專利名稱：用于制造纖維復(fù)合構(gòu)件的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于制造纖維復(fù)合構(gòu)件的方法，該方法具有步驟(a)將由纖維 和母體材料構(gòu)成的前體置入到成形工具中，其中，該前體具有環(huán)繞的前體邊緣，以及(b)用 微波輻射該前體，由此形成纖維復(fù)合構(gòu)件。
背景技術(shù)：
用纖維增強的塑料制成的纖維復(fù)合構(gòu)件是由兩種組分即(增強)纖維和母體材料 構(gòu)成的革新材料。尤其是高科技工業(yè)部門如航空和航天以及汽車制造中的越來越多的構(gòu)件 不再用金屬而是用例如碳纖維增強的熱塑性塑料或熱固性塑料來制造。為了制造纖維復(fù)合構(gòu)件，通常使用熱能。在將用纖維和母體材料制成的前體置入 到成形工具中之后，將該前體和該成形工具加熱。由此引起母體材料的聚合并且纖維和母 體材料彼此粘結(jié)，由此產(chǎn)生纖維復(fù)合構(gòu)件。例如可通過對流來加熱。作為替換方案，為了加熱前體可使用微波場。通過與微 波場的相互作用使母體材料的偶極分子振動，由此，母體材料變熱。已經(jīng)證實，在用微波輻 射時在前體中形成強的溫度梯度。最高溫度在前體的或正在形成的纖維復(fù)合構(gòu)件的邊緣上 確定。這樣的溫度梯度不是期望的并且迄今為止這樣來減弱在前體的邊緣上固定金屬膜， 這些金屬膜屏蔽微波輻射。其缺點是在施加金屬膜時高的手動投入以及由于帶有誤差地施 加金屬膜而在正在形成的纖維復(fù)合構(gòu)件中引起誤差的風(fēng)險。由DE 103 60 743 Al公知了一種用于用纖維復(fù)合塑料制造結(jié)構(gòu)構(gòu)件的方法，該方 法包括兩個方法步驟，即預(yù)成形和成形。沒有探討環(huán)繞的邊緣在成形工具中的布置。由DE 197 31 903 Al公知了一種用于制造車輛用的頂棚模塊或滑動式頂棚的方 法。在此，用浸漬環(huán)氧樹脂的纖維墊全側(cè)包圍一個泡沫板并且將該泡沫板借助于多層膜或 借助于織物對擠壓模具絕緣地置入到擠壓模具中。接著將這種多層的結(jié)構(gòu)擠壓成頂棚模 塊。由于用多層膜或織物蒙住而不能產(chǎn)生電弧。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的任務(wù)在于，克服現(xiàn)有技術(shù)中的缺點。本發(fā)明通過所述類型的方法來解決 問題，在該方法中，將前體這樣置入到成形工具中，使得前體至少區(qū)段地、但優(yōu)選基本上完 全地與成形工具接觸。本發(fā)明的優(yōu)點在于，在用微波輻射時前體中的溫度梯度的形成減弱。由此可制造 高品質(zhì)的纖維復(fù)合構(gòu)件。另一個優(yōu)點在于，手動的準備工作在很大程度上變得多余，由此， 該方法很好地適用于自動化。由此可實現(xiàn)在品質(zhì)可再現(xiàn)的同時進行成本低廉的加工。此外，有利的是，本發(fā)明可容易地執(zhí)行。因此，本發(fā)明僅僅需要新的成形工具或改型現(xiàn)有成形工具，所述現(xiàn)有成形工具然后原則上可任意頻繁地使用。如果前體涉及基本上長方六面體狀的構(gòu)件，則對于前體邊緣理解為其窄側(cè)的全 部。
前體尤其是均勻的。在此尤其是應(yīng)理解為前體的結(jié)構(gòu)與位置無關(guān)。尤其是前體 不是由原則上獨立的子體構(gòu)成。例如前體無接合部位。如果根據(jù)有利實施形式的前體涉及 母體材料-纖維系統(tǒng)，則前體優(yōu)選僅僅由纖維和母體材料構(gòu)成。所述構(gòu)件優(yōu)選涉及扁平構(gòu)件。對此尤其是應(yīng)理解為構(gòu)件在加工結(jié)束之后無側(cè)凹 或者僅僅在其邊緣上具有裁切部之一。例如扁平構(gòu)件涉及飛機的一部分。例如扁平構(gòu)件是 機身、機翼或尾翼的一部分。優(yōu)選這樣構(gòu)造成形工具，使得微波在輻射時直接投射到前體上。