CN114390971B - 由纤维复合材料制造模制件的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种由纤维复合材料制造模制件的方法，包括以下步骤：a)提供压力机(1、1')，其具有第一压制工具(2)、第二压制工具(3)和膜片(4)，其中第一压制工具(2)和第二压制工具(3)能够相对于彼此移动，其中膜片(4)与其中一个压制工具(2)连接，其中在膜片(4)和与其连接的压制工具(2)之间形成用于工作介质的空穴(5)，其中在另一个压制工具(3)中形成用于工件的工作腔(8、8')，并且其中当压力机(1、1')关闭时，工作腔(8、8')的体积能够通过膜片(4)的移动来改变；b)提供具有工件体积(VW1、VW1')的至少一个工件(17、17')，其中工件(17、17')具有基质和嵌入其中的纤维；c)将工件(17、17')插入压力机(1、1')的工作腔(8、8')中；d)关闭压力机(1、1')，其中工作腔(8、8')占据第一体积(V1、V1')；e)借助膜片(4)向工件(17、17')施加压力和/或温度，其中工作腔(8、8')占据第二体积(V2、V2')，并且其中由工件(17、17')形成硬化的模制件；以及f)打开压力机(1、1')并取出模制件。为了确保连续且均匀的压力分布设定，工作腔(8、8')的第一体积(V1、V1')小于工件体积(VW1、VW1')，使得工件(17、17')在步骤d)中和在步骤e)之前已经被压缩。
Description
技术领域
本发明涉及一种由纤维复合材料制造模制件的方法，包括以下步骤：a)提供具有第一压制工具、第二压制工具和膜片的压力机，其中第一压制工具和第二压制工具能够相对于彼此移动，其中膜片连接到其中一个压制工具，其中在膜片和与其连接的压制工具之间形成用于工作介质的空穴，其中在另一个压制工具中用于工件的工作腔，并且其中当压力机关闭时通过膜片的运动能够改变工作腔的体积；b)提供具有工件体积的至少一个工件，其中该工件具有基质和嵌入其中的纤维；c)将工件插入压力机的工作腔；d)关闭压力机，其中工作腔占据第一体积；e)借助膜片向工件施加压力和/或温度，其中工作腔占据第二体积，并且其中由工件形成硬化的模制件；以及f)打开压力机并移除模制件。
背景技术
纤维复合材料是基本上由两个主要成分组成的复合材料：由增强纤维和塑料(“基质”或“树脂”)组成，纤维嵌入塑料中。通过这两个主要成分的结合可以实现，复合材料整体比单独使用这两个成分具有更好的性能。例如，纤维由于其在纤维方向上的高抗拉强度而有助于提高复合材料的抗拉强度。另一方面，基质例如确保纤维保持在其位置并受到保护从而免受机械和化学影响。
由纤维复合材料制造部件的多种方式之一是基于使用预制的纤维树脂半成品(所谓的“预浸料”，“预浸渍纤维”的缩写)。在这种半成品的情况下，纤维配备有尚未反应完全的树脂体系，因此半成品仍以柔性形式存在(例如幅面状，在辊上)。只有当制造部件时，才会将预浸料成型并且在高压和高温下通过完成化学反应而硬化。该步骤例如可以在压力机中进行。
预浸料例如在航空工业中进行大量加工。加工中的一个挑战是航空工业中通常需要非常复杂的部件几何形状，例如由于桁条等加强部件。还应当减少装配工作，这应通过使用更少但因此更大的部件来实现。复杂的几何形状和较大的部件尺寸的结合对于制造这些部件的装置和方法提出了更高的要求。其中一个要求例如在于，在部件制造过程中确保均匀地施加压力。
用于由纤维复合材料制造部件的装置和方法例如由DE 10 2017 113 595 A1已知。对待制造的部件均匀地施加压力应该这样实现，即，柔性膜片作用在该部件上，其中油压从膜片背离部件的一侧作用在膜片上。由此将膜片通过油压挤压到部件表面上。以这种方式还应当在存在弯曲的部件表面的情况下确保油压全面地、即流体静力地作用并因此从膜片作用到部件表面上的力在所有位置上都一样大，特别是正交作用在部件表面上的分力也一样。
