CN113905876A - 由纤维增强塑料制成的具有降低的拉开应力的部件、及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了一种由纤维增强塑料制成的部件(2)，所述部件具有第一表面部分(4)、第二表面部分(6)、以及由所述第一表面部分和所述第二表面部分封围的过渡部分(8)，其中，所述第一表面部分和所述第二表面部分的表面切线(16a，16b，16c)至少在与所述过渡部分相邻的区域中不平行，其中，所述过渡部分具有以切向恒定方式邻接相邻的表面部分的曲率，其中，由纤维增强塑料制成的至少两层的布置从所述第一表面部分延伸、经过所述过渡部分、到达所述第二表面部分，并且其中，所述层中的至少一个层处的纤维(14)在所述第一表面部分和所述第二表面部分上以不变的取向行进，并且在所述过渡部分上沿行进方向以侧向偏移、偏转或弯曲的方式行进。

Description

由纤维增强塑料制成的具有降低的拉开应力的部件、及其制 造方法
技术领域
本发明涉及一种由纤维增强塑料制成的部件、一种具有这种部件的交通工具、以及一种用于生产这类部件的方法。
背景技术
由纤维增强塑料制成的部件被设计用于多种不同的最终用途应用。在部件的设计中，纤维的取向和路线(course)、纤维层片的数量、以及扩张部分之间的过渡适应于预期载荷。不仅仅大规格部件，小规格部件也很普遍，其中几何设计相对简单。例如，在由纤维增强塑料制成的飞行器机身的设计中，已知的做法是采用多个角形部件(被称为“支架”)，这些角形部件固定到机身内侧并且承载各种其他部件(比如布置在机身周边的侧部上的框架)。
这些类型的部件通常设置有至少两个表面部分，这两个表面部分彼此成一定角度设置并且经由弯曲的过渡部分彼此接合。表面部分可以例如大体上彼此垂直。由于材料的典型的各向异性特性，挠曲应力和厚度方向上的应力的强耦合在过渡部分中是明显的。层间剥离应力可能在部件加载期间出现，因为在外部载荷作用下在过渡部分中，部件变得拉伸并且额外地逆着其曲率方向弯曲。剥离应力的径向分量可能导致层状构造内的各个层片在过渡部分中彼此分开。为了防止这种情况，已知的做法是赋予过渡区域稍微复杂一些的形状。
为此目的，例如，DE 10 2011 017 460 A1披露了一种在两个彼此成一定角度设置的表面部分之间的过渡部分，其中该过渡部分包括至少一个第一曲率部分和至少一个第二曲率部分，这些曲率部分的平均曲率彼此不同并且以切向连续性彼此邻接。第一表面部分邻接过渡部分，并且过渡部分邻接第二表面部分，在各自情况下具有切向连续性。在这种情况下，第一曲率部分的曲率半径小于第二曲率部分的曲率半径。
发明内容
本发明的目的是生产一种由纤维增强塑料制成的部件，其中在两个表面部分之间的过渡部分中减少或避免了剥离应力，同时使所述部件制造简单。
该目的通过具有独立权利要求1的特征的部件来实现。有利的实施例和发展从从属权利要求和下文的描述中显而易见。
提出了一种由纤维增强塑料制成的部件，该部件包括第一表面部分、第二表面部分、以及由该第一表面部分和该第二表面部分封围的过渡部分，其中，该第一表面部分的表面切线和该第二表面部分的表面切线至少在与该过渡部分接界的区域中不平行，其中，该过渡部分具有以切向连续性邻接接界的表面部分的曲率，其中，纤维增强塑料的至少两个层片的布置从该第一表面部分经由该过渡部分延伸到该第二表面部分，并且其中，这些层片中的至少一个层片的纤维在该第一表面部分和该第二表面部分上以一致的取向行进，并且在该过渡部分上呈现沿行进方向弯曲、扭结或侧向偏移的路线。
该第一表面部分和该第二表面部分可以与该过渡部分一起形成至少区域性地呈L形的部件。这些部分在此包括纤维增强塑料的至少两个层片。这些层片优选地完全在这两个表面部分和过渡部分上延伸，并且优选地形成相关材料的连续片材。材料包括结合在由塑料制成的基体中的增强纤维。塑料可以是树脂，更具体地是热固性树脂。替代性地，也可以使用热塑性塑料。
