CN117400564A - 制造复合零件的方法、心轴和制造一次性心轴的方法 - Google Patents

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Abstract

为了改进复合零件(26)的制造，本发明提出制造复合零件的方法，由呈现玻璃化转变的热塑性材料来3D打印心轴(10)。心轴(10)具有腔(14)以及由热塑性材料制成的心轴壁(12)。心轴(10)涂覆有弹性体涂层(16)，并且在弹性体涂层(16)上布置有纤维材料(22)。通过将心轴(10)插入模具(24)中、对心轴(10)加压、并将模具(24)加热至高于玻璃化转变温度但不会熔融心轴壁的模具温度从而由纤维材料(22)形成复合零件(26)。心轴(10)膨胀并将纤维材料(22)压靠于模具(24)。通过提高模具温度并同时使心轴壁(12)熔融来固化复合零件(26)。本发明还提供制造一次性心轴的方法以及在复合零件的制造中使用的一次性增材制造的心轴。

Description

制造复合零件的方法、心轴和制造一次性心轴的方法
技术领域
本发明涉及用于制造复合零件的方法，该复合零件优选地用于飞行器。本发明还涉及一次性心轴以及用于制造该心轴的方法。
背景技术
EP 3 740 364 A1公开了使用自结皮泡沫材料组合物来制造轻质且坚固的部件。可以将一个或更多个心轴插入到模制工具中，并且可以将自结皮泡沫材料组合物注射到模制工具中。在模制工具闭合之后，自结皮泡沫材料组合物可以膨胀并固化以形成部件，并且一个或更多个外皮可以形成在部件的外表面和/或内表面上。
US 2021/0 008 765A1公开了一种用于形成心轴的心轴模制工具，该心轴模制工具包括多个心轴模制工具构件，所述多个心轴模制工具构件构造成紧固在一起以形成具有内部隔室的心轴模制工具。
US 9 757 876 B2公开了一种用于由可固化材料比如柔韧的纤维增强聚合物来制造制品的方法。该方法包括：使用子结构材料来打印可溶解的三维子结构；将可固化材料施加到子结构上；当可固化材料位于子结构上时，使该可固化材料固化；以及使用溶解剂来溶解子结构。相对于利用CNC机器的常规方法，使用3D打印机来打印子结构实现了以更快且更经济的方式来制造诸如原型零件之类的复合制品。
WO 2021/076 777A1公开了一种混合心轴，该混合心轴可以用于对复合压力容器、罐或管进行纤维缠绕。混合心轴包括至少两个部件、即内部部件和外部部件。内部部件可以是能够从形成的罐中取出的泡沫材料。该部分通常不可重复使用，并且借助于化学溶剂或借助于升高的温度被移除，从而使得该部件收缩或以其他方式减小到允许其从罐的开口移除的尺寸。外部部件通常由不同的材料形成，并且可以是可重复使用的或者不可重复使用的。
US 2021/0 122 087A1公开了一种增材制造的心轴，包括多个可分离部段，所述多个可分离部段布置成形成具有第一端部和第二端部的主体。每个可分离部段连接至相邻的部段。连接至主体的第一端部的第一插塞和连接至主体的第二端部的第二插塞构造成在复合固化过程中支撑主体。
具有复杂内部形状的CFRP零件的制造涉及大量的工作，并且通常是劳动密集且耗时的。目前，这是通过使用弹性/热塑性管状芯来完成的，碳纤维被手动放置在该芯上。一旦该芯被涂覆有碳纤维贴片，则围绕工件的分体式模具将闭合。然后将其装袋抽真空，同时确保大气压力可以施加到模芯内部。这通常是通过将管状塑料薄膜穿过中空芯并使其边缘抵靠围绕模具的袋的边缘进行密封来实现的。由于芯件的制造方式，较大的底切和复杂的歧管形状通常很难实现，并且一些形状可能是无法实现的。
