CN110312613A - 由纤维复合材料制造中空梁的方法，构成为中空体的芯及其应用以及由纤维复合材料制成的中空梁的应用 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于由纤维复合材料制造中空梁(1)的方法，一种构成为中空体的芯(5)及其应用和由纤维复合材料制成的中空梁(1)的应用。

Description

由纤维复合材料制造中空梁的方法，构成为中空体的芯及其 应用以及由纤维复合材料制成的中空梁的应用
技术领域
本发明涉及一种用于由纤维复合材料制造中空梁的方法，一种构成为中空体的芯及其应用和由纤维复合材料制成的中空梁的应用。
背景技术
在由纤维复合材料(也称作纤维塑料复合材料，FKV材料)制造中空构件时，使用具有部分非常复杂的几何结构的芯形式的、用于纤维安置的模制体。
原则上存在如下可能性：使用永久芯，其例如可以通过脱模斜度或热收缩从构件中取出。在具有底凹和/或弯曲部的复杂的几何结构中，芯不能容易地取出，以至于在这些情况下通常使用丢弃芯。芯必须具有足够的尺寸精确性，其提供用于在自动化的方法中的应用的可能性并且能够实现复杂的几何结构的制造。
此外，用于纤维安置的芯必须是非常稳定的，因为例如在用机器编绕或缠绕时大的拉力和/或压力作用到芯上。
从现有技术中，例如从DE 10 2011 085029 A1中已知一种由泡沫塑料构成的芯的应用，所述芯在纤维安置之后保留在构件中。不利的是，泡沫塑料仅具有受限的机械稳定性。此外，芯留在构件中对于许多应用是不利的。
EP 1 197 309 B1描述了由蜡制成的丢弃芯的使用，所述芯在构件制造后被融化进而不再存在于制成的构件中。不利的是，所述方法是非常耗费的，例如由于必须相应地等候蜡完全凝固。此外，将蜡作为芯材料又只是受限地抗拉和抗压的。
同样，由于受限的稳定性，由水溶材料构成的可洗去的芯，如“水芯(Aquacore)”，对于产生大的拉力和/或压力的应用是不太适合的。
DE 10 2008 016 616 A1描述了一种用于制造中空的纤维复合构件的方法，其中由纤维构成的型坯直接缠绕或编绕或编织到芯上并且型坯与芯紧接着被插入注模的腔室中，其中作为芯使用由塑料制造的中空体。这尤其涉及吹模。
在DE 10 2010 056 293 A1中说明了一种用于制造中空的纤维复合构件的方法，其中被丢弃的初始模，尤其吹模，用至少一个由增强纤维构成的层包围，所述层随后用弹性密封剂不可分离地覆盖，以便构成可再利用的、软管状的模制体，其中增强纤维和弹性密封剂设置为，使得增强纤维在模制体的内表面和外表面之间变替。随后使模制体膨胀并且借助纤维复合构件的增强纤维占据。不利的是，所述方法是非常耗费的并且主要适合于制造薄壁的纤维复合构件。
发明内容
本发明的目的在于，提出一种用于制造呈中空梁形式的复杂的纤维复合构件的方法和一种所属的芯，其克服现有技术的上述缺点并且尤其适合于制造厚壁的纤维复合构件。
所述目的通过具有在权利要求1中描述的特征的根据本发明的方法实现。所述目的还通过具有权利要求9的特征的芯实现。本发明的优选的改进方案是从属权利要求的主题。
用于由纤维复合材料制造中空梁的根据本发明的方法至少包括如下方法步骤：
a)提供由纤维复合材料制成的、构成为中空体的模制体，所述模制体具有增强纤维和可溶的塑料基体，所述塑料基体由借助于溶剂可溶的基体材料构成；
b)将具有至少一个，优选多个薄膜状的层的真空构造或压力软管设置在模制体的外表面上；
c)将中空梁的增强纤维安置在设置在模制体的外表面上的真空构造的或压力软管的外表面上，以形成中空梁预制件；