为了总体上优化部件强度，第一表面部分、第二表面部分和过渡部分优选地被配置为彼此具有切向连续性。因此，优选地在部件的曲率中没有不连续性，因此没有应力不连续性出现。两个表面部分中的增强纤维的取向可以彼此相同。仅在过渡部分中提供纤维的不同取向。
如以上所指出的，平面部件和弯曲部件彼此不同，因为挠曲载荷可能导致在厚度方向上产生呈剥离应力σr形式的应力。例如，在部件上具有相同的外部载荷的情况下，较小的曲率半径比较大的半径导致在厚度方向上产生更大的应力。分层将主要由作为曲率半径的倒数的曲率来驱动。较大的曲率可能比较小的曲率导致更大的剥离应力。例如为了简化制造或出于更容易安装部件的原因，保持部件的曲率半径恒定可能是有利的。在由具有第一表面部分和与第一表面部分成一定角度设置的第二表面部分的纤维复合材料来构造部件的情况下，曲率半径不能无限地增加，因为纤维复合材料部件通常仅具有有限的可用安装空间。这种限制可以是呈表面部分中连接器件(比如铆钉、螺栓等)的特定位置的形式，但是也可以由相邻定位的纤维复合材料部件或其他元件的范围来决定。
然而，根据本发明，变化的纤维路线可以使得剥离应力降低。由于变化的纤维路线，因为在厚度方向上挠曲与强度之间的比率的改善，所以存在有效抗分层性的改善。纤维取向的局部变化影响相互叠置的层片在过渡部分内的有效布置，该布置于是与在部件的其余部分中的布置不同。另外，在铺放部件的层片、或铺放随后被成形以赋予期望的部件几何形状的预成形件期间，过渡部分内的局部取向被改变。纤维路线优选是连续的，并且不包括尖锐边缘或过渡部。
这可以通过能够实现纤维取向的局部变化的任何操作(例如，用于干纤维的定制纤维铺放(TFP)过程、纤维贴片铺放过程、自动化纤维铺放(AFP)过程、具有纤维增强的3D打印过程、或其他合适的过程)来实现。在本发明中，纤维取向在过渡部分内、在与过渡部分接界的区域中保持不变，而纤维沿其纵向方向侧向地偏移。由于侧向偏移，局部切线的沿着相关纤维的行进方向的角度变化可以例如在过渡部分上连续地增加，并且随后再连续地减小。
由于根据本发明的具有局部优化的纤维取向的、在不引入拼接/层切割的情况下生产的、以及还在与过渡部分接界的表面部分中具有不变特性的设计，在剥离应力行为方面实现了有效的改善。局部改动可以要么在网状铺设操作中(比如在AFP操作期间铺设在模具上或者在直接3D打印的情况下铺设在模具中期间)要么不然在预成形操作期间，例如通过TFP过程或通过期望的中间体的打印和随后的再成形而产生。这使得能够在不切割纤维的情况下对局部特性进行适配，特别是增加局部挠曲刚度和减小局部轴向刚度，并因此使得能够在剥离应力的背景下进行改进，而不违反几何限制和/或导致表面部分的有效特性发生变化。
在一个优选的实施例中，偏移或弯曲的路线包括沿着相关纤维的行进方向的局部切线的角度变化。这种角度变化可以优选地基于部件的在过渡部分的区域以及至少第一表面部分的接界区域和第二表面部分的接界区域中的平面展开来阐明。代替展开，还有可能的是在与两个表面部分相交且与过渡部分对称的平面上形成投影。在这种构造的没有对纤维路线进行适配的常规部件的情况下，展开上或平面投影上的各个纤维将在第一表面部分的接界区域上、过渡部分上以及第二表面部分的接界区域上以直线行进。因此，通常纤维在所考虑的区域中形成直线。过渡部分上的相关纤维的切线(在展开或平面投影中)因此在整个过渡部分上彼此平行，并且平行于第一表面部分和第二表面部分上的相应切线。在本发明中，展开中或平面投影中的切线偏离于在第一表面部分和第二表面部分上的路线。在这种情况下，纤维路线的局部切线可以特别地在过渡部分与相应表面部分之间的连接区域中具有切向连续性。然而，这种连续性并不是绝对必要的。连接区域中的角度也可以显示出急剧的不连续变化。