這就是說，成形工 具優(yōu)選關(guān)于微波源無側(cè)凹，該微波源用于用微波輻射前體。在一個優(yōu)選實施形式中，將前體基本上完全地以前體邊緣與成形工具接觸。對于 前體基本上完全地接觸這一特征應(yīng)理解為不需要使前體在嚴格數(shù)學(xué)意義上完全接觸。而 足夠的是，該前體在一些較小的區(qū)段上與成形工具不具有接觸。其優(yōu)點在于，前體基本上在 其整個邊緣上經(jīng)歷足夠小的溫度梯度，以便實現(xiàn)纖維復(fù)合構(gòu)件的高品質(zhì)。在成形工具與前體邊緣接觸的部位上，該成形工具優(yōu)選具有這樣的厚度或深度， 所述厚度或深度選擇得足夠大，以致成形工具由于其熱容而可這種程度地吸收在前體邊緣 的周圍環(huán)境中產(chǎn)生的熱量，使得在預(yù)給定的微波功率下纖維復(fù)合構(gòu)件的任何部位上的預(yù)給 定的溫度都不被超過。
在一個優(yōu)選實施形式中，用微波無遮蔽地輻射前體。對此尤其是應(yīng)理解為成形工 具無側(cè)凹或者微波可從敞開的全部側(cè)達到前體。尤其是在前體上不安置金屬膜。為了除熱接觸之外還在前體與成形工具之間建立特別好的電接觸，特別優(yōu)選使用 導(dǎo)電的成形工具、尤其是金屬的成形工具。該成形工具例如可用鋼和/或鎳合金制成。如 果例如在成形工具的與前體邊緣接觸的部位上期望特別高的導(dǎo)熱能力和/或?qū)щ娔芰?，則 優(yōu)選使用尤其能導(dǎo)熱或能導(dǎo)電的金屬、例如銅或銀。特別優(yōu)選將前體這樣置入到成形工具中，使得前體以前體邊緣與成形工具處于電 接觸。在此情況下使得在一方面纖維或母體材料與另一方面成形工具之間小電弧的形成得 到減弱或完全得到避免。這種小電弧的形成也被稱為電弧放電。優(yōu)選為了輻射而使用具有這樣選擇的強度的微波，使得電弧形成剛好基本上被抑 制。對于電弧形成基本上被抑制這一特征應(yīng)理解為有利的是——但不是必需的，電弧的形 成完全被抑制?？稍趯φ谛纬傻睦w維復(fù)合構(gòu)件的后來的可使用性不產(chǎn)生決定性影響的范 圍內(nèi)容忍電弧的形成。為了特別有效地抑制邊緣上的溫度梯度，在一個優(yōu)選實施形式中提出，將前體安 置到冷卻的、尤其是主動冷卻的成形工具中，其中，成形工具尤其是在與前體邊緣處于接觸 的部位上被冷卻。作為替換方案，成形工具也可在完全與前體外部區(qū)域處于接觸的部位上 冷卻。如果在前體的邊緣區(qū)域中產(chǎn)生溫度梯度，則可通過主動冷卻來抵抗該溫度梯度。優(yōu)選所述纖維包括碳纖維。由于碳纖維的導(dǎo)電能力，用碳纖維和母體材料制成的 前體對于電弧的形成以及對于邊緣區(qū)域中的溫度梯度特別敏感。特別優(yōu)選所述母體材料可 通過聚合硬化，尤其是通過熱感應(yīng)的聚合硬化。熱量引入可以是唯一的引起聚合的過程，但 不必是。


下面借助于實施例對本發(fā)明進行詳細描述。附圖表示圖1 一個示意性視圖，該示意性視圖在前體的空間延展上繪制了在用微波輻射時 前體中的溫度，圖2根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的成形工具，圖3纖維復(fù)合構(gòu)件制造設(shè)備的示意性視圖，圖4a部分地根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)并且部分地根據(jù)本發(fā)明構(gòu)造的試驗裝置，圖4b沿著圖4a的剖面Z_Z的橫剖面視圖，
圖4c四個溫度曲線，這些溫度曲線繪制了在邊緣區(qū)域中圖4a的試驗裝置的溫度 關(guān)于時間的關(guān)系，其中，兩個曲線表示用于現(xiàn)有技術(shù)的成形工具的溫度發(fā)展，兩個曲線表示 用于纖維復(fù)合構(gòu)件制造設(shè)備的成形工具的溫度發(fā)展。
