CN110549649A - 制造由复合材料制成的部件的方法 - Google Patents

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Abstract

制造由复合材料制成的部件的该方法包括以下步骤：‑将包括增强纤维并用树脂浸渍的纤维预制件放置(100)在模具中；‑在模具中定位(102)预制元件，在纤维预制件的预定位置处与纤维预制件接触，该预制元件具有预定形式并且由包含部分聚合树脂的复合材料制成；‑压缩(104)由模具中的纤维预制件和预制元件形成的组件；‑加热(106)由模具中的纤维预制件和预制元件形成的组件，以聚合树脂，从而将预制元件与纤维预制件结合，以形成由复合材料制成的部件。

Description

制造由复合材料制成的部件的方法
技术领域
本发明涉及一种制造由复合材料制成的部件的方法。
背景技术
已知的做法是通过模制树脂浸渍的纤维预制件来制造由复合材料制成的部件。例如，将一个或多个帘布层形式的纤维预制件即优选各向异性地对齐的纤维增强材料层放置在模具中。纤维预制件用树脂比如热固性聚合物浸渍。可能地，在模具中加入填充材料比如块状模塑料与纤维预制件接触。然后关闭模具并将预制件置于压力下，例如通过模具壁压缩。然后，进行热处理，比如加热，以引发树脂的聚合和凝固从而获得机械部件。
当要制造的部件至少局部地具有复合形式，例如圆形或尖角或波纹壁时，表现出已知制造方法的缺点。在某些情况下，并不总是能够使预制件与模具的壁保持接触，或者在要制造的部件的某些区域中特别是在其芯部中施加足够的应变。其结果是在树脂聚合之前纤维预制件的不希望的变形。
当使用块状模塑料来形成单件部件的芯部时，该缺点也表现出来，所述单件部件的外轮廓由帘布层形式的纤维预制件界定。在加热过程中由模具壁施加在纤维预制件上的压力经常导致块状模塑料的不希望的下垂，这特别导致在与部件的芯部的界面处在纤维预制件上形成小波。与填充材料的使用相关的另一个缺点是其中的纤维的取向难以控制，因为它取决于模具中的压缩力的方向。
一旦制造方法完成，纤维预制件的不希望的变形就会导致部件中结构缺陷的形成，这会损害部件的机械强度和结构完整性。
本发明更具体地通过提出一种制造由复合材料制成的部件的方法来进行补救这些缺点。
发明内容
为此，本发明涉及一种用于制造由复合材料制成的部件的方法，包括以下步骤：
-将包括增强纤维并用树脂浸渍的纤维预制件放置在模具中；
-在模具中定位预制元件，在纤维预制件的预定位置处与纤维预制件接触，该预制元件具有预定形式并且由包含部分聚合树脂的复合材料制成；
-压缩由模具中的纤维预制件和预制元件形成的组件；
-加热由模具中的纤维预制件和预制元件形成的组件，以聚合树脂，从而将预制元件与纤维预制件结合，以形成由复合材料制成的部件。
借助于本发明，预制元件使得可以在制造期间局部地在部件上赋予特定形式，并且在通过模具壁压缩期间和整个树脂聚合步骤保存这种特定形式。然后，它用于增加几何耐受强度，以在组件模制阶段传递压缩力。另外，由于预制元件本身至少部分地由仅部分聚合的树脂制成，因此聚合步骤允许在预制元件的树脂和浸渍纤维预制件的树脂之间产生化学键，以完成组件的固化。因此，一旦该方法完成，预制元件就形成机械部件的组成部分。
根据本发明的有利但非强制性的方面，这种制造方法可以包括一个或多个以下特征，单独使用或以任何技术上可接受的组合：
-待制造的部件是配件，包括由纤维预制件形成的至少一个平面部分和邻近该平面部分的复合形式的一部分，并且其壁由纤维预制件形成，并且其芯部至少由预制元件形成。
-待制造的部件是T形配件，其包括分别在基本上直角的几何平面中延伸的腹板和底座，所述腹板包括相对的主面，每个主面由纤维预制件形成。
-填充材料比如块状模塑料也添加在与纤维预制件接触和/或与预制元件接触的容积中，并且在加热期间，前体材料也被加热，以便在树脂聚合中与纤维预制件和/或与预制元件结合。