在一个优选的实施例中，角度变化在过渡部分上连续地增加，并且随后再连续地减小。随着距过渡部分与相应表面部分之间的边界的距离增加，局部侧向偏移或局部角度变化变得更大。连续的增加和减小在过渡部分上提供了具有切向连续性的路线，这样在展开或平面投影中具有弯曲路线。
角度变化优选地在过渡部分上对称地行进。由于对称的路线，还有可能的是剥离应力的路线受到特别和缓的影响，这进而也显著降低了分层的趋势。
有利的是，角度变化处于-30°到30°的范围内、并且优选在-15°到15°的范围内。较大的角度变化可能需要较大的过渡部分。高达30°的角度变化已经非常显著，并且能够有效地显著降低局部剥离应力。在根据本发明的部件的设计中，在角度变化的可能路线与过渡部分的一般可能尺寸之间要达到平衡。
此外，有利的是，过渡部分上的相关纤维的路线以切向连续性邻接表面部分上的路线。以此方式，可以防止强度或应力路线的急剧不连续变化。
此外，可能特别有利的是，层片中的至少一个层片的纤维在第一表面部分和第二表面部分上以不同取向行进。除了过渡部分的特殊设计之外，可能的是通过在两个表面部分上选择不同的路线角度来仍然进一步改善部件相对于剥离应力的行为。这种行为可以通过选择过渡部分上的角度变化以及还有两个表面部分上的角度差的组合而得以优化。
纤维增强塑料可以包括热塑性基体材料。热塑性材料具有的优点在于，它们可以有效地熔化或至少区域性地软化，以便例如附接或封围上面放置和定向的纤维。热塑性基体材料可以例如包括聚酰胺、聚醚酰亚胺、PEKK、PEEK、PAEK、PPS或其他合适的材料。
本发明进一步涉及一种生产用于交通工具的部件的方法，该方法包括以下步骤：提供模具，在该模具上具有第一铺设区、第二铺设区、以及由该第一铺设区和第二铺设区封围的弯曲过渡区，其中该第一铺设区的表面切线和该第二铺设区的表面切线至少在与该过渡区接界的区域中不平行；将包括纤维的塑料的多个层片铺设在该模具上，使得层片从该第一铺设区经由该过渡区延伸到该第二铺设区，以形成第一表面部分、第二表面部分和过渡部分，其中这些层片中的至少一个层片的纤维在该第一表面部分和该第二表面部分上以一致的取向行进，并且在该过渡部分上呈现沿行进方向弯曲或侧向偏移的路线；固化该部件；并且从该模具移除该部件。
铺设在此可以基于一组操作中的操作进行，其中该组包括具有干纤维的定制纤维铺放(TFP)过程、纤维贴片铺放过程、自动化纤维铺放过程、以及具有纤维增强的3D打印过程。
优选的是，角度变化在-30°到30°的范围内、并且优选地在-15°到15°的范围内。
另外，特别有利的是，层片被封围在热塑性基体中。
本发明进一步涉及一种交通工具，该交通工具包括至少一个根据上文描述的部件。
交通工具可以是飞行器，并且可以具有由纤维增强塑料制成的机身。
在一个有利的实施例中，至少一个部件是设置在机身的内侧上的连接部件，并且连接到设置在机身内的部件。
最后，机身可以包括其中嵌入纤维的热塑性基体材料。
附图说明
本发明的附加特征、优点和可能的应用从示例性实施例和附图的以下描述中显而易见。在本说明书中，所描述和/或描绘的所有特征本身以及以任何期望的组合形成了本发明的主题，也独立于它们在各个权利要求或其中的从属引用中的组成。在附图中，仍然相同的附图标记表示相同或相似的对象。
图1以部件的示意性三维视图以及展开细节示出了根据本发明的部件。
图2示出了部件2的纤维的角度路线。
图3示出了其中集成有这种部件的飞行器。
图4示意性地示出了在模具上生产根据本发明的部件的过程。
具体实施方式
图1示出了由纤维增强塑料制成的部件2。部件2具有第一表面部分4、第二表面部分6、以及由第一表面部分4和第二表面部分6封围的过渡部分8。部件2仅非常示意性地表示，并且两个表面部分4和6在其实施方式中是平面的或平坦的。这两个表面部分彼此封围成大约90°的角度α。过渡部分8说明性地具有连续的曲率，并且同样说明性地以切向连续性邻接两个表面部分4和6。结果，产生了经由角度α的和缓过渡。过渡部分8的曲率半径可以根据现存的或适当的安装空间来确定大小。