由US 2016/0297153 A1还已知这种“膜压机”用于由纤维复合材料制造部件的用途。
使用膜片的一个挑战在于，待制造的部件在压力机中通常只能在一侧通过膜片施加压力，其中由于膜片的变形能力有限，这一侧通常是部件的几何形状不太复杂的一侧(例如飞机机身的光滑外侧)。部件的另一侧通常是部件的几何形状相对复杂的一侧(例如飞机机身的内侧)，相比之下，该另一侧在许多情况下不能直接由膜片施加压力，因为此处经常设有加强部件，其外形由于其复杂的几何形状而不允许直接接触膜片。因此，通常将该侧放入到相应形状的工具中，其中如果需要(例如在设置底切时)将额外的型芯插入到工具中。这种布置导致在待制造的部件的背离膜片的一侧上几乎不能确保均匀的压力分布。这例如是由于工具和型芯具有与工件不同的热膨胀性，因此在温度升高和/或降低的情况下表现出不同的膨胀行为。
发明内容
在此背景下本发明的目的在于，在通过膜压机由纤维复合材料制造模制件期间，在模制件背离膜片的一侧上也确保制造过程中均匀的压力分布。
该目的在根据权利要求1的前序部分的方法中由此实现，即，工作腔的第一体积小于工件体积，从而工件在步骤d)中以及在步骤e)之前已经被压缩。
根据本发明的方法涉及一种由纤维复合材料制造模制件的方法。该方法首先包括提供所谓的“膜压机”的步骤。该压力机包括第一(例如上部的)压制工具、第二(例如下部的)压制工具和膜片。该膜片例如可以由薄金属片形成。第一压制工具和第二压制工具能够相对于彼此移动，从而能够打开和关闭压力机。膜片与两个压制工具之一连接，其中在膜片和与其连接的压制工具之间形成用于工作介质的空穴。该空穴设计用于在其中容纳工作介质、例如气体或液体。因此膜片和与其连接的压制工具以气密和/或液密的方式彼此连接。当压力机关闭时，工作腔的体积通过膜片的移动能够改变，即能够增大或缩小。
根据本发明的方法还包括提供具有工件体积的至少一个工件的步骤，其中工件具有基质和嵌入其中的纤维。嵌入基质中的纤维可以是例如碳纤维、玻璃纤维、芳族聚酰胺纤维等。该纤维例如可以以垫子、无纺布、网格布(Gelege)、机织物(Gewebe)、编结物(Geflechte)或针织物(Gestricke)形式的半成品的形式使用。基质或树脂可以例如由热塑性塑料形成。工件可以是已经完成的“纤维基质半成品”，也称为“预浸料”。
根据本发明的方法的其它步骤是：将工件插入压力机的工作腔中，关闭压力机，其中工作腔占据第一体积；借助膜片向工件施加压力和/或温度，其中工作腔占据第二体积，并且其中由工件形成硬化的模制件；以及打开压力机并移除模制件。因此工作腔的“第一体积”表示在膜片作用于工件之前的工作腔的体积，而工作腔的“第二体积”表示在膜片作用于工件期间的工作腔的体积。由于膜片对工件施加压力并由此减小工作腔以及因此压缩其中的工件，所以工作腔的“第一体积”通常大于工作腔的“第二体积”。
根据本发明设定，工作腔的第一体积小于工件体积，从而工件在步骤d)中和在步骤e)之前已经被压缩。工件体积是指工件插入工作腔之前的体积，即未压缩状态下的工件的体积。例如如果在各个材料层之间的空气被压出，则工件的状态为已经被压缩。
换言之，工件的尺寸和工作腔的尺寸以这样的方式相互协调，使得工件对于工作腔来说略微过大或者工作腔对于工件来说略微过小。因此必须将工件“挤压”到工作腔中。这导致了，工件在插入工作腔时必须已经略微压缩并且由此在插入工作腔时已经受到(接触产生的)预应力。这种方法基于这样的思想，即在压力机中的整个加工过程中，无论压力和温度变化如何，都应始终对工件施加最小压力。确保最小压力对部件质量有重大影响，因为例如通过保持最小压力能够防止部件中的空气夹杂。在传统的方法控制中(没有“预应力”)，例如会产生这样的危险，即由于不同的热膨胀系数，在温度降低时压制工具比位于其间的工件更快“收缩”，由此作用在工件上的压力可能降低到零。这通过根据本发明的方法得到可靠的避免。
根据方法的一种设计方案，工作腔的第二体积小于工件体积，从而在步骤e)期间工件也被压缩。