发明内容
本发明的目的是改进具有复杂内部形状的复合零件的制造。
该目的通过本申请的主技术方案来实现。优选实施方式涉及从属技术方案。
本发明提供了一种用于制造复合零件的方法，复合零件优选地用于飞行器，该方法包括：
a)由在玻璃化转变温度下呈现玻璃化转变的热塑性材料来制备心轴，优选地通过增材制造来制备心轴，心轴具有限定了腔的心轴壁；
b)将纤维材料布置在心轴外表面上，并将心轴插入模具中；
c)由纤维材料形成复合零件，其中，所述形成包括对腔进行加压并且将心轴加热至高于玻璃化转变温度而不会熔融所述心轴壁的温度；
d)通过将复合零件加热至固化温度来固化复合零件；
e)通过熔融心轴壁并将心轴的熔融部分从复合零件移除来移除心轴。
优选地，在步骤a)中，选择可溶于预定溶剂的热塑性材料。
优选地，步骤a)包括用弹性体涂层涂覆心轴壁，并且弹性体涂层形成外表面。优选地，步骤a)包括在用弹性体涂层进行涂覆之前，用包括纤维的纤维材料涂覆心轴壁，以便将纤维嵌入弹性体涂层中。优选地，心轴壁被浸涂。优选地，弹性体涂层包括硅材料和/或乳胶材料。
优选地，步骤c)包括心轴壁膨胀，从而将弹性体涂层压向模具。
优选地，在步骤d)中，通过将模具温度升高至高于玻璃化转变温度的固化温度并且同时熔融心轴壁来固化复合零件。
优选地，步骤e)包括将弹性体涂层从复合零件移除，优选地通过拉动弹性体涂层和/或使用真空来将弹性体涂层从复合零件移除。
优选地，在步骤d)中，弹性体涂层保持被压向模具。
优选地，在步骤b)中，模具是分体式模具，并且该分体式模具在插入心轴之后是闭合的。优选地，在步骤b)中被放入真空袋中。
优选地，在步骤b)中，纤维材料选自包括非织造材料、毡材料、针织材料、织造材料和预浸材料的纤维材料组。
优选地，在步骤c)中，复合零件的形成包括用可热固化树脂来浸渍纤维材料。
优选地，在步骤e)中，心轴的熔融部分的移除包括倾倒和/或用溶剂清洗。
本发明提供了一种用于在复合零件的制造中使用的一次性增材制造的心轴，该心轴包括：心轴壁，该心轴壁包括在玻璃化转变温度下呈现玻璃化转变的热塑性材料，其中，心轴壁限定了腔；以及弹性体涂层，弹性体涂层至少布置在心轴壁的外表面上。
优选地，牵拉构件附接至弹性体涂层。
本发明提供了一种用于制造在复合零件的制造方法中使用的一次性心轴的方法，该方法包括：
a)由在玻璃化转变温度下表现出玻璃化转变的热塑性材料来增材制造心轴壁，其中，心轴壁限定了腔；
b)用弹性体涂层来涂覆心轴壁的至少外表面。
优选地，心轴壁被浸涂。优选地，牵拉构件附接至弹性体涂层。
所提出的构思可以应用于具有复杂内部形状的复合零件比如碳纤维增强塑料(CFRP)零件、例如歧管或复杂管道的制造。零件几何形状复杂性通常受限于其外部模具的复杂性。它可以用于制造供分配/收集流体和气体用的复杂管道连接器或复杂形状的罐。(例如，用于H2燃料电池系统的气体供应的轻质气体歧管。)
一个构思旨在通过消除对可膨胀芯结构内的袋的需要来简化真空装袋的过程，同时增加包括歧管或罐几何形状在内的可实现的零件复杂性。
另一个构思涉及可以通过增材制造来进行制造的(可能复杂的)热塑性塑料形状。该形状优选地主要为中空的，但是具有闭合的表面，使得其可以被加压。热塑性材料具有相对较低的玻璃化转变温度和/或熔融温度(例如，PLA)。在形成热塑性形状后，优选地将其浸涂在类有机硅或类乳胶物质中，这在热塑性形状周围形成薄的弹性外壳。