部件2可以包括纤维增强塑料的多个层片10。层片10彼此叠置，并且优选地物对物地连接并且共同固化。这样产生了高强度纤维复合材料部件。作用在表面部分4和/或6上的载荷自动地也引起过渡部分8中的应力。
如上所述，作用在部件2上、在过渡部分8中的载荷可能导致剥离应力，其结果是层片10可能在极端情况下彼此局部地分开。要防止这种分层，以便允许部件2的功能得以确保。
常规部件使用纤维12，这些纤维在其相关的纤维层片中包括一致的取向，该取向在所有部分4、6和8上是恒定的。仅通过增加曲率半径来降低剥离应力。另外，也可以通过相应地选择部件2的厚度来防止分层。然而，增加厚度或曲率半径不是无限可能的，并且会增加部件2的重量和安装占用空间。
在本发明中提供了纤维14，这些纤维仅在表面部分4和6处具有相同的取向。然而，在过渡部分8中，纤维14的取向具有侧向偏移，如过渡部分8中的箭头所指示。因此，在过渡部分8中，局部切线16a、16b、16c等对于第一表面部分4和/或第二表面部分6上的相应路线打开一定角度，此角度是在部件2的展开中侧向地、即平行于曲率轴线测量的。这在附图平面中在右下方处通过展开的平面视图以小细节再次示出。
图2通过图表再次表示侧向的角度变化。Y轴在此表示在固定在部件的表面上的坐标系中基于带附图标记14a、14b和14c的三个示例的纤维14的局部取向角度。X轴在此表示沿部件2的表面的位置。左边区域表示第一表面部分4。右边区域表示第二表面部分6。由此封围的是过渡部分8。常规纤维12(其在此用实线指示)具有一致的角度，但是在根据本发明的部件2的纤维14a中的角度偏差是清楚明显的。角度变化(说明性地)在过渡部分8上随着路线的增加而连续地增加，然后再连续地下降，并且在表面部分4和6这两者中的取向与纤维12的常规纤维的取向相同。用点划线表示的另外的或替代性的纤维14b的路线可以另外在表面部分4和6上具有不同的角度。由于纤维取向的转变，有可能实现剥离应力行为的进一步改善。虽然这种角度变化可以如纤维14a一样和缓地行进，但也呈角度更突然变化的形式。在这种情况下，角度α将在过渡部分8中大体形成平台，如纤维14b的路线所示。纤维14c的虚线路线可以如纤维14a一样行进，但是如纤维14b一样具有平台。
图3示出了包括机身20的飞行器18。机身20的内部可以容纳例如多个部件2，这些部件可以连接到机身20的内侧。
图4示出了模具22，在该模具上具有第一铺设区24、第二铺设区26和过渡区28，该过渡区被第一铺设区和第二铺设区封围、并且说明性地具有连续的曲率。如针对图1中的部件所示，第一铺设区24的表面切线和第二铺设区26的表面切线至少在所示的与过渡区28接界的区域中不平行。在此，它们再次彼此封围成角度α。
纤维增强塑料的多个层片10被铺设在模具22上。层片10然后从第一铺设区24经由过渡区28延伸到第二铺设区26。这样形成了第一表面部分4、第二表面部分6、以及由此封围的过渡部分8。此处纤维14如参照图1所说明的那样来定向。随后使层片10共同固化，再将所得部件2从模具22移除。固化可以采取供应热量以固化热固性树脂以及冷却热塑性基体材料这两者的形式。
为了完整起见，可以指出“包括”不排除任何其他元素或步骤，并且“一/一个(a，an或one)”不排除多/多个。此外，可以指出，参照上述示例性实施例之一描述的特征也可以与上述其他示例性实施例的其他特征组合使用。权利要求中的附图标记不当应被视为限制。
附图标记
2 部件
4 第一表面部分
6 第二表面部分
8 过渡部分
10 层片
12 常规纤维
14 纤维
16 切线(16a、16b、16c、……)
18 飞行器
20 机身
22 模具
24 第一铺设区
26 第二铺设区
28 过渡区