如前所述，工作腔的“第二体积”是指在膜片作用于工件期间工作腔的体积。通过使工作腔的第二体积也小于工件体积，确保了保持或者优选甚至增加工件的预应力。这应该在步骤e)期间发生，即在通过膜片向工件施加压力和/或温度的期间。
根据方法的另一种设计方案，在步骤b)中还提供具有型芯体积的至少一个型芯，在步骤c)中也将该型芯插入到压力机的工作腔中，并且工作腔的第一体积小于工件体积和型芯体积的总和，从而工件在步骤d)中和步骤e)之前已经被压缩。
在部件几何形状复杂的情况下，例如在部件具有底切的情况下，通常需要使用多个单独的型芯，否则部件无法从模具中取出。因此通过使用可单独插入和可单独移除的多个型芯也能够制造复杂的部件几何形状。如果使用一个或多个型芯，则通过使工作腔的第一体积小于工件体积和型芯体积之和能够实现前述的预应力原理。通过这种方式可以确保工件施加有预应力，尽管工件本身(即不包含型芯)可以具有比工作腔更小的体积。因为，在确保了工件体积和型芯体积之和总是大于工作腔的第一体积的情况下，型芯的附加体积引起了工件的压缩。以这种方式在使用一个或多个型芯的情况下也能够利用前述的方案。
对于这种设计方案进一步设定，工作腔的第二体积小于工件体积和型芯体积的总和，从而在步骤e)期间工件也被压缩。如前所述，工作腔的“第二体积”是指在膜片作用于工件期间工作腔的体积。通过使工作腔的第二体积也小于工件体积和型芯体积之和，确保了保持或者优选甚至增加工件的预应力。这应该在步骤e)期间发生，即在通过膜片向工件和型芯施加压力和/或温度期间。
根据方法的另一种设计方案设定，膜片由金属制成并且优选具有在0.05mm和0.5mm之间范围内、特别是在0.15mm和0.3mm之间范围内的厚度。
由金属、特别是钢板制成的膜片具有以下优点：一方面，由于金属的机械性能，膜片能够传递高压；并且另一方面，由于金属的高导热性，膜片非常适合于加热或冷却工件。压力的传递通过在膜片旁边设置空穴来实现，该空穴能够填充尽可能不可压缩的工作介质、例如油，由此使得膜片变形并朝工件的方向挤压。当空穴内的工作介质被加热或冷却时，能够实现工件的加热或冷却。膜片优选具有非常光滑的表面，特别是Rz值为4.0μm或更小、优选2.7μm或更小、非常优选甚至低于1.0μm，例如0.1μm的表面。
根据方法的另一种设计方案设定，在步骤e)期间改变空穴中的工作介质的压力和/或温度。
通过使空穴内的工作介质的压力和/或温度能够改变，也能够改变作用在工件上的压力和作用在工件上的温度，因为工作介质的压力和温度都通过膜片传递到工件上。由于压力和温度都能够改变，替代恒定的压力和恒定的温度，也能够设置变化的压力和温度曲线，例如首先增加压力和温度，然后保持压力和温度恒定，最后降低压力和温度。例如通过工作介质的流入或流出而改变空穴中的工作介质的量，能够实现工作介质的压力变化。另一方面，例如通过使工作介质循环并且流入的工作介质的温度高于或低于空穴中的工作介质并由此加热或冷却工作介质，能够实现工作介质的温度变化。
根据方法的另一种设计方案设定，在步骤e)中将空穴中的工作介质的压力增加到在5巴和50巴之间范围内、特别是在10巴和30巴之间范围内的最大压力。
对此替代地或额外地，根据方法的另一种设计方案可以设定，在步骤e)中空穴中的工作介质的温度能够升高到在300℃和500℃之间范围内、特别是在330℃和410℃之间范围内的最高温度。
前述最大压力和前述最高温度在由纤维复合材料制造模制件中产生了最佳结果。所给出的值是最大值；在压力机中的制造过程中也会达到更低的压力和温度值，例如在加热阶段和冷却阶段。
最后根据方法的另一种设计方案设定，在步骤b)中提供多个单独的工件，在步骤c)中将其插入压力机的工作腔中并且在步骤e)中彼此连接，其中由这些工件形成连续的硬化模制件。
这种方法基于的思想是，压力机中的压力和温度效应不仅用于硬化单个部件，还用于将多个部件相互连接。这些部件例如可以是首次硬化的预浸料。但这些部件也可以是由纤维复合材料构成的、已经预先硬化的部件(例如加强部件)，它们由于温度效应而再次变得粘稠，从而与其他部件连接成一个共同的连续模制件。