一旦涂层被固化，则可以将纤维(优选地为预浸渍件)放置在形状周围。一旦所有的纤维补片被放置，则可以通过合适的模具(例如，分体式模具)来将零件封装。模具构造成允许流体连接器经由流体软管连接至分体式模具内的心轴内部的中空空间中。经组装的模具可以被放置在真空袋中。心轴内部的空间被加压。一旦心轴被加热至玻璃化转变温度(例如，通过心轴内的热加压空气或借助于模具进行加热)，则心轴将开始在模具内膨胀。膨胀的心轴推动纤维抵靠模具表面。气密性通过心轴表面上的弹性涂层实现。这也使得这种心轴能够在高温固化环境(例如，在树脂传递模制过程中为180℃的高温固化环境)中使用。在高温环境下，心轴的热塑性部件将被破坏(熔融)，而弹性体外壳仍能够保持气密性，并且向抵靠模具的周围纤维施加压力。这基于下述认识：(整个)心轴的结构完整性通常仅在初始纤维放置和处理期间是必要的。
一旦零件被固化，则可以将模具移除。然后，CFRP零件可以在烘箱中进行加热，该烘箱使心轴的热塑性结构软化或熔融(如果心轴的热塑性结构在固化过程中还没有熔融)。可以通过拉动热塑性材料或者通过零件中的开口倾倒热塑性材料来将其移除，该开口可以存在于或可能需要形成于不重要的区域(例如，装饰区域)。不重要取决于正在制造的实际零件，但通常涉及可以开孔而不损害最终零件的功能的区域。
最后，通过将薄弹性体膜拉出，可以将该薄弹性体膜通过相同的开口移除。该过程允许将心轴从复杂的内部形状以及某种程度的底切中移除。替代性地，心轴的热塑性芯可以由水溶性材料(例如，PVA)制成，因此该材料可以通过用水冲洗/洗涤来去除。
应当注意的是，利用本文中所描述的构思，可以用大于一个大气压力的压力(容易地)对内部区域进行加压，这是现有技术方法中的典型限制。心轴可以是一次性的，然而，这种构思所提供的优点胜于用于制造心轴的额外工作量。
作为对基本构思的可选的改进/补充，心轴的弹性体涂层可以与纤维或纤维补片结合/附接至纤维或纤维补片，这可以通过手动拉出纤维和纤维的弹性体涂层来有助于将弹性体从制造部件的内部移除。纤维优选地在浸涂之前存在于热塑性芯中/上，并且可以在涂层固化期间连接至弹性体外壳。
通过这些措施，可以更容易地制造典型的困难特征比如内部轮廓上的底切、复杂性更高的形状、复杂的歧管/多管几何形状。与以前已知的方法相比，本文中所描述的构思对于某些特征来说是唯一可能的方法。
此外，可以避免将真空袋放置在心轴内部、即内部真空袋由弹性体涂层代替。另外，可以减少模具准备的时间。此外，在使用后不需要工具和/或工作来使心轴再成形。
附图说明
参照下面列出的随附的示意图对本发明的实施方式进行更详细地描述。
图1至图7描绘了根据本发明的制造方法的实施方式。
具体实施方式
参照图1，描绘了示例性的心轴10。心轴10包括心轴壁12。心轴壁12由热塑性材料通过增材制造、例如3D打印制成。热塑性材料在玻璃化转变温度Tg下具有玻璃化转变，并且在熔融温度Tm下熔融。例如，热塑性材料可以是聚乳酸(PLA)。PLA具有约45℃至65℃的玻璃化转变温度Tg以及约150℃至160℃的典型熔融温度Tm。由于增材制造，心轴壁12可以形成包括例如底切或相当复杂的管道系统的形状。
心轴10包括至少部分由心轴壁12限定的腔14。通常，腔14构造成使得可以对整个心轴10进行加压。换句话说，心轴壁12限定了至少一个流体连续的腔14。
心轴壁12可以覆盖有纤维材料。由此，心轴壁12优选地涂覆有弹性体涂层16。心轴壁12可以通过浸入涂覆材料中来进行涂覆。优选地，腔14是封闭的，使得心轴壁12的仅外侧被涂覆。
弹性体涂层16可以包括硅材料和/或乳胶材料。弹性体涂层16形成心轴外表面18。在使用纤维材料的情况下，将涂覆弹性体涂层16涂覆成使得纤维材料的纤维嵌入弹性体涂层16中。