-由部分聚合的复合材料制成的至少一个附加的预制元件定位在模具中，与纤维预制件接触并且与其他预制元件接触，并且在加热期间，附加的预制元件也被加热，以便在树脂聚合中与纤维预制件以及与另一预制元件结合。
-部分聚合的预制元件的树脂体积的20％至50％处于聚合状态。
-增强纤维是碳纤维或Kevlar纤维或玻璃纤维。
-浸渍纤维预制件的树脂与预制构件的树脂在化学上相容。
-预制构件由复合材料制成。
-预制元件预先通过模制或通过机械加工或通过增材制造来制造。
附图说明
根据纯粹通过示例并参考附图给出的以下对制造由复合材料制成的部件的方法的实施例的描述，将更好地理解本发明并且将更清楚地显现其它优点，其中：
-图1是根据本发明第一实施例的通过模制制造的由复合材料制成的部件的横向剖视示意图；
-图2是在制造方法完成时图1的机械部件的透视示意图，伴随有在制造方法中使用的预制元件；
-图3是根据本发明实施例的制造由复合材料制成的部件的方法的流程图；
-图4是根据本发明第二实施例的通过模制制造的由复合材料制成的部件的横向剖视示意图；
-图5是在制造方法完成时图4的机械部件的透视示意图，伴随有在制造方法中使用的多个预制元件；
-图6是根据本发明第三实施例的通过模制制造的由复合材料制成的部件的剖视示意图。
具体实施方式
图1和2示出了制造由复合材料制成的部件的第一实施例的示例。
在该示例中，图1表示正在制造的部件的坯料2，图2表示成品部件20。
坯料2包括纤维预制件4，这里是两个，它们靠着模具10的壁布置，以便形成部件的相对面。预制件4包括增强纤维。每个预制件4是树脂浸渍的，优选用热固性树脂，例如热固性聚合物。
模具10在这里以简化的方式表示，处于打开状态，并且部件被分开以提高图1的易读性。实际上，模具10的壁旨在与坯料2接触以在制造过程中在部件上赋予形式并且在树脂聚合步骤中压缩组件。
模具10还适于压缩坯料2并将其置于压力下并且还允许施加热处理，特别是坯料2的加热。
在所示的示例中，预制件4在其表面的一部分上彼此面对面地布置，这里沿着部件的第一部分6，然后彼此分离同时在部件的第二部分处彼此面对，这里通过形成在横截面平面中看到的V形轮廓，以限定与部件的芯部相对应的内部中心体积，并且在此接收预成型部件8。
应当理解，这仅是示例，其不必受限制，并且根据其他实施例，预制件4的数量和布置可以不同。例如，取决于最终部件的形式，坯料2可仅包括一个预制件4或者多于两个预制件4。
这里的预制件4各自具有基本上平面的柔性片形式。例如，每个预制件4包括帘布层，也就是说每个预制件4采用一个或多个层压层的形式。
有利地，包含在每个预制件4中的纤维优选地通过在一个或多个层的平面中延伸而定向。然后预制件4被称为是各向异性的。
根据其他实施例，每个预制件4是织物增强件，优选地是织造织物增强件或编织织物增强件或非卷曲织物增强件。
根据其他实施方式，预制件4的增强纤维是玻璃纤维或碳纤维或纤维或者任何其他适当的材料。
预制元件8具有预定形式。优选地，预制元件8是实心且刚性的。
通常，预制元件8的目的是局部地为坯料2且因此在模制步骤期间的部件提供特定的形式。
这里，预制元件8由包括增强纤维和树脂的复合材料制成。
树脂部分地聚合。“部分地聚合”在此应理解为意指预制元件8的树脂体积的20％至50％处于聚合状态。
例如，元件8的纤维是玻璃纤维或碳纤维或纤维或者任何其它合适的材料。根据实施方式，包含在元件8中的纤维与每个预制件4的纤维具有相同的种类。
根据示例，元件8的树脂是热固性树脂，特别是热固性聚合物。
优选地，元件8的树脂与浸渍预制件4的树脂在化学上相容，也就是说，元件8和预制件4的树脂在它们在随后的聚合步骤中接触时能够彼此形成化学键。
根据具体示例，元件8和预制件4中使用的树脂是相同的。
根据可选的实施方式，预制元件8预先通过模制或通过机械加工或通过增材制造(也称为3D打印)或根据任何其他合适的制造方法来制造。
优选地，预制元件8通过模制包括增强纤维片的块状模塑料形成。作为变型，预制元件8由聚合物材料制成，比如热塑性塑料，并且不一定由纤维增强。