附图说明
下面参照仅示出一个优选实施例的附图进一步解释本发明。其中示出：
图1A：用于执行根据本发明方法的压力机的第一构造方案在没有插入工件的情况下处于打开状态的横截面，
图1B：在插入工件的情况下处于打开位置的图1A中的压力机，
图1C：处于关闭位置的图1A中的压力机，
图2A：用于执行根据本发明方法的压力机的第二构造方案在没有插入工件及没有插入型芯的情况下处于打开状态的横截面，
图2B：在插入工件和插入型芯的情况下处于打开状态的图2A中的压力机，
图2C：处于关闭状态的图2A中的压力机，以及
图3：根据本发明方法的流程示意图。
附图标记说明
1、1’：压力机
2：第一(上部的)压制工具
3：第二(下部的)压制工具
4：膜片
5：空穴
6：通道
7：孔
8、8'：工作腔
9：引导部
9A：突起
9B：凹部
10：边缘部件
11：间隙
12：空腔
13：夹持装置
14：张力锚
15：弹簧
16：密封件
17,17'：工件
18：型芯
V1、V1'：(工作腔8、8'的)第一体积
V2、V2'：(工作腔8、8'的)第二体积
VW1、VW1'：(工件17、17'的)第一工件体积
VW2、VW2'：(工件17、17'的)第二工件体积
VK1：(型芯18的)第一型芯体积
VK2：(型芯18的)第二型芯体积
具体实施方式
图1A示出了用于执行根据本发明方法的压力机1的第一构造方案在没有插入工件的情况下处于打开状态的横截面。压力机1包括上部的第一压制工具2和下部的第二压制工具3。两个压制工具2、3能够相对于彼此移动，例如沿竖直方向(图1中由箭头指示)。该压力机还包括与上部的压制工具2连接的膜片4。替代图1中示出的构造，膜片4也可以与下部的压制工具3连接。在膜片4和与其相连的上部的压制工具2之间形成用于工作介质、例如油的空穴5。膜片4由金属制成并且优选具有在0.05mm和0.5mm之间范围内的厚度。空穴5能够通过通道6填充工作介质。在上部的压制工具2和下部的压制工具3中都设有多个孔7，加热介质和/或冷却介质能够引导通过这些孔。
在图1A所示的压力机1的构造方案中，在下部的压制工具3中设有工作腔8，(图1A中未示出的)工件能够插入到该工作腔8中。当压力机打开时，工作腔8具有第一体积V1。两个压制工具2、3都具有引导部9，该引导部例如能够通过突起9A和凹部9B形成，其中突起9A能够设置在下部的压制工具3上，并且其中凹部9B能够设置在上部的压制工具2上。
膜4以下列方式连接到上部的压制工具2：上部的压制工具2具有环绕的边缘部件10，其与上部的压制工具2螺纹连接(图1A中未示出螺纹连接)。在上部的压制工具2与其边缘部件10之间形成间隙11，膜片4引导穿过该间隙11。间隙11通入空腔12，在该空腔12中设置有夹持装置13，膜片4夹持在该夹持装置中。夹持装置13与张力锚14连接，该张力锚通过开口从上部的压制工具2和边缘部件10中引出，并在此处通过支撑在外表面上的弹簧15向外挤压，由此膜片4设有预应力。为了密封空穴5，在间隙11中设置密封件16，其允许膜片4移动。
图1B示出了具有插入的工件17的处于打开状态的图1A中的压力机1。前面已经说明的压力机1的各个区域在图1B中设置有相应的附图标记。与图1A所示状态的不同之处在于，工件17已经放入下部的压制工具3的工作腔8中。工件17的工件体积VW1略大于工作腔8的第一体积V1。这导致工件17必须稍微压缩以便能够插入工作腔8中，由此工件17受到预应力。