具體實施例方式圖1示意性地示出了一個成形工具10，該成形工具用金屬制成，在當(dāng)前情況下用 鋼制成，呈用纖維和母體材料制成的層合體形式的前體12安置在該成形工具上。前體12 基本上是長方六面體狀，具有支承面14、與支承面14對置的輻射面16和設(shè)置在支承面14 與輻射面16之間的前體邊緣18。在用微波源20的微波輻射前體12時，前體12變熱并且 出現(xiàn)所示的溫度變化曲線T(X)。可以看到，溫度T在前體12的邊緣區(qū)域22中比在芯區(qū)域 24中明顯高。邊緣區(qū)域22從前體邊緣18向內(nèi)一直延伸到前體12的延展的大約10%。合 成的溫度梯度、即溫度隨著到前體邊緣18的距離的增大所發(fā)生的變化不是期望的。圖2示出了根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的成形工具10，該成形工具具有屏蔽裝置26. 1、26. 2。屏 蔽裝置26. 1,26. 2使得源自微波源20的微波28通過具有橫截面Q的側(cè)凹而被遮蔽，由此 使圖1中所示的溫度梯度的形成減弱。橫截面Q的平均深度T優(yōu)選小于80mm。高度H優(yōu)選 小于50mmο圖3示出了根據(jù)本發(fā)明的纖維復(fù)合構(gòu)件制造設(shè)備30，用于用前體12制造纖維復(fù)合 構(gòu)件。成形工具10是纖維復(fù)合構(gòu)件制造設(shè)備30的一部分，該成形工具用金屬制成并且具 有一個基面32，該基面在工作時與前體12的支承面14處于接觸并且在當(dāng)前情況下基本上 是平的。但基面32不必絕對是平的，而是原則上可具有任意形狀。為了不遮蔽微波28，基 面32無側(cè)凹。這就是說，存在一個用于微波源20的位置，從該位置起，微波28可在直接的 路徑上到達基面的任意點。基面32出于加工技術(shù)原因也有利地?zé)o側(cè)凹。對于很多應(yīng)用而 言，基面是凸面的或凹面的或者由彼此鄰接的凸面或凹面的部分面構(gòu)成。兩個用金屬制成的側(cè)面元件34. 1,34. 2從基面32基本上垂直向上延伸。這些側(cè) 面元件可拆卸地固定在一個基體36上。作為替換方案，側(cè)面元件34. 1、34.2—體地構(gòu)造在 基體36上。側(cè)面元件34. 1,34. 2具有對應(yīng)的工具邊緣38. 1,38. 2，這些工具邊緣朝向前體 12的前體邊緣18并且這些工具邊緣貼靠在前體邊緣18上。工具邊緣38. 1、38.2無側(cè)凹地 處于基面32上，這就是說，如果由前體12產(chǎn)生的纖維復(fù)合構(gòu)件是理想剛性的，則該纖維復(fù) 合構(gòu)件然后也可從成形工具10取出。為此不必移開側(cè)面元件34. 1,34. 2。這尤其是當(dāng)工具 邊緣38. 1,38.2在基面32上的投影處于支承面14之外時才實現(xiàn)。在一個作為替換方案的 實施形式中，一個側(cè)面元件或兩個側(cè)面元件34. 1,34. 2可以可拆卸并且可移動地與基體36連接。此外，纖維復(fù)合構(gòu)件制造設(shè)備30包括微波源20和未繪入的殼體，該殼體反射微波 28并且防止微波28輻射到殼體另一側(cè)的周圍環(huán)境中。圖4a示出了一個纖維復(fù)合構(gòu)件制造設(shè)備30，該纖維復(fù)合構(gòu)件制造設(shè)備包括未繪入的高溫計，該高溫計在用A'和B'標記的部位上測量前體12的溫度T。微波源20 (比較 圖3)于是可通過一個電控制裝置這樣控制，使得前體12上的預(yù)給定的溫度梯度或預(yù)給定 的最大溫度不被超過。如果溫度梯度和/或溫度變得過高，則電控制裝置下調(diào)微波源的功 率，由此，溫度差通過熱量引導(dǎo)到成形工具10中的過程而被找平或者過高的溫度通過熱量 引導(dǎo)到成形工具10的側(cè)面元件34中而下降。附加地，在邊緣區(qū)域22中可嵌入冷卻通道， 這些冷卻通道抵抗前體12的過度變熱或者過陡的溫度梯度的形成。圖4a示出了一個前體12，該前體置入到一個成形工具10中，該成形工具在其在 圖4a中所示的左側(cè)上如根據(jù)圖3的成形工具那樣并且在其右側(cè)上如根據(jù)圖2的成形工具 那樣來構(gòu)造。