在图2的特定示例中，待制造的部件20是呈一件式部件形式的T形配件。在下文中，符号“部件20”和“配件20”可互换使用。然而，应理解，配件20仅是部件20的一个可能示例，并且根据未示出的实施方式，其他形式或配置也是可能的。
配件20包括第一部分22(也称为腹板22)以及形成底座24的第二部分。
第一部分22和第二部分24邻接并且分别在基本上直角的几何平面中延伸。
“基本上直角”在此应理解为意味着在两个几何平面之间形成的锐角包括在60°和90°之间的范围内。
作为说明，腹板22在这里基本上是垂直的，且底座24(也称为底板)基本上是水平的。
例如，当元件相对于垂直方向定向(角度在0°和30°之间)时，该元件被称为“基本上垂直的”。类似地，当元件相对于水平方向定向(角度在0°和30°之间)时，该元件被称为“基本上水平的”。
例如，配件20旨在用于部件的组装，特别是在航空领域中。复合材料的使用使得可以在限制部件重量的同时获得良好的结构性能水平，这对于航空领域中的应用是重要的。
腹板22包括靠近顶端形成的通孔，用于容纳球形接头连杆。底座24包括通固定孔，允许固定元件通过以固定配件。底座24还包括用于容纳夹紧环和用于保持固定元件的座。
腹板22在此包括相对的主面28、29，每个主面由一个纤维预制件4形成。主面28、29基本上平行于腹板22的顶部并且在腹板22的底部彼此分开，直到它们与底座24接触，同时继续彼此面对。
换句话说，一旦制造，部件20包括至少一个由纤维预制件4形成的平面部分22和与该平面部分相邻的复合形式的一部分，这里对应于与底座24的连接。复合形式部分的壁由纤维预制件4形成，复合形式部分的芯至少由预制元件8形成。
有利地，配件包括形成在每个面28和29上的凸台形式的并且在通孔下方延伸到底座24的外边缘的基本上垂直的加强件30。该凸台30对面28和29具有波纹外观，可以提高部件20的刚性。该凸台30构成部件20的复杂形式的一部分。
标号32表示预制元件8在配件中的位置。元件8在此形成部件20的芯部。然而实际上，一旦制造完成，预制元件8这里在部件20的结构中是不可辨别的，因为它结合在部件中，如下文所述。
例如，元件8包括彼此对齐的三个结构34、36、38，每个结构具有椭圆形且基本上垂直的形式，并且其横向轮廓具有三角形形式。元件8显示相对于元件8的纵向平面的平面对称性，该平面在结构34、36、38的对齐方向上延伸。结构34、36、38通过底部的材料40、42的部分彼此连接，使得元件8形成由单件制成的部件。结构34和38布置在元件8的侧端并且对应于与面28和29成直角的配件的侧面。结构36位于结构34和38之间并且对应于凸台30的形式。
参考图3的流程图描述了制造方法的实施方式的示例。然而，应该理解，该方法可以根据待制造的部件的形式进行调整，特别是根据预制件4和/或元件8的数量和性质。
在步骤100中，将树脂浸渍的纤维预制件4放置在模具10中，例如通过与模具10的壁接触。根据变型，预制件4在放置在模具10中之后可以用树脂浸渍。
在步骤102中，预制元件8在纤维预制件的预定位置处定位在模具10中，与纤维预制件4接触。
在所示的示例中，预制元件8放置在由两个纤维预制件4的两个部分界定的内部容积中，并因此形成坯料2的芯部。
然后，在步骤104中，由预制件4和元件8形成的组件在模具10内被压缩。例如，通过将模具10的所有壁与坯料2的外侧接触和/或通过在坯料2上盖住模具的盖来闭合模具10。
在该示例中，为了制造图2中所示的部件20，纤维预制件4的自由端有利地在元件8上向后折叠，以便封闭坯料2的内部容积以制造底座24。
在步骤106中，例如伴随步骤104，由纤维预制件4和预制元件8在模具10中形成的组件被加热。
这种加热使得可以聚合和硬化树脂，从而使预制元件8与纤维预制件4结合，以形成由复合材料制成的部件。更具体地，由于预制元件8和纤维预制件4的树脂之间的化学相容性，在预制元件8和预制件4之间产生化学键。例如，在预制件4中、在元件8中以及在预制件4与元件8之间的界面处形成分子链。