图1C示出了处于关闭状态的图1A中的压力机1。前面已经说明的压力机1的各个区域也在图1C中设置有相应的附图标记。通过将两个压制工具2、3朝向彼此移动叠合来关闭压力机1。在图1C所示的状态下，工件17施加有压力和温度。通过将工作介质、例如油通过通道6引导进入空穴5来施加压力，从而将膜片4朝工件17的方向挤压。温度的施加能够以不同的方式进行：一种方式在于，加热通过通道6引导进入空穴5中的工作介质，使得热量从空穴5中的工作介质通过膜片4传递到工件17。相反地，能够冷却工作介质，从而冷却工件17。对此可以替代地或附加地设定，加热介质和/或冷却介质流过孔7，由此首先能够加热或冷却两个压制工具2、3，并且随后也加热或冷却工件17。由于压力作用，图1C所示状态下的工作腔8被进一步缩小并具有第二体积V2。这导致工件17进一步压缩，工件在图1C所示的状态下具有大致对应于工作腔8的第二体积V2的第二工件体积VW2。
图2A示出了用于执行根据本发明方法的压力机1'的第二构造方案在没有插入工件及没有插入型芯的情况下处于打开位置的横截面。前面已经说明的压力机1'的各个区域也在图2A中设置有相应的附图标记。图2A中所示的压力机1'的第二构造与前面所示的压力机1的第一构造的不同之处尤其在于增大的工作腔8'，这实现了(图2A中未示出的)型芯的使用。当压力机打开时，增大的工作腔8'具有第一体积V1'。
图2B示出了在插入工件17和插入型芯18的情况下处于打开位置的图2A中的压力机1'。前面已经说明的压力机1'的各个区域也在图2B中设置有相应的附图标记。除了已经在图1A至图1C中说明的工件17之外，现在将另外两个工件17'插入压力机1'的工作腔8'中，其中工件17'例如可以是已经预制的具有Z形横截面的加强元件(例如飞机机身的“桁条”)。工件17'应在随后的生产步骤中与工件17连接。尽管工件17'具有复杂的几何形状，为了实现均匀的压力分布，将多个型芯18插入工作腔，其形状与工作腔8'的形状以及与工件17、17'的形状匹配。工件17、17'共同具有第一工件体积VW1'并且型芯18共同具有第一型芯体积VK1'。第一工件体积VW1'和第一型芯体积VK1'之和(VW1'+VK1')略大于工作腔8'的第一体积V1'。这导致工件17、17'和型芯18必须稍微压缩，以便能够插入工作腔8'中，由此工件17、17'和型芯18受到预应力。
图2C示出了处于关闭状态的图2A中的压力机1'。前面已经说明的压力机1'的各个区域也在图2C中设置有相应的附图标记。通过两个压制工具2、3朝向彼此移动叠合来关闭压力机1'。在图2C所示的状态下，工件17、17'施加有压力和温度。通过将工作介质、例如油通过通道6引导进入空穴5来施加压力，由此将膜片4朝工件17、17'的方向挤压。温度的施加能够以不同的方式进行：一种方式在于，加热通过通道6引导进入空穴5中的工作介质，使得热量从空穴5中的工作介质通过膜片4传递到工件17,17'。相反，可以冷却工作介质从而冷却工件17、17'。对此可以替代地或附加地设定，加热介质和/或冷却介质流过孔7，由此可以首先加热或冷却两个压制工具2、3，并且随后也加热或冷却工件17、17'。由于压力作用，位于图2C所示状态下的工作腔8'进一步缩小并具有第二体积V2'。这导致工件17、17'以及型芯18的进一步压缩。在图2C所示的状态下，工件17、17'共同具有第二工件体积VW2'，并且型芯18共同具有第二型芯体积VK2'。第二工件体积VW2'和第二型芯体积VK2'的总和(VW2'+VK2')大致对应于工作腔8'的第二体积V2'。
最后图3示出了根据本发明的方法100的流程示意图。该方法100包括以下步骤：101：提供压力机，102：提供工件，103：插入工件，104：关闭压力机，105：向工件施加压力和/或温度，106：打开压力机。
Claims (13)
1.由纤维复合材料制造模制件的方法，包括以下步骤：
a)提供压力机(1、1')，所述压力机具有
-第一压制工具(2),
-第二压制工具(3)，和
-膜片(4),
-其中所述第一压制工具(2)和第二压制工具(3)能够相对于彼此移动，
-其中所述膜片(4)与其中一个压制工具(2)连接，
-其中在所述膜片(4)和与其连接的压制工具(2)之间形成用于工作介质的空穴(5),
-其中在另一个压制工具(3)中形成用于工件的工作腔(8、8')，并且
