠面(7)的厚度(15)，所述厚度与所述外部包壳(9)在所述第二贴靠面(13)的区域中垂直于所述第二贴靠面(13)的厚度(17)不同，使得由于所述外部包壳(5)在所述第一和第二贴靠面(7，13)的区域中的不同厚度和由此产生的由热膨胀造成的不同的力，在从所述初始温度加热到所述固化温度时，所述模具(1)垂直于所述第一贴靠面(7)与垂直于所述第二贴靠面(13)相比以不同强度膨胀。
6.根据权利要求4或5所述的模具(1)，其中所述内部结构(9)由具有不同热膨胀系数的不同材料构成，使得由于具有不同热膨胀系数的所述材料，在从所述初始温度加热到所述固化温度时，所述模具(1)垂直于所述第一贴靠面(7)与垂直于所述第二贴靠面(13)相比以不同强度膨胀。
7.根据前述权利要求之一所述的模具(1)，其中所述内部结构(9)和/或所述外部包壳(5)用增材制造方法制成。
8.根据前述权利要求之一所述的模具(1)，其中所述模具(1)设置为用于在固化具有热塑性材料形成的基质的纤维增强部件(3)中使用。
9.根据前述权利要求之一所述的模具(1)的用途，用于固化纤维增强部件(3)。
10.根据权利要求9所述的用途，其中所述模具(1)用于固化具有热塑性材料形成的基质的纤维增强部件(3)。
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