d)将中空梁预制件设置在外部模具中；
e)用基体材料浸透中空梁的增强纤维；
f)在真空构造和外部模具的内表面之间产生负压或在模制体的外表面和压力软管之间产生过压；
g)通过构成中空梁的模制到外部模具的内表面上的外表面加固中空梁的由增强纤维和基体材料组成的纤维复合体；
h)从外部模具中取出被加固的中空梁；
i)通过借助于溶剂的溶解移除模制体的可溶的塑料基体；
j)经由中空梁的至少一个端侧移除模制体的或真空构造的增强纤维。
借助于根据本发明的方法以相对简单的处理方式尤其也可以制造由纤维复合材料构成的厚壁的中空梁和/或具有高的纤维体积含量的中空梁。根据本发明的方法允许包含弯曲部、底切和横截面变型的复杂的几何结构的中空梁。中空的、自稳定的模制体有利地开启根据本发明的方法的方法步骤的尽可能自动化的可能性。借助于根据本发明的方法制造的中空梁具有均匀的且无折皱的外部轮廓。
作为纤维可以使用所有适合类型的增强纤维，如自然纤维或人造纤维，例如玻璃纤维或碳纤维或芳纶纤维或不同纤维类型的混合物，其中优选使用碳纤维。
作为中空梁的基体材料原则上可以使用所有适合的树脂系，尤其环氧树脂、乙烯基酯或聚酯树脂。
尤其，方法步骤e)也可以在方法步骤f)之后执行或与方法步骤f)组合地执行。
在根据本发明的方法的一个实施方式中，方法步骤a)提供由纤维复合材料制成的、构成为中空体的模制体包括：将模制体的外表面模制到两件式的或多件式的外部模具的内表面上，或者将模制体的内表面模制到作为内部模具的芯的外表面上。
在根据本发明的方法的另一实施方式中，方法步骤a)提供由纤维复合材料制成的、构成为中空体的模制体包括：安置通过用可溶的基体材料浸渍预装板，所述预装板由增强纤维织物或优选单向的增强纤维无屈曲织物构成；或者安置未被浸渍的增强纤维织物或未被浸渍的、优选单向的增强纤维无屈曲织物，并且用可溶的基体材料逐层地浸渍各个织物层或无屈曲织物层。
优选地进行，安置由增强纤维织物或增强纤维无屈曲织物构成的预装板，或安置未被浸渍的增强纤维织物或增强纤维无屈曲织物并且在两件式的或多件式的外部模具中逐层地浸渍；随后利用适合的配对模具，例如固定的配对模具或压力软管进行模制体部件的纤维复合材料的加固，并且从模具中取出模制体部件。
替选地优选进行，安置由增强纤维织物或增强纤维无屈曲织物构成的预装板或在芯上缠绕增强纤维并且接着用基体材料浸渍，所述芯作为内部模具，尤其是由轻型金属如铝构成的芯；随后利用适合的配对模具，例如固定的配对模具或压力软管进行模制体的纤维复合材料的加固。内部模具的取出通过拆开模制体来进行。
模制体部件接合成模制体优选通过如下方式进行，与模制体相同类型的纤维复合材料的预装板设置在分离部位上并且与模制体的表面连接。
在根据本发明的方法的另一实施方式中，模制体的基体材料是水溶的。有利地由此可以特别简单地从待制造的中空梁中取出模制体。
优选地，模制体的基体材料是聚乙烯醇＝PVA。有利地，具有PVA基体的模制体是特别稳定且可承受高负荷的，使得可以很好地吸收大的拉力和压力。
根据本发明的方法的方法步骤b)包括在模制体的外表面上设置具有至少一个，优选多个薄膜状的层的真空构造。优选地，真空构造软管式地包套模制体。特别优选地，真空构造是从现有技术中已知的VAP构造，(VAP＝Vacuum Assisted Process真空辅助工艺)。有利地，通过使用真空构造和尤其VAP构造提高尤其在制造厚壁的中空梁时的浸透质量。
在根据本发明的方法的另一实施方式中，真空构造具有由不透气的真空薄膜构成的至少一层。