借助于本发明，预制元件8使得可以在制造的部件上局部地赋予特定形式，并且在通过模具的壁压缩期间以及在整个树脂聚合步骤期间保存该特定形式。然后，它用于增加几何耐受强度，以在组件模制阶段传递压缩力。另外，由于预制元件8本身至少部分地由仅部分聚合的树脂制成，所以应用于整个部件的聚合步骤允许在预制元件8的树脂和浸渍纤维预制件4的树脂之间产生化学键。
因此，一旦该方法完成，预制元件8就形成机械部件20的整体部分。
换句话说，预制元件8在这里起到“反模具”的作用，特别是由于其刚性并且在步骤104和106期间保持其形式，局部完成模具10在部件2的位置处的作用，模具10的作用在其上不完美，同时一旦制造方法结束就结合在部件20中。
因此，制造方法可以用已经存在的模具结构10实现，而不需要对其进行结构修改。
另一个优点是，通过使用元件8，可以更好地控制部件芯部中的增强纤维的取向，因为元件8是单独制造的。实际上，在通常已知的情况下，当部件的芯部由填充材料制成时，纤维的优选取向难以控制，因为它取决于模具10施加的压缩力以及模塑过程中材料的蠕变。
压缩和热处理的应用本身是已知的，并且不再更详细地描述。
在实践中，步骤104和106中使用的加热参数(特别是温度、加热时间、温度上升曲线等)和压缩参数(特别是施加的压力、施加时间等)取决于树脂和纤维预制件4的性质。这些参数例如根据树脂供应商和预制件4的供应商提供的规格已知的每种情况计算。
根据实施方式，步骤106之后可以是任选的并且本身已知用于形成和完成部件20的步骤，例如加工和/或抛光和/或表面处理和/或应用涂层的步骤。
图4和5表示本发明的第二实施例。与第一实施例类似的根据本实施例的制造方法和机械部件的元件具有相同的附图标记，并且不作详细描述，只要可以将上述说明转换为它们即可。
在该示例中，图4表示正在制造的部件的坯料2'，图5表示成品部件20'。
部件20'与部件20的不同之处在于，配件的底座24通过使用另外的预制元件50形成。
在制造方法期间，例如在步骤102期间或之后，将附加的预制元件50添加到模具10中，这里通过与预制元件8接触并与预制件4的端部接触。
因此，坯料2'在这里与坯料2的不同之处在于存在附加的预制元件50，并且坯料2'的其余部分类似于先前描述的坯料2。
附加的预制元件50类似于预制元件8。实际上，除了形式不同之外，附加的预制元件50表现出与元件8类似的特性，使得元件8的描述适用于元件50，特别是在材料和/或获得方法的选择方面。
因此，附加的预制元件50的功能是局部地为制造的部件提供特定的形式。特别地，附加的预制元件50在此由包含增强纤维和部分聚合的树脂的复合材料制成。优选地，元件50的树脂与浸渍预制件4的树脂和/或元件8的树脂在化学上相容。
因此，在加热步骤106期间，附加的预制元件50也被加热，以便与树脂聚合中的预制件4和/或元件8以与元件8相同的方式结合。
更一般地，根据未示出的其他变型，类似于先前描述的元件8的若干预制部件可以彼此联合或彼此独立地用于制造方法，目的是以与元件8相同的方式在制造部件的各个点处局部地为制造的部件提供特定的形式。这些元件8可以采用不同的形式。
图6表示本发明的第三实施例。与第一实施例类似的根据本实施例的制造方法和机械部件的元件具有相同的附图标记并且不再详细描述，只要可以将上述说明转换为它们即可。
在该示例中，图6表示正在制造的部件的坯料2”。
坯料2”与第一实施例的坯料2的不同之处在于它包括复合填充材料60或化合物，用于部分地形成部件的芯部。
这里，预制元件8由不同形式的预制元件8'代替，但在其他方面类似于元件8，使得先前给出的元件8的描述适用于元件8'。因此，部件的芯部在此旨在由填充材料60和预制元件8'形成。然而，在变型中，可以使用相同的元件8。
例如，填充材料60是块状模塑料，其包括增强纤维片，例如玻璃纤维或碳纤维或纤维或者任何其它合适的材料。根据实施方式，化合物60中包含的纤维与每个预制件4的纤维具有相同的种类。
填充材料60添加在模具10中并且在与纤维预制件4和/或与预制元件8'接触的接收容积内，这里有助于填充由预制件4的部分界定的内部容积。