-其中当所述压力机(1、1')关闭时，所述工作腔(8、8')的体积能够通过所述膜片(4)的移动来改变，
b)提供具有工件体积(VW1、VW1')的至少一个工件(17、17')，其中所述工件(17、17')具有基质和嵌入其中的纤维，
c)将所述工件(17、17')插入所述压力机(1、1')的工作腔(8、8')中，
d)关闭所述压力机(1、1')，其中所述工作腔(8、8')占据第一体积(V1、V1')，
e)借助所述膜片(4)向所述工件(17、17')施加压力和/或温度，其中所述工作腔(8、8')占据第二体积(V2、V2')，并且其中由所述工件(17、17')形成硬化的模制件，以及
f)打开所述压力机(1、1')并取出所述模制件，
其特征在于，所述工作腔(8、8')的第一体积(V1、V1')小于所述工件体积(VW1、VW1')，使得所述工件(17、17')在步骤d)中和在步骤e)之前已经被压缩。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述工作腔(8、8')的第二体积(V2、V2')小于所述工件体积(VW1、VW1')，使得在步骤e)期间所述工件(17、17')也被压缩。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤b)中还提供具有型芯体积(VK1)的至少一个型芯(18)，在步骤c)中还将所述型芯(18)插入到所述压力机的工作腔(8')中，并且所述工作腔(8')的第一体积(V1')小于所述工件体积(VW1')和型芯体积(VK1)之和，使得所述工件(17、17')在步骤d)中和步骤e)之前已经被压缩。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述工作腔(8')的第二体积(V2')小于所述工件体积(VW1')和型芯体积(VK1)之和，使得所述工件(17、17')在步骤e)期间也被压缩。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其特征在于，所述膜片(4)由金属制成。
6.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其特征在于，所述膜片(4)具有在0.05mm和0.5mm之间范围内的厚度。
7.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其特征在于，所述膜片(4)具有在0.25mm和0.4mm之间范围内的厚度。
8.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其特征在于，在步骤e)期间改变所述空穴(5)中的工作介质的压力和/或温度。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的方法，其特征在于，在步骤e)中将所述空穴(5)中的工作介质的压力增加到在10巴和50巴之间范围内的最大压力。
10.根据权利要求1至8中任一项所述的方法，其特征在于，在步骤e)中将所述空穴(5)中的工作介质的压力增加到在15巴和30巴之间范围内的最大压力。
11.根据权利要求1至9中任一项所述的方法，其特征在于，在步骤e)中将所述空穴(5)中的工作介质的温度升高到300℃至500℃之间范围内的最高温度。
12.根据权利要求1至9中任一项所述的方法，其特征在于，在步骤e)中将所述空穴(5)中的工作介质的温度升高到330℃至410℃之间范围内的最高温度。
13.根据权利要求1至11中任一项所述的方法，其特征在于，在步骤b)中提供多个单独的工件(17、17')，在步骤c)中将其插入到所述压力机(1')的工作腔(8')中并且在步骤e)中相互连接，其中由所述工件(17、17')形成连续的硬化的模制件。
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