在根据本发明的方法的另一实施方式中，真空构造具有由半透膜构成的至少一层。所述半透膜透气地，然而对于中空梁的基体材料不可透过地构成。
优选地，根据本发明的方法包括用于例如在尤其承受负荷的部位或在孔周围引入呈中空梁的纤维复合材料的增厚的壁厚度形式的局部增强部的另一方法步骤。为此，在方法步骤b)之后例如将增强纤维半成品或尤其预装的增强纤维板在中空梁的相应待增厚的部位放置在模制体的外表面上，在所述外表面上设置有真空构造或压力软管。有利地，所述特别优选的实施方式能够实现待借助于根据本发明的方法制造的中空梁的符合力流的设计方案。
在根据本发明的方法的另一实施方式中，在方法步骤c)中以编织的形式进行中空梁的增强纤维的安置。由于中空的模制体的质量小，为此可以有利地使用编织机器人。
此外，本发明的主题是一种用于由纤维复合材料制造中空梁的、构成为中空体的芯，所述芯具有由聚乙烯醇＝PVA构成的塑料基体。有利地，根据本发明的芯是水溶的、轻的且可承受高负荷的。
本发明的另一主题是根据本发明的芯用于纤维安置以由纤维复合材料制造中空梁的应用。
同样，本发明的另一主题是借助于根据本发明的方法由纤维复合材料制造的中空梁作为用于轨道车辆的转向架的框架的纵梁或横梁的应用。有利地，这种纵梁或横梁的特征在于特别小的质量，这引起在轨道车辆中的能量节约。
附图说明
下面，根据附图阐述本发明的实施例，而本发明不局限于所述实施例。
具体实施方式
图1示出借助于根据本发明的方法由纤维复合材料制造的、具有复杂的几何结构的中空梁1。中空梁1可以用作为轨道车辆的转向架的纵梁。中空梁1具有多重弯曲的外部轮廓和沿梁纵向方向变化的横截面。用于制造中空梁1的芯(未示出)的外部轮廓的形状对应于中空梁1的形状。中空梁1的增强纤维在VAP构造(未示出)上的安置至少部分地以借助于一个或多个编织轮编织的形式进行，其中所述VAP构造设置在芯(未示出)上。增强纤维是碳纤维；使用环氧树脂作为基体材料。在从中空梁内部溶解和冲洗掉用于芯的、水溶的PVA基体之后，能够将残留的芯剩余物，例如芯的增强纤维(同样碳纤维)，以及VAP构造经由中空梁1的敞开的端侧2从中空梁内部移除。
图2图解说明中空梁预制件3在外部模具4中的设置方式。中空梁预制件3(从内向外)包括中空梁的芯5、VAP构造6和增强纤维7。芯5是由具有水溶的塑料基体，尤其PVA基体的纤维复合材料构成的中空体。
包套芯5的VAP构造6可以多层地构成，除了透气的、然而对于基体材料不可穿透的层以外，例如还包括流动辅助层、保护布和真空薄膜层。真空薄膜层设置在芯上。中空梁的碳增强纤维7安置在VAP构造6上。
在将中空梁预制件3装入外部模具4中之后，通过泵出在中空梁的增强纤维7和VAP构造6之间的负压腔8中的空气产生负压。VAP构造由此施加到中空梁的增强纤维7上并且将所述增强纤维朝外部模具4的内表面压紧。在将负压腔8中的空气泵出期间中空梁的基体材料浸透时，所述基体材料可以特别均匀地润湿增强纤维7，并且实现高的浸透质量。
如果具有封闭的、设置在芯上的真空薄膜层的多层的VAP构造由单个真空薄膜层或压力软管(未示出)替代，那么对于薄壁的构件而言也可以实现足够的浸透质量。在使用压力软管时，代替在负压腔8中的负压在中间腔9中产生过压，通过所述过压将压力软管压向增强纤维7。
在所描述的方法步骤之后紧接着中空梁的纤维复合物在提高的温度下的加固。
附图标记列表
1 中空梁
2 端侧
3 中空梁预制件
4 外部模具
5 芯
6 VAP构造
7 增强纤维
8 负压腔
9 中间腔

Claims (11)

1.一种用于由纤维复合材料制造中空梁(1)的方法，所述方法至少包括如下方法步骤：