可选地，心轴10可以包括附接至弹性体涂层16的牵拉装置20。牵拉装置20可以包括线状物21，其优选地从弹性体涂层16穿过心轴壁12和腔14朝向心轴10的敞开端部延伸。
参照图2，在外表面18上布置有纤维材料22。例如，纤维材料22可以是碳纤维预浸材料。其他纤维材料也是可能的。心轴10及其纤维材料22被插入模具24中。模具24可以是分体式模具。如图所示，与限定了要制造的复合零件的最终形状的模具内部相比，心轴10尺寸较小。
参照图3，模具24被加热，并且心轴10被加压。模具24以本身已知的方式被加热，并且心轴10可以经由模具24进行加热或者通过也用于对心轴10进行加压的经加热的流体来进行加热。温度T低于玻璃化转变温度Tg和熔融温度Tm。
参照图4，温度T升高到高于玻璃化转变温度Tg但低于熔融温度Tm。因此，心轴壁12能够膨胀并且经由弹性体涂层16将纤维材料22压靠于模具24，从而形成复合零件26。
根据工艺，例如在树脂传递模制的情况下，也可以在此时用树脂来浸渍纤维材料22。对用于注射树脂的压力进行选择，以便不会使心轴10塌陷。或者换句话说，可以对心轴10内的压力进行选择，以便承受树脂的注射压力，并且仍然使复合零件26压靠于模具24。
参照图5，温度T升高到高于心轴壁12的熔融温度Tm，同时仍然保持对腔14进行加压。温度T优选地被选择成以便固化纤维材料22中的树脂，从而将复合零件26加固成其最终形状。
由于温度T，心轴壁12熔融并且聚集在腔14内的较低点处。压力现在直接作用于保持将纤维材料22压靠于模具24的弹性体涂层16上。
参照图6，将复合零件26从模具24移除。如果需要，可以在复合零件26的不重要的区域中切出开口。仍然熔融的心轴壁12可以从腔14中倒出。也可以使用适当的溶剂来冲洗先前心轴壁12的剩余部分。对于PLA，可以使用二氯甲烷(DCM)、三氯甲烷(TCM，氯仿)或四氢呋喃(THF，氧杂环戊烷)。替代性地，心轴壁12可以由能够用水溶解的聚醋酸乙烯酯(PVA，polyvinyl acetate)制成。
参照图7，可以使用牵拉装置20或通过施加真空并大体上将弹性体涂层16从腔14中吸出而将剩余的弹性体涂层16移除，优选地通过用于移除心轴壁12的相同开口。
该过程的结果是复合零件26可以在内部具有非常复杂的形状，包括广泛分支的管道系统和/或底切部分。
为了改进复合零件26的制造，本发明提出了由呈现玻璃化转变的热塑性材料来3D打印出心轴10。心轴10具有腔14以及由热塑性材料制成的心轴壁12。心轴10涂覆有弹性体涂层16，并且在弹性体涂层16上布置有纤维材料22。通过将心轴10插入模具24中、对心轴10加压、并将模具24加热至高于玻璃化转变温度而不会熔融心轴壁的模具温度从而由纤维材料22形成复合零件26。心轴10膨胀并将纤维材料22压靠于模具24。通过提高模具温度并且同时使心轴壁12熔融来固化复合零件26。
附图标记列表
10 心轴
12 心轴壁
14 腔
16 弹性体涂层
18 心轴外表面
20 牵拉装置
21 线状物
22 纤维材料
24 模具
26 复合零件

Claims (15)

1.一种用于制造复合零件(26)的方法，所述复合零件(26)优选地用于飞行器，所述方法包括：
a)由在玻璃化转变温度下呈现玻璃化转变的热塑性材料来制备心轴(10)，优选地通过增材制造来制备所述心轴(10)，所述心轴(10)具有限定了腔(14)的心轴壁(12)；
b)将纤维材料(22)布置在心轴外表面(18)上，并将所述心轴(10)插入模具(24)中；