在用A或B標記的部位上，溫度通過熱電元件測量。在用虛線圓所示的區(qū)域 A'和B'中，前體12的溫度通過高溫計測量。圖4b示出了沿著Z-Z的橫剖面。圖4c中在時間上繪制了所測取的溫度曲線，在 該時間期間，在tBeginn開始并且在tEnde結(jié)束用800W微波功率輻射前體12。可以看到，所測 得的溫度在左側(cè)比在右側(cè)上升得明顯小。因為每單位面積總地輻射的能量恒定，所以這表 明前體12較均勻變熱——當(dāng)使用根據(jù)本發(fā)明的成形工具時。前體12具有大約300mm的寬 度、小于20mm例如小于IOmm的高度。此外，該前體具有大約120mm的深度。參考標號清單10成形工具12前體14支承面16輻射面18前體邊緣20微波源22邊緣區(qū)域24芯區(qū)域26. 1、26. 2 屏蔽裝置28微波30纖維復(fù)合構(gòu)件制造設(shè)備32基面34. 1、34. 2 側(cè)面元件36基體38. 1、38. 2 工具邊緣
權(quán)利要求
用于制造纖維復(fù)合構(gòu)件的方法，該方法具有步驟(a)將由纖維和母體材料構(gòu)成的前體(12)置入到成形工具(10)中，其中，該前體(12)具有環(huán)繞的前體邊緣(18)，以及(b)用微波(28)輻射該前體(12)，由此形成纖維復(fù)合構(gòu)件，其特征在于(c)將該前體(12)這樣置入到該成形工具(10)中，使得該前體邊緣(18)至少區(qū)段地與該成形工具(10)接觸。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其特征在于將該前體(12)基本上完全地以該前體邊緣 (18)與該成形工具(10)接觸。
3.根據(jù)上述權(quán)利要求之一的方法，其特征在于用微波(28)無遮蔽地輻射該前體 (12)。
4.根據(jù)上述權(quán)利要求之一的方法，其特征在于將該前體(12)置入到導(dǎo)電的成形工具 (10)、尤其是金屬的成形工具(10)中。
5.根據(jù)權(quán)利要求4的方法，其特征在于將該前體(12)這樣置入到該成形工具(10) 中，使得該前體(12)以該前體邊緣(18)與該成形工具(10)處于電接觸。
6.根據(jù)上述權(quán)利要求之一的方法，其特征在于為了輻射而使用具有選擇得這樣小的 強度的微波(28)，使得電弧形成基本上被抑制。
7.根據(jù)上述權(quán)利要求之一的方法，其特征在于將該前體(12)置入到冷卻的、尤其是 主動冷卻的成形工具(10)中，其中，該成形工具(10)尤其是在與該前體邊緣(18)處于接 觸的部位上被冷卻。
8.根據(jù)上述權(quán)利要求之一的方法，其特征在于所述纖維包括碳纖維。
9.根據(jù)上述權(quán)利要求之一的方法，其特征在于所述母體材料可通過聚合硬化。
10.根據(jù)上述權(quán)利要求之一的方法，其特征在于后面的工作步驟，尤其是變形、成形、彎 曲、涂裝、清潔、切削、拋光、磨削、腐蝕、涂層和/或安裝。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于制造纖維復(fù)合構(gòu)件的方法，該方法具有步驟將由纖維和母體材料構(gòu)成的前體(12)置入到成形工具(10)中，其中，該前體(12)具有環(huán)繞的前體邊緣(18)；用微波(28)輻射該前體(12)，由此形成纖維復(fù)合構(gòu)件。根據(jù)本發(fā)明提出，將該前體(12)這樣置入到該成形工具(10)中，使得該前體邊緣(18)至少區(qū)段地與該成形工具(10)接觸。
文檔編號B29C70/30GK101821076SQ200880110366
公開日2010年9月1日 申請日期2008年9月25日 優(yōu)先權(quán)日2007年10月18日
發(fā)明者L·赫貝克, M·波德科維特夫, M·邁爾, R·格雷貝爾 申請人:空中客車營運有限公司