a)提供由纤维复合材料制成的、构成为中空体的模制体(5)，所述模制体具有增强纤维和可溶的塑料基体，所述塑料基体由借助于溶剂可溶的基体材料构成；
b)将具有至少一个，优选多个薄膜状的层的真空构造(6)或压力软管设置在所述模制体(5)的外表面上；
c)将所述中空梁的增强纤维(7)安置在设置在所述模制体(5)的外表面上的所述真空构造(6)的或压力软管的外表面上，以形成中空梁预制件(3)；
d)将所述中空梁预制件(3)设置在外部模具(4)中；
e)用基体材料浸透所述中空梁的增强纤维(7)；
f)在真空构造(6)和所述外部模具(4)的内表面之间产生负压或在所述模制体(5)的外表面和压力软管之间产生过压；
g)通过构成所述中空梁(1)的模制到所述外部模具(4)的内表面上的外表面加固所述中空梁(1)的由增强纤维(7)和基体材料组成的纤维复合体；
h)从所述外部模具(4)中取出被加固的所述中空梁(1)；
i)通过借助于溶剂的溶解移除所述模制体(5)的可溶的所述塑料基体；
j)经由所述中空梁(1)的端侧(2)之一移除所述模制体(5)的或所述真空构造(6)的增强纤维。
2.根据权利要求1所述的用于由纤维复合材料制造中空梁(1)的方法，其特征在于，在方法步骤a)中提供所述模制体(5)包括：
-将由纤维复合材料构成的所述模制体(5)的外表面模制到两件式的或多件式的外部模具的内表面上
或者
-将由纤维复合材料构成的所述模制体(5)的内表面模制到作为内部模具的芯的外表面上。
3.根据权利要求1或2所述的用于由纤维复合材料制造中空梁(1)的方法，其特征在于，提供所述模制体(5)包括：
-安置通过用可溶的基体材料浸渍预装板，所述预装板由织物或优选单向的无屈曲织物构成；
或者
-安置未被浸渍的织物或未被浸渍的、优选单向的无屈曲织物并且用可溶的基体材料逐层地浸渍。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的用于由纤维复合材料制造中空梁(1)的方法，其特征在于，所述模制体(5)的基体材料是水溶的。
5.根据权利要求4所述的用于由纤维复合材料制造中空梁(1)的方法，其特征在于，所述模制体(5)的基体材料是聚乙烯醇(PVA)。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的用于由纤维复合材料制造中空梁(1)的方法，其特征在于，所述真空构造(6)具有由真空薄膜构成的至少一层。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的用于由纤维复合材料制造中空梁(1)的方法，其特征在于，所述真空构造(6)具有由半透膜构成的至少一层。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的用于由纤维复合材料制造中空梁(1)的方法，其特征在于，在方法步骤c)中以编织的形式进行所述中空梁的增强纤维(7)的安置。
9.一种构成为中空体的、自稳定的芯(5)，所述芯用于由纤维复合材料制造中空梁(1)，所述芯具有由聚乙烯醇构成的水溶的塑料基体。
10.一种根据权利要求9所述的芯(5)用于纤维安置以由纤维复合材料制造中空梁(1)的应用。
11.一种借助于根据权利要求1至8中任一项所述的方法由纤维复合材料制造的中空梁(1)作为用于轨道车辆的转向架的框架的纵梁或横梁的应用。
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