c)由所述纤维材料(22)形成复合零件(26)，其中，所述形成包括对所述腔(14)加压并将所述心轴(10)加热至高于所述玻璃化转变温度但不会熔融所述心轴壁(12)的温度；
d)通过将所述复合零件(26)加热至固化温度来固化所述复合零件(26)；
e)通过熔融所述心轴壁(12)并且将所述心轴(10)的熔融部分从所述复合零件(26)移除来移除所述心轴(10)。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，在步骤a)中，选择可溶于预定溶剂的所述热塑性材料。
3.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中，步骤a)包括用弹性体涂层(16)涂覆所述心轴壁(12)，并且所述弹性体涂层(16)形成所述外表面。
4.根据权利要求3所述的方法，其中，步骤c)包括所述心轴壁(12)膨胀从而将所述弹性体涂层(16)压向所述模具(24)。
5.根据权利要求3或4所述的方法，其中，步骤e)包括将所述弹性体涂层(16)从所述复合零件(26)移除，优选地通过拉动所述弹性体涂层(16)和/或使用真空来将所述弹性体涂层(16)从所述复合零件(26)移除。
6.根据权利要求3至5中的任一项所述的方法，其中，在步骤d)中，所述弹性体涂层(16)保持被压向所述模具(24)。
7.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中，在步骤b)中，所述模具(24)是分体式模具，并且所述分体式模具在插入所述心轴(10)之后被闭合。
8.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中，在步骤b)中被放入真空袋中。
9.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中，在步骤b)中，所述纤维材料(22)选自包括非织造材料、毡材料、针织材料、织造材料和预浸材料的纤维材料组。
10.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中，在步骤c)中，所述复合零件(26)的所述形成包括用可热固化的树脂来浸渍所述纤维材料(22)。
11.根据前述权利要求中任一项的所述的方法，其中，在步骤e)中，所述心轴(10)的所述熔融部分的所述移除包括倾倒和/或用溶剂清洗。
12.一种用于在复合零件(26)的制造中使用的一次性增材制造的心轴(10)，所述心轴(10)包括：心轴壁(12)，所述心轴壁(12)包括在玻璃化转变温度下呈现玻璃化转变的热塑性材料，其中，所述心轴壁(12)限定了腔(14)；以及弹性体涂层，所述弹性体涂层至少布置在所述心轴壁(12)的外表面上。
13.根据权利要求12所述的心轴(10)，其中，牵拉构件附接至所述弹性体体涂层(16)。
14.一种用于制造一次性心轴(10)的方法，在复合零件(26)的制造方法中使用所述一次性心轴(10)，所述方法包括：
a)由在玻璃化转变温度下表现出玻璃化转变的热塑性材料来增材制造心轴壁(12)，其中，所述心轴壁(12)限定腔(14)；
b)用弹性体涂层(16)来涂覆所述心轴壁(12)的至少外表面。
15.根据权利要求14所述的方法，其中，牵拉构件可操作地联接至所述弹性体涂层(16)，以便能够牵拉所述弹性体涂层(16)。
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