这里，在步骤104之前和步骤100之后进行填充材料60的添加。在加热106期间，前体材料60也被加热，以便在树脂的聚合中与预制件4和/或元件8'结合。因此，材料60与最终部件结合。
根据未示出的变型，适用于上述任一实施例，待制造的部件是具有不同形式的配件，例如EP-2379313-B1中所述的“L”形配件。在该示例中，纤维预制件至少限定配件的平面部分。预成形元件限定了与平面部分相邻的配件的复杂形式的一部分，比如球形帽形式的变形，其位于在EP-2379313B1中描述的配件的直角处布置的主要部分之间的连接处。
根据未示出的其他变型，该方法用于形成除配件之外的机械部件并且至少局部地具有复杂形式，例如圆形形式，和/或一个或多个锐角和/或波纹状壁。
上面设想的实施例和变型可以彼此组合以产生新颖的实施例。

Claims (10)

1.一种制造由复合材料制成的部件的方法，包括以下步骤：
-将包括增强纤维并用树脂浸渍的纤维预制件(4)放置(100)在模具(10)中；
-在模具(10)中定位(102)预制元件(8；8')，在纤维预制件的预定位置处与纤维预制件(4)接触，该预制元件具有预定形式并且由包含部分聚合树脂的复合材料制成；
-压缩(104)由模具中的纤维预制件和预制元件形成的组件；
-加热(106)由模具中的纤维预制件和预制元件形成的组件，以聚合树脂，从而将预制元件与纤维预制件结合，以形成由复合材料制成的部件。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，待制造的部件是配件(20；20')，包括由纤维预制件形成的至少一个平面部分(22)和邻近该平面部分的复合形式(24；30)的一部分，并且其壁由纤维预制件形成，并且其芯部至少由预制元件形成。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，待制造的部件是T形配件(20；20')，其包括分别在基本上直角的几何平面中延伸的底座(24)和腹板(22)，所述腹板(22)包括相对的主面(28、29)，每个主面由纤维预制件形成。
4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，填充材料(60)比如块状模塑料也添加在与纤维预制件(4)接触和/或与预制元件(8')接触的容积中，
并且在加热(106)期间，前体材料(60)也被加热，以便在树脂聚合中与纤维预制件和/或与预制元件结合。
5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，由部分聚合的复合材料制成的至少一个附加的预制元件(50)定位在模具(10)中，与纤维预制件(4)接触并且与其他预制元件(8)接触，
并且在加热(106)期间，附加的预制元件(50)也被加热，以便在树脂聚合中与纤维预制件以及与另一预制元件结合。
6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，部分聚合的预制元件(8；8')的树脂体积的20％至50％处于聚合状态。
7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述增强纤维是碳纤维或Kevlar纤维或玻璃纤维。
8.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，浸渍纤维预制件(4)的树脂与预制元件(8；8'；50)的树脂在化学上相容。
9.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述预制元件(8；8'；50)由复合材料制成。
10.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述预制元件(8；8'；50)预先通过模制或通过机械加工或通过增材制造来制造。
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