α 表面部分或铺设区之间的角度

Claims (15)

1.一种由纤维增强塑料制成的部件(2)，所述部件包括：
-第一表面部分(4)，
-第二表面部分(6)，
-过渡部分(8)，所述过渡部分由所述第一表面部分(4)和所述第二表面部分(6)封围，
其中，所述第一表面部分(4)的表面切线(16)和所述第二表面部分(6)的表面切线至少在与所述过渡部分(8)接界的区域中不平行，
其中，所述过渡部分(8)具有以切向连续性邻接接界的表面部分(4，6)的曲率，
其中，纤维增强塑料的至少两个层片(10)的布置从所述第一表面部分(4)经由所述过渡部分(8)延伸到所述第二表面部分(6)，并且
其中，所述层片(10)中的至少一个层片的纤维(14)在所述第一表面部分(4)和所述第二表面部分(6)上以一致的取向行进，并且在所述过渡部分(8)上呈现沿行进方向弯曲、扭结或侧向偏移的路线。
2.如权利要求1所述的部件(2)，
其中，偏移或弯曲的路线包括局部切线(16)沿相关纤维(14)的行进方向的角度变化。
3.如权利要求2所述的部件(2)，
其中，所述角度变化在所述过渡部分(8)上增加并且随后再减小。
4.如权利要求2或3所述的部件(2)，
其中，所述角度变化在所述过渡部分(8)上对称地行进。
5.如前述权利要求中任一项所述的部件(2)，
其中，所述角度变化处于-30°到30°的范围内、并且优选地在-15°到15°的范围内。
6.如前述权利要求中任一项所述的部件(2)，
其中，所述相关纤维(14)在过渡部分(8)上的路线以切向连续性邻接所述表面部分(4，6)上的路线。
7.如前述权利要求中任一项所述的部件(2)，
其中，所述纤维增强塑料包括热塑性基体材料。
8.一种生产用于交通工具(18)的部件(2)的方法，所述方法包括以下步骤：
-提供模具(22)，在所述模具上具有第一铺设区(24)、第二铺设区(26)、以及由所述第一铺设区和所述第二铺设区封围的弯曲的过渡区(28)，其中所述第一铺设区(24)的表面切线和所述第二铺设区(26)的表面切线至少在与所述过渡区(28)接界的区域中不平行；
-将包括纤维(14)的塑料的多个层片(10)铺设在所述模具(22)上，使得所述层片(10)从所述第一铺设区(24)经由所述过渡区(28)延伸到所述第二铺设区(26)，以形成第一表面部分(4)、第二表面部分(6)和过渡部分(8)，其中所述层片(10)中的至少一个层片的纤维(14)在所述第一表面部分(4)和所述第二表面部分(6)上以一致的取向行进，并且在所述过渡部分(8)上呈现沿行进方向弯曲、扭结或侧向偏移的路线；
-固化所述部件(2)；以及
-从所述模具(22)移除所述部件(2)。
9.如权利要求8所述的方法，
其中，所述铺设基于一组操作中的操作进行，所述组包括：
-具有干纤维的定制纤维铺放，
-纤维贴片铺放，
-自动化纤维铺放，以及
-具有纤维增强的3D打印过程。
10.如权利要求8或9所述的方法，
其中，所述角度变化处于-30°到30°的范围内、并且优选地在-15°到15°的范围内。
11.如权利要求8至10中任一项所述的方法，
其中，所述层片(10)被封围在热塑性基体中。
12.一种交通工具(18)，所述交通工具包括至少一个根据权利要求1至7中任一项所述的部件(2)。
13.如权利要求12所述的交通工具(18)，其中，所述交通工具(18)是飞行器(18)并且包括由纤维增强塑料制成的机身(20)。
14.如权利要求13所述的交通工具(18)，其中，所述至少一个部件(2)是设置在所述机身(20)的内侧上的连接部件，并且连接到设置在所述机身(20)内的部件。
15.如权利要求12至14中任一项所述的交通工具，
其中，所述机身(20)包括其中嵌入纤维的热塑性基体材料。
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